基于組播通信技術(shù)的多源微網(wǎng)保護(hù)方案研究

潘漢廣 方存洋 呂 亞

（南瑞集團(tuán)有限公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司），江蘇南京211106）

0 引言

目前傳統(tǒng)的保護(hù)大多是采用分散式保護(hù)裝置，這種保護(hù)裝置每一臺能夠得到的系統(tǒng)信息有限，無法對整個(gè)微網(wǎng)系統(tǒng)的故障做出準(zhǔn)確判斷，需要多臺裝置的相互配合才可能實(shí)現(xiàn)整個(gè)變電站的保護(hù)要求。但在智能電網(wǎng)中靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、不固定的運(yùn)行方式使孤立單一的保護(hù)裝置定值整定困難，信息少使得保護(hù)性能受影響或判斷太復(fù)雜；需要多臺裝置相互配合，要求的PT和CT多，電纜使用量大；帶來了維護(hù)難度大、價(jià)格高等一系列問題，所以研究新型的適用于微電網(wǎng)的保護(hù)裝置勢在必行。

1 微網(wǎng)系統(tǒng)保護(hù)現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外學(xué)者對微電網(wǎng)保護(hù)的研究方向主要有：在DG接入的情況下使傳統(tǒng)配電網(wǎng)保護(hù)受到的影響最小；不考慮對傳統(tǒng)配電網(wǎng)的影響而找到較完善的保護(hù)方法來應(yīng)對DG的接入，概括而言，主要有以下幾種：

（1）配電網(wǎng)故障時(shí)，DG立即退出，傳統(tǒng)配電網(wǎng)的保護(hù)不受影響。

從工程角度考慮，故障發(fā)生時(shí)DG迅速離網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡單方便，可靠性高，因此，目前一些標(biāo)準(zhǔn)如IEEE 1547要求并網(wǎng)DG在發(fā)生故障以及自動(dòng)重合閘前都要離網(wǎng)。

對采用此種處理方式來說，保護(hù)整定相對比較簡單，傳統(tǒng)的配網(wǎng)保護(hù)即可滿足要求，但也存在著當(dāng)?shù)刎?fù)荷供電可靠性不高的情況。另外，由于傳統(tǒng)的配網(wǎng)保護(hù)基本采用過流保護(hù)，在有微網(wǎng)接入的配電網(wǎng)范圍不大，分段距離不長，段數(shù)較多，相鄰端保護(hù)的整定電流值相差不大時(shí)，只能通過時(shí)間上的整定來區(qū)分故障區(qū)域，這樣就造成越是靠近變電所電源側(cè)的時(shí)間整定越長，故障切除速度較慢，會(huì)對運(yùn)行設(shè)備的安全造成威脅。

例如對圖1中的微電網(wǎng)來說，在設(shè)計(jì)之初，為了提高DG附近負(fù)荷的供電可靠性，考慮當(dāng)正常運(yùn)行時(shí)，外網(wǎng)和DG同時(shí)運(yùn)行，外網(wǎng)故障時(shí)，切除DG與外網(wǎng)之間的P3、P4連接開關(guān)，改由DG對當(dāng)?shù)刎?fù)荷供電，形成離網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，如果按照配電網(wǎng)故障時(shí)，DG立即退出的要求，P1、P2、P3之間的配電網(wǎng)故障時(shí)，DG退出后，當(dāng)?shù)刎?fù)荷就失去電源，只好停電，這樣無疑限制了DG的效能發(fā)揮，造成了負(fù)荷失電的損失，直接限制了新能源的利用。

圖1 簡單微電網(wǎng)架構(gòu)

在此情況下，實(shí)際上如果安裝在P1、P2、P3、P4等處的保護(hù)測控裝置能夠正確知道其他各點(diǎn)是否過電流、電流的流向，完全可以有針對性地跳開故障區(qū)域周圍相互關(guān)聯(lián)的開關(guān)，做到有針對性地動(dòng)作，把停電范圍限制到最小。

（2）差動(dòng)保護(hù)的使用。

差動(dòng)保護(hù)作為電氣設(shè)備的主保護(hù)，靈敏性高，選擇信號，動(dòng)作時(shí)間短，不用考慮和其他級別的保護(hù)相互配合，因而成功地使用在發(fā)變組保護(hù)、變壓器保護(hù)、大型電動(dòng)機(jī)保護(hù)、母線保護(hù)和短線路保護(hù)中。所以，目前在微網(wǎng)保護(hù)中有人感覺傳統(tǒng)的過流保護(hù)無法滿足選擇性、速動(dòng)性要求時(shí)，往往傾向于使用差動(dòng)保護(hù)來解決問題。

有文獻(xiàn)提出由于差動(dòng)保護(hù)不受運(yùn)行方式變化的限制，不受潮流變化的影響，使用光纖縱差來解決智能電網(wǎng)中分布式電源接入的保護(hù)選擇問題，但在此文獻(xiàn)中光纖差動(dòng)保護(hù)接入多側(cè)電流，把每一節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的所有線路電流接入一臺差動(dòng)保護(hù)裝置，在文獻(xiàn)舉例中就至少接入了5條線路的電流來作為保護(hù)動(dòng)作的判斷依據(jù)，造成保護(hù)裝置接線和邏輯判斷復(fù)雜，甚至遠(yuǎn)高于母線保護(hù)，投資成本高，利用的實(shí)際價(jià)值不大。

有文獻(xiàn)提出了圖2所示的3/2斷路器接線構(gòu)成的一處開關(guān)站，帶DG與負(fù)荷的線路作為一個(gè)元件接入某串，微網(wǎng)內(nèi)某個(gè)元件發(fā)生故障時(shí)，由差動(dòng)保護(hù)迅速切除該串元件。

圖2 接入3/2斷路器接線開關(guān)站的微電網(wǎng)架構(gòu)

此種接線的主要優(yōu)點(diǎn)是克服了上文（1）中提到的外部故障時(shí)要求斷開DG的不足，提高了DG附近負(fù)荷的供電可靠性，但是在此差動(dòng)保護(hù)中也要接入至少4條線路電流來作為差動(dòng)保護(hù)的計(jì)算電流，保護(hù)裝置接線仍然較為復(fù)雜，并且為了和兩側(cè)配電網(wǎng)的過流保護(hù)相配合，3/2斷路器中兩端母線斷路器還必須安裝過流保護(hù)裝置。

（3）網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)微電網(wǎng)保護(hù)。

有文獻(xiàn)提出了以通信為基礎(chǔ)，構(gòu)成微網(wǎng)級的通信網(wǎng)絡(luò)，利用微網(wǎng)多處的電流、電壓信息進(jìn)行綜合分析判斷，從而實(shí)現(xiàn)對微網(wǎng)的保護(hù)。此種保護(hù)方式接近于數(shù)字化變電站的保護(hù)模式，需要快速可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，采樣多點(diǎn)電壓、電流信息的同步，網(wǎng)絡(luò)要求較高，需要監(jiān)控系統(tǒng)或?qū)ｉT的保護(hù)管理裝置實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)各個(gè)部分的故障判斷。

此種方式目前主要存在的問題是保護(hù)完全依賴于通信，監(jiān)控系統(tǒng)或?qū)ｉT的保護(hù)管理裝置需要采集微電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部所有的線路和開關(guān)信息，僅一臺裝置（計(jì)算機(jī)或裝置）完成整個(gè)微電網(wǎng)保護(hù)不符合保護(hù)對可靠性的要求，此臺裝置通信中斷或裝置異常都將造成整個(gè)微網(wǎng)失去保護(hù)，對此臺裝置的可靠性要求太高。

2 采用組播通信方式實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)保護(hù)的方案

實(shí)際上微網(wǎng)的保護(hù)方式與傳統(tǒng)的保護(hù)方式存在著很大的不同：（1）潮流的雙向流動(dòng)；（2）在并網(wǎng)和孤網(wǎng)運(yùn)行下的微網(wǎng)，其線路上分布著多個(gè)DG，由于各種DG的性能不同，DG對線路的短路電流有不同的控制模式，造成短路電流的大小也各不相同，因此，如何在不同的運(yùn)行狀態(tài)下，對微網(wǎng)內(nèi)部故障做出正確處理，并在并網(wǎng)情況下快速感知主網(wǎng)故障，同時(shí)保證保護(hù)的選擇性、快速性、可靠性和靈敏性，是微網(wǎng)保護(hù)技術(shù)的關(guān)鍵和難點(diǎn)。

對于微網(wǎng)的保護(hù)裝置來說，要想準(zhǔn)確判斷出故障點(diǎn)的位置，對故障采取正確的應(yīng)對措施，保護(hù)功能除了需要知道本保護(hù)對象的運(yùn)行信息外，還需要知道其他相關(guān)聯(lián)線路和開關(guān)的狀態(tài)信息，才能準(zhǔn)確判斷出故障點(diǎn)的范圍和性質(zhì)，做出正確的反應(yīng)。其判斷的邏輯要求不能過于復(fù)雜，考慮到通信的快速性，采用其他裝置的信息不能太多，以免出現(xiàn)故障時(shí)，本保護(hù)裝置不能得到其他關(guān)聯(lián)裝置發(fā)出的實(shí)時(shí)信號。

基于組播通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)多源微網(wǎng)保護(hù)的方法：微電網(wǎng)中包括與斷路器一一對應(yīng)的保護(hù)測控裝置和一臺交換機(jī)，保護(hù)測控裝置包括兩個(gè)網(wǎng)口，分別記為A網(wǎng)口和B網(wǎng)口，其中A網(wǎng)口接交換機(jī)、與監(jiān)控相連，B網(wǎng)口接相鄰保護(hù)測控裝置的B網(wǎng)口、實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)握手；對該微電網(wǎng)中的非網(wǎng)絡(luò)末梢部分以相鄰兩個(gè)或三個(gè)以上斷路器所確定區(qū)域?yàn)閱卧W(wǎng)絡(luò)末梢部分以末梢饋線斷路器所分割的下游區(qū)域?yàn)閱卧?，將整個(gè)微電網(wǎng)劃分為若干最小區(qū)域，以每一個(gè)最小區(qū)域作為一個(gè)保護(hù)裝置關(guān)聯(lián)區(qū)域；將一個(gè)保護(hù)裝置關(guān)聯(lián)區(qū)域內(nèi)的保護(hù)測控裝置設(shè)為一組，同組保護(hù)測控裝置之間利用組播廣播方式傳輸信號，并設(shè)置遙信變位信號為最高優(yōu)先傳送等級；每臺保護(hù)測控裝置各自對接收信號與自身采集信號綜合進(jìn)行邏輯判斷，診斷故障并隔離故障區(qū)域。

本方案基于現(xiàn)有的微電網(wǎng)，相比分布決策模式進(jìn)行微電網(wǎng)故障處理的方法，取消了保護(hù)主控制器，但保留了保護(hù)測控裝置與保護(hù)主控制器的連接網(wǎng)口，用以上傳信息，更新任務(wù)及數(shù)據(jù)；利用保護(hù)測控裝置與微網(wǎng)內(nèi)斷路器一一對應(yīng)的關(guān)系，采集各線路電氣信息，通過相關(guān)保護(hù)測控裝置的保護(hù)信息交互，在各個(gè)保護(hù)測控裝置上就地完成保護(hù)信息邏輯判斷，完成故障隔離任務(wù)，此方案既能準(zhǔn)確判斷微電網(wǎng)的故障區(qū)域，也能保證動(dòng)作的快速性。

為了使得保護(hù)測控裝置能夠快速、可靠地工作，必須規(guī)定其信息交換范圍，對一個(gè)保護(hù)裝置關(guān)聯(lián)區(qū)域的劃分進(jìn)行分析；也就是規(guī)定保護(hù)測控裝置之間的信息交換范圍，通過故障時(shí)一定區(qū)域內(nèi)的信息交換定位故障。

由故障隔離的一般原理可知，可實(shí)現(xiàn)隔離的最小區(qū)域?yàn)橄噜彽膬蓚€(gè)或多個(gè)斷路器所確定的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，對于網(wǎng)絡(luò)末梢，則是由末梢饋線斷路器所分割的下游區(qū)域；表現(xiàn)在微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中為兩個(gè)或多個(gè)斷路器所確立的饋線段、配變、母線、T接區(qū)域或末梢饋線。那么，考慮將此最小區(qū)域作為保護(hù)裝置的關(guān)聯(lián)區(qū)域，可最大限度地縮小故障隔離區(qū)域，同時(shí)亦可縮小保護(hù)測控裝置的信息交換范圍，減小網(wǎng)絡(luò)通信負(fù)擔(dān)，實(shí)現(xiàn)信息的快速交互。

圖3所示為一種含分布式電源/儲(chǔ)能的微電網(wǎng)系統(tǒng)，包括若干斷路器、與斷路器一一對應(yīng)的保護(hù)測控裝置和一臺交換機(jī)，保護(hù)測控裝置包括兩個(gè)網(wǎng)口，分別記為A網(wǎng)口和B網(wǎng)口，其中A網(wǎng)口接交換機(jī)、與監(jiān)控相連，B網(wǎng)口接相鄰保護(hù)測控裝置的B網(wǎng)口、實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)握手。

圖3 典型含分布式電源/儲(chǔ)能的微電網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

對該微電網(wǎng)中的非網(wǎng)絡(luò)末梢部分以相鄰兩個(gè)或三個(gè)以上斷路器所確定區(qū)域?yàn)閱卧?，網(wǎng)絡(luò)末梢部分以末梢饋線斷路器所分割的下游區(qū)域?yàn)閱卧瑢⒄麄€(gè)微電網(wǎng)劃分為若干最小區(qū)域，以每一個(gè)最小區(qū)域作為一個(gè)保護(hù)裝置關(guān)聯(lián)區(qū)域，也就是作為一組。圖3中的微電網(wǎng)可以劃分為：斷路器P1、P2、P9組成的區(qū)域（圖4），P2、P3、P4組成的區(qū)域（圖5），P4、P5、P7組成的區(qū)域等多個(gè)區(qū)域，這些區(qū)域即為實(shí)現(xiàn)故障隔離的最小區(qū)域。

整個(gè)微電網(wǎng)內(nèi)部采用光纖通信，將微電網(wǎng)中所有保護(hù)測控裝置的A網(wǎng)口接在同一臺100M/1 000M交換機(jī)上，充分利用網(wǎng)絡(luò)通信的快速性，在運(yùn)行過程中，每一臺保護(hù)測控裝置都檢測本裝置線路的電流過流、電壓降低、功率方向、開關(guān)位置等遙信信號，采用VLAN技術(shù)，把同一關(guān)聯(lián)區(qū)域的保護(hù)測控裝置設(shè)為一組，同組保護(hù)測控裝置之間利用組播廣播傳輸，把需要交互傳送的遙信變位信號設(shè)為最高優(yōu)先傳送等級，大大加快了保護(hù)測控裝置之間的信息傳送速度。

圖4 安裝在斷路器P1、P2、P9處的保護(hù)測控裝置動(dòng)作判斷邏輯

圖5 安裝在斷路器P2、P3、P4處的保護(hù)測控裝置動(dòng)作判斷邏輯

針對B網(wǎng)口，采用定時(shí)中斷查詢方式實(shí)現(xiàn)通信，通過CPU定時(shí)器開啟1 ms（可設(shè)定）中斷，每次中斷對B網(wǎng)口進(jìn)行查詢，是否有報(bào)文，如有報(bào)文馬上接收、處理并啟動(dòng)保護(hù)程序；針對不同網(wǎng)卡接口方式，讀取一幀報(bào)文時(shí)間一般在10～100 μs，報(bào)文大小為1K左右；處理并啟動(dòng)保護(hù)程序的時(shí)間主要取決于CPU性能，一般控制在120 μs以內(nèi)，優(yōu)選100 μs左右；這樣，保護(hù)測控裝置之間信息交換就能在5 ms內(nèi)完成；拋開交換機(jī)抖動(dòng)等鏈路延時(shí)，10 ms左右就能完成一幀報(bào)文的完整交換。

例如裝置1發(fā)送報(bào)文到裝置2過程：

（1）裝置1變位組包：100 μs左右；

（2）寫入網(wǎng)卡緩沖區(qū)：100 μs左右；

（3）鏈路傳輸：10 μs左右，碰到交換機(jī)最大抖動(dòng)會(huì)產(chǎn)生最大5 ms延時(shí)；

（4）裝置2從網(wǎng)卡讀取數(shù)據(jù)：100 μs左右；

（5）處理數(shù)據(jù)并啟動(dòng)保護(hù)：100 μs左右。

由于（1）（2）兩部分在中斷中完成，故此誤差最大1 ms；由于（4）（5）兩部分在中斷中完成，故此誤差最大1 ms；總體時(shí)間：2+5+2=9 ms。

判斷故障隔離信息交互的時(shí)間在10 ms左右，而對于微電網(wǎng)內(nèi)具有的分布式電源/儲(chǔ)能裝置的逆變器來說，出現(xiàn)外部故障自身會(huì)自動(dòng)閉鎖工作的時(shí)間要大于這個(gè)時(shí)間，這樣只要在分布式電源及儲(chǔ)能逆變器閉鎖自身之前把故障隔離，就可以保證分布式電源及儲(chǔ)能逆變器繼續(xù)正常工作。

本文提供的多源微網(wǎng)保護(hù)方法，只要通過微電網(wǎng)監(jiān)控后臺，按照微電網(wǎng)的實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)拓?fù)淝闆r，生成各個(gè)保護(hù)裝置的判斷出口邏輯腳本文件并下發(fā)到各保護(hù)裝置，在目前的保護(hù)測控裝置中，對本保護(hù)測控裝置相關(guān)信息和其他相關(guān)的裝置信息進(jìn)行邏輯判別即可實(shí)現(xiàn)迅速、有選擇性地切除故障，比差動(dòng)保護(hù)具有更好的靈活性和更大的應(yīng)用范圍；在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化時(shí)，只要自動(dòng)重新下發(fā)保護(hù)裝置的邏輯判斷腳本就可以適應(yīng)新的保護(hù)要求。

如果遇到整個(gè)通信系統(tǒng)故障，對于每一臺裝置來說還可以繼續(xù)完成保護(hù)功能，只是這時(shí)變成了普通的三段式過流保護(hù)裝置，保護(hù)的選擇性變得不如通信系統(tǒng)正常時(shí)。

3 通信方式的引入在微網(wǎng)保護(hù)中的推廣和影響

此種保護(hù)方式對現(xiàn)在大部分的保護(hù)裝置來說都不需要做太大的修改，也避免了采用比如限制DG容量的接入位置與接入容量，使用故障電流限制手段如故障限流器等使故障時(shí)DG的短路電流降低等手段來對DG進(jìn)行限制，如果配電網(wǎng)遠(yuǎn)動(dòng)部分安裝了大量的PV裝置，發(fā)生故障時(shí)相電流可能會(huì)沒有明顯的升高，這樣過電流保護(hù)就不能正確地檢測到，如果電流很低，保護(hù)檢測不到，卻可以造成危險(xiǎn)的接觸過電壓，而且這樣的永久故障將會(huì)蔓延而損壞更多的設(shè)備，使得許多設(shè)備處于不安全的運(yùn)行狀態(tài)。這種情況下，采用本文保護(hù)方式可以通過系統(tǒng)提供的短路電流增大和電流方向改變迅速判斷故障區(qū)域，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)故障隔離。

以太網(wǎng)通信是目前保護(hù)裝置的基本通信方式，在當(dāng)?shù)乇O(jiān)控后臺系統(tǒng)中只要能提供腳本配置的功能，就可以滿足全部微電網(wǎng)的速動(dòng)性和選擇性要求。此方式把每臺裝置看做是網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)相互關(guān)聯(lián)點(diǎn)，對整個(gè)微網(wǎng)的保護(hù)功能來說有極大的提高，正如現(xiàn)代戰(zhàn)爭中每一個(gè)士兵、飛機(jī)、戰(zhàn)車都是整個(gè)系統(tǒng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，都可為全局提供參考信息，對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能的提高具有著十分重大的意義。