微電網(wǎng)的保護(hù)特性分析

黃巨朋

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102611）

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

微電網(wǎng)（MG）保護(hù)方法的研究根據(jù)其運(yùn)行狀態(tài)的不同而變化，運(yùn)行狀態(tài)包括并網(wǎng)和孤島狀態(tài)，會(huì)產(chǎn)生一些特別的效果。在含分布式電源（DG）的配電網(wǎng)系統(tǒng)中表現(xiàn)為DG 的投入和退出會(huì)改變配電網(wǎng)的潮流方向和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)配電網(wǎng)的保護(hù)無(wú)法滿(mǎn)足DG 的保護(hù)要求。這可能會(huì)使傳統(tǒng)保護(hù)裝置的動(dòng)作原則失效，需要特別關(guān)注并尋找新的解決方案。

針對(duì)MG 保護(hù)面臨的一些關(guān)鍵難題，國(guó)內(nèi)外對(duì)MG 保護(hù)方法的研究主要聚焦于兩個(gè)方面：首先，借助通信系統(tǒng)的力量，結(jié)合廣域保護(hù)理念，實(shí)現(xiàn)對(duì)MG 的有效保護(hù)；其次，利用新型故障分量，通過(guò)繼電器的精確動(dòng)作，達(dá)到保護(hù)MG 的目的。這樣的研究旨在提升MG 保護(hù)的效率和精度，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障。這些研究工作在當(dāng)前的保護(hù)領(lǐng)域中具有重要意義，有助于提升電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。它利用同步相位測(cè)量裝置，并通過(guò)光纖通信鏈路成功構(gòu)建了MG的保護(hù)系統(tǒng)。此系統(tǒng)不僅具備檢測(cè)各類(lèi)常規(guī)故障類(lèi)型的能力，而且能確保繼電器在電壓電流數(shù)字采樣頻率為1.5 kHz 的情況下正確動(dòng)作。更值得一提的是，該系統(tǒng)還能發(fā)現(xiàn)高阻抗故障。其原理是利用通信系統(tǒng)完成了線路兩端相鄰保護(hù)的縱聯(lián)比較功能，從而能更精確地定位故障位置[1]。

根據(jù)MG 結(jié)構(gòu)的高度可調(diào)性，實(shí)施了一種節(jié)點(diǎn)探索策略。在探索過(guò)程中，專(zhuān)注于監(jiān)測(cè)最大的電流正序分量以及電流的方向。這些數(shù)據(jù)在判斷故障時(shí)起到了決定性的作用。在設(shè)定保護(hù)動(dòng)作閾值時(shí)，人們采取了精確嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，同時(shí)引入了靈活的延遲序列，并與自適應(yīng)調(diào)整的保護(hù)動(dòng)作時(shí)限相互配合。這樣的策略使得各級(jí)保護(hù)裝置能夠協(xié)同工作，共同確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。這兩種策略均不以故障電流的幅值為啟動(dòng)條件，實(shí)現(xiàn)了故障線路的準(zhǔn)確隔離，增強(qiáng)了保護(hù)策略的適應(yīng)性[2-3]。在這個(gè)方案中，采納了集約式通信結(jié)構(gòu)的先進(jìn)理念。這意味著每個(gè)斷路器內(nèi)部都裝載了MG 系統(tǒng)的終端設(shè)備MTU。然而，這僅僅是冰山一角。更為精妙的是，在MG 系統(tǒng)中設(shè)置了一個(gè)核心保護(hù)單元。這個(gè)核心單元就如同大腦一般，掌控著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作。它的主要任務(wù)是處理各種故障信息，并迅速將行動(dòng)指令發(fā)送給每一個(gè)斷路器的MTU。接到指令后，MTU 會(huì)立即行動(dòng)，精確控制斷路器跳閘，從而將故障區(qū)域完美地隔離出來(lái)。這樣的設(shè)計(jì)不僅提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，也大大增強(qiáng)了其應(yīng)對(duì)故障的能力。該故障定位方法以故障電流方向?yàn)榕袆e條件，為了實(shí)現(xiàn)各保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間序列，利用分層協(xié)調(diào)的理念，將保護(hù)分成配電網(wǎng)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)和微源級(jí)3 層，保證了保護(hù)系統(tǒng)各級(jí)動(dòng)作的選擇性[4]。

近年來(lái)，盡管?chē)?guó)內(nèi)外在MG 保護(hù)方法的研究上取得了一些進(jìn)步，但依然存在不少短板和挑戰(zhàn)。在不涉及通信的情境下，大部分研究主要集中在探索新的故障判據(jù)和保護(hù)動(dòng)作原理上，這無(wú)疑增加了保護(hù)策略的復(fù)雜性。更重要的是，新的故障判據(jù)往往需要新的保護(hù)設(shè)備來(lái)執(zhí)行，這無(wú)疑增加了MG 的運(yùn)營(yíng)成本。而且，當(dāng)前的研究對(duì)于繼電保護(hù)裝置可能出現(xiàn)的拒動(dòng)和誤動(dòng)問(wèn)題尚未給予足夠的重視，這可能導(dǎo)致保護(hù)設(shè)備的可靠性降低，從而影響整個(gè)MG 的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性。因此，未來(lái)的研究需要更加深入地探討如何在確保保護(hù)設(shè)備可靠性的同時(shí)，降低其復(fù)雜性以及運(yùn)營(yíng)成本，以更好地推進(jìn)微電網(wǎng)的發(fā)展和應(yīng)用。因此，未來(lái)需要進(jìn)一步改進(jìn)MG 保護(hù)方法，提高其可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

2 微電網(wǎng)保護(hù)特性分析

MG 保護(hù)特性的分析就是結(jié)合MG 本身的故障特性和運(yùn)行特性，分析傳統(tǒng)的配電網(wǎng)保護(hù)方式在MG 的適應(yīng)性，為MG保護(hù)方法的研究提供理論基礎(chǔ)。影響MG 保護(hù)的因素主要有（1）：MG 與配電網(wǎng)的隔離策略，即當(dāng)故障發(fā)生在MG 或配電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)時(shí)，MG 與配電網(wǎng)的連接點(diǎn)PCC 的動(dòng)作方案；（2）MG 不同的接地方式對(duì)保護(hù)的影響；（3）MG 的運(yùn)行方式對(duì)保護(hù)的影響以及即插即用的微電源特性對(duì)保護(hù)的影響。

MG 的可靠接地是保證MG 以及設(shè)備安全運(yùn)行的基礎(chǔ)保障，接地方式的不同對(duì)MG 的故障特性影響不同[5]。針對(duì)電壓等級(jí)為0.4 kV 的MG 系統(tǒng)模型的低壓配電，從故障電流幅值的角度分析，在系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，TN 系統(tǒng)產(chǎn)生的故障電流最大，同時(shí)，TN 系統(tǒng)中的設(shè)備接觸電壓小，能為低壓用戶(hù)的安全提供更可靠的保證[6]。

2.1 微電網(wǎng)與配電網(wǎng)的隔離策略

2.1.1 隔離策略

影響MG 與配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的因素有：MG 與配電網(wǎng)的功率交換量、MG 的地理環(huán)境、MG 中的負(fù)荷等級(jí)及特性，以及配電網(wǎng)的重合閘方式等，MG 孤島運(yùn)行和故障穿越運(yùn)行有以下策略。

1）在含有敏感負(fù)荷的MG 與配電功率交換不大，且MG本身的系統(tǒng)容量滿(mǎn)足當(dāng)?shù)刎?fù)荷要求的情況下，MG 可以無(wú)選擇地?cái)嚅_(kāi)與采用前加速式重合閘的配電網(wǎng)的連接開(kāi)關(guān)PCC，無(wú)論是MG 內(nèi)部故障或是配電網(wǎng)故障。

2）在MG 與配電網(wǎng)功率交換量較大的情況下，無(wú)論是MG內(nèi)部故障，還是配電網(wǎng)故障，都保持MG 與加速式重合閘的配電網(wǎng)的互聯(lián)。

3）當(dāng)MG 發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，聯(lián)絡(luò)線上的PCC 開(kāi)關(guān)可無(wú)選擇性跳閘，但當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，保持MG 仍保持與配電網(wǎng)的互聯(lián)運(yùn)行狀態(tài)[7-8]。

以策略2）為基礎(chǔ)研究聯(lián)絡(luò)線的保護(hù)方案，只有當(dāng)大電網(wǎng)或配電網(wǎng)無(wú)法為MG 系統(tǒng)供電時(shí)，MG 才做孤島運(yùn)行，此時(shí)聯(lián)絡(luò)線開(kāi)關(guān)應(yīng)跳開(kāi)。導(dǎo)致此類(lèi)情況發(fā)生的原因可能是聯(lián)絡(luò)線上或聯(lián)絡(luò)線上一級(jí)線路發(fā)生故障。

2.1.2 聯(lián)絡(luò)線保護(hù)方案

當(dāng)MG 與配電網(wǎng)隔離采用策略2）時(shí)，聯(lián)絡(luò)線保護(hù)方案設(shè)計(jì)主要解決兩個(gè)問(wèn)題：（1）聯(lián)絡(luò)線出現(xiàn)故障時(shí)可靠地切除故障；（2）MG 或配電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，要減少網(wǎng)絡(luò)中低電壓對(duì)微電源的危害。對(duì)于第2 個(gè)問(wèn)題，在各微電源處安裝電壓偏移可實(shí)現(xiàn)保護(hù)。聯(lián)絡(luò)線保護(hù)方案的設(shè)計(jì)亦存在2 個(gè)難點(diǎn)：（1）靠近MG 側(cè)的保護(hù)設(shè)計(jì)要充分考慮到MG 故障特性對(duì)保護(hù)的影響；（2）靠近配電網(wǎng)側(cè)的保護(hù)設(shè)計(jì)可看作為雙電源系統(tǒng)的保護(hù)設(shè)計(jì)，要充分考慮到保護(hù)靈敏度的問(wèn)題。

2.2 微電源特性對(duì)微電網(wǎng)保護(hù)的影響

2.2.1 微電源的容量以及接入位置的不同

在MG 系統(tǒng)中，微電源容量的大小、接入位置的不同，以及微電源的控制方式均會(huì)對(duì)MG 的保護(hù)造成影響，導(dǎo)致傳統(tǒng)保護(hù)選擇紊亂、保護(hù)靈敏度降低等問(wèn)題，使傳統(tǒng)保護(hù)方式，尤其是過(guò)電流保護(hù)，難以適用于MG 系統(tǒng)中。

微電源接入MG 中同一條線路的不同位置，以及接入微電源的容量大小不同，對(duì)保護(hù)選擇性的影響亦有所不同。

2.2.2 保護(hù)靈敏度降低

微電源或DG 故障退出運(yùn)行時(shí)會(huì)對(duì)原供電系統(tǒng)的保護(hù)靈敏度產(chǎn)生影響。

DG 或微電源并網(wǎng)點(diǎn)在故障穩(wěn)態(tài)時(shí)的電勢(shì)Uk1計(jì)算式為：

兩電動(dòng)勢(shì)之差為：

由以上分析可知，在DG 或MG 并網(wǎng)運(yùn)行的情況下，由于微電源的接入，同一故障點(diǎn)的電勢(shì)比DG 未接入時(shí)有所增加，導(dǎo)致大電網(wǎng)向故障點(diǎn)饋送的電流減小，而總的故障電流有所增加。所以，在DG 并網(wǎng)情況下，線路保護(hù)整定值Ikmin（Ikmin為本段線路末端最小運(yùn)行方式下兩相金屬性短路電流）要大于非DG 并網(wǎng)情況下的整定值。

2.3 微電網(wǎng)的運(yùn)行方式對(duì)保護(hù)的影響

MG 既可以并網(wǎng)運(yùn)行，又可以孤網(wǎng)運(yùn)行，在這兩種不同的運(yùn)行方式下，MG 的故障特性差異很大，這無(wú)疑給MG 保護(hù)設(shè)置帶來(lái)了挑戰(zhàn)。在MG 系統(tǒng)中，多數(shù)微電源需要經(jīng)過(guò)電力電子裝置與系統(tǒng)接口實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)或供電，而基于電力電子裝置的微電源無(wú)法提供較大的短路電流，主要原因有兩方面：（1）電力電子器件缺乏慣性，無(wú)法像傳統(tǒng)大電網(wǎng)中具有大慣性旋轉(zhuǎn)式發(fā)電機(jī)一樣，既可利用慣性維持系統(tǒng)的穩(wěn)定，又可提供足夠大的短路故障電流；（2）電力電子裝置本身載流能力的限制，逆變型微電源的故障電流輸出一般被限制在額定電流的2 倍左右。對(duì)于逆變器等裝置造成的故障電流較小問(wèn)題，受影響較大的為孤島運(yùn)行的MG，而并網(wǎng)運(yùn)行的MG 其故障電流是由配電網(wǎng)系統(tǒng)以及微電源共同提供，且配電網(wǎng)提供的故障電流足夠大，完全滿(mǎn)足保護(hù)裝置的動(dòng)作閾值。

對(duì)于電力電子裝置導(dǎo)致孤網(wǎng)運(yùn)行的MG 故障電流不易檢測(cè)問(wèn)題，可采取用兩種方法解決：（1）增大電力電子器件的容量，但是，會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)成本投資過(guò)大，而且存在的技術(shù)難題亦較大；（2）借助儲(chǔ)能單元的放電特性，在孤島運(yùn)行的MG 發(fā)生故障時(shí)，大容量的儲(chǔ)能單元提供的故障電流占主要地位，而逆變器（IBDG）提供的故障電流僅占小部分。

MG 不同的運(yùn)行方式所帶來(lái)的不同故障特性對(duì)傳統(tǒng)繼電保護(hù)提出了挑戰(zhàn)，一般有兩種應(yīng)對(duì)方法：（1）設(shè)置兩種不同的保護(hù)，分別對(duì)應(yīng)于MG 孤島和并網(wǎng)不同的運(yùn)行狀態(tài)，兩種保護(hù)可根據(jù)預(yù)設(shè)的限制條件實(shí)現(xiàn)互相之間的切換。但是，保護(hù)配置更加復(fù)雜，經(jīng)濟(jì)上不一定可行。（2）設(shè)計(jì)適用于MG 不同運(yùn)行狀態(tài)下的同一保護(hù)方法，主要難點(diǎn)在于適應(yīng)性要求更高，保護(hù)方法更難實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

本文從傳統(tǒng)配電網(wǎng)保護(hù)方法的角度出發(fā)，分析了影響MG 保護(hù)方案設(shè)計(jì)的不同因素。通過(guò)MG 系統(tǒng)在故障情況下的不同隔離策略，提出了MG 基于故障穿越運(yùn)行的聯(lián)絡(luò)線保護(hù)方法。同時(shí)，MG 的運(yùn)行方式的變化、微電源接入系統(tǒng)的容量和位置的不同，以及MG 的接地系統(tǒng)不同等因素，均會(huì)導(dǎo)致MG 的故障運(yùn)行特性有所變化，給MG 系統(tǒng)的保護(hù)技術(shù)的研究帶來(lái)挑戰(zhàn)。