微網線路保護綜述*

夏令琴，李鳳婷

（新疆大學 電氣工程學院，烏魯木齊830047）

0 引 言

微電網（Micro-grid，MG）通過公共連接點（Point of Common Coupling，PCC）與電網連接，是一個可以自我控制、保護和管理的自治系統，它集成應用分布式電源（Distributed Generator，DG），為 DG的有效利用提供了途徑［1-3］。微網并網運行時可以視為可控的負荷或發電機，微網內負荷可以同時由電網和DG供電；當上級電網發生故障時，微網可以無縫轉換到孤島模式運行并自我控制，持續對內部重要或全部負荷供電，增強了供電的可靠性。

微網并網時線路發生故障短路電流較大，而離網時線路發生故障因逆變器限流的原因由逆變型微源提供的短路電流較小（限制在兩倍額定電流以內）。微源接入及微源“即插即用”的特點加重了潮流分布、故障電流的不確定性。這些都使得基于固定值的傳統保護方案不再適用。由于微網大多接在中低壓配電網，有關微網的保護并沒有引起足夠的重視，大多配以簡單的過電流保護；但微網的特殊性使得過電流保護不再適用，亟需發掘適用于微電網的保護方案。為此，國內外學者展開了大量研究，取得了一定的研究成果。

文中詳細分析了微網不同運行方式，微源投退、布局容量、控制方式等對常規低壓線路保護帶來的影響。分三類著重綜括了國內外微網線路保護的研究熱點：基于本地量、中央控制和分區的微網線路保護。最后探討了微網線路保護可能的發展方向。

1 微網的結構及運行特點

低壓微網大多采用簡單的放射狀網架結構［4］，如圖1所示，如美國俄亥俄州的Dolan微網平臺和我國浙江南麂島離網型微電網項目，或者采用閉環設計開環運行結構。

圖1 典型微網結構Fig.1 Typical structure of themicro-grid

微網大多數情況下既可并網運行，也可孤網運行，同時微源投退具有不確定性。微源按不同電源類型大致可以分為三類：直流型、交直交型和交流型。直流-交流式并網方式將直流電能經逆變器接入交流電網；交直交式并網方式將交流電能經整流變為直流電能后，再經逆變器接入電網；交流式不需經逆變器，直接并網運行。其中微網中有不少經逆變器并網的微源，它們缺少同步電機的電磁暫態特性，其慣性僅依賴逆變器直流側的電容，使得微網具有慣性小、響應速度快等特點［5-7］。

2 微網對傳統保護的挑戰

微網并/離網運行方式故障電流差距較大，微源投退、布局容量、控制方式等影響故障電流大小和方向，因此基于固定值的傳統過流保護方案不再適用于微網。

2.1 微網不同運行方式

微網的運行方式不同，故障電流的大小不同，因此微網保護整定值也應不同。微網并網運行時，圖2（a）中F1處短路，流過2處保護的故障電流由系統（IS）和微源（IDG1）提供，其中主要由系統提供；而離網運行時，圖2（b）中F1處短路，PCC點靜態開關斷開，流過2處保護的故障電流只有微源（IDG1）提供，其幅值較小。當DG1是逆變器型的微源時，故障電流更小。這是由于含逆變器型的微源故障電流注入能力被限制在兩倍額定電流以內，且衰減迅速，100 ms內即下降并穩定在 1.1～1.2倍額定電流［6，8］，使得基于固定電流值的保護很難可靠動作。

圖2 微網并網和離網F1處短路故障電流路徑Fig.2 Fault current routeswhen short circuit occurs at the F1 in islanded mode and in grid-connected mode

綜上，微網并網運行時，故障電流較大；離網運行時，只有微源為其提供故障電流，故障電流較小。這使得基于固定值的傳統保護方案不能正確動作，因此微網線路保護的配置必須能適應微網不同的運行方式。

2.2 微源投退

單個微源在微網中具有“即插即用”的特點，意味著微源可以隨時接入或者退出微網，這導致微網線路故障時故障電流的不確定性，使得傳統保護方案不適用于微網［1］。如圖3（a），F2處發生短路故障時，流過保護4處的故障電流由系統和微源提供（IS、IDG1、IDG3）提供；如圖 3（b），當 DG3退出運行時，F2處發生短路故障，流過保護4處的故障電流只有IS、IDG1。DG的投退影響了故障電流的大小。而傳統無源配電網F2處短路時，右側無故障電流因此也無保護安裝，DG4接入配網后F2處短路時向故障點提供反向故障電流，在右側無保護的情況下會造成故障持續甚至繼續發展，影響供電的可靠性。

圖3 DG3接入和退出F2處短路故障電流路徑Fig.3 Fault current routeswhen DG3 plugs in or out and short circuit occurs at the F2

2.3 微源布局、容量

配電網85%左右的故障都是瞬時故障，廣泛采用三段式電流保護。當前由于微網接入容量較小、結構簡單，多接入中低壓配電網，故在保護方面多配以簡單的過電流保護［9-11］。但是微源接入微網饋線中的位置不同、容量不同，對線路過電流保護的影響不同［12-15］：

（1）DG接入微網饋線始端母線，如圖 4（a），下游線路BC中間F2點故障時，DG1產生的助增電流使流過保護2、4、5的故障電流增大，保護范圍也因此增大，可能延伸到所在保護下一段，使保護失去選擇性。而且DG1輸出功率越大，影響越嚴重。F1、F3點的分析與F2點同，省略；

（2）DG接入微網饋線中間母線，如圖 4（b），當下游線路BC中間F2點故障時，由于微源的助增作用，使流過下游保護5的短路電流增大，使得末端保護靈敏性得到增強；同時由于微源的汲流作用，流過DG2上游保護4的故障電流減小，使保護4的靈敏性降低保護范圍縮小，如果保護5沒有動作切除故障，保護4作為遠后備可能拒動。當相鄰線路WM中間F3點發生故障時，DG2向上游保護提供反向故障電流，且保護越靠近DG2影響越大，如果4處保護沒有安裝方向元件，在1處保護動作之前可能就已經誤動。同樣DG2輸出功率越大，影響越嚴重；

（3）DG接入微網饋線末端母線，如圖 4（c），當相鄰線路WM中間F3點故障時，DG3向上游保護提供反向故障電流，可能引起保護5誤動作。本線路WL中間F1點故障時，如果保護4、5沒有安裝方向元件，保護之間可能無法配合，失去選擇性。本線路BC中間F2處故障時，會導致DG3直接切除。同樣DG3輸出功率越大，影響越嚴重。

圖4 DG1、DG2、DG3分別接入微網饋線始端、中間、末端母線Fig.4 Fault current routes when DG1 plugs in the beginning ofmicro-grid feeders，DG2 plugs in the iddle ofmicro-grid feeders and DG3 plugs in the end ofmicro-grid feeders

2.4 微源控制方式

逆變型微源在并網運行時一般采用恒功率（PQ）控制方式，在孤島運行時根據需要可選擇PQ控制、恒壓恒頻（V/f）控制或Droop控制。因此控制目標不同，在不同的控制方式下逆變型電源提供的短路電流差別較大。且當DG輸出功率具有波動性和間歇性時，故障電流數值也隨之發生變化［16-17］。

3 國內外微網線路保護研究熱點

由于微網線路故障電流的特殊性，使得傳統的保護方案不再適用。因此不少國內外學者開始對微網線路保護配置進行研究，從是否依賴通信技術以及保護原理的實現方法上，將目前微電網線路保護方案的研究主要分為以下3類，如表1所示。

表1 微網保護的分類Tab.1 Classification ofmicro-grid protection scheme

（1）基于本地量的微網保護。文獻［16，18］提出采用反時限的保護方案，通過選擇合理的反時限形狀系數和動作時間常數完成上下級保護間的配合。并根據保護與故障點的距離不同造成的電壓跌落程度不同，提出采用低電壓加速因子提高傳統反時限保護方案的動作速度。前者提出基于負荷阻抗的反時限低阻抗保護方案，后者提出低電壓加速反時限過電流保護方案。文獻［19］在微網拓撲圖簡化的基礎上，提出基于邊電壓的微網保護方案。該方法的局限性在于對拓撲變化具有一定的依賴性，對于合閘瞬間以及網絡拓撲剛剛改變后發生故障的情況保護無法正確動作。文獻［20］提出了一種基于母線上導納量變化為判據的保護方案，通過比較故障前后母線上測量導納的幅值與相角的變化，有效地區分微電網的區內外故障，實現故障的檢測與定位。該保護方案比單純運用電流或電壓變化為故障判據，具有更高的靈敏性和可靠性。但對于含過渡電阻的故障類型可能導致保護方案的部分失靈，需配備相應的后備保護；

（2）基于中央控制的微網保護。文獻［21-22］應用微網中央保護單元與微網中的所有繼電器和微源實時通信，通過在線監測微網運行模式的變化，DG的數量、類型、狀態，方向元件信息和電壓、電流故障分量信息來確定故障類型，以便實時整定動作值，并通過斷路器和負荷電流信息確定故障位置。不足的是一旦某一元件發生變化，需要重新計算整定，此時若發生故障微網可能處于無保護的狀態，同時如果傳輸信息錯誤或沒有實時同步信息保護可能會誤動或拒動。文獻［23］提出基于故障電流方向角判別的微電網自適應保護方法，有效地解決了微電網故障潮流多向性引起保護的誤動作問題；將微網實時拓撲結構轉化為樹形節點路徑圖，采用樹形節點搜索方法及節點路徑算法對微網內保護裝置的動作值及動作時限進行實時整定，有效地解決了對不同運行方式及拓撲結構下微電網保護裝置動作值的自適應整定問題。文獻［24］提出了利用智能繼電器及控制網絡輔助的保護方案，用智能數字測量單元代替價格昂貴的繼電器，中央控制器與數字測量單元通過控制網絡連接能夠實現同樣的保護功能。文中將微網閉環結構配置，有效地解決了微電網運行在孤島模式下切除故障線路后，引起的發電功率與負載不匹配的問題。而建立的新的高阻抗故障探測方法，可以在檢測到的故障電流較小時，就動作跳閘；

（3）基于分區的微網保護。文獻［25］提出了基于Multi-Agent的微網分區保護實現方案。將微網劃分為若干保護區域，利用阻抗元件和功率變化量方向元件鎖定故障區域，同時利用Agent之間的協作能力提高了微網保護的整體性能，能夠進行在線協調整定，更適合于微網靈活多變的運行方式及雙向潮流的特點。文獻［26］引入正序故障分量原理，提出一種基于有限區域集成的保護方案。將微電網以母線為依據分割為若干個區域，在每個區域設置一個有限區域保護單元。利用各區域主饋線與從饋線的正序故障分量電流相角差實現故障區域和故障線路的定位。不足是故障時微源的電壓會有所跌落，對保護方案的適應性產生影響。文獻［27-28］提出利用故障前后的電流方向判斷故障區域，將斷路器間的區域作為最小研究單元，區域內的DG接入或者退出不影響保護。前者還在微網系統設置一個中央保護單元，匯集各MTU提供的故障電流方向信息，通過計算來鎖定故障區域。后者將數據通信和保護裝置的故障信息交換分開，保護信息只是簡單的布爾信號，能在相鄰保護裝置之間高速傳遞。文獻［29］提出了微網分割區域的概念，并將分割區域看成是圖的節點，斷路器看成是圖的邊，建立微網的圖模型。將對綜合電流方向的判斷轉移到對邊電流方向的判斷，進而提出了邊方向變化量保護。缺點是僅適合輻射型網絡，當電網中出現環網時，無法應用。且當微網新增或減少支路時，需重新分割區域。

4 結束語

關于目前微網線路保護存在的問題及發展方向總結如下：

（1）應對微網的故障特征進行分析，不應僅僅關注故障電流最大值及其衰減特性方面，還應對其暫態過程中的故障電流波形特征進行分析。如何將微網內部線路故障時的信息加以識別、處理和利用，進而將繼電保護原理本身進行大的變革，發現廣泛適用于微網的繼電保護原理；

（2）隨著配網自動化和智能電網的發展，通信網絡將應用于微網，實現以廣域通信為基礎的微網保護可行性很大，但要注意避免發生單點故障的風險，中央保護單元、通信網絡或單個元件故障應不影響保護功能的實現。設計時個別重要單元可以帶有冗余或者采用分層或分區的保護，以此提高保護的可靠性；

（3）微網線路保護的靈敏性和速動性。逆變型微網應能在線路故障時檢測到并迅速切除故障，因為逆變型微網缺少慣性、響應速度快，一旦線路故障電壓跌落嚴重，微源保護可能先于線路保護動作，造成不必要的能源浪費和功率波動，因此線路保護的靈敏性和速動性還有待改進提升。