基于電壓擾動的微電網加速保護策略研究

翟兆江

【摘 要】針對傳統配電網保護以及目前常用的幾種微電網保護在微電網應用中的局限性，提出一種基于電壓擾動的反時限加速保護策略。該保護是根據分布式電源輸出電壓發生擾動的情況來判斷微電網內部是否發生故障，以及發生故障的類型和位置，同時利用MATLAB對該保護進行仿真分析，其仿真結果驗證了它不僅能夠保證故障時保護的可靠性，選擇性和速動性，而且適用于微電網并網運行和孤島運行2種狀態，具有一定的參考和實用價值。

【關鍵詞】擾動電壓；微電網；并網運行；孤島運行；MATLAB

【Abstract】View to limitations on the applications in micro-grid of tradition distribution network protection and currently used several micro-grid protections，it proposed an accelerated protection strategy based on voltage disturbance acceleration.The protection is based on the voltage disturbance of distributed power to determine whether the internal micro-grid faults， as well as the type and location of failure，and uses MATLAB to simulate and analyses，the results verify that it is not only able to guarantee the reliability，selectivity and speed of protection，but also for micro-grid in net-con

0 前言

隨著電力電子技術的發展和新能源的普及，微電網已在整個電網中起到了至關重要的作用。由于目前的微電網一般都是直接接入低壓配電網的，且低壓配電網又主要采用電流速斷保護和過電流保護，同時新型微電源使用大量的逆變器，使得微電網系統發生故障時，微型電源輸出的故障電流不超過正常運行電流的兩倍，以致過電流保護不能動作，同時還不能滿足微電網的保護范圍及保護配合要求，從而給電力系統的保護帶來了新的問題和挑戰。針對此種情況，目前對于微電網的保護，也提出了幾種比較有效的保護措施，但它們在實際的工程應用中也存在一定的問題。如三相四線低電壓保護，該保護雖可以反映微電網中的各種故障，但由于涉及序量的計算，使保護的實現更加復雜[1]；由工控機實現的實驗室微電網保護系統，其硬件平臺比較復雜，投資費用較大[2]；而將Agent技術應用于繼電保護的這種保護方法雖然能夠自適應電力系統的各種變化，但Agent在繼電保護中的應用剛剛起步，尚不成熟[3-5]。

鑒于以上各種保護的特點，本文提出了一種基于電壓擾動的反時限加速保護策略，此保護不僅可以準確的判斷故障的類型和位置，而且能夠保證系統在發生故障時具有優良的動作性能，滿足繼電保護選擇性和快速性的要求。

1 基于電壓擾動的反時限加速策略保護原理

基于電壓擾動的反時限加速保護策略實際上是一種根據分布式電源輸出電壓發生擾動的情況來判斷微電網內部是否發生故障，以及發生了何種類型的故障的一種保護，同時此保護還可以根據擾動電壓的強弱來控制保護的動作速度。它是一種適用于微電網自身保護的快速檢測方法，具體如下所示[6]。

首先，利用標準的電壓互感器檢測微電源出口的三相端電壓，然后將其進行派克變換，具體見式（1）。

UUU=cos？茲cos（？茲-？仔）cos（？茲+？仔）-sin？茲-sin（？茲-？仔）-sin（？茲+？仔） UUU（1）

然后，設定一個周期更新的參考信號Udref、，Uqref與Ud、Uq進行比較，得到擾動電壓UDIR1、UDIR2，具體見式（2）所示。其中，擾動電壓的上下限決定了故障檢測的靈敏度[5]。

U=U-U

U=U-U（2）

同時，為了確保擾動電壓不是由測量系統的噪聲所引起，將擾動電壓U和U通過低通濾波器進行過濾，然后送入兩重遲滯比較器與其相應運行方式下的門檻電壓進行比較，如果擾動電壓大于相應的門檻電壓，則判斷系統發生了故障，反之，則處于正常運行狀態。

由于在不同的故障狀態下，擾動電壓的大小與類型均有較大的變化，故通過擾動電壓的變化情況就可以實現各種故障類型的判別，同時，擾動電壓的大小與故障發生的位置和嚴重程度有關。即擾動電壓與門檻值的差值越大，故障離微電源保護安裝處的距離就越近，反之，就越遠。故擾動電壓與門檻電壓的比值也可以敏感的反應故障的位置和嚴重程度，即比值越大，故障離保護安裝處距離越近，則相應的保護就應該動作越快，因此基于以上理論提出電壓擾動的反時限加速保護策略，其保護的動作時間，可按式（3）整定[7]：

t=（3）

其中，tp為保護的動作時限，具體按階梯原則整定，而u擾動和u門檻分別為微電網的擾動電壓和門檻電壓值，且稱為擾動電壓加速因子。

由式（3）可知：保護的動作時間只與擾動電壓加速因子的大小有關，與短路電流無關，因此，當系統發生故障時，利用電壓擾動的加速保護策略，可以迅速判斷發生了何種故障，然后根據擾動電壓加速因子的大小來確定故障的位置以此來設置保護的動作速度，保證在不同故障類型下，本保護都能夠準確快速的判斷故障并起到最優的加速效果。即使在微電網孤島運行短路電流比并網時小的多的情況下，本保護也能客服電流保護不能有選擇性的快速動作的這個問題，保證了保護的可靠性、選擇性和速動性。

2 實例仿真分析

圖1為一個含分布式電源的400V低壓配電系統。主配網容量為100MVA，分布式電源DGl為V/F控制，最大輸出功率為65kW；DG2為P/Q控制，最大輸出功率為10kW；線路長度如圖1所示，具體參數為x=0.073Ω/km，R=0.325Ω/km。當開關K1閉合時，微電網處于并網運行狀態，反之則為孤島運行狀態。

為了保證微電網發生故障時，故障元件能夠從兩端隔離，對接有微電源的線路需在微電源接入側裝設斷路器并配置具有方向原件的擾動電壓加速保護[8]。

2.1 微電網并網運行仿真結果

2.1.1 并網運行故障時，各擾動電壓仿真結果

在MATLB/Simulink中建立如圖1所示模型，在微電網并網運行下，選擇最嚴重的故障類型作為仿真條件，即當三相短路發生在微電網內部K點以及配電網側F點時，通過仿真模型分別測量DG1出口處擾動電壓的變化情況，假設故障發生在0.01s時刻，則其仿真結果分別如下圖2和圖3所示[9]。同時，將切除恒功率負荷load3時，系統的擾動電壓作為并網運行時的門檻電壓，如圖4所示。

通過以上仿真結果可知，無論是微電網內部故障還是外部故障，只要是微電網發生故障，DG1出口處的擾動電壓都將超過其對應的門檻電壓，使保護裝置啟動，故本保護可以準確的判斷系統故障，具有很高的可靠性。

2.1.2 并網運行故障時，保護的動作情況

為了檢驗本文所提出保護的選擇性和速動性，現將本保護和反時限過電流保護分別應用于本線路，并對其相同故障下，各保護的動作情況進行仿真，具體如下所示。

當三相短路發生在K點時，保護K3、K7和K8的動作情況如表1所示。其中t1為反時限過電流保護的動作時間，t2為為本保護的動作時間。

由表1可知，在基于電壓擾動的反時限加速保護下，當K點發生三相短路時，保護K3、K7和K8均判定為正方向故障并啟動，其中K7能做到無延時迅速動作，K3和K8也可以在擾動電壓加速因子的加速作用下，根據短路點位置和整定原則快速動作；而保護K6則判定為反方向故障，不動作。因此，該保護可以從兩端將故障線路快速切除。相反，利用反時限過電流保護時，保護K7和K8的動作時間較長，以致DG1被迫退出運行。

2.2 微電網孤島運行仿真結果

2.2.1 孤島運行故障時，各擾動電壓仿真結果

在微電網孤島運行下，分別以三相短路，兩相短路及單相短路發生在K點為例，對系統進行仿真，仍以0.01S為故障發生時間，則各種故障下DG1出口處擾動電壓的變化情況分別如圖5、圖6和圖7所示。于此同時，仍以切除load3時系統的擾動電壓作為門檻電壓值，具體見圖8。

由以上仿真結果可知，在微電網孤島運行方式下，無論發生何種故障，微電源的擾動電壓均超過門檻電壓，保護都能可靠動作。于此同時，通過圖5、圖6和圖7可知，隨著發生故障類型的不同，擾動電壓的曲線變化也隨之不同。當發生三相短路時，擾動電壓為一個穩定的直流信號；二相短路時，擾動電壓變成了一個由直流電壓和擺動組成的信號；單相接地時，又變為一個從0到最大值變換的擺動信號。故通過以上仿真，可以驗證本保護不僅能夠準確判斷系統是否發生故障，而且還可以精確判定故障的類型[10]。

2.2.2 孤島運行故障時，保護的動作情況

由于在孤島運行方式下，微電源的故障電流較小，以致傳統的電流保護存在不能可靠動作或不能滿足選擇性和速動性的要求，故為了驗證本文所提保護的可靠性、選擇性和速動性，選擇相對最輕的故障—單相接地故障作為故障類型設置在本線路的最末端M點，同樣分別采用本文所提的保護方法和反時限過電流保護來對其進行仿真，具體動作情況見表2。

表2 孤島運行M點單相接地時，各保護的動作情況

由表2的仿真結果可知，在反時限過電流保護下，當M點發生單相接地時，DG1對故障點提供的故障電流雖能使保護K7和K9啟動，但由于故障電流較小以致保護的動作時間較長，最后導致DG1長時間運行在低電壓狀態下而被迫退出運行，不利于負荷的連續供電。當采用基于電壓擾動的反時限加速保護后，K9能夠做到無延時快速動作，而K8由于判定為反方向故障，則不動作。

仿真結果顯示：反時限過電流保護的動作性能較（下轉第8頁）（上接第6頁）差，動作時間較長。而基于電壓擾動的反時限加速保護則能夠在擾動電壓加速因子的作用下保證較好的動作特性。尤其是該保護還能在反映故障的類型和位置的同時保證線路出口故障時瞬時跳閘。

由上述分析可知，基于電壓擾動的反時限加速保護策略在微電網應用中，具有明顯優勢，具體表現如下：

1）能夠根據擾動電壓與對應門檻電壓的比較準確判斷系統是否發生故障，比反時限過電流保護更加可靠。

2）能夠根據擾動電壓的不同特征準確判斷系統故障的類型以及故障位置。

3）能夠根據故障情況，加速保護的動作時間，做到更加快速的有選擇的切除故障，比反時限過電流保護具有更加優化的性能。

3 結論

本文提出一種基于電壓擾動的反時限加速保護策略，該保護不僅可以根據擾動電壓的不同特征來準確判斷系統是否發生故障以及系統故障的類型和位置，還能夠利用擾動電壓加速因子來提高保護的動作性能，進而實現故障的快速切除。同時，為了驗證本保護的優良性能，分別在并網運行和孤島運行狀態下，對其設置相應的故障進行仿真，仿真結果證明了該保護能夠在滿足可靠性的前提下，保證保護的選擇性和速動性，對微電網的保護具有一定的參考和實用價值。

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[責任編輯：田吉捷]

nected and islanded operation，with some reference and practical value.

【Key words】Voltage disturbance；Micro-grid；Net-connected operation；Islanded operation；MATLAB