微電網(wǎng)線路保護(hù)方案

摘 要隨著分布式電源（Distributed Generation， DG）的大量使用，DG接入配網(wǎng)系統(tǒng)中形成微電網(wǎng)，使得原有的單電源輻射狀配電網(wǎng)絡(luò)變成雙電源甚至多電源供電形式。在含有DG的微電網(wǎng)中線路發(fā)生故障時(shí)，要準(zhǔn)確的對故障定位，就需要在保護(hù)處加裝方向元件。然而實(shí)際配電網(wǎng)中，饋線上一般都不裝設(shè)電壓互感器，無法利用電壓量信息。本文提出了利用電流Ⅱ段保護(hù)的動作信息對故障進(jìn)行定位，再由信息處理中心對相應(yīng)斷路器發(fā)出跳閘命令，切除故障線路的新方案。此方案無需在原配網(wǎng)加裝大量的電壓互感器和斷路器，無需改變原來保護(hù)定值，保護(hù)不受DG輸出功率大小的影響。采用PSCAD/EMTDC軟件仿真分析驗(yàn)證了所提保護(hù)方案的合理性。

【關(guān)鍵詞】微電網(wǎng) 分布式電源 配電網(wǎng) 限時(shí)電流保護(hù) 短路電流

微網(wǎng)是由DG、儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、負(fù)荷和保護(hù)裝置構(gòu)成的一個(gè)小型發(fā)配電系統(tǒng)。微網(wǎng)的提出解決了分布式電源并網(wǎng)的問題。微網(wǎng)既可以與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，也可以脫離大電網(wǎng)孤島運(yùn)行。

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)大都是單電源輻射狀結(jié)構(gòu)，目前國內(nèi)配電網(wǎng)繼電保護(hù)主要采用電流速斷保護(hù)（Ⅰ段）、限時(shí)電流速斷保護(hù)（Ⅱ段）和定時(shí)限過電流保護(hù)（Ⅲ段）相結(jié)合的三段式電流保護(hù)方案。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)保護(hù)配置在DG接入之后形成微網(wǎng)的條件下可能會影響保護(hù)的快速性、靈敏性及可靠性，會給系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來危害。因此，含DG的微電網(wǎng)保護(hù)引起了許多學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-2]。

文獻(xiàn)[3]經(jīng)過詳細(xì)分析得出，DG接入配電網(wǎng)中不同母線及饋線不同位置上之后會造成原來保護(hù)誤動、靈敏度下降，甚至拒動。文獻(xiàn)[4]根據(jù)計(jì)算得出的短路電流大小，分析了DG容量對保護(hù)造成的影響。文獻(xiàn)[5]提出了含DG的配電網(wǎng)方向縱聯(lián)保護(hù)方案，但需要對過電流保護(hù)加裝方向元件。文獻(xiàn)[6]充分利用廣域保護(hù)的優(yōu)勢，提出了利用電流間相位關(guān)系定位含DG的配電網(wǎng)故障線路的新方案。但以上方案實(shí)現(xiàn)時(shí)需要在原有保護(hù)基礎(chǔ)上加裝方向元件，投資大，計(jì)算復(fù)雜。

該文提出了含DG的微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)微網(wǎng)線路保護(hù)的新方案。因?yàn)殡娏魉贁啾Ｗo(hù)（Ⅰ段）不能保護(hù)線路全長，此方案利用限時(shí)電流速斷保護(hù)（Ⅱ段）的動作信息進(jìn)行故障定位，不需要在配網(wǎng)饋線上加裝電壓互感器和功率方向元件，符合工程實(shí)際要求，能夠快速切除故障，保證其余部分正常供電。

1 微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行線路保護(hù)方案

1.1 傳統(tǒng)電流保護(hù)方案的缺陷

圖1是含DG的微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)圖，PCC是公共連接點(diǎn)，PCC閉合時(shí)，微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，PCC斷開時(shí)，微網(wǎng)孤島運(yùn)行，微網(wǎng)中線路的保護(hù)按無DG接入時(shí)輻射狀的配網(wǎng)進(jìn)行配置。

當(dāng)DG接入后，使得系統(tǒng)與DG之間的線路成為雙電源供電線路。按雙電源供電的保護(hù)配置，需要在DG上游每條線路兩端均加裝方向電流保護(hù)[9]。但是，基于電壓和電流的功率方向元件不能使用，因?yàn)閷?shí)際工程中配電網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)配置時(shí)，饋線上一般不裝設(shè)TV，進(jìn)而電壓信息無法獲取。但如果加裝TV，會增加大量投資，不切合實(shí)際。本文提出利用電流Ⅱ段保護(hù)的動作信息，對故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位的新方案。

公共連接點(diǎn)PCC閉合時(shí)，線路AB某處故障時(shí)，故障點(diǎn)的故障電流是由系統(tǒng)S和DG共同提供的，原來的配電網(wǎng)保護(hù)配置中保護(hù)K2及K3均未加裝方向元件，因此DG提供的故障電流可能導(dǎo)致保護(hù)K2及K3的電流Ⅱ段保護(hù)誤動作。本文以保護(hù)K2的電流Ⅱ段保護(hù)為例進(jìn)行分析，整定值如式（1）所示。

式中：k'rel為電流Ⅰ段保護(hù)可靠系數(shù)，k''rel為電流Ⅱ段保護(hù)可靠系數(shù)。ES為配電系統(tǒng)電壓，Zs min為系統(tǒng)最小阻抗，ZAB，ZBC，ZCD為線路阻抗。

流過保護(hù)K2的短路電流為：

式中：EDG為DG的等效電勢，ZDG為DG的內(nèi)阻抗。

如果，則，進(jìn)而導(dǎo)致保護(hù)K2的電流Ⅱ段保護(hù)誤動作。位于線路AB下游的保護(hù)K2及K3，保護(hù)K3的電流Ⅱ段保護(hù)的整定值更小，保護(hù)K3更容易誤動作。

1.2 微網(wǎng)線路保護(hù)方案

本文利用DG上游每個(gè)保護(hù)的電流Ⅱ段保護(hù)的動作信息，不利用方向元件，借助于通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)故障的準(zhǔn)確定位，將故障隔離。

1.2.1 故障位于DG上游非末端

保護(hù)K1的電流Ⅱ段保護(hù)動作時(shí)，判斷出故障可能位于線路AB或BC上。再通過保護(hù)K2及K3的電流Ⅱ段保護(hù)動作情況準(zhǔn)確判斷出故障位于線路AB還是線路BC上。

（1）保護(hù)K2的電流Ⅱ段保護(hù)動作并且保護(hù)K3的電流Ⅱ段保護(hù)不動作，可判斷流過保護(hù)K2的短路電流一定是由系統(tǒng)S提供的。因?yàn)槿绻怯蒁G提供的，保護(hù)K3并未加裝方向元件，其電流Ⅱ段保護(hù)一定會動作。而且此時(shí)不論保護(hù)K3下面的保護(hù)如何動作，都可以判斷出故障位于線路BC上，向斷路器K2及K3發(fā)出跳閘命令，切斷故障線路BC。

（2）保護(hù)K2的電流Ⅱ段保護(hù)不動作，此時(shí)不論保護(hù)K2下面的保護(hù)如何動作，都可以判斷出故障位于線路AB上，向斷路器K1及K2發(fā)出跳閘命令，切斷故障線路AB。

（3）保護(hù)K2及K3的電流Ⅱ段保護(hù)都動作，由于保護(hù)K2及K3都未加裝方向元件，無法判斷流過保護(hù)K2的短路電流是系統(tǒng)S提供的，還是DG提供的。此時(shí)，可先將斷路器K2瞬時(shí)跳閘，再觀察保護(hù)K1的動作情況。

（4）如果保護(hù)K1返回并且不再測量到故障電流，可判斷故障位于線路BC上，向斷路器K3發(fā)出跳閘命令，切斷故障線路BC。

（5）如果保護(hù)K1沒有返回并且仍能測量到故障電流，可判斷故障位于線路AB上，向斷路器K1發(fā)出跳閘命令，切斷故障線路AB。

1.2.2 故障位于DG上游末端

圖1中DG接入母線D處，當(dāng)故障位于DG上游末端時(shí)，應(yīng)該在DG接入的母線D上游加裝斷路器K7，才能夠使DG不退出運(yùn)行，繼續(xù)給周圍負(fù)荷供電。

當(dāng)DG下游無線路DE時(shí)，此時(shí)如果只有保護(hù)K3的電流Ⅱ段保護(hù)動作，則故障必定位于線路CD上，可以瞬時(shí)跳開斷路器K3及K7，將故障線路CD隔離。

當(dāng)DG下游有線路DE時(shí)，為了區(qū)分故障位于DG上游還是DG下游，可以觀察保護(hù)K4的動作情況，如果保護(hù)K4電流Ⅱ段保護(hù)動作，則故障點(diǎn)位于DG下游；否則，故障點(diǎn)位于DG上游，可按照本文上述原理判斷故障線路。

實(shí)現(xiàn)時(shí)可以在變電站A處設(shè)置一個(gè)信息處理中心，能夠?qū)ο鄳?yīng)的斷路器發(fā)出跳閘命令并且隔離故障線路，是因?yàn)榇诵畔⑻幚碇行哪軌蛩鸭鞅Ｗo(hù)的動作信息。如果流過各保護(hù)的短路電流值大于其電流保護(hù)Ⅱ段的動作值（將延時(shí)整定為0），此動作信息將會上傳到信息處理中心，信息處理中心再對相應(yīng)的斷路器發(fā)出跳閘命令。

1.2.3 故障位于DG下游

DG的接入會使流過DG下游保護(hù)的短路電流值增大，造成各保護(hù)之間可能失去配合，此時(shí)應(yīng)該按照DG加入之后，對電流保護(hù)重新進(jìn)行整定計(jì)算。

圖1中DG下游線路DE和EF呈輻射狀結(jié)構(gòu)，如果DE線路發(fā)生故障，則系統(tǒng)S及DG均向保護(hù)K4提供故障電流，保護(hù)K4動作，保護(hù)K5無故障電流流過，保護(hù)K5不動作。因此可以利用故障線路位于保護(hù)動作與不動作之間進(jìn)行故障定位。

DG接入配電網(wǎng)后，當(dāng)位于DG下游的線路發(fā)生故障時(shí)，故障點(diǎn)的電流是由系統(tǒng)S和DG共同提供的，提高了DG下游各保護(hù)電流Ⅲ段保護(hù)的靈敏度。因此，可以保留原電流Ⅲ段保護(hù)的整定值，并將本線路保護(hù)與相鄰下一線路的保護(hù)進(jìn)行通訊，如果未收到下一線路保護(hù)的動作信息，就跳開本線路保護(hù)的斷路器，否則閉鎖本保護(hù)（相鄰段時(shí)限為0）[7]。

1.2.4 相鄰饋線故障時(shí)

圖1中變電站A母線引出2條饋線AH及AF，當(dāng)相鄰饋線線路AG或GH故障時(shí)，DG所接入的饋線上，由于保護(hù)K1、K2及K3未加裝方向元件，可能導(dǎo)致其誤動作，進(jìn)而對故障線路的定位產(chǎn)生影響。但變電站母線A上一般都裝有TV，因此較易在保護(hù)K1處加裝方向元件，進(jìn)而通過保護(hù)K1方向元件的判斷結(jié)果確定故障發(fā)生在哪條線路，如果發(fā)生在本條饋線時(shí)，利用上文介紹的動作原理進(jìn)行故障定位，消除了相鄰饋線故障給本饋線保護(hù)帶來的影響。

1.2.4 多個(gè)DG接入配網(wǎng)故障定位

圖2所示為有2個(gè)DG接入配網(wǎng)母線處形成微網(wǎng)，DG1接入母線C處，DG2接入母線G處。系統(tǒng)S與DG1之間為區(qū)域1，DG1與DG2之間為區(qū)域2，DG2下游的部分為區(qū)域3。區(qū)域1的故障定位方法與上述情況相同，但是區(qū)域1下游DG2的出現(xiàn)，使得無法再利用保護(hù)K3是否有故障電流流過，區(qū)分故障發(fā)生在區(qū)域1還是區(qū)域2。因此，需要在保護(hù)K3處加裝方向元件，并且較易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)镈G接入點(diǎn)處一般均裝有TV[10]。保護(hù)K3的方向元件只有在DG1下游發(fā)生故障時(shí)才會動作，由于系統(tǒng)S的容量遠(yuǎn)大于DG的容量，因此流向故障點(diǎn)的電流主要是由系統(tǒng)S提供的，DG輸出大小及接入或退出對保護(hù)K3方向元件的靈敏度造成的影響不會太大。區(qū)域2故障時(shí)，保護(hù)K3方向元件動作，保護(hù)K8不動作，故障定位方法與上述相同。區(qū)域1發(fā)生故障時(shí)，無論DG輸出功率多大，保護(hù)K3方向元件均不會動作。區(qū)域3故障時(shí)，定位方法與上文介紹的故障位于DG下游的定位方案相同。

1.3 微網(wǎng)中長短線路相鄰時(shí)保護(hù)整定方案

對于長短線路相鄰的情況，保護(hù)的靈敏度可能會無法滿足要求。本文提出將長短線路當(dāng)作一個(gè)整體進(jìn)行研究。圖2中，DE為長線路，EF為短線路，將DE與EF看作一個(gè)整體DF，利用上文介紹的電流保護(hù)Ⅱ段動作信息進(jìn)行故障定位，判斷故障位于線路CD還是DF。

對于保護(hù)K3、K4的電流Ⅱ段保護(hù)動作、K6不動作的情況，可以判斷出故障位于線路DF上，先跳開斷路器K5，此時(shí)若保護(hù)K4測量到故障電流，判斷故障發(fā)生在線路DE上，向斷路器K4發(fā)出跳閘命令，將故障線路DE隔離；若保護(hù)K4測量不到故障電流，則判斷故障發(fā)生線路EF上，向斷路器K6發(fā)出跳閘命令，將故障線路EF隔離。

對于保護(hù)K3、K4、K6都動作的情況，為了確定故障位于線路CD還是線路DF，需先跳開斷路器K4，此時(shí)保護(hù)K3可以檢測到故障電流，判斷出故障位于線路CD，向斷路器K3發(fā)出跳閘命令，將故障線路CD隔離；若保護(hù)K3測量不到故障電流但是保護(hù)K5測量到故障電流，判斷出故障位于線路EF上，向斷路器K5及K6發(fā)出跳閘命令，將故障線路EF隔離；此時(shí)還需要對保護(hù)K4進(jìn)行重合（必要時(shí)可在DG1接入母線下游加裝重合閘裝置），保證線路DE正常供電。

2 DG對保護(hù)靈敏度的影響分析

電流Ⅱ段保護(hù)可以保護(hù)本線路全長，且要求不能超過相鄰下一線路的全長，因此其整定值滿足以下要求：

I2

式中：I1是系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下線路末端發(fā)生兩相短路時(shí)的最小短路電流，I2是系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下相鄰線路末端發(fā)生三相短路時(shí)的短路電流。

風(fēng)光類分布式電源輸出功率具有隨機(jī)性，可能會使電流Ⅱ段保護(hù)靈敏度不能滿足上述要求，可將本線路電流Ⅱ段保護(hù)與相鄰下一線路的電流Ⅱ段保護(hù)相配合來擴(kuò)大本線路保護(hù)范圍。如果仍然不能滿足要求，可在本保護(hù)處加裝TV，用距離保護(hù)代替限時(shí)電流保護(hù)[8]。

以圖2為例，對三個(gè)區(qū)域各保護(hù)的靈敏度進(jìn)行定性分析。

當(dāng)區(qū)域1的d1處故障時(shí)，流過故障點(diǎn)的短路電流由系統(tǒng)S、DG1及DG2提供，但流過保護(hù)K1及K2的短路電流僅由系統(tǒng)S提供，保護(hù)K1及K2測量到的短路電流大小及方向與并入DG1之前相同，因此保護(hù)的靈敏度不受DG1接入的影響。

當(dāng)區(qū)域2的d2處故障時(shí)，流過故障點(diǎn)的短路電流由系統(tǒng)S、DG1及DG2提供，如果DG的容量很大時(shí)，流過保護(hù)K3及K4的短路電流比未接入DG時(shí)增大，保護(hù)的靈敏度提高了；DG1的接入使得流過保護(hù)K1及K2的短路電流比并入之前減小了[12]，靈敏度降低了。

當(dāng)區(qū)域3的d3處發(fā)生短路時(shí)，流過故障點(diǎn)的短路電流由系統(tǒng)S、DG1及DG2提供，進(jìn)而流過保護(hù)K8的短路電流比未接入DG1及DG2之前增大了，保護(hù)K8的靈敏度提高了。

3 結(jié)論

針對DG接入配網(wǎng)母線形成微網(wǎng)之后，與配網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，在盡量不改變原來配網(wǎng)保護(hù)配置的情況下，同時(shí)考慮配網(wǎng)饋線上一般不裝設(shè)TV的實(shí)際情況，充分利用配電網(wǎng)的多點(diǎn)信息，對發(fā)生在DG上游區(qū)域的故障，提出了一種利用電流Ⅱ段保護(hù)的動作信息進(jìn)行故障定位，切除故障線路的保護(hù)方案，本方案具有故障定位時(shí)無需借助電壓量信息及改變配網(wǎng)原有電流Ⅱ段保護(hù)整定值的優(yōu)點(diǎn)；故障發(fā)生在DG下游區(qū)域時(shí)，DG接入之后有利于提高DG下游原有電流保護(hù)靈敏度，可以利用電流Ⅲ段保護(hù)的動作信息進(jìn)行故障定位，快速切除故障。也無需改變配網(wǎng)原有電流保護(hù)Ⅲ段的整定值，減小了整定工作量。

參考文獻(xiàn)

[1]V.Salehi，A.Mohamed，and A.Mazloomzadeh，etc.，" Laboratory-Based Smart Power System，Part II：Control，Monitoring，and Protection，" IEEE Trans.Smart Grid，vol.3，pp.1405-1417，2012.

[2]魯宗相，王彩霞等.微電網(wǎng)研究綜述[J].電力系統(tǒng)自動化，2007，31（19）：102-107.

[4]S.A.Saleh，"Signature-Coordinated Digital Multirelay Protection for Microgrid Systems，" IEEE Trans.Power Electronics，vol.29，pp.4614-4623， 2014.

[5]孫鳴，余娟，鄧博.分布式發(fā)電對配電網(wǎng)線路保護(hù)影響的分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（08）：104-107.

[6]孫景釕，李永麗，李盛偉，等.含分布式電源配電網(wǎng)保護(hù)方案[J].電力系統(tǒng)自動化，2009，33（01）：81-84.

[7]林霞，陸于平，王聯(lián)合.分布式發(fā)電條件下的新型電流保護(hù)方案[J].電力系統(tǒng)自動化，2008，32（20）：50-56.

[8]ALSTOM T&D，"Network Protection and Automation Guide"，1 st edition，July 2002.

作者簡介

文妤，長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院。

作者單位

長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 湖南省長沙市 410114