基于現實的微電網保護方案研究

張 磊 王躍強 陳國恩

（國網嘉興供電公司電力調度控制中心，浙江 嘉興 314000）

基于現實的微電網保護方案研究

張 磊 王躍強 陳國恩

（國網嘉興供電公司電力調度控制中心，浙江 嘉興 314000）

隨著新能源建設的快速發展微電網應用愈發普及，其在分布式電源的管控中發揮著巨大的作用。但鑒于微電網諸如潮流雙向流動、電網容量小等特點，使微電網的保護難度較大。因此研發和微電網特點相適應的電網保護方法是十分必要的。本文結合微電網的應用特點，采用了基于通信的微電網集中保護方案，并配置了本地保護方案作為補充，最終對具體的微電網進行了配置，獲得了較為理想的保護效果。

微電網；通信；集中保護

近年來，隨著國家對新能源產業的大力扶持，新能源產業得到了快速的發展，分布式發電在電網中變得愈發普遍，這種以新能源為背景的微電網結構在電網中的比例逐漸增大。而微電網本身潮流不穩定，系統容量小，運行方式多樣，給微電網的保護造成了一定的困擾。對微電網保護的合理配置，建立科學有效的微電網保護方案是確保微電網可靠運行的基本保障[1]。本文利用通信手段，建立了集中控制的微電網保護方案，并針對具體的微電網結構，制定了微電網保護的具體方案。

1 微電網保護方案設計

1.1 設備的集中保護方案

集中保護可以便于對全網綜合信息進行分析，從而準確、快速地判斷故障位置以及故障原因。微電網設備集中保護方案如圖1所示。其主要由保護裝置和保護控制平臺構成。微機保護設備的主要功能包括：電能信息的采集和計算、根據保護算法模型分析對數據進行分析、將運算結果傳輸到上層控制中心、接收集中保護中心的控制信號并執行上級控制中心的指令、監控設備狀態[2]。系統中選用的監測裝置、智能保護單元均支持IEC 61850通信，從而可以進行方便的組網，與集中保護平臺形成統一的網絡。

集中保護中心對微機保護設備的數據信息進行故障分析，判斷設備是否處于正常運行狀態，一旦有故障發生，就應根據故障情況采取相應的保護措施。集中保護可以對現場監測設備的信息進行分析比較，從而判斷故障位置[3]。如圖1所示，當F節點工作不正常時，保護設備MPD1和MPD4的都會檢測到正向故障，而系統就會通過分析對比判斷相應的末端保護和后備保護，此時，MPD4作為末端保護應首先動作，MPD1進行后備保護。

圖1 微電網設備集中保護方案

1.2 設備的本地保護方案

當微電網保護通信系統出現問題時，本地裝置無法收到上級集中控制平臺的動作指令，現場保護設備應具備根據本地設定進行保護的能力，根據本地信息對故障進行檢測和判斷，完成設備保護動作[4]。保護監督動作銜接可根據系統故障判斷結果和延時來判定，如圖 2所示，tf是保護動作的響應時間，tm為動作響應延時時間，該值通常可以設為20ms。另外，可以采取安裝電子斷路器的方式對線路進行短路保護。

圖2 保護動作的動作時序

當線路的 F處出現故障時，保護設備 MPD、MPD1、MPD2會同時檢測到系統故障，但 MPD2會優先動作，而后備保護MPD和MPD1會根據需要延時動作。往往微電網的規模都比較小，沒有較長的輸電線路，基本不存在電源通過一條饋線接入的情況，因此通過該保護方案就可以滿足保護需要[5]。保護設備MPD的主要保護設定如下。

1）功率方向保護

微電網的潮流方向是不固定的，當有時需要對故障方向進行識別時，需要增加功率保護裝置。系統故障的方向可通過下式判斷。當滿足以下條件時為正向故障，即

式中，φ 為點壓和電流的相位角；θ 為繼電器最大靈敏度角。為避免繼電器死區的出現，可以參考正常相的相電壓以及微機保護器的記憶電壓對電流的相位進行判斷[6]。

2）系統接地故障保護

當有單相接地故障在 TN系統出現時，系統的零序電流分量往往難以檢測。這時可以通過計算系統四相電流的和是否為0來判斷是否有單相接地故障發生。

3）系統過流保護

當電網有不對稱短路故障出現時，系統的負序電流的電流變動會非常大，所以，可以通過檢測負序電流，對系統進行保護。故障判斷依據為

式中，I(2)nor_max為系統正常狀態的負序電流的最大值；K為系統整定系數。該算法適用于系統的相間不對稱短路故障保護。

4）電壓故障保護

電壓故障保護往往在系統公共連接點或者集成在系統逆變器中。系統各公共連接點的欠電壓保護的目的是在外部電網運行不正常時，可以確保系統單獨正常運行。同時，在系統內部出現問題時，也可以有效的將系統切除，確保外部電網的運行安全。為確保分布式電源的故障穿越能力，公共連接點的保護動作時限不應大于分布電源保護單元[7]。

5）電網頻率保護

系統頻率保護的設置位置和電壓保護相同。保護動作時限隨頻率偏差的增大而減小。

6）電子斷路器保護

電子斷路器保護功能較為全面，具有較強的保護能力，其通常配備過載長延時保護以及過載瞬時動作保護。過載延時動作的保護時間根據系統電流的有效值計算[8]。過載長延時和瞬時動作時間計算式分別如式（3）、式（4）所示：

式中，Ir1為長延時動作電流設定值；T1為長延時過載動作時間設定值；t1為過載瞬時動作時間。

式中，Ir2為瞬時動作電流的設定值；T2為瞬時動作設定時間；t2為故障動作動作實際時間。

1.3 自動測控單元的保護邏輯

自動測控單元是微電網保護控制的核心設備，依靠其強大的測控能力，可以方便地實現微電網的保護功能。自動測控單元的保護邏輯如圖3所示[9]。

圖3 控制保護邏輯圖

通過集中保護和就地保護相結合，從而實現對系統可靠及有效保護。

2 微電網保護的配置分析

假設某微電網結構如圖4所示。其中DG1的額定容量為 600kVA，DG2的額定容量為 400kVA，DG3、DG4和DG5的額定容量為50kVA，系統電流最大輸出值為額定容量的 1.2倍，計算得出其分別為1.03kA以及0.69kA。

對系統電子斷路器的額定電流選擇為按照系統最高負荷電流的 1.2倍。瞬間過載動作電流選擇電子斷路器的2倍及以上電流，1#斷路器處雖然額定電流只有 25A，但根據經驗系統中的尖峰電流經常超過幾十安培，為防止擾動造成開關誤動作，瞬斷電流取100A，見表1。其故障動作時間選擇40ms，長時間過載電流根據線路最大負荷適當增加即可，8#和9#電子斷路器的動作時間設定為5s，剩余電子斷路器的動作時間為4s。智能保護設備的保護動作電流值和時間設定見表 2。這些保護動作時間都是針對微電網網絡斷線時的本地保護動作時間。而在系統通信正常時，系統根據對保護裝置的上傳信息的分析結果，進行有針對性的切除，主保護的動作時間縮短為0.07s后備保護動作時間縮短為0.1s[10]。

圖4 微電網系統集中式保護方案

表1 系統電子斷路器參數配置表

表2 保護動作時間設定

對在CCB9和MPD2之間的線路出現兩相接地故障的情況進行研究。

1）過渡電阻設定為0.2Ω，系統負荷達到最大，系統保護動作情況見表3。

表3 保護設備動作情況

2）過度電阻設置為 2Ω，系統負荷達到最大，系統保護情況見表4。

表4 保護設備動作情況

同時，我們對系統負荷處于最小時的情況也進行了實驗，保護設備均能可靠動作，即使在 CCB9在一些故障情況下不能動作時，MPD1和MPD2也可以很好地對線路進行保護。此外，微電網潮流不穩定運行的方式是多樣的，通過對系統電源電壓和頻率，對系統的電源質量保護進行了驗證；通過調整負載情況，對系統的過負荷情況進行了驗證，都取得了比較理想的保護效果。

3 結論

隨著新能源和智能電網的建設，分布式電源結構在配電網絡中越來越普及。本文針對微電網結構的特點，構建了微電網集中保護控制平臺，并對微電網保護設備的配置進行了介紹；為應對集中控制功能喪失的問題，對微電網的本地保護進行了設置；并通過實驗對微電網保護系統進行了檢驗，獲得了較為理想的效果。

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Research on Microgrid Protection Scheme based on Reality

Zhang Lei Wang Yueqiang Chen Guo’en
(State Grid Electric Power Dispatching Control Center of Jiaxing Power Supply Company,Jiaxing, Zhejiang 314000)

With the rapid development of new energy construction, micro grid is becoming more and more popular, and it plays a huge role in the control of distributed power supply. But the microgrid is difficult to protect because of the micro grid, such as two-way flow of power flow and small capacity of power grid. Therefore, it is necessary to research and develop the microgrid protection methods which are compatible with the microgrid characteristics. Based on the characteristics of the micro grid, puts forward the micro grid centralized protection scheme based on communication, and the allocation of local protection scheme as a supplement, finally to the micro grid specific configuration of the protective effect of ideal.

microgrid; communication; centralized protection

張 磊（1986-），男，湖北襄陽人，工程師，自動化運維班主管，長期從事電力調度自動化工作。