微電網的保護特性分析

黃巨朋

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102611）

1 國內外研究現狀

微電網（MG）保護方法的研究根據其運行狀態的不同而變化，運行狀態包括并網和孤島狀態，會產生一些特別的效果。在含分布式電源（DG）的配電網系統中表現為DG 的投入和退出會改變配電網的潮流方向和網絡拓撲結構，傳統配電網的保護無法滿足DG 的保護要求。這可能會使傳統保護裝置的動作原則失效，需要特別關注并尋找新的解決方案。

針對MG 保護面臨的一些關鍵難題，國內外對MG 保護方法的研究主要聚焦于兩個方面：首先，借助通信系統的力量，結合廣域保護理念，實現對MG 的有效保護；其次，利用新型故障分量，通過繼電器的精確動作，達到保護MG 的目的。這樣的研究旨在提升MG 保護的效率和精度，為電力系統的穩定運行提供有力保障。這些研究工作在當前的保護領域中具有重要意義，有助于提升電力系統的穩定性和安全性。它利用同步相位測量裝置，并通過光纖通信鏈路成功構建了MG的保護系統。此系統不僅具備檢測各類常規故障類型的能力，而且能確保繼電器在電壓電流數字采樣頻率為1.5 kHz 的情況下正確動作。更值得一提的是，該系統還能發現高阻抗故障。其原理是利用通信系統完成了線路兩端相鄰保護的縱聯比較功能，從而能更精確地定位故障位置[1]。

根據MG 結構的高度可調性，實施了一種節點探索策略。在探索過程中，專注于監測最大的電流正序分量以及電流的方向。這些數據在判斷故障時起到了決定性的作用。在設定保護動作閾值時，人們采取了精確嚴謹的態度，同時引入了靈活的延遲序列，并與自適應調整的保護動作時限相互配合。這樣的策略使得各級保護裝置能夠協同工作，共同確保系統的穩定運行。這兩種策略均不以故障電流的幅值為啟動條件，實現了故障線路的準確隔離，增強了保護策略的適應性[2-3]。在這個方案中，采納了集約式通信結構的先進理念。這意味著每個斷路器內部都裝載了MG 系統的終端設備MTU。然而，這僅僅是冰山一角。更為精妙的是，在MG 系統中設置了一個核心保護單元。這個核心單元就如同大腦一般，掌控著整個系統的運作。它的主要任務是處理各種故障信息，并迅速將行動指令發送給每一個斷路器的MTU。接到指令后，MTU 會立即行動，精確控制斷路器跳閘，從而將故障區域完美地隔離出來。這樣的設計不僅提高了系統的穩定性，也大大增強了其應對故障的能力。該故障定位方法以故障電流方向為判別條件，為了實現各保護的動作時間序列，利用分層協調的理念，將保護分成配電網級、系統級和微源級3 層，保證了保護系統各級動作的選擇性[4]。

近年來，盡管國內外在MG 保護方法的研究上取得了一些進步，但依然存在不少短板和挑戰。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和保護動作原理上，這無疑增加了保護策略的復雜性。更重要的是，新的故障判據往往需要新的保護設備來執行，這無疑增加了MG 的運營成本。而且，當前的研究對于繼電保護裝置可能出現的拒動和誤動問題尚未給予足夠的重視，這可能導致保護設備的可靠性降低，從而影響整個MG 的運行穩定性和安全性。因此，未來的研究需要更加深入地探討如何在確保保護設備可靠性的同時，降低其復雜性以及運營成本，以更好地推進微電網的發展和應用。因此，未來需要進一步改進MG 保護方法，提高其可靠性和經濟性。

2 微電網保護特性分析

MG 保護特性的分析就是結合MG 本身的故障特性和運行特性，分析傳統的配電網保護方式在MG 的適應性，為MG保護方法的研究提供理論基礎。影響MG 保護的因素主要有（1）：MG 與配電網的隔離策略，即當故障發生在MG 或配電網系統內時，MG 與配電網的連接點PCC 的動作方案；（2）MG 不同的接地方式對保護的影響；（3）MG 的運行方式對保護的影響以及即插即用的微電源特性對保護的影響。

MG 的可靠接地是保證MG 以及設備安全運行的基礎保障，接地方式的不同對MG 的故障特性影響不同[5]。針對電壓等級為0.4 kV 的MG 系統模型的低壓配電，從故障電流幅值的角度分析，在系統發生單相接地故障時，TN 系統產生的故障電流最大，同時，TN 系統中的設備接觸電壓小，能為低壓用戶的安全提供更可靠的保證[6]。

2.1 微電網與配電網的隔離策略

2.1.1 隔離策略

影響MG 與配電網運行狀態的因素有：MG 與配電網的功率交換量、MG 的地理環境、MG 中的負荷等級及特性，以及配電網的重合閘方式等，MG 孤島運行和故障穿越運行有以下策略。

1）在含有敏感負荷的MG 與配電功率交換不大，且MG本身的系統容量滿足當地負荷要求的情況下，MG 可以無選擇地斷開與采用前加速式重合閘的配電網的連接開關PCC，無論是MG 內部故障或是配電網故障。

2）在MG 與配電網功率交換量較大的情況下，無論是MG內部故障，還是配電網故障，都保持MG 與加速式重合閘的配電網的互聯。

3）當MG 發生內部故障時，聯絡線上的PCC 開關可無選擇性跳閘，但當配電網發生故障時，保持MG 仍保持與配電網的互聯運行狀態[7-8]。

以策略2）為基礎研究聯絡線的保護方案，只有當大電網或配電網無法為MG 系統供電時，MG 才做孤島運行，此時聯絡線開關應跳開。導致此類情況發生的原因可能是聯絡線上或聯絡線上一級線路發生故障。

2.1.2 聯絡線保護方案

當MG 與配電網隔離采用策略2）時，聯絡線保護方案設計主要解決兩個問題：（1）聯絡線出現故障時可靠地切除故障；（2）MG 或配電網出現故障時，要減少網絡中低電壓對微電源的危害。對于第2 個問題，在各微電源處安裝電壓偏移可實現保護。聯絡線保護方案的設計亦存在2 個難點：（1）靠近MG 側的保護設計要充分考慮到MG 故障特性對保護的影響；（2）靠近配電網側的保護設計可看作為雙電源系統的保護設計，要充分考慮到保護靈敏度的問題。

2.2 微電源特性對微電網保護的影響

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對MG 的保護造成影響，導致傳統保護選擇紊亂、保護靈敏度降低等問題，使傳統保護方式，尤其是過電流保護，難以適用于MG 系統中。

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，對保護選擇性的影響亦有所不同。

2.2.2 保護靈敏度降低

微電源或DG 故障退出運行時會對原供電系統的保護靈敏度產生影響。

DG 或微電源并網點在故障穩態時的電勢Uk1計算式為：

兩電動勢之差為：

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

2.3 微電網的運行方式對保護的影響

MG 既可以并網運行，又可以孤網運行，在這兩種不同的運行方式下，MG 的故障特性差異很大，這無疑給MG 保護設置帶來了挑戰。在MG 系統中，多數微電源需要經過電力電子裝置與系統接口實現并網或供電，而基于電力電子裝置的微電源無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，無法像傳統大電網中具有大慣性旋轉式發電機一樣，既可利用慣性維持系統的穩定，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。對于逆變器等裝置造成的故障電流較小問題，受影響較大的為孤島運行的MG，而并網運行的MG 其故障電流是由配電網系統以及微電源共同提供，且配電網提供的故障電流足夠大，完全滿足保護裝置的動作閾值。

對于電力電子裝置導致孤網運行的MG 故障電流不易檢測問題，可采取用兩種方法解決：（1）增大電力電子器件的容量，但是，會導致經濟成本投資過大，而且存在的技術難題亦較大；（2）借助儲能單元的放電特性，在孤島運行的MG 發生故障時，大容量的儲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 不同的運行方式所帶來的不同故障特性對傳統繼電保護提出了挑戰，一般有兩種應對方法：（1）設置兩種不同的保護，分別對應于MG 孤島和并網不同的運行狀態，兩種保護可根據預設的限制條件實現互相之間的切換。但是，保護配置更加復雜，經濟上不一定可行。（2）設計適用于MG 不同運行狀態下的同一保護方法，主要難點在于適應性要求更高，保護方法更難實現。

3 結語

本文從傳統配電網保護方法的角度出發，分析了影響MG 保護方案設計的不同因素。通過MG 系統在故障情況下的不同隔離策略，提出了MG 基于故障穿越運行的聯絡線保護方法。同時，MG 的運行方式的變化、微電源接入系統的容量和位置的不同，以及MG 的接地系統不同等因素，均會導致MG 的故障運行特性有所變化，給MG 系統的保護技術的研究帶來挑戰。