低电压加速反时限过电流保护在微电网中的应用

李永丽，金 强，李博通，李中洲

(天津大学智能电网教育部重点实验室，天津 300072)

随着全球资源环境压力的不断增大，以风力发电、太阳能发电等一批可再生能源发电为代表的分布式发电技术获得了空前的发展．分布式电源(distributed generator，DG)以微电网方式接入，是目前分布式电源有效利用的最佳方式．微电网是指由分布式电源、储能装置、能量变换装置、相关负荷等汇集而成的小型发配电系统，是能够实现自我控制、保护和管理的自治系统[1-2]．无论微电网处于并网运行状态还是孤岛运行状态，都会给电力系统保护带来新的问题[3-5]．文献[6]提出了一种应用于含有分布式电源的三相四线低电压系统的保护方案，该方案采用负序和零序电流保护反映微电网中的不对称和接地故障．由于涉及序量的计算，增加了保护实现的复杂度．文献[7]提出了一种由工控机实现的实验室微电网保护系统，由于基于快速数据采集的硬件平台比较复杂，因此投资费用较大．

笔者分析了含分布式电源微电网的运行和故障特性[8-11]，对低电压配电网的反时限过电流保护进行了优化，提出了低电压加速方法，使其对系统状态变化的适应能力进一步提高，能够在分布式电源的输出功率及系统运行模式变化时保证反时限过电流保护具有优良的动作性能，满足了继电保护选择性和快速性的要求．

1 微电网的特点及其对保护的要求

微电网由于含有多种类型的分布式电源及灵活多变的运行方式，因此具有与传统配电网不同的运行和故障特征，也相应地对保护提出了更严格的要求．

微电网并网或孤岛运行时，针对分布式电源的性质及在微电网中的作用，其逆变器通常采取不同的控制方式[12-13]．不同的控制方式会影响微网故障电流的特性．另外，出于对电力电子元件的保护，通常在控制系统中加入电流幅值限定，使得分布式电源在线路故障时的电流输出受到限制，甚至只有额定电流的1.2～1.5倍[14]．此外，分布式电源输出功率的随机性和微电网运行模式的变化，使得微电网线路故障电流的数值大小具有较大的变化范围；这都给保护的整定和配合带来了困难[5]．

为了在微电网内部故障时保证电源的安全和用户供电的可靠性，美国电气电子工程师协会(IEEE)制定了电网中分布式电源接入的相关标准[14-15]，要求系统故障时实现快速切除．因此，微网故障时保护的快速检测及动作将对微网的安全运行意义重大．

针对微电网对保护的要求，有学者提出基于通讯通道的保护原理来解决分布式电源接入带来的保护整定与配合的难题[7]，但这类方法不仅增加了保护的复杂度及成本，且易受传送数据量、通讯速度和通讯通道可靠性的影响．因此，在尽量少的增加投资或不改变配网原有设备配置的情况下，研究能够适应分布式电源输出功率随机变化及系统运行模式改变的保护策略将是微电网保护研究的必然选择．

2 反时限过电流保护在微电网中的应用

电流保护的反时限特性是指保护动作时间能够随着故障电流的大小而变化的特性，因而具有自适应的反应故障严重程度的能力．反时限过电流保护被广泛应用于中低电压配电网的线路保护．

目前，国内外低电压配电网多采用反时限过电流保护(inverse-time overcurrent protection，ITOC)作为其主要的保护原理[16]．通用数学模型为

式中：t为保护动作时间；tp为时间常数；Ip为保护启动电流，应大于线路负荷电流；a为曲线平移系数，为了使保护在负荷电流下不动作通常取为 1；n为曲线形状系数，通常在0～2之间．

国际电工委员会标准推荐了几种常用的反时限曲线如下．

(1) 常规反时限

(2) 非常反时限

(3) 极端反时限

上述3种反时限特性曲线的形状如图1所示．对于所有曲线，保护的动作时间均随流过保护装置的电流增大而减小，但曲线上各点曲率随曲线形状系数 n及流过保护装置的电流大小不同而不同．

图1 n取值不同时反时限曲线Fig.1 Inverse-time curves with different n

反时限特性应用于线路保护时要考虑上下级线路保护动作时间的配合．当本线路出口短路时应使保护快速动作，而下一级线路出口短路时本线路保护应有足够的延时保证与相邻线路保护在动作时间上的配合以满足选择性的要求．同时应该考虑系统运行方式变化而引起的短路电流的变化范围，使其能够在系统最小运行方式下发生短路时保护动作有足够的灵敏度．由于含有分布式电源的微电网中线路故障时电流变化范围较大(并网运行可以达到(6～10)Ip，孤岛运行仅(1.2～1.5)Ip[14])，而不同运行方式下被保护线路首末端故障时，故障电流大小差别较大，且需要与负荷端熔断器配合，因此宜采用反时限特性曲率较大的曲线[17]，所以在本文的分析及仿真中采用图1中n＝1.0时的反时限特性曲线．但是，在实际应用中还需根据故障电流情况选择合适的动作特性以保证上下级保护动作时间的配合关系．

如前所述，含有分布式电源的微电网在并网或孤岛运行时故障电流的大小变化范围较大且可能发生故障电流方向的改变，下面用具体微电网为例来分析反时限过电流保护应用的可行性及存在的问题．低电压配电系统如图 2所示，为分析方便略去负荷，DG表示任意类型的分布式电源，S为等值的配电系统．当 K1闭合时为微电网并网运行状态；当 K1打开时即为微电网孤岛运行状态．

图2 含有分布式电源的配电系统结构Fig.2 Structure of distribution network with DGs

由于 DG的出力可能在 0～100%的额定输出功率间变化，依照传统的反时限过电流保护整定原则：按分布式电源DG最大功率输出接入母线B4的情况对各保护进行整定并使其满足动作时间的配合关系．下面分析 DG输出变化及微电网运行模式改变(并网运行或孤岛运行)对传统反时限过电流保护的影响．

(1) 无分布式电源支路：并网状态下，当 DG 输出低于最大输出功率时，无DG支路上线路L,2发生故障时，流过保护K,2与K,8的故障电流会比整定情况有所减小，使得按照DG最大功率输出时整定的保护K,2和K,8的动作时间延长，不利于保护的快速动作．当 K,1打开，微电网孤岛运行且线路 L,2发生故障时，流过保护 K,2和 K,8的故障电流仅由 DG提供．由于 DG的容量较小，故障电流与并网运行时相差较大，保护K,2和K,8的动作虽然能够满足选择性要求，但动作时间必然进一步延长，不利于故障的快速切除．

(2) 含分布式电源支路：其保护可以分为DG上游保护(K,3、K,5)和DG下游保护(K,7)．对于DG下游保护(K,7)，其分析与无DG支路相同，即存在孤岛运行时其动作时间延长的问题．对于 DG上游保护(K,3、K,5)，当并网运行且线路 L5发生故障时，由于DG的接入使流过保护K,3和K,5的故障电流减小，特别是 DG输出功率变化较大时将导致 K,3、K,5的动作时间变化较大，降低了保护的性能．当 DG上游线路 L,3发生故障时，DG提供的故障电流流过保护K,5，如果其幅值大于启动值则保护 K,5在反方向故障时将误动作．

3 低电压加速反时限过电流保护原理

传统反时限过电流保护由于只利用了保护安装处的电流信息，因此受系统运行方式的影响．微电网的并网及孤岛运行模式和 DG输出功率变化的随机性则在很大程度上加剧了这种影响，使得不同状态下系统电源容量及故障电流水平相差很大，不利于传统反时限过电流保护在孤岛运行模式下的动作．

DG在微电网孤岛运行时，电压与频率成为系统正常运行的重要指标．由于分布式电源的容量及能量存储单元的调节能力有限，在微电网发生故障时，分布式电源将提高功率输出以维持系统电压与频率的稳定．当故障点距离分布式电源很近时将导致该电源输出功率达到极限，此时系统电压将不能继续保持正常水平．故障点距离保护安装点越近，则电压跌落越严重．这种特性亦可由下述故障相电压的计算公式得出．当三相短路时保护安装处故障相电压(标幺值)为

两相短路时，保护安装处故障相间的线电压(标幺值)为

中性点接地系统发生单相接地短路时，保护安装处故障相电压(标幺值)为

式中：ZL为故障点到保护安装处的阻抗；Us为线路相电压基准值．两相接地短路时也有类似结论．

由此可见u能反映故障点到保护安装处的距离，即故障点越近，电压越低，因此基于此故障特征提出低电压加速策略来提高反时限过电流保护的性能．采用低电压加速策略后，式(3)所表示的反时限过电流保护，其动作时间tua计算式为

式中u为低电压加速因子．由于不同类型故障对应的电压特征有所不同，当保护判定发生故障后，可以比较保护安装处3个相电压及3个线电压的数值，u取其中的最小值，则不同故障类型下都能够起到最优的加速效果．

由此可见，当线路故障时，越是距离故障点近的保护，其低电压加速因子越小，从而更大程度地加速了保护的动作速度，保证了线路出口严重故障时保护能够快速动作．由式(5)～式(7)可以看到：低电压加速因子在故障电流变小时其值必然也相应减小，所以在微电网孤岛运行时，尽管短路电流比并网时的小，但低电压加速作用也使过电流保护能快速动作．

由上述分析可见低电压加速反时限过电流保护用于微电网保护具有明显的优势，其具体应用如下．

(1) 系统电源侧保护的配置：基于低电压加速的反时限过电流曲线如图 3所示．曲线 1和曲线 2是满足动作时间配合关系的反时限过电流保护动作曲线，曲线 2代表下级线路保护．当故障发生在该线路上时，保护动作曲线在低电压加速因子作用下不等距平移为 2′，特别是线路发生出口故障时，低电压加速因子使保护 2能够瞬时动作．而其上一级线路保护处的电压则相对较高，动作时间缩短的程度较小，曲线平移为 1′，仍然能够保证上、下级保护动作时间的配合关系．

图3 低电压加速与传统反时限过电流曲线对比Fig.3 Comparison between low voltage acceleration inverse-time overcurrent curves and traditional inverse-time overcurrent curves

为了保证反方向故障时保护在 DG提供故障电流下不误动，需要在 DG 上游的保护(K,3、K,5)处增加方向元件以保证保护动作的选择性．

(2) 分布式电源侧保护的配置：为了保证微电网中发生故障时，故障元件能够从两端隔离，对接有DG的线路需在DG接入侧装设断路器并配置保护，如图3中保护K,4和K,6．无论微电网处于并网还是孤岛运行状态，线路故障电流均由 DG流向故障点，故障电流的大小则与保护背侧 DG总容量及出力情况有关．因此，同样可以采用带方向元件的低电压加速反时限过电流保护原理．当DG相联线路上发生三相短路时，DG侧保护处电压将急剧下降，尽管由于DG容量限制使其供出的故障电流不大，但低电压加速的反时限过电流保护仍能快速动作．

4 仿真验证

图 4为一个含分布式电源的低电压配电系统．系统线电压为400 V，中性点接地运行，线路长度如图 4所示，线路序参数为 X1＝X2＝0.072,3,Ω/km，R1＝R2＝0.253,Ω/km，X0＝0.289,Ω/km，R0＝1.01,Ω/km，各母线负荷均为 0.04,MVA，所有负荷功率因数均为 0.9．分布式电源 DG1为 VF控制电源(提供电压支持)，最大输出功率为 0.15,MVA；DG2为可变功率电源，最大输出功率为 0.2,MW；所有分布式电源最大输出电流均为其额定电流的1.5倍；配电系统S容量为 5,MVA．当开关 K1闭合时，微电网处于并网运行状态，反之则为孤岛运行状态．

图4 仿真系统结构Fig.4 System structure of simulation

仿真时设置故障并得到各保护安装处的电压与电流，计算并比较采用低电压加速与不采用低电压加速时反时限过电流保护的动作情况．传统反时限过电流保护动作方程见式(3)，而采用低电压加速的反时限过电流保护动作方程见式(8)．对于同一点的保护，2个式中tp、Ip整定为相同值．

保护的启动电流可整定成

式中：lmaxI 为最大负荷电流；reK 为返回系数，取值为0.95；relK 为可靠系数，取值为 1.2；msK 为自启动系数，实际整定时需考虑负荷情况(电机容量及启动特性)，仿真中取2.0．

对系统中各保护按照传统的反时限过电流保护的整定原则整定tp．使保护K,2在L,2出口故障时的动作时间比保护 K,8长 0.3,s，保护 K,7、K,5、K,3的动作时间亦按照阶梯型时限特性整定．

4.1 微电网并网运行仿真结果

设定DG2输出功率为0.1,MW，即50%容量输出.

(1)三相故障设置在线路 L,5出口(图 4中 F1点)，保护 K,3、K,5、K,7动作情况见表 1．其中 u为低电压加速因子，ITOC表示传统反时限过电流保护，UAITOC表示电压加速反时限过电流保护．

表1 并网运行时F1点三相短路保护动作情况Tab.1 Performance of protection in three phase fault condition at F1 when grid-connected

从仿真结果可以看出，线路 L,5故障时，保护K,3、K,5、K,7都将启动，保护K,4和K,6判定为反方向故障，不会动作；由于分布式电源 DG2的存在使得流过保护K,3、K,5的电流减小，按照传统反时限过电流保护整定的动作时间较长，采用低电压加速后，提高了保护的动作速度．而邻近故障点的保护 K,7可实现瞬时跳闸．

(2) 两相故障设置在线路 L4出口(图 4中 F,2点)，保护 K,3、K,5、K,6的动作情况见表 2．

表2 并网运行时F2点两相短路保护动作情况Tab.2 Performance of protection in two phase fault condition at F2 when grid-connected

当线路L,4故障时，保护K,3、K,5判定为正方向并启动，在低电压加速作用下，K,5快速动作．保护K,4判定为反方向故障，不动作．保护 K,6判定为正方向故障，亦在低电压加速因子作用下快速动作．所以该保护方案可以实现故障线路从两端被快速切除．而按照传统的反时限过电流保护整定时，保护K,5和K,6动作时间较长，导致DG,1和DG,2都被迫退出运行[17]．

4.2 微电网孤岛运行仿真结果

开关 K,1打开，DG,2按照最大功率 0.2,MW输出．

(1) 单相接地故障设置在线路L,5出口(图4中F1点)，保护K,5、K,6、K,7的动作情况见表3．

表3 孤岛运行时F1点单相接地短路保护动作情况Tab.3 Performance of protection in single phase to ground fault condition at F1 when islanding

微电网孤岛运行状态下线路L,5故障时，分布式电源DG,1和DG,2对故障点提供的故障电流使保护K,5、K,7动作．但由于故障电流较小使得按照最大运行方式下(并网状态且分布式电源输出功率最大)整定的反时限过电流保护动作时间较长．采用低电压加速原理后，K,7能够无延时动作快速切除故障．保护 K6由于判定为反方向，正确不动作．如果采用传统的反时限过电流保护，K,7动作时间为0.27,s，将导致 DG,2长时间运行在低电压状态下而被迫退出运行，不利于对负荷连续供电．

(2) 两相接地故障设置在线路L,1出口(图4中F,3点)，保护K,2、K,3、K,4的动作情况见表4．

表4 孤岛运行时F3点两相接地短路保护动作情况Tab.4 Performance of protection in two phase to ground fault condition at F3 when islanding

微电网孤岛运行时，线路 L,1故障使保护 K,2、K,4均启动；由于故障电流小(仅由 DG 提供)，不利于保护快速动作．当采用低电压加速策略后，保护K,2能够快速动作，实现故障的隔离．保护 K,3判定为反方向故障，不动作．

仿真结果显示：由于微电网内电源容量相对很小，当孤岛运行时故障电流幅值远小于并网运行状态，使得按照最大运行方式整定的传统反时限过电流保护动作性能变差，动作时间较长．但由于微网内部故障使分布式电源输出功率达到极限，导致系统电压明显下降，在低电压加速因子的作用下仍然能够保证保护具有较好的动作特性．尤其是该保护原理能够反映故障点的位置，在线路出口严重故障时能实现瞬时跳闸．

由于低电压加速反时限过电流保护原理及方向判定元件都需采用电压的数据，当电压互感器断线时保护将可能发生误动作，因此，必须加入 PT断线闭锁功能．

5 结 语

本文提出了一种基于低电压加速的反时限过电流保护方法．该方法利用故障后保护安装处电压与故障位置的关系，提出采用低电压加速因子提高传统反时限过电流保护的动作速度，进而实现故障的快速切除．同时通过仿真验证了当分布式电源接入后，在分布式电源输出功率波动及微电网运行模式改变的情况下，该保护原理仍然能够在满足保护选择性的同时有效地提高反时限过电流保护的动作速度而无需改变保护的整定值．

本文提出的基于低电压加速的反时限过电流保护方法主要应用于400,V的低电压微电网系统，能够反映各种类型故障，该原理亦可推广应用于含微电网的10,kV配电系统．

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