基于ZigBee无线组网的交流微网集中式保护方案

章桢，李然

（东南大学电气工程学院，江苏南京 210096）

微网保护与传统配网保护存在极大不同，具体表现有：1）分布式电源的存在使潮流具有双向流通的特性；2）微网在并网、孤岛2种运行模式下短路电流差异很大，影响保护的整定计算[1-3]。这些特殊性使得传统三段式电流保护在微网中无法适应。目前针对微网保护的研究主要可以分为两类，一类是不基于通信的本地量保护，主要采用的方法是限制微电源的准入容量、限制故障时短路电流大小、内部故障时隔离所有微电源等[4-6]，这类方案多以牺牲分布式电源的利益来换取传统三段式电流保护的适用性，极大地限制了新能源的发展[7-8]；另一类是基于通信的保护方案，借助多点信息的比较来适应微网保护的特殊环境。曾有学者提出了采用边方向变化量保护算法来克服微网双向潮流以及不同运行模式对保护的影响[4]，但是需要用到阻抗元件且通信实时性要求较高，这对通信条件落后且没有大规模配置电压互感器的低压配网来说，保护的升级成本太大，实用价值不高。可见，利用实时高速通信系统构建的保护方法是未来低压配网保护的发展趋势，当然也面临着保护方案成本过高及其在现有配网条件下的实用性问题。

通过对以上保护方案的总结，可以发现微网保护设计应具备以下技术要点：1）适应微网双向潮流的特性；2）适应微网多变的结构（微电源的即插即用）和独立并网2种运行方式；3）在1）、2）的基础上，尽量降低保护系统对通信系统的依赖和对现有配网改造的成本，如不使用电压互感器，采用电流量构建保护系统等[9-10]；4）保护方案要能适应未来智能电网及其配套通信网络的发展趋势，如网络化数字化智能楼宇小区，三网融合技术，配网环网运行等[11]。

因此，本文提出了基于ZigBee无线组网的集中式保护方案，分别基于电流量的综合幅值和相位变化量构建相互独立的双重保护判据，判据所用信息为电流综合幅值和相位变化量判断的逻辑结果，不需要进行苛刻的采样数据同步处理，减少了对保护通信系统的依赖，同时通过“广域”保护区域的划分方法扩大保护范围，在一定程度上弥补了系统的后备保护能力。最后针对现有小型化低压配网结构，阐述了基于ZigBee无线组网技术的保护通信架构及其在微网中的适用性。

1 微网集中式保护原理

1.1 综合电流的幅值差动判据

综合电流差动保护，是指通过对相电流、序电流的组合来实现保护算法。本文采用的是将正序故障分量和负序电流结合起来构建综合电流[10]，并以其幅值作为差动保护使用的原始数据。定义保护算法中的综合电I觶cc（comprehensive current）为

式中，I觶2为负序电流；ΔI觶1为正序故障分量；k为组合系数，应大于1，保证算法应对各种故障时都能保证一定的灵敏性，即无论何种故障情况下，I觶2或ΔI觶1都不占据主导地位。在本文中，取k=3的情况来进行讨论。

综合电流I觶cc的获取和计算可以在本地IED装置中完成，以线路两端综合电流幅值和为差动量，幅值差为制动量构建差动判据：

通常传统差动保护需要对线路两侧电流相量进行严格同步，在本判据中仅使用电流幅值量，没有引入电压量和电流相位信息，大大节约了电压互感器投资成本，降低了对采样数据的同步要求，在微网这样短距离的传输系统完全能够满足要求。然而，仅依赖电流幅值信息来构建保护判据理论上存在动作盲区，即在对称度很高的网络中可能会存在某一点发生故障时，判断处于该区间区内故障的两端综合电流幅值量，可能会出现保护拒动。

因此，为了提高保护的安全性能，在综合电流幅值差动判据的基础上，增加了与之并列存在的相位变化量判据，两者相辅相成。

1.2 相位变化量判据

为了减轻通信压力，采用相位变化量判据，实现相位的就地采样、本地计算，通信系统中传输的是只代表正负半周的逻辑信号。此处定义相位变化量为故障后正序电流的相位与故障前正序电流的相位差。如图1所示。

图1 相位变化量判据例图Fig.1 The amount of phase change criterion

当AB线路段F1点发生三相短路故障时，故障电流中只有正序分量，非故障段BC两端IED测的相位变化量必将同时超前或者滞后于故障前电流I觶L一定的角度α，而故障段AB两端测得的电流相位变化量一个超前故障前电流I觶L相位α，一个滞后相位β，当不计及负荷影响时，将满足α+β≈180°[10]，见图2。

图2 故障电流正序分量和故障前电流相位关系Fig.2 Fault current and pre-fault positive sequence component of the current phase relationship

根据区内和区外故障时线路两侧电流相位变化量呈现的不同规律，以逻辑量作为本地相位变化量判断的结果与线路另一端结果进行比对，判据如下：

判断情况如表1所示。

表1 相位变化量判断逻辑表Tab.1 Analyzing logic table for phase variations

当AB线路段F1点发生两相短路故障时，故障电流中既有正序也有负序电流分量，两者相互独立。因此，采用正序分量与负荷电流比相时，结论和三相故障是一致的。

1.3 保护区域的划分

以三分支及以上的节点为端点划分保护区域，最小的保护区域内至少包含2个IED，较大的保护区段可以包含多个二分支节点，在这一类保护区域内，将会出现诸如DG投切等微网结构的变化。因此，保护范围亦将适时作出修正。

如图3所示，划分为区域1和2。区域1为典型最小保护范围，区域2则较大，亦是即插即用的微电源的可行接入点。在未做微源投切操作前，区域1以节点2和节点3的相关侧IED构成一对差动保护端。区域2中，正常运行时，仍以节点为单位构成最小范围保护，即节点3和节点4，节点4和节点5，节点5和节点6分别构成一对，在此类区域中可实现互为后备的保护模式。以节点4和节点5构成的保护对为例，约定每个节点可以和与之相邻节点构成后备保护对，一旦节点4和节点5之间发生区内故障，而节点4或者节点5或者两者都发生拒动，则将经过一定的延时，由节点3和节点6对应侧的IED来完成差动保护功能，实现类似后备保护的功能。

图3 保护区域划分Fig.3 The partition of protection areas

当微源进行投切时，保护范围亦将做出相应的修正，如对图3中10节点处的DG退出运行，而在节点5投入新的微源，则修正后的保护区域如图4所示，区内保护策略也按照保护范围的变化适当做出修正。

图4 修正后的保护区域划分Fig.4 The revised partition of protection areas

2 综合保护方案的实现

综合电流幅值差动判据和相位变化量判据，二者都具备不需要采样数据同步的特点，对实时性要求并不苛刻。二者都不需要引入电压量，保护原理简单，互为补充，相互独立，构成一套综合保护方案。

该方案的工作流程如图5所示。流程中加入了一个故障分量的启动元件，当故障分量电流大于设定阀值时，才启动判据计算。

图5 综合保护方案流程图Fig.5 The flowchart of the comprehensive protection program

3 基于ZigBee技术的保护通信系统架构

我国智能电网的发展首先是智能电网信息技术的应用。因此，无论是本文所述的保护领域，还是在其他电力系统监测与安全分析控制领域，通信技术的发展是必要条件。只有具备有稳定可靠的数据链路的传输技术，才能可靠保证各点测试数据的获取和控制信息的传达。

本文采用广泛应用于工业无线控制与监测领域的ZigBee技术来构建微网的保护通信架构，该架构不仅可确保保护所用信息通道的实时完整，更可用于微网的能量管理与监测，电能质量监测等领域。ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，主要适合于远程控制领域，支持地理定位功能[13]。其协议簇如图6所示。

针对微网的拓扑结构和特定的运行模式，本文提出了基于ZigBee无线组网技术的保护通信架构。如图7所示，每个多分支节点处每个分支都配备有电流互感器，其数据汇总至无线IED，由于在整个微网中覆盖有Zigbee网络，通过其无线AP（access point）与远端其他节点数据同时汇总于中央监控系统，实现相应算法功能之后返还操作命令，实现远程无线控制。

图6 ZigBee协议簇Fig.6 The protocol stack of ZigBee

图7 基于ZigBee无线组网技术的保护通信架构Fig.7 The networking technology of protection based on ZigBee wireless communication architecture

ZigBee无线网络对微网保护系统具备了极强的适用性，具体表现在以下几点：

1）ZigBee技术抗干扰能力强。通过工作在2.4 GHz频段下的跳频工作方式[13]，保证了集中式微网保护系统所需电流幅值和相位等控制数据的实时传输。

2）ZigBee是无线自组网，采用平面路由或树状路由等算法[14]，可以实现主动路由策略，即使网络拓扑发生改变，也可以在无需人工干预的条件下实现设备自动完成网络拓扑，自动接入，这十分适应微网多变的运行结构和微源即插即用的特点，大大降低维护成本，亦可配合上文所述区域划分算法，提供后备保护能力。

3）ZigBee的网络结构多种多样，有星状、片状和网状[15-16]，如果配合数据服务器，可扩展节点的数目将不限定，对未来微网的扩展及各种服务于电力系统的功能的集成将能够很好地适应。

4）ZigBee采用三级安全模式，严密的安全模式足以保证电网运行控制的安全，当然也包括应用此技术的微网保护系统，给予安全性方面的保障。

4 数字仿真

根据美国可靠性技术解决方案协会（CERTS）最早提出的微电网结构，以图8所示系统建立数字仿真模型，引入PQ和VF控制的逆变型微电源，进行MATLAB仿真。

图8 微网数字仿真算例Fig.8 The digital simulation of micro-grid

参数如下所示：

主网电源线电压400 V，50 Hz；变压器变比11/0.4；MG1采用PQ控制，额定输出P=20 kW，Q=0 kvar；MG2采用VF控制，额定输出:线电压380 V，50 Hz；MG3采用PQ控制，额定输出:P=20 kW，Q=0 kvar；负载load1为20 kW；load2为50 kW；load3为20 kW；线路r=0.325 Ω/km，x=0.073 Ω/km。

分别给出两种判据在并网故障情况下的实时数据图，见图9～10，表2。

图9 CD段幅值差动判据结果（F1处两相短路）Fig.9 The results of amplitude differential criterion for CD segment when two-phase short circuit occurs at F1

当微网并网运行时，0.25 s时刻在CD段设置各种类型的故障。由图9所得数据显示，在故障前幅值差动制动量大于动作量，保护算法可靠不动作；当0.25 s发生AB两相短路时，算法动作量远大于制动量，保护可靠动作，在发生三相短路和其他短路方式时，也均能得到此正确动作结果。故障前后，两端相位变化量也符合判据的动作要求，验证了保护算法的有效性。

图10 CD段相位变化量判据结果（F1三相短路）Fig.10 The results of phase criterion for CD segment when three-phase short circuit occurs at F1

表2 各种故障类型电流的相位关系Tab.2 The current phase relationship among the various types of faults （°）

当PCC断开与主网的连接，微网实现孤岛运行，依然是在0.25 s时刻设置同并网运行时所述的各种故障。通过对输出结果的验证，保护算法依然适用，限于篇幅，此处不再给出波形图。

5 结论

通过分析、总结交流微网保护面临的诸多难点和特殊性，提出了采用电流量的综合幅值和相位变化量构建相互独立的双重差动判据的集中式保护方案，且保护系统的通信架构基于ZigBee无线组网技术。该微网保护方案具备以下优点：

1）能很好地适应微网双向潮流特性以及多变的运行模式；

2）借鉴“广域”保护区域的划分的方法，保护范围扩大，后备能力增强；

3）保护通信系统基于ZigBee无线组网技术，适应微源即插即用的特性，安全性和抗干扰能力强；

4）通信信道中传递的信息量为电流综合幅值和相位变化量判断的逻辑结果，不需要进行苛刻的采样数据同步处理，减少了保护对通信的依赖和升级成本，实用性很强。

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