微电网保护与控制系统的设计与实现

李永丽，陈晓龙，刘 明，李博通

(1. 天津大学智能电网教育部重点实验室，天津 300072；2. 南方电网深圳供电局有限公司，深圳 518000)



微电网保护与控制系统的设计与实现

李永丽1，陈晓龙1，刘 明2，李博通1

(1. 天津大学智能电网教育部重点实验室，天津 300072；2. 南方电网深圳供电局有限公司，深圳 518000)

摘 要：为了能够掌握微电网整体运行状态，可靠切除微电网内各种类型故障，监测微电网的运行模式，实现微电网孤岛检测、孤岛运行和并网控制，提出并开发了利用微电网全域信息的保护与控制系统.该系统利用通信网络将工业控制计算机和微电网内的保护装置与并网控制装置相连，实现了微电网内保护的合理配置、保护装置与并网控制装置动作状态的实时监测、保护装置与并网控制装置的统一对时及远跳/远投控制、孤岛检测、并网控制及人机信息交互等基本功能.仿真测试结果表明，该系统总体结构简单，功能实用，能够保证微电网的安全稳定运行.

关键词：微电网；保护与控制系统；通信网络；保护配置；孤岛检测；控制逻辑；后台程序

网络出版时间：2014-07-04. 网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/doi/10.11784/tdxbz201310040.html.

随着电力需求的迅速增长，按照电力工业绿色和谐发展的目标，特高压交、直流输电和利用可再生能源的分布式发电成为我国“十二五”及以后电力工业发展的重点.微电网[1-4]是将分布式电源、储能电源、负荷和控制装置等按照一定的拓扑结构组成网络，并通过开关设备与电网相连，能够实现对分布式发电的有效管理，充分挖掘分布式发电为电网和用户带来的价值和效益.对于电网而言，微电网能够改善接入点电压，减小输电线路损耗，延缓为满足不断增大的用电需求而对电网进行改造升级所需的巨大投资等[5].对于用户而言，微电网能够减少供电中断的频率和持续时间[6]，从而提高供电可靠性.

然而，微电网的运行特性和故障特征与传统配电网有很大区别.微电网既能够并网运行，又能够孤岛运行.其中，孤岛运行又分为计划孤岛和非计划孤岛.当非计划孤岛发生时，电能质量及供电可靠性将无法得到保证，并且有可能造成电力设备损坏，甚至危及运行人员的人身安全[7].因此，微电网需具备快速孤岛检测能力，并通过协调分布式电源控制策略，使得其电压和频率维持在允许范围之内.另外，微电网的故障特征也不同于传统配电网，给微电网保护也带来了需要特殊考虑的问题：微电网中某些分布式电源的功率输出具有随机性和波动性的特点，增大了保护整定的难度；由于电力电子器件的耐压与过载能力的限制，分布式电源的最大输出电流为其额定电流的2倍左右，使得基于电流增大的故障检测方法及保护原理有可能失效；当微电网发生内部故障时，功率的双向流通可能使得基于传统辐射状配电网的保护误动作；在并网和孤岛两种运行模式下，微电网内部故障电流有很大差别，也加大了微电网保护的难度.因此，需要对微电网保护配置和控制策略进行合理设计，从而保证微电网的安全稳定运行.

目前，已经有关于微电网能量管理系统的公共信息模型[8-9]、平台设计[10-11]及优化算法[12]等方面的研究成果，但是较少涉及对于微电网内保护、孤岛检测、孤岛运行以及并网控制的统一管理.文献[13]基于无论发生微电网外部或内部故障都先断开连接微电网和配电网的静态开关的前提，采用基于电流序分量和不平衡电流的微电网保护方案，来保证在故障电流较小的情况下依然能够切除微电网内部的单相接地故障和相间故障.然而，基于电流序分量的保护方案不能识别和切除三相故障，并且静态开关的开合使得微电网内的分布式电源频繁切换控制策略来维持孤岛后电压和频率在正常范围内，可能引起不必要的暂态冲击，缩短分布式电源的使用寿命.文献[14]采用电流差动保护来切除微电网各种类型故障，然而所需投资巨大，并且由于没有配置后备保护，无法保证故障的可靠切除.另外，文献[14]给出了基于微电网内断路器状态的分布式电源的控制策略，然而该控制策略只适用于含有2个分布式电源的微电网，并且文中采用的是基于过压/欠压和过频/欠频的被动式孤岛检测方法，该方法具有较大的检测盲区.同时，检测到非计划孤岛发生是分布式电源控制策略切换的前提，而此时电压和频率已超出正常允许范围，控制策略切换时将会引起较大的暂态冲击.

微电网中含有多种分布式电源以及对电能质量有不同需求的负荷，当发生故障时微电网内各保护能够适应微电网的不同运行模式和功率变化，当非计划孤岛发生时微电网能够及时协调各分布式电源的控制策略，是保障微电网安全可靠运行的关键.基于以上考虑，结合微电网自身特点，本文提出并开发了基于微电网全域信息的保护与控制系统，而微电网网络分布的相对集中性，也使得构建此系统成为可能.该系统具有实现简便、功能实用、灵活开放并且能够人机友好互动等特点，为实现对微电网全域信息数据、保护与控制的综合管理提供了一条新途径.

1　系统简介

1.1系统构建原则

结合微电网特点，考虑微电网发展前景，构建微电网保护与控制系统需要遵循以下原则.

(1) 统一性.配置主机设备，作为系统中唯一的管理平台，支持对整个微电网中信息数据、保护与控制的统一协调和管理，确保信息的有序交互和指令的唯一性.

(2) 互动性.能够与微电网能量管理系统及配电网控制中心进行信息数据交换，提升电网全域的运营管理水平，并且实现友善的人机信息交互.

(3) 开放性.具有开放式的功能、通信网络等技术体系，提高系统的灵活性和可扩展性，能够适应微电网设备的扩充以及技术的完善与更新.

(4) 可靠性.能够可靠切除微电网在不同运行模式下的各种类型故障，确保微电网孤岛运行时电压和频率在正常允许范围之内.

(5) 经济性.优化系统构建方式，在保证满足系统功能要求的基础上力求简捷、易于实现.

1.2系统结构

覆盖微电网全域的保护与控制系统不仅需要就地设备采集并通过通信网络上传数据，而且需要对信息数据进行综合处理并通过通信网络下达指令.一个简单微电网的保护与控制系统结构如图1所示.系统主要包括以下3部分.

(1) 主机设备.配置专用的主机设备作为系统的管理平台.由于管理平台的唯一性，主机设备承担了对整个微电网保护与控制统筹管理的角色，因此性能要求高，并且可以配置2台或多台互为冗余，避免因为主机设备发生故障而造成整个系统瘫痪.

(2) 就地设备.包括安装在各分布式电源出线处的保护装置、微电网内线路保护装置、公共耦合点(point of common coupling，PCC)处的并网控制装置等.就地设备将本地信息数据上传给主机设备，并基于本地信息数据实现保护原理及并网控制算法，或者响应主机设备的指令来控制断路器的开合.

(3) 通信网络.将主机设备和各就地设备连接成统一的网络，采用简单可靠的通信协议以及合理的信息数据管理完成信息数据的实时、准确交互，确保主机设备决策和指令的正确性以及就地设备的快速响应.

图1　简单微电网的保护与控制系统Fig.1 Protection and control system of a simple microgrid

1.3主要功能

为了综合利用微电网全域信息，实现保护与控制装置的正确动作，保证微电网安全、可靠运行，对微电网保护与控制系统的功能设计如下.

(1) 监测功能.通过就地设备对微电网进行多点、多角度监测，并且通过人机信息交互界面，实时显示清晰的微电网整体运行状态，以便于灵敏察觉运行状态的异常变化.

(2) 控制功能.能够实现紧急状况下对保护与控制装置的远投/远跳控制；能够实现微电网运行模式的检测，快速判定微电网是处于并网还是孤岛运行状态；能够控制分布式电源控制策略的切换，使得微电网能够孤岛运行；能够在最佳并网条件下进行并网控制，减小并网时对配电网和微电网造成的冲击.

(3) 保护功能.对于微电网内分布式电源出线处和线路出口处的保护装置，能够根据就地采样数据判定故障并快速动作；对于系统管理平台，能够统一各保护装置时间基准，并且能够基于各保护装置的信息数据实现微电网的广域后备保护[15].

(4) 通信功能.能够与微电网能量管理系统及配电网控制中心互连，实现与微电网能量管理系统的信息数据交互，以及对配电网控制中心调用微电网实时或历史信息数据指令的准确响应.

(5) 数据存储及调用功能.能够实时存储和更新各保护装置与并网控制装置的运行数据、动作及自检报告数据，能够查询和调用各装置的实时或历史信息数据.

通过对功能的合理设计，使得微电网保护与控制系统具有以下特点：能够对微电网整体运行状态实时监测，能够对全域信息数据实时存储、更新和调用；能够对微电网内各点信息数据进行综合处理，实现保护装置动作的配合，确保微电网中各种类型故障的可靠切除；能够实现紧急状况下对保护与控制装置的远投/远跳控制；能够检测微电网运行模式，实现并网和孤岛运行模式的平稳过渡；具有友善的人机信息交互界面，并能够与微电网能量管理系统和配电网控制中心通信；具有开放式的技术体系，能够通过网络扩展和功能完善及时满足微电网发展要求.

2　通信方案

微电网是含分布式电源(包括储能电源)、负荷和控制保护系统的集合，具有电压等级低、结构灵活、覆盖面积小等特点.结合微电网特点，考虑到经济性和实用性，微电网保护与控制系统不宜采用过于庞大和复杂的通信结构，因此，将系统的通信结构划分为主站层、网络层和子站层，如图2所示.

图2　微电网保护与控制系统的通信结构Fig.2 Communication architecture of the protection and control system of a microgrid

主站层包括数据管理、综合处理和人机交互3个子系统.其中数据管理子系统存储子站层采集上传的信息数据，并经过综合处理子系统做出决策后下达指令，人机交互子系统则实现微电网运行状态的可视化并积极响应用户指令.

子站层中各保护装置与并网控制装置采集本地数据，通常情况下，需要等待主机设备发送查询指令后才可以使用总线上传数据.当保护装置与并网控制装置动作时，主动发送数据给主机设备，并且数据具有更高优先级.

网络层利用通信技术实现主站层和子站层之间信息数据的交互，确保数据的实时性和准确性.

通过对Modbus通信协议的借鉴，开发了开放的、适用于微电网保护与控制系统通信网络的专用通信规约.该规约的帧格式简单紧凑，一个完整的通信数据帧格式如图3所示.设备地址是网络内各保护装置与并网控制装置的唯一标识.功能码表征实现的功能.数据位一般是主机设备对功能具体信息的描述，或各保护装置与并网控制装置应答的具体信息数据.校验码用于通信双方检验通信数据是否有效.

图3　通信数据帧格式Fig.3 Data structure of the communication network

3　微电网保护与控制系统的实现

3.1系统结构的实现

参考Modbus总线结构，该微电网保护与控制系统采用2台连续工作时间长、可靠性强、抗干扰能力强的工业控制计算机作为主机，互为冗余，采用屏蔽双绞线通过RS-485光隔集线器和分布在现场的1套风机出线处保护装置、4套线路保护装置及1套PCC处并网控制装置相连，其网络构建如图4所示，该保护与控制系统的组屏如图5所示.

主站层中的主机设备掌握总线使用权，发送指令轮询子站层中的各保护装置和并网控制装置，并等待各装置应答.网络层采用RS-485半双工的异步串行通信技术实现信息交互.

保护与并网控制装置[16]采用高速数字信号处理器TMS320F2812作为保护与并网控制CPU，并使用F2812上的标准SCI口扩展出标准RS-485串行通信接口，从而可以将装置和主机互连，实现装置将就地采集数据和动作信息上传给主机设备并执行主机设备对采集数据和动作数据综合处理后的指令.

图4　微电网保护与控制系统Fig.4 Protection and control system of the microgrid

图5　微电网保护与控制系统控制屏Fig.5 Control panel of the protection and control system of the microgrid

3.2保护原理及配置

为适应微电网运行模式的变化，根据分布式电源的故障特征，提出了低电压加速反时限过电流保护[17]来保障重要负荷的供电并避免分布式电源退出.低电压加速反时限过电流保护的动作时限特性为

式中：tp为整定的时间常数；Ip为启动电流整定值；u为低电压加速因子，其值取为保护安装处3个相电压及3个线电压的标幺值的最小值.当微电网处于孤岛运行模式或分布式电源输出功率波动时，该保护能够综合利用故障时电压、电流的变化特征，提高了区内故障时保护的灵敏性，并且低电压加速因子改善了保护的动作时限特性.

当微电网发生不对称故障时，负序电流变化明显.因此，通过配置负序电流保护来提高保护的动作速度和灵敏度.由于微电网中可能存在单相负荷，负序电流保护的整定需要考虑最大不平衡电流的影响.

微电网接地方式设计的主要目标是保证在微电网正常运行和故障时不存在人身和设备安全隐患[18-19]. 微电网接地方式通常为三相四线制的TN系统，当发生相间或相线与N线短路故障时，相线电流之和不为0，此判据可以作为不对称相间故障(包括相线与N线短路)的保护判定方法.当发生不对称接地故障时，相线和N线电流之和不为0，此故障特征可以用来判定接地故障.

为了保证在功率双向流动的情况下保护动作的选择性，微电网内保护需要配置方向元件.目前，基于故障分量的能量方向判别方法[20-22]主要应用于超高压输电系统的线路保护，并采用分相判别的形式.由于微电网通常采取三相四线制的接线方式，采用3条相线和N线故障分量的功率之和小于0作为区内故障的方向判据[23].3条相线和N线故障分量的功率之和为

基于广域信息的保护将微电网作为一个整体来考虑，能够充分利用微电网内多点信息，将基于单端信息的“点”保护提升为“面”保护.由于需要借助通信网络，基于广域信息的保护通常作为后备保护.但是，基于广域信息的后备保护并不依赖整定值和动作延时的配合，因此其动作延时短.通过采集各个保护方向元件的动作信息，基于方向信息的广域后备保护能够精确判定故障位置，并且对方向信息的同步性要求不高.

结合不同类型故障的特性，微电网保护与控制系统的保护配置方案如表1所示.通过主、后备保护的有效配合，以及方向元件对功率方向的正确判定，能够可靠切除微电网内可能出现的各种类型故障.

表1　微电网保护配置方案Tab.1 Protection configuration scheme of microgrid

3.3孤岛检测方法

孤岛检测是微电网由非计划孤岛转变为孤岛运行的前提，同时对改变微电网内控制策略也有着重要意义.被动式孤岛检测方法具有检测盲区大的缺点[24]，而大多数主动式孤岛检测方法都是通过引入扰动信号使得非计划孤岛后PCC处电压或频率偏移出其正常运行范围来判定非计划孤岛[25].因此，这些主动式孤岛检测方法破坏了电压和频率的正常运行条件，使得分布式电源在控制策略切换时将会引起较大的暂态冲击，不利于微电网由非计划孤岛过渡到孤岛运行模式.

针对被动式检测法检测盲区大以及主动式检测法破坏孤岛运行条件的缺点，通过分析基于正、负反馈控制的频率变化特性，采用频率滞环孤岛检测算法[26]来检测非计划孤岛，算法为

式中：k为控制周期次数；Qinv(k)和Qload(k－1)分别为逆变型分布式电源输出的无功功率和负载消耗的无功功率；A(k)B(k)为无功补偿的增益系数；w(k－1)为系统角频率；w0为工频角频率；wmax和wmin为算法设定的角频率门槛值.根据此算法，通过PCC处电压的频率变化情况来判定非计划性孤岛是否形成.该算法不破坏孤岛运行条件，检测盲区小，检测速度快，有利于微电网孤岛运行.

3.4微电网孤岛运行控制逻辑

在并网运行条件下，分布式电源一般采用恒功率控制策略，并且当运行目标不同时，其有功和无功功率的参考值不同[27].当检测到非计划孤岛后，分布式电源需要将其恒功率控制策略切换为恒压恒频控制策略，从而维持微电网电压和频率在正常允许范围之内，实现微电网孤岛运行.为了减少控制策略的频繁切换以及可能引起的暂态冲击，只需要微电网中的一个分布式电源切换控制策略并为其他分布式电源提供电压和频率支撑即可.由于每个分布式电源均有可能和其本地负荷形成孤岛，因此分布式电源均能够切换其控制策略.下面结合如图6所示简单微电网，对其孤岛运行的具体控制逻辑说明如下.

图6　一个简单微电网Fig.6 A simple microgrid

(1) 首先给各个分布式电源编号.号码由2位数字组成，第1位数字为馈线号，第2位数字则随着分布式电源与PCC的距离由近到远而逐渐增大，如DG11、DG12等.

(2) 当分布式电源检测到非计划孤岛时，将其号码及非计划孤岛发生信号上传给主机设备，并根据检测到孤岛的分布式电源数目以及这些分布式电源是否相邻，转入步骤(3)或步骤(4).

(3) 如果只有1个分布式电源(如DG13)检测到非计划孤岛，或者某几个检测到非计划孤岛的分布式电源中有1个分布式电源的号码和其余分布式电源的号码不相邻(如DG12、DG13和DG22检测到孤岛，但是DG22和其余2个不相邻)，主机设备将给此分布式电源(DG13或者DG22)下达切换控制策略指令；如果2个号码不相邻的分布式电源(如DG13 和DG22)都检测到非计划孤岛，主机设备将给这2个分布式电源都下达切换控制策略指令.

(4) 如果某几个号码相邻的分布式电源(如DG11、DG12和DG13)都检测到非计划孤岛，主机设备将给容量最大的分布式电源下达切换控制策略指令.

(5) 由于步骤(4)中号码相邻的多个分布式电源也有可能形成多个孤岛，因此如果主机设备仍然收到非计划孤岛发生信号，则返回至步骤(2)，直到主机设备接收不到非计划孤岛发生信号，并且微电网电压和频率稳定在正常允许范围之内.

当配电网和微电网都处于正常运行状态时，孤岛运行的微电网需要重新并网，从而保证微电网具有更高的运行可靠性.当配电网侧和微电网侧的电压幅值、频率及相位满足准同期并列条件时，主机设备下达并网控制指令，并且相应分布式电源的控制策略切换为恒功率控制.

3.5管理平台后台程序的开发

考虑到工业控制计算机装设了Windows操作系统，因此使用面向对象编程的高级程序语言开发微电网保护与控制系统的后台程序.程序类型为Windows窗体应用程序，并利用多线程技术通过不同线程完成不同功能.

该程序通过主线程发送轮询指令并实现数据处理功能，具有友善的人机交互界面，易于操作和掌握.程序主界面如图7所示.

微电网保护与控制系统后台程序已实现的功能包括：在线监测微电网保护装置与并网控制装置安装处的电压和电流有效值、各装置的运行状态及动作次数；以主机设备的时间作为统一的时钟基准，能够自动对时，或根据需要手动对时；动作报告、自检报告和故障录波数据以文档形式保存，并能够调用和显示当前及历史各种报告与故障录波数据；能够实现对各个保护和控制装置的远跳/远投控制；采用基于全波傅里叶变换的频率计算方法[28-29]，能够快速判定孤岛状态；一旦检测到频率差、电压差和相角差满足并网条件，便立即执行并网动作，能够迅速将微电网拉入同步状态等.

图7　后台程序主界面(微电网局部图)Fig.7 Main interface of background program(local graph of the microgrid)

4　结 语

结合微电网特点，本文提出并开发了利用微电网全域信息的微电网保护与控制系统.本系统采用基于Modbus总线标准的专用通信规约通过RS-485总线通信实现了工业控制计算机与微电网内保护装置和并网控制装置互联.给出了微电网保护配置方案、孤岛检测方法以及微电网孤岛运行控制逻辑，通过合理的保护配置能够可靠切除微电网内各种类型故障，保证了微电网的安全稳定运行.使用面向对象的高级程序语言开发了后台管理程序，实现了各电气量在线监测功能、对时功能、存储和调用各种报告及故障录波功能、孤岛检测功能、并网控制功能、远跳/远投功能以及状态告警等.

目前该系统的孤岛检测功能已通过PSCAD/EMTDC仿真测试，其他各功能均已通过实时数字仿真系统的测试，工业控制计算机及保护装置与并网控制装置等硬件设备也均已配置于天津大学微电网实验室的微电网保护与控制系统控制屏内，将在实际微电网中进行检验并继续完善其功能.该系统的开发，为实现对微电网全域信息数据、保护与控制的综合管理提供了一条新途径.

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(责任编辑：孙立华)

Design and Implementation of the Protection and Control System of Microgrid

Li Yongli1，Chen Xiaolong1，Liu Ming2，Li Botong1
(1 .Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Shenzhen Power Supply Bureau Company Limited，China Southern Power Grid，Shenzhen 518000，China)

Abstract：The protection and control system of microgrid based on global information was presented and developed in this paper，which can monitor the operating status and operation mode of microgrid and clear different types of faults reliably. By connecting an industrial control computer with the protection units and grid-connection control unit in microgrid through communication network，the system realizes several fundamental functions，such as proper protection configuration，real-time monitoring of the operating status of the protection and grid-connection control units，simultaneous time setting，remote close/trip control，islanding detection，grid-connection control，manmachine information interaction and so on. The simulation results show that with a simple structure and practical functions，the protection and control system ensures safe and stable operation of microgrid.

Keywords：microgrid；protection and control system；communication network；protection configuration scheme；islanding detection；control logic；background program

通讯作者：李永丽，lyltju@163.com.

作者简介：李永丽（1963— ），女，博士，教授.

基金项目：国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2009CB219704)；国家自然科学基金资助项目(51177108)；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20110032110066).

收稿日期：2013-10-15；修回日期：2014-05-22.

DOI:10.11784/tdxbz201310040

中图分类号：TM773

文献标志码：A

文章编号：0493-2137(2015)06-0473-08