含分布式电源的微电网过电流保护方法

杨凤惠，　张向锋，　王致杰，　陈舒婷

(上海电机学院 电气学院， 上海 200240)



含分布式电源的微电网过电流保护方法

杨凤惠，张向锋，王致杰，陈舒婷

(上海电机学院 电气学院， 上海 200240)

摘要:分析了分布式电源的位置、容量对微电网过电流保护的影响，阐述了传统三段式保护配置不能满足分布式电源接入条件下微电网的过电流保护要求。针对美国电力可靠性技术解决方案协会提出的包含分布式电源的微电网模型，给出3种具体的保护方案，以实现分布式电源接入条件下微电网继电保护自动、快速、有选择地动作，从而保证电网安全可靠运行。

关键词：微电网； 过电流保护； 分布式电源； 继电保护

随着太阳能、风能等可再生的新能源的接入，它们对大电网产生的冲击已不容小觑。由此，美国电力可靠性技术解决方案协会(Consortium for Electric Reliability Technology Solutions, CERTS)提出了一种与以前完全不同的分布式电源接入系统的新方法，即微电网[1]。微电网是一种新型网络结构，是一组由微电源、负荷、储能系统和控制装置构成的系统单元；它能够实现自我控制、保护和管理的自治，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行[2]。但是，微电网出口处的电力电子接口限制了其故障电流在2倍额定电流内[3]，导致传统继电保护配置的继电器无法动作，使微电网接入后的配电网过电流保护变得更加复杂。同时，微电网在并网及孤岛运行方式下采用统一的保护配置也是目前的一大研究难点。文献[4]中针对目前含微电网的配电网纵联保护方案的不足，设计了一种含微网的闭环运行配电网改进纵联过电流保护方案，并在PSCAD/EMTDC中建立了含微网的闭环运行配电网和保护方案的模型。文献[5]中在微型电网配置传统过电流保护的基础上，引入无通道保护理论，当线路发生不对称故障时，故障线路一端断路器先跳闸，另一端断路器根据对断路器动作后健全相电流的突变量来判断故障区域，从而加速动作，以满足动作快速性要求。文献[6]中提出了实现微电网隔离策略的最优化、微电网信息采集的广域化以及微电网保护功能的集成化是未来微电网保护的发展目标。

由于微电网中分布式电源的接入使其拓扑结构、潮流方向和故障电流等发生了变化，使得微电网的过电流保护变得非常复杂。为使微电网在并网及孤岛运行方式下安全可靠地运行，本文分析了分布式电源的容量、位置对微电网过电流保护的影响，给出了3种可行的微电网过电流保护方法，以保障微电网安全可靠运行。

1分布式电源对微电网过电流保护的影响

微电网通常含有多种不同的分布式电源，如太阳能光伏电池、风力发电、储能装置及小型发电机等。在发生故障时，这些不同类型的分布式电源提供故障电流的能力是不同的，而且分布式电源距离故障点越远，线路中的阻抗就会增加，其提供的故障电流就越小，从而引起过电流保护拒动、保护灵敏度降低等问题。

1.1　接入位置的影响

当微电网并网运行时，配电网由传统的单电源供电变成多电源供电。微电网分布式电源接入位置的不同必然会对配电网原有的保护配置产生影响，可能引起电流保护误动、保护拒动、故障无法切除等状况。

(1) 过电流保护误动。以图1的微电网故障为例，微电网通过公共耦合点(Point of Common Coupling, PCC)与大电网相连，两条馈线上分别连接有分布式电源DG1、DG2、DG3、DG4，它们分别位于配电线路首端、中端和末端。

图1　微电网故障图例Fig.1　Illustration of micro-grid failures

如图1所示，DG1位于馈线2始端，连接在母线A上，相当于配电网电源的容量增加。在线路阻抗不变的情况下，若发生故障F1、F2、F3、F4和F5，由于配电网电源容量的增加导致故障电流增大，即起到了助增作用[7]，故其各级保护的灵敏度在一定程度上得到提高。然而，随着微电源容量的增大，故障电流不断增大，可能引起下一段保护的误动作，从而使保护失去选择性。

(2) 过电流保护拒动。如图1所示，当馈线2上DG2的下游F4处发生三相短路故障时，若DG2距离母线A越远，则安装在AD段的继电保护装置检测到的故障电流就越小，导致其无法动作，电流保护的灵敏度降低。当馈线1上的F2处发生三相短路故障时，若本段保护拒动，应由其上游AB段的保护装置作为后备保护来切除故障，而由于DG4的影响，AB段保护装置检测到的故障电流变小，不足以发生保护动作，因此保护拒动。

(3) 故障无法切除。如图1所示，当馈线2上的F3处发生故障时，系统电源与DG1、DG2、DG3、DG4同时向故障点提供短路电流，由于AC段的保护装置只能检测系统和DG1提供的故障电流，当其可靠动作后，除DG1外的其余分布式电源继续向故障点提供短路电流，导致故障无法切除。

1.2　分布式电源容量的影响

以图2为例，B1、B2、B3处分别装有无时限电流速段保护(I段保护)及过电流保护(III段保护)，按照无时限电流速断保护(I段保护)的原则进行整定。

图2　分布式电源的容量对微电网过电流保护影响示例Fig.2　 Effects of capacity of distributed generators on overcurrent protection of a micro-grid

式中，IKB.max、IKC.max、IKD.max分别为最大运行方式下线路AB、BC、AD段相邻线路出口短路的最大故障电流；ES为系统电源电动势，ZS.min为电网等效阻抗最小值。

过电流保护整定值Iset‴.B1按躲过线路上的最大负荷电流来整定:

B1、B2处实际检测到的电流值

根据上述计算结果，绘制了分布式电源容量与B1、B2处电流的关系图。如图3所示。

图3　Sdg与IB2的关系Fig.3　Relation between Sdg and IB2

由图3(a)可见，IB1随着分布式电源容量的增大而减小；Iset.B1与IB1相交于(1，0.173)处，即当分布式电源容量大于1MW时，B1处检测到的电流开始小于过电流保护的整定值，此时保护装置不启动，降低了灵敏度。

节水增粮行动项目区多分布于流域缺水地区，降水量较小，地表水资源较匮乏，且现状供水工程的供水能力难以支撑大规模农业灌溉取水，因此，节水增粮行动项目供水水源仍将以凿井抽取地下水为主。为进一步加大对项目区地下水资源的管理和保护力度，必须加强水资源论证工作，指导项目实施过程中合理开发地下水，严禁取用深层承压水，最大限度保障地下水采补平衡，避免出现地下水超采漏斗，在项目实施过程中逐步削减地下水超采区超采量，改善地下水超采状况和水环境。

由图3(b)可见，IB2随Sdg的增大而增大，Iset.B2与IB2相交于(4，0.218)处，即当Sdg>4MW时,由于IB2大于无时限电流速断保护的整定值，而使保护误动作。

2分布式电源对自动重合闸的影响

电力系统运行经验表明，架空线路绝大多数的故障都是“瞬时性”的，永久性的故障一般不到10%[8]。对于临时性短路故障，为了确保不间断供电，在供电系统中通常采用一种保护装置，即自动重合闸装置(Auto-Reclo sing Device, ARD)[9]。在由继电保护动作切除短路故障后，电弧将自动熄灭，绝大多数情况下短路处的绝缘可以自动恢复，自动将断路器重合，这样不仅能提高供电的安全性和可靠性，减少停电损失，而且还能提高电力系统的暂态水平，增大高压线路的送电容量，也可纠正由于断路器或继电保护装置造成的误跳闸[10]。

当微电网的线路发生瞬时性故障时，微电网保护动作，使其处于孤岛运行模式，而不是切除分布式电源。失去大电网的支持后，微电网很难与大电网保持完全同步，且大电网与微电网之间产生一个0～2π的相角差。而此时进行非同期重合闸会产生一个很大的冲击电流，导致继电器发生误动作，失去恢复瞬时性故障的能力。如果微电网中分布式电源的上游发生瞬时故障，继电保护虽然可瞬时动作，但由于分布式电源仍持续向故障点提供短路电流，导致故障不能完全隔离，从而使瞬时性故障变为永久性故障成为可能。

33种成本较低的微电网保护方案

为解决大规模分布式电源接入条件下微电网过电流保护中存在的诸多问题，目前国内外学者提出了不同的继电保护研究方向和思路。文献[11]中开发了一种实时故障定位装置。该装置比传统继电器更能精确地反映故障位置，但需要对现有的配电网进行改造，成本太高，因此尚不能应用于实际。文献[12]中提出当微电网与大电网的公共连接点(Point of Common Coupling, PCC)处检测到有较大电流或电压下降时，利用阻抗前馈和负荷模型反馈算法来保护微电网。通过控制系统和微电网之间的变流器，实现限制PCC处较大故障电流、抑制暂态振荡的目的。该方法嵌入的大阻抗直接改变了电网的运行参数，同时会造成PCC处重合闸和保护配置困难。基于此，本文给出3种成本较低的微电网保护方案，在一定程度上能满足微型电网保护的需要。

3.1　基于分布式电源出口电压的保护方法

文献[11]中提出了一种通过检测分布式电源的输出电压来判断故障情况的方法。该方法将A、B、C三相电压通过

(1)

转换为d-q坐标系下的电压。式中，Uds、Uqs分别为d-q坐标系下的电压。

再将式(1)得到的定子侧d-q坐标系下的电压Uds、Ugs通过

(2)

转化为转子侧d-q坐标系下的电压。式中，Udr、Uqr为转子侧d-q坐标系下的电压。

(3)

式中，Udref、Uqref为无故障时的基准电压；Uerror-d、Uerror-q分别为故障时转子侧d-q参考系下的电压。

若微电网内部无故障，则UDIST=0，保护装置不动作。

当微电网内部发生单相接地故障时，UDIST为振荡的直流信号；当微电网内部发生三相短路时，UDIST为纯直流信号；若微电网内部发生两相短路，则UDIST为带有交流纹波的直流信号。因此，通过观察UDIST的波形，就可以判断微电网内部的故障类型。若要可靠切除故障，则需要设定一个阈值，当UDIST大于该阈值时，保护动作将故障切除。

3.2　基于电流序分量的保护方法

对称分量法是分析电力系统三相不平衡的有效方法[13]，其基本思想是把三相不平衡电流、电压分解成三组对称的正序、负序和零序分量，故可将电力系统的不平衡问题转化成平衡问题进行处理。在三相电路中，对任意一组不对称的三相分量(电压或电流)，都可以分解为3组三相对称的分量，即

(4)

计算可得三相对称分量如下：

(5)

电力系统的正序、负序、零序分量是根据电力系统A、B、C三相的顺序来定的。对于正序分量，A相领先B相120°，B相领先C相120°，C相领先A相120°；对于负序分量，A相落后B相120°，B相落后C相120°，C相落后A相120°；对于零序分量，A、B、C三相相位相同[14]。对于理想的电力系统，在正常情况下运行，由于三相对称，系统中只有正序电流分量，而当系统出现故障时，三相变得不对称了，这时可以分解出负序和零序分量(有时只有其中一种)，故障类型对应的电流序分量如表1所示。

表1　故障类型对应的电流序分量Tab.1　 Current sequence components corresponding to different fault types

通常，微电网内部发生的故障主要有单相接地故障及相间短路故障，由上述分析可知，零序和负序分量可以用来检测相、地和相、间故障。因此，笔者提出在微电网中每一相均配置电流互感器，提取三相电流，然后利用式(4)分解成3组三相对称分量，再送入继电器，并通过设定继电器阈值使继电器可靠动作。

3.3　基于谐波畸变率的保护方法

谐波畸变率(The Harmonic Distortion, THD)是表征电压、电流波形相对正弦波畸变程度的性能参数，为全部谐波含量均方根值与基波均方根值之比，用百分数表示[15]。

基于THD的微电网保护方法是通过检测THD来实现的。当微电网正常运行时，三相电压幅值近似相等，当微电网发生故障时，故障相电压发生变化，低于正常运行时的相电压。因此，通过检测相电压的THD可判断微电网的故障类型。

图4所示为CERTS给出的微电网模型，当检测到微电网发生故障后，此时要进行故障定位，正常运行时的配电网相当于一个低阻抗的电压源，使得微电网的THD较小；而当故障发生时，如图4中的静态开关SS便会迅速启动，使微电网进入孤岛运行模式，此时THD将明显增大。此时将采集到的各相继电器的谐波总和作比较，故障落在THD最大的区域内，这样便有效地实现了故障定位。

图4　CERTS给出的微电网模型图Fig.4　Micro-grid model given by CERTS

4结语

本文针对CERTS提出的微电网模型，分析了不同容量的分布式电源和接入位置的不同对微电网的过电流保护以及自动重合闸产生的影响，阐明了分布式电源的接入改变了电网的拓扑结构、潮流分布、故障电流大小等，给出了3种针对含分布式电源的微电网的过电流保护措施。继电保护配置在电力系统中具有举足轻重的地位，针对含分布式电源的微电网的继电保护研究正处于起步阶段，研究含分布式电源的微电网的过电流保护措施对电网安全、稳定运行具有重要意义。

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Over-Current Protection of Micro-Grid with Distributed Generators

YANGFenghui,ZHANGXiangfeng,WANGZhijie,CHENShuting

(College of Electrical Engineering, University of Shanghai Dianji, Shanghai 200240, China)

Abstract:This paper analyzes negative effects of the location and capacity of distributed generators on a micro-grid. Traditional three-step protection devices cannot meet the requirements of a micro-grid with a large amount of distributed generators. The American Association of Electric Reliability Technology Solutions (CERTS) has proposed a micro-grid model containing distributed generators. Based on the model, this paper presents three specific relay protection devices to ensure that micro-grid relay protection acts automatically, quickly and selectively.

Key words:micro-grid; over-current protection; distributed generator; relay protection

中图分类号:TM 773

文献标志码:A