微电网线路保护方案

摘 要随着分布式电源（Distributed Generation， DG）的大量使用，DG接入配网系统中形成微电网，使得原有的单电源辐射状配电网络变成双电源甚至多电源供电形式。在含有DG的微电网中线路发生故障时，要准确的对故障定位，就需要在保护处加装方向元件。然而实际配电网中，馈线上一般都不装设电压互感器，无法利用电压量信息。本文提出了利用电流Ⅱ段保护的动作信息对故障进行定位，再由信息处理中心对相应断路器发出跳闸命令，切除故障线路的新方案。此方案无需在原配网加装大量的电压互感器和断路器，无需改变原来保护定值，保护不受DG输出功率大小的影响。采用PSCAD/EMTDC软件仿真分析验证了所提保护方案的合理性。

【关键词】微电网 分布式电源 配电网 限时电流保护 短路电流

微网是由DG、储能装置、能量转换装置、负荷和保护装置构成的一个小型发配电系统。微网的提出解决了分布式电源并网的问题。微网既可以与大电网并网运行，也可以脱离大电网孤岛运行。

传统的配电网大都是单电源辐射状结构，目前国内配电网继电保护主要采用电流速断保护（Ⅰ段）、限时电流速断保护（Ⅱ段）和定时限过电流保护（Ⅲ段）相结合的三段式电流保护方案。传统的配电网保护配置在DG接入之后形成微网的条件下可能会影响保护的快速性、灵敏性及可靠性，会给系统的安全稳定运行带来危害。因此，含DG的微电网保护引起了许多学者的广泛关注[1-2]。

文献[3]经过详细分析得出，DG接入配电网中不同母线及馈线不同位置上之后会造成原来保护误动、灵敏度下降，甚至拒动。文献[4]根据计算得出的短路电流大小，分析了DG容量对保护造成的影响。文献[5]提出了含DG的配电网方向纵联保护方案，但需要对过电流保护加装方向元件。文献[6]充分利用广域保护的优势，提出了利用电流间相位关系定位含DG的配电网故障线路的新方案。但以上方案实现时需要在原有保护基础上加装方向元件，投资大，计算复杂。

该文提出了含DG的微网并网运行时微网线路保护的新方案。因为电流速断保护（Ⅰ段）不能保护线路全长，此方案利用限时电流速断保护（Ⅱ段）的动作信息进行故障定位，不需要在配网馈线上加装电压互感器和功率方向元件，符合工程實际要求，能够快速切除故障，保证其余部分正常供电。

1 微网并网运行线路保护方案

1.1 传统电流保护方案的缺陷

图1是含DG的微网并网运行系统图，PCC是公共连接点，PCC闭合时，微网并网运行，PCC断开时，微网孤岛运行，微网中线路的保护按无DG接入时辐射状的配网进行配置。

当DG接入后，使得系统与DG之间的线路成为双电源供电线路。按双电源供电的保护配置，需要在DG上游每条线路两端均加装方向电流保护[9]。但是，基于电压和电流的功率方向元件不能使用，因为实际工程中配电网进行保护配置时，馈线上一般不装设TV，进而电压信息无法获取。但如果加装TV，会增加大量投资，不切合实际。本文提出利用电流Ⅱ段保护的动作信息，对故障进行准确定位的新方案。

公共连接点PCC闭合时，线路AB某处故障时，故障点的故障电流是由系统S和DG共同提供的，原来的配电网保护配置中保护K2及K3均未加装方向元件，因此DG提供的故障电流可能导致保护K2及K3的电流Ⅱ段保护误动作。本文以保护K2的电流Ⅱ段保护为例进行分析，整定值如式（1）所示。

式中：k'rel为电流Ⅰ段保护可靠系数，k''rel为电流Ⅱ段保护可靠系数。ES为配电系统电压，Zs min为系统最小阻抗，ZAB，ZBC，ZCD为线路阻抗。

流过保护K2的短路电流为：

式中：EDG为DG的等效电势，ZDG为DG的内阻抗。

如果，则，进而导致保护K2的电流Ⅱ段保护误动作。位于线路AB下游的保护K2及K3，保护K3的电流Ⅱ段保护的整定值更小，保护K3更容易误动作。

1.2 微网线路保护方案

本文利用DG上游每个保护的电流Ⅱ段保护的动作信息，不利用方向元件，借助于通讯技术实现故障的准确定位，将故障隔离。

1.2.1 故障位于DG上游非末端

保护K1的电流Ⅱ段保护动作时，判断出故障可能位于线路AB或BC上。再通过保护K2及K3的电流Ⅱ段保护动作情况准确判断出故障位于线路AB还是线路BC上。

（1）保护K2的电流Ⅱ段保护动作并且保护K3的电流Ⅱ段保护不动作，可判断流过保护K2的短路电流一定是由系统S提供的。因为如果是由DG提供的，保护K3并未加装方向元件，其电流Ⅱ段保护一定会动作。而且此时不论保护K3下面的保护如何动作，都可以判断出故障位于线路BC上，向断路器K2及K3发出跳闸命令，切断故障线路BC。

（2）保护K2的电流Ⅱ段保护不动作，此时不论保护K2下面的保护如何动作，都可以判断出故障位于线路AB上，向断路器K1及K2发出跳闸命令，切断故障线路AB。

（3）保护K2及K3的电流Ⅱ段保护都动作，由于保护K2及K3都未加装方向元件，无法判断流过保护K2的短路电流是系统S提供的，还是DG提供的。此时，可先将断路器K2瞬时跳闸，再观察保护K1的动作情况。

（4）如果保护K1返回并且不再测量到故障电流，可判断故障位于线路BC上，向断路器K3发出跳闸命令，切断故障线路BC。

（5）如果保护K1没有返回并且仍能测量到故障电流，可判断故障位于线路AB上，向断路器K1发出跳闸命令，切断故障线路AB。

1.2.2 故障位于DG上游末端

图1中DG接入母线D处，当故障位于DG上游末端时，应该在DG接入的母线D上游加装断路器K7，才能够使DG不退出运行，继续给周围负荷供电。

当DG下游无线路DE时，此时如果只有保护K3的电流Ⅱ段保护动作，则故障必定位于线路CD上，可以瞬时跳开断路器K3及K7，将故障线路CD隔离。

当DG下游有线路DE时，为了区分故障位于DG上游还是DG下游，可以观察保护K4的动作情况，如果保护K4电流Ⅱ段保护动作，则故障点位于DG下游；否则，故障点位于DG上游，可按照本文上述原理判断故障线路。

实现时可以在变电站A处设置一个信息处理中心，能够对相应的断路器发出跳闸命令并且隔离故障线路，是因为此信息处理中心能够搜集各保护的动作信息。如果流过各保护的短路电流值大于其电流保护Ⅱ段的动作值（将延时整定为0），此动作信息将会上传到信息处理中心，信息处理中心再对相应的断路器发出跳闸命令。

1.2.3 故障位于DG下游

DG的接入会使流过DG下游保护的短路电流值增大，造成各保护之间可能失去配合，此时应该按照DG加入之后，对电流保护重新进行整定计算。

图1中DG下游线路DE和EF呈辐射状结构，如果DE线路发生故障，则系统S及DG均向保护K4提供故障电流，保护K4动作，保护K5无故障电流流过，保护K5不动作。因此可以利用故障线路位于保护动作与不动作之间进行故障定位。

DG接入配电网后，当位于DG下游的线路发生故障时，故障点的电流是由系统S和DG共同提供的，提高了DG下游各保护电流Ⅲ段保护的灵敏度。因此，可以保留原电流Ⅲ段保护的整定值，并将本线路保护与相邻下一线路的保护进行通讯，如果未收到下一线路保护的动作信息，就跳开本线路保护的断路器，否则闭锁本保护（相邻段时限为0）[7]。

1.2.4 相邻馈线故障时

图1中变电站A母线引出2条馈线AH及AF，当相邻馈线线路AG或GH故障时，DG所接入的馈线上，由于保护K1、K2及K3未加装方向元件，可能导致其误动作，进而对故障线路的定位产生影响。但变电站母线A上一般都装有TV，因此较易在保护K1处加装方向元件，进而通过保护K1方向元件的判断结果确定故障发生在哪条线路，如果发生在本条馈线时，利用上文介绍的动作原理进行故障定位，消除了相邻馈线故障给本馈线保护带来的影响。

1.2.4 多个DG接入配网故障定位

图2所示为有2个DG接入配网母线处形成微网，DG1接入母线C处，DG2接入母线G处。系統S与DG1之间为区域1，DG1与DG2之间为区域2，DG2下游的部分为区域3。区域1的故障定位方法与上述情况相同，但是区域1下游DG2的出现，使得无法再利用保护K3是否有故障电流流过，区分故障发生在区域1还是区域2。因此，需要在保护K3处加装方向元件，并且较易实现，因为DG接入点处一般均装有TV[10]。保护K3的方向元件只有在DG1下游发生故障时才会动作，由于系统S的容量远大于DG的容量，因此流向故障点的电流主要是由系统S提供的，DG输出大小及接入或退出对保护K3方向元件的灵敏度造成的影响不会太大。区域2故障时，保护K3方向元件动作，保护K8不动作，故障定位方法与上述相同。区域1发生故障时，无论DG输出功率多大，保护K3方向元件均不会动作。区域3故障时，定位方法与上文介绍的故障位于DG下游的定位方案相同。

1.3 微网中长短线路相邻时保护整定方案

对于长短线路相邻的情况，保护的灵敏度可能会无法满足要求。本文提出将长短线路当作一个整体进行研究。图2中，DE为长线路，EF为短线路，将DE与EF看作一个整体DF，利用上文介绍的电流保护Ⅱ段动作信息进行故障定位，判断故障位于线路CD还是DF。

对于保护K3、K4的电流Ⅱ段保护动作、K6不动作的情况，可以判断出故障位于线路DF上，先跳开断路器K5，此时若保护K4测量到故障电流，判断故障发生在线路DE上，向断路器K4发出跳闸命令，将故障线路DE隔离；若保护K4测量不到故障电流，则判断故障发生线路EF上，向断路器K6发出跳闸命令，将故障线路EF隔离。

对于保护K3、K4、K6都动作的情况，为了确定故障位于线路CD还是线路DF，需先跳开断路器K4，此时保护K3可以检测到故障电流，判断出故障位于线路CD，向断路器K3发出跳闸命令，将故障线路CD隔离；若保护K3测量不到故障电流但是保护K5测量到故障电流，判断出故障位于线路EF上，向断路器K5及K6发出跳闸命令，将故障线路EF隔离；此时还需要对保护K4进行重合（必要时可在DG1接入母线下游加装重合闸装置），保证线路DE正常供电。

2 DG对保护灵敏度的影响分析

电流Ⅱ段保护可以保护本线路全长，且要求不能超过相邻下一线路的全长，因此其整定值满足以下要求：

I2

式中：I1是系统最小运行方式下线路末端发生两相短路时的最小短路电流，I2是系统最大运行方式下相邻线路末端发生三相短路时的短路电流。

风光类分布式电源输出功率具有随机性，可能会使电流Ⅱ段保护灵敏度不能满足上述要求，可将本线路电流Ⅱ段保护与相邻下一线路的电流Ⅱ段保护相配合来扩大本线路保护范围。如果仍然不能满足要求，可在本保护处加装TV，用距离保护代替限时电流保护[8]。

以图2为例，对三个区域各保护的灵敏度进行定性分析。

当区域1的d1处故障时，流过故障点的短路电流由系统S、DG1及DG2提供，但流过保护K1及K2的短路电流仅由系统S提供，保护K1及K2测量到的短路电流大小及方向与并入DG1之前相同，因此保护的灵敏度不受DG1接入的影响。

当区域2的d2处故障时，流过故障点的短路电流由系统S、DG1及DG2提供，如果DG的容量很大时，流过保护K3及K4的短路电流比未接入DG时增大，保护的灵敏度提高了；DG1的接入使得流过保护K1及K2的短路电流比并入之前减小了[12]，灵敏度降低了。

当区域3的d3处发生短路时，流过故障点的短路电流由系统S、DG1及DG2提供，进而流过保护K8的短路电流比未接入DG1及DG2之前增大了，保护K8的灵敏度提高了。

3 结论

针对DG接入配网母线形成微网之后，与配网并网运行时，在尽量不改变原来配网保护配置的情况下，同时考虑配网馈线上一般不装设TV的实际情况，充分利用配电网的多点信息，对发生在DG上游区域的故障，提出了一种利用电流Ⅱ段保护的动作信息进行故障定位，切除故障线路的保护方案，本方案具有故障定位时无需借助电压量信息及改变配网原有电流Ⅱ段保护整定值的优点；故障发生在DG下游区域时，DG接入之后有利于提高DG下游原有电流保护灵敏度，可以利用电流Ⅲ段保护的动作信息进行故障定位，快速切除故障。也无需改变配网原有电流保护Ⅲ段的整定值，减小了整定工作量。

参考文献

[1]V.Salehi，A.Mohamed，and A.Mazloomzadeh，etc.，" Laboratory-Based Smart Power System，Part II：Control，Monitoring，and Protection，" IEEE Trans.Smart Grid，vol.3，pp.1405-1417，2012.

[2]鲁宗相，王彩霞等.微电网研究综述[J].电力系统自动化，2007，31（19）：102-107.

[4]S.A.Saleh，"Signature-Coordinated Digital Multirelay Protection for Microgrid Systems，" IEEE Trans.Power Electronics，vol.29，pp.4614-4623， 2014.

[5]孫鸣，余娟，邓博.分布式发电对配电网线路保护影响的分析[J].电网技术，2009，33（08）：104-107.

[6]孙景钌，李永丽，李盛伟，等.含分布式电源配电网保护方案[J].电力系统自动化，2009，33（01）：81-84.

[7]林霞，陆于平，王联合.分布式发电条件下的新型电流保护方案[J].电力系统自动化，2008，32（20）：50-56.

[8]ALSTOM T&D，"Network Protection and Automation Guide"，1 st edition，July 2002.

作者简介

文妤，长沙理工大学电气与信息工程学院。

作者单位

长沙理工大学电气与信息工程学院 湖南省长沙市 410114