零序非工频分量注入式微电网接地故障保护方案

赵怀健，牟龙华，方重凯

（同济大学 电子与信息工程学院，上海 201804）

0 引言

随着可再生能源发电技术的应用，分布式发电得到了迅速发展，而微电网作为一种将光伏发电、风力发电等分布式电源接入电网的有效手段，能充分发挥其技术优势，成为了未来能源链的关键技术之一［1-4］。微电网既可以作为可控单元与大电网并网运行，也可以作为自治系统独立运行，有助于电网故障时对重要负荷继续供电，提高供电可靠性［5-7］。

微电网中大部分的分布式电源都是以逆变器为接口接入电网，由于逆变器开关器件的热惯性较小，其能输出的故障电流仅能达到额定电流的1.2～2倍，使得微电网在故障情况下的故障特征难以提取［8-9］，因此微电网的保护面临着很大的挑战。针对微电网保护存在的问题，国内外已有相关文献进行了讨论。文献［10-11］提出了改进的反时限过电流保护方案。其中，文献［10］通过设置动态参数并引入改进的和声搜索算法对整定值进行优化配置，能够提升保护的选择性和快速性；文献［11］提出了多层级协同保护算法，根据差动电流进行故障分区，自适应配置不同区域的保护参数。文献［12-13］提出了自适应保护的概念，该方法能同时满足并网和孤岛2 种运行方式，但是需要随着微电网状态的改变不断调整保护定值，实际应用较为复杂。此外，文献［14-16］提出了基于故障分量法的微电网保护方案，这些方案采用直接从故障参量中提取故障分量的方法，其幅值易受故障点过渡电阻的影响，不利于故障定位与切除，且由于微电网中的分布式电源输出受限，对外表现为非线性，因此建立准确的故障分量等效模型定量分析较为困难，仍有待进一步完善。

本文结合计及控制策略的逆变型分布式电源IIDG（Inverter Interfaced Distributed Generator），建立了含多个IIDG 的微电网模型，并对各馈线上的接地故障特征以及发生故障时PQ 控制和V／f 控制IIDG 的输出特性进行了分析。根据叠加原理，建立了微电网的非工频分量附加网络，对不同位置发生接地故障时各母线及馈线上注入的非工频故障分量进行分析，提出了一种基于零序非工频分量注入的微电网接地故障保护方案。最后，利用PSCAD／EMTDC仿真软件建立了微电网的仿真模型，验证了所提信号注入控制及保护方案的有效性和可行性。

1 微电网模型的建立

根据IEEE 1547 标准以及美国电力可靠性技术方案解决协会对微电网的定义［17］，并结合本文基于零序非工频分量注入的保护原理，建立如图1 所示的含有多个IIDG的微电网简化模型。

图1 含非工频分量注入源的微电网简化模型Fig.1 Simplified model of microgrid with off-nominal frequency components injection source

图1 中：微电网通过公共连接点PCC（Point of Common Coupling）与配电网相连实现并网运行；该微电网为三相三线制系统，通过升压变压器T 接入配电网，变压器低压侧、负荷和不向微电网注入非工频特征信号的IIDG 的中性点均不接地；Es为配电网电源电势；IIDG1兼作非工频分量信号注入源，主从控制的微电网中IIDG1采用V／f 控制；LD1—LD4均为三相对称负荷；M0—M3、N1—N3、P1—P3、Q1—Q3分别为母线M、N、P、Q处的分支馈线开关；L1—L11为馈线，其中L1、L5、L7和L9为单端馈出线，与2 条母线相连的线路L2、L3和L6为联络线，微电网与配电网之间的线路L11为并网联络线，L4、L8和L10为连接各IIDG的馈线。

基于非工频分量信号注入的微电网保护方案整体流程如图2 所示，其基本思路为：微电网发生故障后，信号注入启动检测环节发出控制信号，使IIDG1立即向微电网注入频率为f的特征信号，各开关处的保护装置通过对该特征信号的检测与分析，实现故障定位与故障切除。

图2 微电网保护方案的简化流程图Fig.2 Simplified flowchart of microgrid protection scheme

根据叠加原理和故障分量法［18-19］，可将图1分解为工频网络和注入信号作用下的附加网络，注入信号作用下的附加网络如图3 所示。图中：Einj.f和Iinj.f分别为信号注入源的电压和电流；ZIIDG1为注入源的等效阻抗；Zs为频率f下的系统等值阻抗；Z1—Z4分别为负荷LD1—LD4及其所连馈线在频率f下的等效阻抗；ZMN、ZMP、ZPQ为各联络线在频率f下的等效阻抗；ZIIDG2和ZIIDG3分别为IIDG2和IIDG3及其所连馈线在频率f下的等效阻抗；Is.f为流向配电网的非工频电流；I1.f—I13.f分别为各母线各出口处的非工频电流。设母线指向馈线的方向为电流的正方向，则各馈线故障电流的正方向如图3中箭头所示。

图3 频率为f 的微电网附加网络Fig.3 Additional network of microgrid under frequency f

2 注入特征信号的选择

2.1 注入特征信号的选型

根据电路原理可知，在频率为f的非工频特征信号的作用下，配电网和仅输出工频量的V／f 控制的IIDG 均等效为短路。故若注入正序或负序特征频率信号，则其将流向配电网或V／f 控制的IIDG，不利于故障定位与选相。

考虑注入频率为f的零序特征信号：根据第1节的定义，图1 中变压器低压侧和IIDG 中性点均不接地，则配电网和V／f 控制的IIDG对于注入的零序特征电流均等效为开路。此时，基于注入零序特征信号的零序附加网络如图4所示。

图4 频率为f 的微电网零序附加网络Fig.4 Zero-sequence additional network of microgrid under frequency f

2.2 注入特征信号的频率要求

由于IIDG 出口滤波器和测量互感器的限制，注入的特征信号的频率应满足以下要求：

1）IIDG 出口处的低通滤波器的截止频率一般为额定频率的10 倍（即500 Hz）以上［20］，注入信号的频率应小于该截止频率，一般将注入频率的上限值设置为400 Hz；

2）由于电流互感器的激磁阻抗与电流频率呈正相关关系，因此，为防止保护误动或拒动，故障条件下，注入电流的频率应大于50 Hz，从而降低激磁电流，保证电流互感器始终工作在其线性区域；

3）考虑到故障发生时，电网中会产生大量的整次谐波［21］，为了更准确地实现故障定位与故障切除，注入信号的频率不宜选择50 Hz的整数倍。

3 注入特征信号的控制方案

3.1 信号注入的启动判据

为了避免注入信号对正常运行的微电网产生不利影响，需设计信号注入的启动判据，确保仅在故障发生时向微电网注入特征信号。

由于正常运行的微电网中不含零序通路，故可通过注入源施加零序电压的方式进行探测式检测，即在正常运行时，IIDG1持续向微电网施加一幅值较小、频率为f的零序电压。当发生接地故障时，微电网中将出现零序通路，故当IIDG1出口处的注入单元检测到零序电流时，说明发生了接地故障，进而向微电网注入幅值恒定、频率为f的零序电流。

同时，利用IIDG1出口处的电压降作为注入启动的补充判据。注入单元的启动检测工作原理如图5所示。图中：If为IIDG1出口处测得的零序非工频电流幅值；If.set为该单元的零序非工频电流幅值的检测阈值；UIIDG1为IIDG1出口处的工频电压幅值；UIIDG1.set为该单元的工频电压幅值的检测阈值。

图5 IIDG1出口处的注入单元的启动检测原理图Fig.5 Detection schematic of starting criterion of injection device at IIDG1

微电网正常运行时不含零序电流，但为降低装置检测精度的影响，不失一般性，将If.set整定为：

式中：UN和IN分别为系统的额定电压和额定电流的幅值。

上述检测方式采用了注入源的本地数据，具有快速性，但对于发生在距离注入源较远处的故障的灵敏性不高，因此需增加后备检测环节。如图1 所示，后备检测单元分别安装在PCC 和IIDG2、IIDG3的出口处，其工作原理如附录A图A1所示。

类似地，对于负序电压分量检测环节，将能正确识别不对称故障的负序电压幅值的最小值Uset整定为0.01UN。当检测到的负序电压U-≥Uset时，说明可能发生了非对称性故障，该环节输出逻辑“1”，否则输出逻辑“0”。

由于上述检测方式无法正确识别三相接地故障，因此另设一电压幅值降落检测环节，并将检测阈值UM.set整定为0.9UN。当实际检测到的电压幅值UM≤UM.set时，说明可能发生了三相接地故障，该环节输出逻辑“1”，否则输出逻辑“0”。

为了准确检测各类接地故障，上述2 个检测环节的逻辑输出需经过一次“或”运算后，作为检测装置的逻辑输出。同时，在注入启动信号接收处应另设一个“或”门处理各个检测单元发出的逻辑信号，并将处理结果作为信号注入的启动判据。

由于该检测单元含有逻辑运算并依赖于系统的通信功能，必须经过一定的时延才能将故障识别结果发送至注入源，故将其响应时间作为后备检测环节的时延，不再另设。

3.2 特征信号的注入控制

IIDG1接收到注入启动信号后，通过其辅助控制环节，控制IIDG1向微电网注入幅值恒定、频率为f的零序电流Iinj.f，辅助控制环节的基本结构如附录A图A2 所示。该控制环节采用准PR 控制器对IIDG1输出的工频信号和特征信号进行独立控制。通过准PR 控制器，能够以恒流的形式输出零序特征信号，同时，工频信号采用直流电压外环和交流电流内环的双闭环控制方式，能够动态调节IIDG1的工频输出，保持其总输出功率不变。其中，准PR 控制器［22］的传递函数GPR(s)可表示为：

式中：KP和KR分别为准PR 控制器的比例系数和谐振系数；ωn为准PR 控制器的工作频率，一般设置为2πfrad／s；ωc为准PR控制器的截止频率，一般设置为2π rad／s。

4 故障的定位与切除

4.1 非工频电流的注入与提取

当注入启动检测装置检测到微电网内部发生故障后，向兼作特征信号注入源的IIDG1的辅助控制环节发出注入启动信号，控制IIDG1向微电网注入幅值恒定、频率为f（f≠50 Hz，且f满足2.2 节中对于注入频率的要求）的零序电流。

此外，本文方案在各个保护安装处均设置了数字保护继电器，用于注入的非工频电流的提取和保护的动作与切除，其主要由电流互感器、抗混叠滤波器、采样保持电路、模／数转换器、傅里叶变换以及微处理器组成，如附录A 图A3所示。数字保护继电器的核心是注入信号的提取，电流互感器提取故障电流后，经由滤波及模／数转换等环节，通过傅里叶变换分离出注入频率的电流，最后经微处理器处理后，实现故障定位与故障切除。为防止出现注入信号提取失败的问题，可引入后备保护方案，以增强保护的可靠性。

4.2 联络线上发生的故障

图1 所示的微电网典型结构中，L2、L3和L6均为联络线。以L6上F1处发生故障为例，故障发生后，注入启动检测单元检测到微电网内部发生了故障，并通过辅助控制环节，控制IIDG1向微电网注入幅值恒定、频率为f的零序电流。此时，注入电流作用下的微电网部分等效网络如附录A 图A4所示，其中联络线采用差动保护方案。

为降低谐波及检测精度对保护动作的影响，需设置相应的保护动作阈值ε，一般整定为：

式中：Iinj.f为IIDG1向微电网注入的电流幅值。

因此，当F1处发生故障时，L6上存在以下关系：

式中：I5.f和I6.f分别为线路L6左、右端提取到的频率为f的电流幅值。式（5）表明，线路L6仅一端检测到了注入电流，满足差动保护条件，两端的保护均动作。

对于线路L2，由于F1处故障位于其下游，两端均可检测到注入电流，且有：

式中：I2.f和I3.f分别为线路L2左、右端提取到的频率为f的电流幅值，线路L2两端不满足差动保护条件。

类似地，线路L3上有：

式中：I8.f和I9.f分别为线路L3左、右端提取到的频率为f的电流幅值，线路L3两端不满足差动保护条件。

本文方案对于联络线的保护基于差动保护的思想，结合非工频分量注入法，通过检测和对比联络线两端注入电流的幅值，得出保护判据：当联络线两端检测到的注入电流的幅值相等时，说明该故障为区外故障，保护不动作；当联络线两端检测到的注入电流的幅值不相等时，说明该故障为区内故障，线路两端的保护均动作。

4.3 单端馈出线上发生的故障

图1 所示的微电网典型结构中，L1、L5、L7和L9均为单端馈出线，由于单端馈出线仅有一端安装了保护装置，前文所述差动保护策略不再适用。以线路L5上F2处发生故障为例，故障发生后，注入启动检测单元检测到微电网内部发生了故障，并通过辅助控制环节，控制IIDG1向微电网注入幅值恒定、频率为f的零序电流。此时，注入电流作用下的微电网部分等效网络如附录A图A5所示。

当F2处发生故障时，线路L5上存在以下关系：

式中：I4.f为线路L5左端提取到的频率为f的电流幅值。由于在发生故障时，大部分注入电流会流向短路点，而线路L5上检测到的注入电流幅值大于动作阈值，说明发生了区内故障，保护动作。此时，线路L1上有：

式中：I1.f为线路L1左端提取到的频率为f的电流幅值。

由式（9）可知保护不动作。同理可得，单端馈出线L7、L9上的保护均不动作。

单端馈出线的保护判据总结如下：若在单端馈出线上检测到了注入电流，则说明发生了区内故障，保护动作；否则为区外故障，保护不动作。

另外，对于不向微电网注入非工频电流的IIDG2和IIDG3所在的线路L10和L8而言，上述保护判据亦成立。

针对上述微电网内部不同位置发生的故障，本文方案的保护判据都是基于故障相的故障特征建立的，因此不仅能够实现故障的定位与切除，还能根据各相电流是否满足保护动作条件实现故障选相。

4.4 注入的非工频电流的流向

根据2.1节所述，微电网的并网变压器低压侧中性点不接地，因此，当在并网状态下发生不对称接地故障时，非故障相注入的频率为f的电流会流经该变压器并最终流向故障相。以F4处发生的A相接地故障为例，故障发生时，注入的频率为f的电流的流向如附录A 图A6所示。因此，在发生不对称接地故障时，故障相的故障特征会更加明显，有助于故障定位与故障切除。

4.5 并网联络线上发生的故障

根据4.4 节所述，对于并网联络线L11而言，在微电网的并网运行状态下，无论F3处是否发生故障，只要微电网内部发生不对称接地故障，非故障相的注入电流都会流经该联络线路，因此4.3节中的保护策略无法适用于F3处发生故障的情况。

F3处发生A 相接地故障时注入电流的流向如附录A 图A7 所示，故障发生时，并网联络线L11上存在以下关系：

式中，I0.f=|IA.f+IB.f+IC.f|，I0.f为PCC 处保护装置提取到的频率为f的三相电流相量IA.f、IB.f、IC.f和的幅值。

F3处发生故障时，并网联络线L11上产生零序通路，PCC 处保护装置将会检测到注入的三相非工频电流相量和的幅值I0.f满足判据式（10），说明并网联络线L11上发生故障，保护动作。相对应地，如附录A图A6 所示，当并网联络线L11未发生接地故障时，该线路上不存在零序通路，PCC 处保护装置检测到的三相非工频电流相量和的幅值I0.f为0，保护不动作。

5 仿真验证

根据图1 所示拓扑，在PSCAD／EMTDC 软件中搭建了含有多个IIDG 的微电网等效模型。并网运行模式下，IIDG1—IIDG3均采用PQ 控制策略；而在孤岛运行模式下，将IIDG1切换至V／f 控制策略，以支撑微电网内部的电压和频率。

上述微电网模型经10 kV/35 kV 升压变压器连接到大电网，系统容量为100 MV·A。LD1—LD4均为三相负荷，分别为600+j50、650+j50、300+j20、600+j40 kV·A。IIDG1—IIDG3的有功参考功率分别设置为600、500、500 kW，最大并网点电流设为1.5倍的额定并网点电流，分别为70、55、55 A。注入的零序电流幅值为20 A，频率为325 Hz。保护动作阈值ε=2 A。

1）算例1：F1处发生单相接地故障（孤岛运行模式）。

t=0.5 s 时刻，图1 中F1处发生A 相接地故障，接地电阻为5 Ω。故障发生后，IIDG1立刻向微电网注入幅值为20 A、频率为325 Hz 的零序电流。此时，线路L6两端检测到的频率为325 Hz 的电流幅值如附录A 图A8 所示。由图A8（a）可知，线路L6左端检测到的频率为325 Hz 的三相电流稳态幅值分别为23、5、4 A；由图A8（b）可知，线路L6右端检测到的三相电流稳态幅值分别为11、5、4 A。可见，F1处发生A 相接地故障后，为零序电流提供了通路，由于短路点的存在，A 相注入的大部分频率为325 Hz 的电流无法从线路L6左端流至右端，A 相两端电流幅值之差为23-11=12（A）＞ε，符合4.2节中的差动保护动作条件。

作为对比，若不采用零序非工频电流注入的方法，在上述故障发生时，线路L6两端提取到的工频零序电流幅值见附录A 图A9。其中，线路L6两端提取到的工频零序电流最大值分别为2.6、0.7 A，最大差值仅为2.6-0.7=1.9（A）。在这种情况下，提取到的工频零序电流幅值及两端差值均较小，易受检测精度及接地电阻大小的影响，可靠性及灵敏度较低。

2）算例2：F1处发生两相接地故障（并网运行模式）。

t=0.5 s 时刻，F1处发生AB 两相接地故障，接地电阻为100 Ω，IIDG1向微电网注入幅值为20 A、频率为325 Hz 的零序电流。此时，线路L6两端检测到的频率为325 Hz的电流幅值如图6所示。

图6 F1处发生AB两相接地故障时，线路L6两端的注入电流幅值Fig.6 Injection current amplitude at two ends of L6 when AB-G fault occurs at F1

由图6（a）可知，线路L6左端检测到的325 Hz 的三相电流稳态幅值分别为10.1、10.1、2.3 A；由图6（b）可知，线路L6右端检测到的三相电流稳态幅值均为2.3 A。可见，F1处发生AB 两相接地故障后，为注入的零序电流提供了通路，且C 相注入电流经由并网变压器后分流至A、B 两相。由于短路点的存在，A、B两相注入的大部分325 Hz的电流无法从线路L6左端流至右端，A、B 两相两端电流幅值之差均为10.1-2.3=7.8（A）＞ε，符合4.2 节中的差动保护动作条件。

3）算例3：F2处发生单相接地故障（并网运行模式）。

t=0.5 s 时刻，F2处发生A 相接地故障，接地电阻为0.1 Ω，IIDG1向微电网注入幅值为20 A、频率为325 Hz 的零序电流。此时，线路L5左端检测到的频率为325 Hz的电流幅值如图7所示。

图7 F2处发生A相接地故障时，线路L5左端的注入电流幅值Fig.7 Injection current amplitude at left end of L5 when A-G fault occurs at F2

由图7 可知，线路L5左端检测到的325 Hz 的三相电流稳态幅值分别为55、0.5、0.5 A。可见，F2处发生A相接地故障后，为注入的零序电流提供了通路，由于故障时大部分故障电流流向短路点，且B、C 相注入电流经由并网变压器汇入A 相，线路L5左端的A 相电流幅值为55 A＞ε，符合4.3 节中的保护动作条件。

此时，PCC 处保护装置检测到的频率为325 Hz的三相电流相量和的幅值如附录A 图A10 所示。其中，PCC 处保护装置检测到的频率为325 Hz 的三相电流相量和的幅值为0。可见，当F2处发生A 相接地故障时，并网联络线L11上不存在零序通路，故检测到的三相电流相量和的幅值为0，不符合4.5 节中的保护动作条件。

4）算例4：F3处发生单相接地故障（并网运行模式）。

作为对比，t=0.5 s时刻，F3处发生A相接地故障，接地电阻为0.1 Ω，IIDG1向微电网注入幅值为20 A、频率为325 Hz 的零序电流。此时，PCC 处保护装置检测到的频率为325 Hz 的三相电流相量和的幅值如附录A 图A11 所示。其中，PCC 处保护装置检测到的325 Hz 的三相电流相量和的幅值为57 A。可见，当F3处发生A 相接地故障时，并网联络线L11上存在零序通路，检测到的三相电流相量和的幅值为57 A＞ε，符合4.5节中的保护动作条件。

5）算例5：F2处发生三相接地故障（并网运行模式）。

t=0.5 s 时刻，F2处发生三相接地故障，接地电阻为10 Ω，IIDG1向微电网注入幅值为20 A、频率为325 Hz 的零序电流。此时，线路L5左端检测到的频率为325 Hz 的电流幅值如附录A 图A12 所示。图中，线路L5左端检测到的325 Hz 的三相电流稳态幅值均为13.5 A。可见，F2处发生三相接地故障后，为注入的零序电流提供了通路，由于故障时大部分故障电流流向短路点，线路L5左端的三相电流幅值均为13.5 A＞ε，符合4.3节中的保护动作条件。

上述仿真结果表明，本文方案能够正确识别微电网中可能发生的各类接地故障，能够正确选出内部故障的故障相，且通信带宽要求低。同时，保护动作阈值能够同时适用于并网和孤岛2 种运行模式，具有良好的可靠性与适应性。

6 结论

本文提出了一种新的基于零序非工频分量注入的微电网接地故障保护方案，建立了注入频率下的微电网等效模型，通过对微电网中故障特征的分析，得出了如下结论：以注入的零序非工频电流作为微电网故障特征，对于微电网中可能发生的各类接地故障均能起到保护作用。且由于保护判据与微电网运行模式无关，因此该方案能够同时适用于微电网的并网和孤岛2 种运行模式，无需跟随微电网运行模式的切换进行保护策略的调整，兼顾了保护方案的可靠性与简洁性。通过PSCAD／EMTDC 进行了仿真分析，验证了方案的可行性。

附录见本刊网络版（http：//www.epae.cn）。