微电网的保护特性分析

黄巨朋

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102611）

1 国内外研究现状

微电网（MG）保护方法的研究根据其运行状态的不同而变化，运行状态包括并网和孤岛状态，会产生一些特别的效果。在含分布式电源（DG）的配电网系统中表现为DG 的投入和退出会改变配电网的潮流方向和网络拓扑结构，传统配电网的保护无法满足DG 的保护要求。这可能会使传统保护装置的动作原则失效，需要特别关注并寻找新的解决方案。

针对MG 保护面临的一些关键难题，国内外对MG 保护方法的研究主要聚焦于两个方面：首先，借助通信系统的力量，结合广域保护理念，实现对MG 的有效保护；其次，利用新型故障分量，通过继电器的精确动作，达到保护MG 的目的。这样的研究旨在提升MG 保护的效率和精度，为电力系统的稳定运行提供有力保障。这些研究工作在当前的保护领域中具有重要意义，有助于提升电力系统的稳定性和安全性。它利用同步相位测量装置，并通过光纤通信链路成功构建了MG的保护系统。此系统不仅具备检测各类常规故障类型的能力，而且能确保继电器在电压电流数字采样频率为1.5 kHz 的情况下正确动作。更值得一提的是，该系统还能发现高阻抗故障。其原理是利用通信系统完成了线路两端相邻保护的纵联比较功能，从而能更精确地定位故障位置[1]。

根据MG 结构的高度可调性，实施了一种节点探索策略。在探索过程中，专注于监测最大的电流正序分量以及电流的方向。这些数据在判断故障时起到了决定性的作用。在设定保护动作阈值时，人们采取了精确严谨的态度，同时引入了灵活的延迟序列，并与自适应调整的保护动作时限相互配合。这样的策略使得各级保护装置能够协同工作，共同确保系统的稳定运行。这两种策略均不以故障电流的幅值为启动条件，实现了故障线路的准确隔离，增强了保护策略的适应性[2-3]。在这个方案中，采纳了集约式通信结构的先进理念。这意味着每个断路器内部都装载了MG 系统的终端设备MTU。然而，这仅仅是冰山一角。更为精妙的是，在MG 系统中设置了一个核心保护单元。这个核心单元就如同大脑一般，掌控着整个系统的运作。它的主要任务是处理各种故障信息，并迅速将行动指令发送给每一个断路器的MTU。接到指令后，MTU 会立即行动，精确控制断路器跳闸，从而将故障区域完美地隔离出来。这样的设计不仅提高了系统的稳定性，也大大增强了其应对故障的能力。该故障定位方法以故障电流方向为判别条件，为了实现各保护的动作时间序列，利用分层协调的理念，将保护分成配电网级、系统级和微源级3 层，保证了保护系统各级动作的选择性[4]。

近年来，尽管国内外在MG 保护方法的研究上取得了一些进步，但依然存在不少短板和挑战。在不涉及通信的情境下，大部分研究主要集中在探索新的故障判据和保护动作原理上，这无疑增加了保护策略的复杂性。更重要的是，新的故障判据往往需要新的保护设备来执行，这无疑增加了MG 的运营成本。而且，当前的研究对于继电保护装置可能出现的拒动和误动问题尚未给予足够的重视，这可能导致保护设备的可靠性降低，从而影响整个MG 的运行稳定性和安全性。因此，未来的研究需要更加深入地探讨如何在确保保护设备可靠性的同时，降低其复杂性以及运营成本，以更好地推进微电网的发展和应用。因此，未来需要进一步改进MG 保护方法，提高其可靠性和经济性。

2 微电网保护特性分析

MG 保护特性的分析就是结合MG 本身的故障特性和运行特性，分析传统的配电网保护方式在MG 的适应性，为MG保护方法的研究提供理论基础。影响MG 保护的因素主要有（1）：MG 与配电网的隔离策略，即当故障发生在MG 或配电网系统内时，MG 与配电网的连接点PCC 的动作方案；（2）MG 不同的接地方式对保护的影响；（3）MG 的运行方式对保护的影响以及即插即用的微电源特性对保护的影响。

MG 的可靠接地是保证MG 以及设备安全运行的基础保障，接地方式的不同对MG 的故障特性影响不同[5]。针对电压等级为0.4 kV 的MG 系统模型的低压配电，从故障电流幅值的角度分析，在系统发生单相接地故障时，TN 系统产生的故障电流最大，同时，TN 系统中的设备接触电压小，能为低压用户的安全提供更可靠的保证[6]。

2.1 微电网与配电网的隔离策略

2.1.1 隔离策略

影响MG 与配电网运行状态的因素有：MG 与配电网的功率交换量、MG 的地理环境、MG 中的负荷等级及特性，以及配电网的重合闸方式等，MG 孤岛运行和故障穿越运行有以下策略。

1）在含有敏感负荷的MG 与配电功率交换不大，且MG本身的系统容量满足当地负荷要求的情况下，MG 可以无选择地断开与采用前加速式重合闸的配电网的连接开关PCC，无论是MG 内部故障或是配电网故障。

2）在MG 与配电网功率交换量较大的情况下，无论是MG内部故障，还是配电网故障，都保持MG 与加速式重合闸的配电网的互联。

3）当MG 发生内部故障时，联络线上的PCC 开关可无选择性跳闸，但当配电网发生故障时，保持MG 仍保持与配电网的互联运行状态[7-8]。

以策略2）为基础研究联络线的保护方案，只有当大电网或配电网无法为MG 系统供电时，MG 才做孤岛运行，此时联络线开关应跳开。导致此类情况发生的原因可能是联络线上或联络线上一级线路发生故障。

2.1.2 联络线保护方案

当MG 与配电网隔离采用策略2）时，联络线保护方案设计主要解决两个问题：（1）联络线出现故障时可靠地切除故障；（2）MG 或配电网出现故障时，要减少网络中低电压对微电源的危害。对于第2 个问题，在各微电源处安装电压偏移可实现保护。联络线保护方案的设计亦存在2 个难点：（1）靠近MG 侧的保护设计要充分考虑到MG 故障特性对保护的影响；（2）靠近配电网侧的保护设计可看作为双电源系统的保护设计，要充分考虑到保护灵敏度的问题。

2.2 微电源特性对微电网保护的影响

2.2.1 微电源的容量以及接入位置的不同

在MG 系统中，微电源容量的大小、接入位置的不同，以及微电源的控制方式均会对MG 的保护造成影响，导致传统保护选择紊乱、保护灵敏度降低等问题，使传统保护方式，尤其是过电流保护，难以适用于MG 系统中。

微电源接入MG 中同一条线路的不同位置，以及接入微电源的容量大小不同，对保护选择性的影响亦有所不同。

2.2.2 保护灵敏度降低

微电源或DG 故障退出运行时会对原供电系统的保护灵敏度产生影响。

DG 或微电源并网点在故障稳态时的电势Uk1计算式为：

两电动势之差为：

由以上分析可知，在DG 或MG 并网运行的情况下，由于微电源的接入，同一故障点的电势比DG 未接入时有所增加，导致大电网向故障点馈送的电流减小，而总的故障电流有所增加。所以，在DG 并网情况下，线路保护整定值Ikmin（Ikmin为本段线路末端最小运行方式下两相金属性短路电流）要大于非DG 并网情况下的整定值。

2.3 微电网的运行方式对保护的影响

MG 既可以并网运行，又可以孤网运行，在这两种不同的运行方式下，MG 的故障特性差异很大，这无疑给MG 保护设置带来了挑战。在MG 系统中，多数微电源需要经过电力电子装置与系统接口实现并网或供电，而基于电力电子装置的微电源无法提供较大的短路电流，主要原因有两方面：（1）电力电子器件缺乏惯性，无法像传统大电网中具有大惯性旋转式发电机一样，既可利用惯性维持系统的稳定，又可提供足够大的短路故障电流；（2）电力电子装置本身载流能力的限制，逆变型微电源的故障电流输出一般被限制在额定电流的2 倍左右。对于逆变器等装置造成的故障电流较小问题，受影响较大的为孤岛运行的MG，而并网运行的MG 其故障电流是由配电网系统以及微电源共同提供，且配电网提供的故障电流足够大，完全满足保护装置的动作阈值。

对于电力电子装置导致孤网运行的MG 故障电流不易检测问题，可采取用两种方法解决：（1）增大电力电子器件的容量，但是，会导致经济成本投资过大，而且存在的技术难题亦较大；（2）借助储能单元的放电特性，在孤岛运行的MG 发生故障时，大容量的储能单元提供的故障电流占主要地位，而逆变器（IBDG）提供的故障电流仅占小部分。

MG 不同的运行方式所带来的不同故障特性对传统继电保护提出了挑战，一般有两种应对方法：（1）设置两种不同的保护，分别对应于MG 孤岛和并网不同的运行状态，两种保护可根据预设的限制条件实现互相之间的切换。但是，保护配置更加复杂，经济上不一定可行。（2）设计适用于MG 不同运行状态下的同一保护方法，主要难点在于适应性要求更高，保护方法更难实现。

3 结语

本文从传统配电网保护方法的角度出发，分析了影响MG 保护方案设计的不同因素。通过MG 系统在故障情况下的不同隔离策略，提出了MG 基于故障穿越运行的联络线保护方法。同时，MG 的运行方式的变化、微电源接入系统的容量和位置的不同，以及MG 的接地系统不同等因素，均会导致MG 的故障运行特性有所变化，给MG 系统的保护技术的研究带来挑战。