朱苑祺，楊明玉，鄭燦，劉行

（華北電力大學(xué)電氣與電子學(xué)院，河北保定071003）

0 引 言

微網(wǎng)的出現(xiàn)使得在綠色能源的利用和能源分布不均的問題上有了新的解決方案，但微網(wǎng)的接入同時也給電網(wǎng)的保護(hù)帶來了新的挑戰(zhàn)。微網(wǎng)的靈活性，不同類型的電源，復(fù)雜的故障特性，以及接入引起的潮流變化，使得原有配電網(wǎng)保護(hù)方案不再具有適應(yīng)性［1-4］。而且微網(wǎng)中分布式電源采用不同接地方式并網(wǎng)，會影響系統(tǒng)的零序阻抗，進(jìn)而會影響到系統(tǒng)的單相接地故障電流特征［5］。現(xiàn)有的針對性的保護(hù)措施是在微網(wǎng)內(nèi)部的分布式電源并網(wǎng)逆變器處安裝逆變器保護(hù)，具有良好的保護(hù)選擇性，但是卻限制了分布式電源效率的最大化利用，更加高效的保護(hù)方案是微網(wǎng)保護(hù)的迫切需求［6-8］。

微網(wǎng)的保護(hù)類型主要分為兩種：一種是借助于通信技術(shù)的保護(hù)方案，通過電氣量的共享來實現(xiàn)在線整定［9-10］；另一種在傳統(tǒng)配電網(wǎng)的保護(hù)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，使之能夠適應(yīng)微網(wǎng)接入的運行條件，達(dá)到保護(hù)的要求［11-14］。兩種類型各有優(yōu)缺，前者使得保護(hù)整定變得簡單可靠，但通信通道架設(shè)和通信設(shè)備的安裝，給微網(wǎng)改造帶來了新的工作量；后者受原有保護(hù)的影響，很難完美的適應(yīng)微網(wǎng)接入帶來的影響。因此，本文提出了一種基于低電壓的反時限微網(wǎng)保護(hù)方案。首先提出了保護(hù)的相關(guān)概念，之后分析了保護(hù)原理及其動作特性，在并網(wǎng)和孤島運行方式下均有良好的適應(yīng)性，用MATLAB/Simulink建模仿真，驗證了保護(hù)的有效性。

1 基于低電壓反時限保護(hù)

1.1 基于低電壓反時限保護(hù)概念描述

目前，微電網(wǎng)保護(hù)仍是一個重大的挑戰(zhàn)，在一般情況下，微網(wǎng)常常是與配電網(wǎng)并網(wǎng)運行的，因此保護(hù)通常是能夠提供足夠大故障電流。但是，當(dāng)微網(wǎng)孤島運行時，任何故障電流將只能由仍然連接著的電源提供。這些分布式電源往往只能提供較小的故障電流量，一般提供的最大故障電流為額定電流的2倍。針對這種情況，已經(jīng)有一些保護(hù)方法被提出，利用短路故障發(fā)生時，電壓量下降的故障特征，來進(jìn)行保護(hù)設(shè)計。為了更好地描述電壓擾動，對電壓進(jìn)行abc-dq變換，然后把故障時，微網(wǎng)線路節(jié)點上的交軸電壓（Vq）和配網(wǎng)上采集到的交軸電壓求差，以此電壓差值作為保護(hù)的依據(jù)。正常情況下，交軸電壓是一常數(shù)，其值為相電壓的幅值，當(dāng)微網(wǎng)并網(wǎng)運行時，配網(wǎng)處發(fā)生電壓擾動時，從配網(wǎng)處得到的交軸電壓和微網(wǎng)中斷路器測得的交軸電壓同步變換，兩者的差值為0，這樣可以避免配網(wǎng)上的電壓擾動對微網(wǎng)保護(hù)的誤動。交軸電壓的計算公式為：

發(fā)生短路故障時，交軸電壓會衰減（大概為一個工頻周期），取衰減之后的交軸電壓Vq與正常運行時該交軸電壓的比值在一個工頻周期的平均值，及直流分量V q*［15-16］。因此，可以利用短路故障時交軸電壓降低的特征，作為保護(hù)的一個依據(jù)。隨著電氣距離的增加，V*q下降的程度逐漸減小。但是，在電網(wǎng)任何點短路時各個母線的電壓都降低，低電壓保護(hù)都會動作，即電壓保護(hù)沒有方向性。而且對于線路末端發(fā)生故障，可能由于電氣距離過大，導(dǎo)致電壓下降不明顯，單靠電壓量難以滿足保護(hù)的選擇性，因此需要借助距離保護(hù)的一部分思想來完善保護(hù)方案。

設(shè)微網(wǎng)中AB線路之間發(fā)生短路故障，在節(jié)點A測到的阻抗為Zm，設(shè)A點測量阻抗與AB間的線路阻抗ZAB的幅值之比為nA，則阻抗比例系數(shù)nA可以表示為：

當(dāng)短路故障發(fā)生在區(qū)內(nèi)時，nA必然小于1，短路故障發(fā)生在區(qū)外時，nA大于1，可以以此作為保護(hù)啟動的判據(jù)。而且隨著故障點的靠近，nA的值越小，可以利用這一特點與其他判據(jù)配合加快保護(hù)的動作。

1.2 基于低電壓反時限保護(hù)原理

在孤島條件下，微網(wǎng)線路發(fā)生故障時，短路電流變化范圍較大，但是保護(hù)安裝處電壓下降的特征在孤島和并網(wǎng)運行時同樣適用，距離故障最近的母線電壓最小。規(guī)定電流正方向為母線流向線路，則故障線路兩側(cè)的保護(hù)的測量阻抗均為正，同時兩側(cè)節(jié)點的其它支路保護(hù)測量阻抗則均為負(fù)，可以利用測量阻抗的正向相位來保證保護(hù)的選擇性?？紤]到保護(hù)應(yīng)具有反應(yīng)故障嚴(yán)重程度的能力，故障點越靠近母線，測量阻抗與線路阻抗之比n越小，電壓下降的幅度越大，交軸電壓Vq也就越小，Vq*也就越小，基于低電壓反時限保護(hù)的動作方程如下：

式中k為時間整定系數(shù)；Vop為動作電壓；n為測量阻抗與線路阻抗的比值；Vq*為測量的交軸電壓與正常運行時該交軸電壓的比值在一個工頻周期的平均值；α為曲線形狀系數(shù)；β為平移系數(shù)。當(dāng)故障發(fā)生在保護(hù)端附近時Vop/（nVq*）接近于無窮，保護(hù)動作時間接近于0，可以看到動作時間呈反時限特性，且隨著Vq*的減小而減小，且動作能夠很好的適應(yīng)故障嚴(yán)重程度。該保護(hù)主要是利用短路故障時電壓下降的特征量，所以稱為基于低電壓反時限保護(hù)。保護(hù)動作時間隨電壓大小變化而變化，跟反時限過電流保護(hù)類似，也具有反應(yīng)故障嚴(yán)重程度的能力。

2 基于低電壓反時限限保護(hù)配合與整定

2.1 基于低電壓反時限限保護(hù)配合分析

微網(wǎng)中線路中保護(hù)B1和保護(hù)C1分別為線路CD的上級保護(hù)和下級保護(hù)，微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of the micro-grid system

為了保證基于低電壓反時限保護(hù)的選擇性，上級保護(hù)B1的動作時間應(yīng)該大于下級保護(hù)C1的動作時間，只有當(dāng)下級保護(hù)C1拒動時，上級保護(hù)B1才動作跳開線路。上級保護(hù)保護(hù)B1和下級保護(hù)C1的動作時間為tb1、tc1公式如下：

先做一個簡化設(shè)定：動作時間系數(shù)kb1和kc1、曲線形狀系數(shù)α、曲線平移系數(shù)β均相等。

根據(jù)距離保護(hù)的整定原理，保證下級線路上發(fā)生故障時，上級線路的后備保護(hù)不越級跳閘，即上級保護(hù)B1的動作范圍不應(yīng)該超出下級保護(hù)C1的動作范圍。如圖1所示微網(wǎng)，上級保護(hù)B1的保護(hù)范圍為線路BC和CD的全長，下級保護(hù)C1保護(hù)范圍為線路CD全長。上級保護(hù)B1和下級保護(hù)C1的阻抗比例系數(shù)如式（10）所示：

根據(jù)以上所述可得：

即得到阻抗比例系數(shù)nb1大于nc1，因此可得式（6）和式（7）成立，這樣既滿足在線路CD下級保護(hù)范圍內(nèi)故障時，上級保護(hù)的動作時間大于下級保護(hù)動作時間，又可以使保護(hù)動作的時間差隨著故障點與保護(hù)之間的距離增加而變大。圖2為下級保護(hù)C1和上級保護(hù)B1的動作曲線示意圖。

圖2 保護(hù)動作曲線Fig.2 Curves of protection operating characteristics

2.2 基于低電壓反時限限保護(hù)整定

基于邊電壓反時限保護(hù)動作時間由時間整定系數(shù)k、動作電壓Vop、曲線形狀系數(shù)α、曲線平移系數(shù)β所決定，接下來討論各系數(shù)對保護(hù)動作時間的影響。

（1）時間整定系數(shù)k、曲線形狀系數(shù)α、平移系數(shù)β基于低電壓反時限保護(hù)應(yīng)在故障發(fā)生后立即切除故障，即要求線路的下級保護(hù)有足夠的快速性，線路的上級保護(hù)在下級保護(hù)拒動情況下，延遲Δt時間后動作。根據(jù)圖2的動作時間圖，設(shè)定曲線平移系數(shù)β為1，同時曲線平移系數(shù)α決定曲線的彎曲程度，根據(jù)圖1所示的微網(wǎng)系統(tǒng)，在這里取α=0.02；時間整定系數(shù)k決定保護(hù)動作的最大延時和不同保護(hù)間的時序配合間隔，考慮到動作要求的快速性，在最不利的情況下仍能滿足主保護(hù)瞬時動作的特性，即在線路末端發(fā)生相間短路，此時阻抗比例系數(shù)n和Vq*均較大，以圖1中保護(hù)C1為例，要求k值應(yīng)該較小，接近于0，在這里取k=0.000 387。

（2）動作電壓Vop

Vop不僅是保護(hù)啟動的判據(jù)的一部分（另一部分依靠阻抗比例系數(shù)和方向測量元件實現(xiàn)），而且取值決定了保護(hù)上下級之間的配合。由式（3）可知，Vop由阻抗比例和交軸電壓一個工頻周期的平均值的乘積組成，如式（12）所示。

當(dāng)系統(tǒng)在最大運行方式下短路時，短路電流大，母線的殘余電壓等級高，保護(hù)不容易動作。由于系統(tǒng)并網(wǎng)運行時，相比孤島運行，系統(tǒng)電壓略高于孤島運行時系統(tǒng)電壓。當(dāng)保護(hù)能在并網(wǎng)情況下正確動作時，必定能在孤島模式下正確動作。Vq*為交軸電壓一個工頻周期內(nèi)的平均值，根據(jù)仿真結(jié)果，并網(wǎng)情況下發(fā)生單相短路故障時，交軸電壓殘余電壓最高，因此每個保護(hù)端，可以取其線路末端單相短路時的Vq*為整定值。電壓比例系數(shù)n為了確保在線路末端，保護(hù)也能正常動作，因此取其值為1。由于理論計算與實際情況存在一定差別，因此引入可靠系數(shù)krel，其值大于1，具體取值可根據(jù)線路情況而定。

3 特殊問題的討論

3.1 微網(wǎng)中含有旋轉(zhuǎn)型分布式電源的影響

當(dāng)微網(wǎng)中的分布式電源為逆變式電源時，為了保護(hù)分布式電源，會對其進(jìn)行限流處理，防止電流過大損壞電源。但微網(wǎng)中也存在一些通過同步發(fā)電機(jī)或異步發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)的旋轉(zhuǎn)型分布式電源。當(dāng)這些旋轉(zhuǎn)型分布式電源通過小電阻或者直接接地時，故障電流的情況將比經(jīng)由逆變式分布式電源組成的微網(wǎng)更加復(fù)雜。當(dāng)故障點發(fā)生在微網(wǎng)內(nèi)部時，由于增加了分布式電源零序通道提供的故障電流，故障線路零序電流較分布式電源接入前大幅增大，即使保護(hù)安裝處測量故障電壓下降幅度減小，使低電壓反時限保護(hù)的快速性受到挑戰(zhàn)。當(dāng)發(fā)生不對稱故障時，健全相中將會出現(xiàn)幾百安培故障電流，有可能導(dǎo)致健全相故障時的電壓大于正常運行電壓。因此有必要針對含旋轉(zhuǎn)型分布式電源的微網(wǎng)保護(hù)策略進(jìn)行改進(jìn)［9］。

針對旋轉(zhuǎn)型分布式電源通過小電阻或者直接接地方式接入微網(wǎng)的情況，采用故障選相技術(shù)，依靠其故障時故障相電壓下降的特征，作為保護(hù)判據(jù)的一部分。當(dāng)測量阻抗為正，阻抗比例系數(shù)小于1，且故障相電壓小于動作電壓時保護(hù)啟動。保護(hù)的動作方程為：

式中Ve為故障相電壓，其他系數(shù)含義與式（3）相同，根據(jù)具體的線路參數(shù)進(jìn)行整定。根據(jù)相同的保護(hù)原理，進(jìn)行保護(hù)的整定和設(shè)計，在這里不再贅述。

3.2 分布式電源接地時過渡電阻的影響

當(dāng)分布式電源不接地時，不存在接地回路，因此阻抗系數(shù)n能夠正確反應(yīng)故障，保護(hù)能正確動作。但當(dāng)分布式電源接地時，就存在接地回路，過渡電阻不可避免的會對保護(hù)產(chǎn)生影響。當(dāng)微網(wǎng)單側(cè)電源供電線路上發(fā)生故障時，此時保護(hù)安裝處測量電壓與測量電流的關(guān)系如下：

式中Um為測量電壓；Im、Zm分別為測量電流和測量阻抗；Rk、Zk分別為線路電阻和線路電抗；Rg為過渡電阻。此時由于過渡電阻的存在，使得線路阻抗增加，若故障發(fā)生在保護(hù)末端，則保護(hù)判據(jù)阻抗比例系數(shù)可能會大于等于1，引起保護(hù)拒動。因此需要對阻抗比例系數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，由于過渡電阻不影響測量阻抗的電抗分量，因此阻抗比例系數(shù)可以改為電抗比例系數(shù) n［11］，即把式（2）改為式（16）：

在兩側(cè)電源的情況下，過渡電阻的存在，既可能使測量阻抗增加，也可能使測量阻抗減小，同時由于測量電流相位的影響，也會影響到測量阻抗的電抗分量，因此式（15）也不再適用，根據(jù)保護(hù)要求，在中性點直接接地系統(tǒng)中，需要保護(hù)快速切除故障。為了滿足這一要求，可以與絕緣監(jiān)測裝置配合，在過渡電阻過大時發(fā)出報警信號。

4 仿真驗證

4.1 微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)

本文提出的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。該微網(wǎng)系統(tǒng)系統(tǒng)電壓等級為10 kV，配網(wǎng)電源經(jīng)過變壓器，通過公共連接點又稱PCC點（Point of Common Coupling）連接微網(wǎng)。各個節(jié)點接裝有電氣測量裝置。當(dāng)PCC斷路器閉合時，微網(wǎng)處于并網(wǎng)運行，DG1檢測到PCC閉合，切換為PQ控制方式，當(dāng)檢測到PCC點斷開，進(jìn)入孤島運行模式時，DG1控制方式切換為v/f控制方式，DG2、DG3均為PQ控制方式。DG1作為孤島運行時的主電源，額定容量為800 kVA、DG2的額定容量都為200 kW、80 kvar，DG3的額定容量為400 kW、100 kvar，限定故障最大電流為額定電流的2倍，負(fù)載1、負(fù)載2的額定功率均為270 kW、129 kvar，負(fù)載3為450 kW、215 kvar。線路的阻抗參數(shù)如表1所示。

表1 微網(wǎng)線路參數(shù)Tab.1 Line parameters of the micro-grid

微網(wǎng)在并網(wǎng)和孤島兩種方式下正常運行時，各節(jié)點電壓略有差異，但屬于允許電壓等級的范圍內(nèi)。通過對CD線路中點發(fā)生三相、相間故障進(jìn)行仿真測試，故障開始時間均為0.06 s，保護(hù)測量采集Vq*時，考慮到電壓衰減所需的時間，取故障后半個工頻周期后的電壓量來計算。

圖3、圖4分別為微網(wǎng)并網(wǎng)運行下，CD線路中點發(fā)生三相、相間故障時，保護(hù)C1處的三相電壓波形和交軸電壓波形。當(dāng)發(fā)生故障時，保護(hù)C、B1和D處的測量阻抗為正，且阻抗比例系數(shù)小于1。B1處安裝有線路CD的后備保護(hù)，設(shè)置延遲動作時間Δt為0.05 s，若檢測到故障發(fā)生，CD線路主保護(hù)C1拒動，則后備保護(hù)B1啟動。CD線路中點發(fā)生三相故障時，此時，測量電壓遠(yuǎn)小于動作電壓，保護(hù)C測量阻抗為正且阻抗比例系數(shù)為0.5，小于1符合保護(hù)啟動判據(jù)。由于并網(wǎng)情況下，主網(wǎng)能夠提供較大的短路電流，因此母線上殘留電壓不會很小，保護(hù)能夠正常動作。表2和表3表示并網(wǎng)情況下，各保護(hù)處的動作參數(shù)，保護(hù)跳閘指令時間是指系統(tǒng)開始運行到保護(hù)發(fā)出動作指令所經(jīng)過的時間。

圖3 保護(hù)C1三相短路響應(yīng)Fig.3 Response to a three-phase fault of protection C1

圖4 保護(hù)C1相間短路響應(yīng)Fig.4 Response to a phase to phase fault of protection C1

表2 三相短路時保護(hù)的參數(shù)Tab.2 Protection parameters of the three-phase fault

表3 相間短路時保護(hù)的參數(shù)Tab.3 Protection parameters of the phase to phase fault

由于線路CD為雙電源線路，因此需要觀測線路另一側(cè)在故障發(fā)生時的電氣量。圖5、圖6分別為保護(hù)D處的三相電壓波形和交軸電壓波形。

圖5 保護(hù)D三相短路響應(yīng)Fig.5 Response to a three-phase fault of protection D

圖6 保護(hù)D相間短路響應(yīng)Fig.6 Response to a phase to phase fault of protection D

從上圖仿真結(jié)果可以看到，線路發(fā)生三相故障時電壓量下降相比相間短路大得多，三相短路時保護(hù)C1處測得的Vq*為0.065 3，而相間短路時Vq*為0.529 7，兩者的阻抗比例系數(shù)相同均為0.5，根據(jù)動作方程（3）可得三相故障和相間故障時的保護(hù)跳閘指令時間分別為0.090 1 s和0.099 6 s。在故障較為嚴(yán)重的三相故障時，能夠更好地保護(hù)線路。

保護(hù)B1處安裝有線路CD的后備保護(hù)，為了檢測后備保護(hù)的能否在主保護(hù)拒動情況下，準(zhǔn)確動作，需要觀測保護(hù)B1處的電氣量。在正常情況下，主保護(hù)C1先于后備保護(hù)B1動作，在故障切除后，保護(hù)B1測得的電氣量因為正常值。圖7、圖8分別為保護(hù)B1處的三相電壓和交軸電壓響應(yīng)曲線。三相短路故障情況下，若主保護(hù)C1拒動，則保護(hù)B1測得的符合保護(hù)動作的判據(jù)，達(dá)到保護(hù)設(shè)定時間后動作。

圖7 保護(hù)B1三相短路響應(yīng)Fig.7 Response to a three-phase fault of protection B1

圖8 保護(hù)B1相間短路響應(yīng)Fig.8 Response to a a phase to phase fault of protection B1

圖9 保護(hù)C1三相短路響應(yīng)Fig.9 Response to a three-phase fault of protection C1

圖10 保護(hù)C1相間短路響應(yīng)Fig.10 Response to a phase to phase fault of protection C1

為了驗證保護(hù)的正確性，還需在微網(wǎng)孤島運行下進(jìn)行測試，圖9、圖10為微網(wǎng)孤島運行時，CD線路中點發(fā)生三相、相間故障時，電壓響應(yīng)曲線。當(dāng)發(fā)生三相故障時，保護(hù)C處的測量電壓小于動作電壓，測量阻抗為正，且阻抗比例系數(shù)為0.5，小于1符合保護(hù)啟動判據(jù)。由于微網(wǎng)中逆變式電源安裝的逆變器保護(hù)，故障電流很小，導(dǎo)致電壓很小，得到的q軸電壓也很小，根據(jù)保護(hù)動作時間方程，保護(hù)幾乎瞬時動作，考慮到q軸電壓的衰減過程和濾波器周期，取半個工頻周期后的數(shù)據(jù)來計算Vq*平均值，故障從0.06 s開始，在0.085 6 s結(jié)束。當(dāng)發(fā)生相間短路故障時，C處測得的電氣量同樣符合保護(hù)啟動判據(jù)，此時的阻抗比例系數(shù)為0.5，Vq*平均值為0.531 28，根據(jù)電壓衰減時間和保護(hù)動作方程可得保護(hù)在故障發(fā)生后0.04 s動作。三相短路動作時間小于相間短路動作時間，很好地體現(xiàn)了保護(hù)的反時限特性。

5 結(jié)束語

文中在由逆變式分布式電源構(gòu)成的微網(wǎng)中，利用了故障時電壓量下降的電氣特征，并加上距離保護(hù)的一部分思想，提出了低電壓反時限保護(hù)方案。該保護(hù)通過測得的交軸電壓的平均值和阻抗量實現(xiàn)，能夠很好地應(yīng)付逆變式電源故障電流小的情況，并加強(qiáng)了保護(hù)的選擇性和動作的快速性。仿真結(jié)果證明保護(hù)方案可行。通過選取合理的反時限曲線形狀系數(shù)和動作電壓參數(shù)實現(xiàn)了上下級保護(hù)之間的配合。

針對微網(wǎng)中含有旋轉(zhuǎn)式分布式電源并直接接地的情況，提出了利用故障選相技術(shù)，對故障相電壓來替代交軸電壓平均值進(jìn)行保護(hù)整定，避免了由于旋轉(zhuǎn)式DG直接接地導(dǎo)致健全相電壓增加引起保護(hù)舉動的情況。并針對微網(wǎng)接地系統(tǒng)中，過渡電阻的影響進(jìn)行了討論和改進(jìn)。

低電壓反時限保護(hù)方案有如下特點：克服了傳統(tǒng)電流保護(hù)在小電流下，無法正常動作的困難；保護(hù)啟動利用了電壓下降，和阻抗比例系數(shù)小于1進(jìn)行判定，具有很好的選擇性；保護(hù)具有一定的抗過渡電阻能力，利用故障選相技術(shù)，也可以對含有旋轉(zhuǎn)式DG直接接地的微網(wǎng)提供保護(hù)。另外文中對微網(wǎng)中含有旋轉(zhuǎn)式DG的情況，并未具體討論，實際微網(wǎng)中可能含有旋轉(zhuǎn)式DG直接接地的情況，需深入研究。