董 博，王海玲，楊 帆

（上海電力學(xué)院，上海 200090）

0 引言

微電網(wǎng)保護(hù)的關(guān)鍵問題是微電網(wǎng)內(nèi)含有廣泛分布的分布式電源（distributed generation，DG），使潮流可能雙向流動(dòng)，同時(shí)并網(wǎng)、孤網(wǎng)模式下產(chǎn)生的故障電流差異較大，導(dǎo)致傳統(tǒng)繼電保護(hù)無法適應(yīng)[1-3]。如今，大多數(shù)DG通過逆變器接入中、低壓配網(wǎng)，稱為逆變型分布式電源（inverter interfaced distributed generation，IIDG），而IIDG故障前后只能輸出正序電流，且逆變器中的限流作用使得故障后IIDG輸出電流被限制在2倍額定電流以下，這樣就使得很多傳統(tǒng)的基于電流幅值的保護(hù)方法不再適用。就現(xiàn)有微電網(wǎng)而言，為了保護(hù)IIDG在微電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)的安全，通常在IIDG的并網(wǎng)逆變器處安裝逆變器保護(hù)，使其在逆變器中電流超過限值時(shí)將IIDG切除。目前，逆變器保護(hù)裝置普遍設(shè)定為先于微電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置動(dòng)作[4]。該保護(hù)策略雖然既滿足了保護(hù)的選擇性，又確保了IIDG的安全，但是降低了DG的利用效率。因此，針對(duì)當(dāng)前的微電網(wǎng)保護(hù)需要提出更加合理有效的微電網(wǎng)保護(hù)方案[5-7]。

目前，針對(duì)微電網(wǎng)繼電保護(hù)的研究大體分為兩種思路。一種是基于本地信息量的保護(hù)。文獻(xiàn)[8]提出了基于IIDG出口電壓變換的保護(hù)方法，通過電壓量進(jìn)行故障識(shí)別，規(guī)避了因運(yùn)行方式不同引起的故障電流差異較大的問題，但是微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多變導(dǎo)致的保護(hù)自適應(yīng)性問題沒有解決。另一種是基于通信信息量的保護(hù)。文獻(xiàn)[9]提出了基于圖論的邊方向變化量保護(hù)原理，通過電流變化量進(jìn)行故障識(shí)別。該方案在應(yīng)對(duì)雙向潮流的微電網(wǎng)保護(hù)問題具有良好的效果，但是只考慮到相間短路故障，忽略了最常發(fā)生的單相故障和最嚴(yán)重的三相故障。文獻(xiàn)[10]提出了一種微電網(wǎng)自適應(yīng)保護(hù)方法，應(yīng)用基于電流量的節(jié)點(diǎn)路徑算法對(duì)保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)限自適應(yīng)整定。該方法能夠比較好的應(yīng)對(duì)微電網(wǎng)運(yùn)行方式及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活多變的保護(hù)適應(yīng)性問題。

筆者提出了基于EPON通信的支路交軸電流突變量微電網(wǎng)保護(hù)方法?；趫D模型理論，定義微電網(wǎng)分割區(qū)域原則，將微電網(wǎng)實(shí)時(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為有向節(jié)點(diǎn)圖?；谝蕴珶o源光網(wǎng)絡(luò)（EPON）來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，應(yīng)用park變換提取支路電流交軸量，通過電流變化量保護(hù)算法獲得故障信息值，最終通過節(jié)點(diǎn)遍歷法進(jìn)行故障定位與隔離。該保護(hù)方法能夠根據(jù)微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化自適應(yīng)改變關(guān)聯(lián)矩陣，并且保護(hù)判據(jù)不會(huì)因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化而改變，具有良好的適用性[11-15]。

1 微電網(wǎng)的圖模型

1.1 微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)與控制方式的設(shè)定

微電網(wǎng)與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行與控制方式多樣，DG接入方式較為靈活，這些都會(huì)對(duì)故障電流產(chǎn)生影響。對(duì)于小電阻接地方式配電網(wǎng)，不同接地方式DG并網(wǎng)對(duì)接地故障電流的影響尤為復(fù)雜：DG采用直接或小電阻接地方式與不接地方式相比，各故障電流將明顯增大或減小，甚至從無到數(shù)百安培，將會(huì)影響系統(tǒng)原有接地保護(hù)與三相保護(hù)性能。因此，在討論微電網(wǎng)保護(hù)之前，需對(duì)微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行與控制方式等進(jìn)行設(shè)定：

1）微電網(wǎng)通過公共耦合點(diǎn)（PCC）與公共電網(wǎng)相連，能夠平滑切換并離網(wǎng)運(yùn)行方式。網(wǎng)外故障時(shí)離網(wǎng)運(yùn)行，網(wǎng)內(nèi)故障時(shí)DG逆變器的保護(hù)裝置設(shè)定為落后于微電網(wǎng)保護(hù)動(dòng)作。

2）并網(wǎng)變壓器處接地方式采用直接接地形式，DG的接入方式盡量采用四線接入形式，但是不允許在同一建筑物內(nèi)出現(xiàn)多電源中性點(diǎn)同時(shí)接地，以防止產(chǎn)生雜散電流。當(dāng)運(yùn)行方式發(fā)生變化，要保障微電網(wǎng)內(nèi)DG中性點(diǎn)的可靠接地。

3）設(shè)定微電網(wǎng)內(nèi)DG能夠“即插即用”，DG的容量能夠保證微網(wǎng)的獨(dú)立運(yùn)行，并且微電網(wǎng)的保護(hù)能夠適應(yīng)維網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化。

1.2 微電網(wǎng)簡化圖

微電網(wǎng)主要由DG、儲(chǔ)能裝置、配電線路以及負(fù)荷組成，并包含相應(yīng)的繼電保護(hù)裝置、通信系統(tǒng)以及中央控制系統(tǒng)。由于微電網(wǎng)中存在多個(gè)DG，使得潮流可能雙向移動(dòng)，所以本文在各饋線兩端母線出口分別配置帶功率方向的智能保護(hù)裝置（intelligent electronic device，IED）。圖1為微電網(wǎng)典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖1 微電網(wǎng)典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 Typical topology structure diagram of micro-grid

圖1 中配置IED的斷路器將微電網(wǎng)劃分成多個(gè)相關(guān)聯(lián)的不同區(qū)域，將其定義為分割區(qū)域，如圖2所示的虛線區(qū)域。劃分分割區(qū)域的原則為：若干個(gè)配備IED的斷路器圍成的區(qū)域視為一個(gè)分割區(qū)域；原則上分割區(qū)域內(nèi)部不再含有斷路器；將配電網(wǎng)視為由并網(wǎng)斷路器圍成的分割區(qū)域。將微電網(wǎng)視為一種圖[11-15]，分割區(qū)域則視為圖的節(jié)點(diǎn)，配備IED的斷路器則視為圖的邊，將配電網(wǎng)指向線路末端的負(fù)荷或DG定義為有向邊正方向，由此將圖2簡化，形成有向節(jié)點(diǎn)圖，然后將節(jié)點(diǎn)和支路進(jìn)行編號(hào)，形成的微電網(wǎng)有向節(jié)點(diǎn)-支路圖如圖3所示，它是一個(gè)17階的圖，節(jié)點(diǎn)集為Z={Z1Z2Z3Z4Z5Z6Z7Z8Z9Z10Z11Z12Z13Z14Z15Z16Z17}，有向邊集為E={e1e2e3e4e5e6e7e8e9e10e11e12e13e14e15e16}。

1.3 微電網(wǎng)的圖描述

考慮一含有n個(gè)節(jié)點(diǎn)和k條邊的微電網(wǎng)有向節(jié)點(diǎn)-支路圖D，通過關(guān)聯(lián)矩陣的形式來描述D，得到一個(gè)n行k列的矩陣，稱為微電網(wǎng)關(guān)聯(lián)矩陣M，本文將矩陣M的元素定義如下:

圖2 微電網(wǎng)的分割區(qū)域Fig.2 Partition area of micro-grid

圖3 微電網(wǎng)的有向節(jié)點(diǎn)-支路圖Fig.3 Node-branch graph of micro-grid

式中：i=1，2，…，n；j=1，2，…，k。

以圖3為例，微電網(wǎng)的關(guān)聯(lián)矩陣M為

微電網(wǎng)關(guān)聯(lián)矩陣描述了微電網(wǎng)分割區(qū)域與斷路器的聯(lián)系關(guān)系，若微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，生成的關(guān)聯(lián)矩陣跟隨變化，保證了保護(hù)的適應(yīng)性。

2 微電網(wǎng)的保護(hù)方法

2.1 微電網(wǎng)電流突變量保護(hù)原理

上文已經(jīng)定義了微電網(wǎng)簡化圖中有向邊的正方向，為方便計(jì)算，實(shí)際測量電流的參考方向與有向邊的方向相反。以圖3為例，假設(shè)邊e0的電流從Z1流向Z2，則電流方向?yàn)樨?fù)，反之為正。如此，當(dāng)Z1節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，邊e1的電流可能會(huì)：1）電流仍從Z1流向Z2，電流幅值減??；2）電流幅值為零；3）從Z2流向Z1。這3種情況可以理解為：故障后向故障區(qū)域附加了故障電流，抵消了故障前的支路電路。同理，當(dāng)Z2節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，邊e1的電流方向?qū)⒈３植蛔兦译娏鞣翟龃?。這也可以理解為故障后附加電流的流入增強(qiáng)了故障前的支路電流。結(jié)合關(guān)聯(lián)方向（電流有正負(fù)），易得判據(jù)：故障后電流大于故障前電流，則起點(diǎn)區(qū)域故障；故障前后電流不變，則表示沒變化或斷開；故障后電流小于故障前電流，則終點(diǎn)區(qū)域故障。

2.2 微電網(wǎng)電流突變量的獲取

本保護(hù)方案以電流的變化量作為保護(hù)判據(jù)，若直接用監(jiān)測得到的電流變化量作為判據(jù)，由于存在高次諧波和頻率一致性等問題，在實(shí)際計(jì)算中可能產(chǎn)生較大誤差。筆者提出以交軸電流的直流分量作為電流判斷依據(jù)。所用電流量為a，b，c三相電流經(jīng)Park變換得到的q軸電流量Iq在一個(gè)工頻周期內(nèi)的平均值。交軸電流Iq計(jì)算如下：

圖4和圖5為兩相短路和三相短路時(shí)節(jié)點(diǎn)電流和交軸量的波形。

圖4 兩相短路相電流、Iq及Fig.4 Phase current of two-phase short circuit，Iqand

圖5 三相短路相電流、Iq及Fig.5 Phase current of three-phase short circuit，Iqand

由于采用電流變化量作為保護(hù)判據(jù)，那么判定數(shù)據(jù)要分別是正常運(yùn)行時(shí)的電流和故障電流。首先，在各個(gè)IED中設(shè)置能夠容納三個(gè)周期采樣數(shù)據(jù)的寄存器，在任意時(shí)刻以隊(duì)列的形式存儲(chǔ)三個(gè)連續(xù)工頻周期電流互感器（CT）的采樣數(shù)據(jù)。寄存器處在常開的狀態(tài)，并且保護(hù)啟動(dòng)或動(dòng)作與否不應(yīng)影響寄存器的運(yùn)行狀態(tài)。在保護(hù)啟動(dòng)后寄存器錄入下一個(gè)完整工頻周期CT采樣數(shù)據(jù)，如圖6所示。通常保護(hù)能夠通過少量采樣數(shù)據(jù)感知并啟動(dòng)故障，故障發(fā)生至保護(hù)開放的延時(shí)一般不會(huì)超過一個(gè)周期。這樣寄存器中將會(huì)包含三個(gè)完整的連續(xù)采樣周期，如此，第一、三采樣周期僅為故障前負(fù)荷電流、故障電流采樣值，第二采樣周期則由故障前的負(fù)荷電流與故障電流的采樣值共同組成，如圖6所示。上述采樣數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)窗口選取的原則能夠確保求取故障前后電流變化量的采樣數(shù)據(jù)分別是正常運(yùn)行時(shí)的電流和故障電流。

2.3 微電網(wǎng)電流變化量保護(hù)算法

圖6 保護(hù)寄存器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式Fig.6 Data storage method in protection register

考慮一含有n個(gè)節(jié)點(diǎn)和k條邊的微電網(wǎng)有向節(jié)點(diǎn)-支路圖C，定義圖C的故障信息向量GF為

式中，gF·i為節(jié)點(diǎn)i的故障信息值。當(dāng)大的微電網(wǎng)因運(yùn)行需要或故障隔離而變?yōu)閹讉€(gè)獨(dú)立運(yùn)行的區(qū)域時(shí)，該保護(hù)方案應(yīng)能適應(yīng)這種變化，并且對(duì)獨(dú)立區(qū)域可靠保護(hù)。同時(shí)，當(dāng)故障發(fā)生在獨(dú)立區(qū)域內(nèi)，其他非故障獨(dú)立區(qū)域的支路電流不會(huì)產(chǎn)生影響。如此，根據(jù)前述判據(jù)定義gF·i如下:

考慮到電路中的不平衡電流和諧波等影響，防止由于電流的微小波動(dòng)引起計(jì)算的誤差，在通過變化量獲得gF·i時(shí)需要設(shè)置閾閥值，計(jì)及該情形，根據(jù)前述判據(jù)定義gF·i如下:

定義節(jié)點(diǎn)i的故障標(biāo)志Fi為

則節(jié)點(diǎn)i內(nèi)是否發(fā)生故障的判據(jù)為

從編號(hào)為Z1的節(jié)點(diǎn)開始遍歷，判定故障節(jié)點(diǎn)。定位微電網(wǎng)關(guān)聯(lián)矩陣M的行，將此行非零元素所代表的斷路器斷開，即可有效地隔離故障。

3 EPON通信

實(shí)現(xiàn)電流突變量保護(hù)需要電流采樣值（sample value，SV）快速、可靠的傳輸，已有方法是采用專用光纖通道或基于同步/準(zhǔn)同步數(shù)字系列（SDH/PDH）技術(shù)的復(fù)用通道來實(shí)現(xiàn)，但在含微電網(wǎng)的配電網(wǎng)中架設(shè)專用光纖或SDH/PDH通信設(shè)備，性價(jià)比低且通信速率慢。而以太無源光網(wǎng)絡(luò)（EPON）具有高帶寬、低成本、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代配電網(wǎng)自動(dòng)化通信主流方式之一，因此筆者采用EPON通信實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置的通信。

EPON是一種采用點(diǎn)到多點(diǎn)（P2MP）的單纖雙向光接入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其典型結(jié)構(gòu)如圖7所示。

EPON系統(tǒng)由中心側(cè)的光線路終端（OLT）、用戶側(cè)的光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）和無源光分路器（ODN）組成。EPON中在一根纖芯中傳送上下行兩個(gè)波段：在下行方向（OLT到ONU），OLT發(fā)送的信號(hào)將通過一個(gè)/多個(gè)1:n的無源分光器到達(dá)每個(gè)ONU；在上行方向（ONU到OLT），一個(gè)ONU發(fā)送的信號(hào)將只會(huì)到達(dá)OLT，而不是直接到達(dá)其他ONU。為了防止數(shù)據(jù)沖突并提高網(wǎng)絡(luò)利用效率，在上行方向采用時(shí)分多址（TDMA）接入方式并且通過OLT對(duì)各ONU的數(shù)據(jù)發(fā)送進(jìn)行仲裁。

圖7 EPON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of EPON system

4 仿真分析

以圖1為例，在PSCAD/EMTDC環(huán)境下搭建微電網(wǎng)模型，配電網(wǎng)容量設(shè)為800 kVA，經(jīng)過10 kV/380 V降壓變壓器接入微電網(wǎng)，線路電壓為380 V，頻率為50 Hz，線路阻抗 0.05+j0.01 Ω，單條線路長度0.5 km。負(fù)荷1-3分別為30 kW、45 kW、60 kW。DG采用PQ控制結(jié)構(gòu)，控制環(huán)路中加設(shè)限流器，抑制DG輸出的短路電流，額定容量為46 kW。設(shè)0.5-0.6 s間負(fù)荷2處發(fā)生AB相接地故障，此時(shí)微電網(wǎng)部分波形如圖8所示。

將PSCAD仿真三相電流數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，依據(jù)式（5）與式（6）編程獲得故障信息向量GF與跳閘動(dòng)作信號(hào)如表1所示。依據(jù)公式（7）編程獲得故障判定結(jié)果Fi為[-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-11-1]，F(xiàn)16為1，因此判定為節(jié)點(diǎn)16區(qū)域內(nèi)故障，與實(shí)際情況相符，仿真正確。

5 結(jié)語

圖8 微電網(wǎng)兩相短路仿真Fig.8 Simulation of two-phase short circuit in micro-grid

表1 故障信息值計(jì)算Table 1 The calculation of fault information values

針對(duì)微電網(wǎng)繼電保護(hù)的需求，本文提出了基于EPON通信的支路電流變化量微電網(wǎng)保護(hù)方法。定義微電網(wǎng)分割區(qū)域原則，將微電網(wǎng)實(shí)時(shí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為有向節(jié)點(diǎn)圖，基于以太無源光網(wǎng)絡(luò)（EPON）來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，通過park變換提取支路電流交軸量，通過電流突變量保護(hù)算法獲得故障信息值，最終通過節(jié)點(diǎn)遍歷法進(jìn)行故障定位與隔離。該保護(hù)方法能夠根據(jù)微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化自適應(yīng)改變關(guān)聯(lián)矩陣，并且保護(hù)判據(jù)不會(huì)因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化而改變，具有良好的適用性。