微電網(wǎng)繼電保護(hù)相關(guān)問題研究

1、微電網(wǎng)保護(hù)的特殊性問題

當(dāng)前有關(guān)微電網(wǎng)的研究主要是在傳統(tǒng)配電網(wǎng)基礎(chǔ)上展開的?，F(xiàn)有文獻(xiàn)指出，微電網(wǎng)與配電網(wǎng)之間僅設(shè)一個(gè)公共連接點(diǎn)(PCC)，且在該處裝設(shè)靜態(tài)開關(guān)。微電網(wǎng)處于并網(wǎng)運(yùn)行模式時(shí)，無論配電網(wǎng)還是微電網(wǎng)發(fā)生故障，均即刻(通常在20毫秒內(nèi))將微電網(wǎng)和配電網(wǎng)隔離開。若故障點(diǎn)位于配電網(wǎng)，這將有利于微電網(wǎng)切換至孤島模式下的穩(wěn)定運(yùn)行;若故障點(diǎn)位于微電網(wǎng)，則待PCC點(diǎn)斷開后在孤島運(yùn)行方式下進(jìn)行故障處理?？梢?，只要微電網(wǎng)保護(hù)的出口時(shí)間大于40毫秒，微電網(wǎng)內(nèi)部故障電流特性取決于其內(nèi)部的微電源。

與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比，微電源的容量較小，特別是逆變器接口型微電源受電力電子器件的限流影響在微電網(wǎng)內(nèi)部短路時(shí)其提供的故障電流恒定且不大于其額定電流的兩倍。因此，微電網(wǎng)內(nèi)部保護(hù)滿足靈敏度的要求有難度。另，微電網(wǎng)的電路拓?fù)浜团潆娋W(wǎng)類似，電力用戶的分散性又使得微電網(wǎng)內(nèi)部線路距離短或線路中間有T接。此時(shí)，通過動作電流整定難以保證主保護(hù)的選擇性，若依靠動作時(shí)限整定來保證選擇性既不符合保護(hù)快速性的要求也難以保證故障切除后微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在多端電源的微電網(wǎng)中，不可控電源斷續(xù)輸出造成微電網(wǎng)中潮流方向的不確定，也給采用方向元件來保證保護(hù)的選擇性帶來麻煩。還有一個(gè)不可忽視的問題是微電源容量小、供電半徑短，容易失穩(wěn)和脫網(wǎng)。當(dāng)微電網(wǎng)線路保護(hù)動作時(shí)間長于微電源在故障情況下持續(xù)并網(wǎng)時(shí)間，微電源會退出運(yùn)行，造成微電網(wǎng)“崩盤”，致使微電網(wǎng)內(nèi)的線路保護(hù)徹底失去選擇性。

2、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

為解決微電網(wǎng)保護(hù)靈敏度低、選擇性差的問題，有研究人員將在電網(wǎng)保護(hù)中已有成熟應(yīng)用的低電壓、序分量等故障特征量引入微電網(wǎng)保護(hù)中，提出基于就地信息的微電網(wǎng)保護(hù)方案。筆者認(rèn)為，除非微電網(wǎng)達(dá)到相當(dāng)規(guī)模，此類基于就地信息的微電網(wǎng)保護(hù)整定困難，難以解決保護(hù)選擇性、靈敏性的問題以及保護(hù)間相互配合的問題，但其可以作為后備保護(hù)。

借助于微電網(wǎng)的中央單元和信息平臺，有研究人員提出了基于全網(wǎng)(區(qū)域)信息交互的微電網(wǎng)保護(hù)方案，目前主要有兩種研究思路：一種是實(shí)時(shí)采集與結(jié)構(gòu)變化相關(guān)的電氣量及開關(guān)量信息，借由中央單元實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)整定;另一種是利用信息采集系統(tǒng)獲取全網(wǎng)故障信息，由中央單元保護(hù)模塊確定故障點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)故障隔離。微電網(wǎng)的規(guī)模遠(yuǎn)小于配電網(wǎng)，基于全網(wǎng)(區(qū)域)信息交互的保護(hù)可以從微電網(wǎng)全局統(tǒng)籌，很大程度上克服了微電網(wǎng)復(fù)雜的運(yùn)行狀態(tài)以及靈活多變的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對保護(hù)的影響，具有良好的自適應(yīng)性。但此類保護(hù)方案對通信依賴性太強(qiáng)，不僅通信速度對保護(hù)的動作速度有直接影響，而且局域通信發(fā)生故障時(shí)，可能會導(dǎo)致微電網(wǎng)內(nèi)部多處保護(hù)誤動或拒動。

鑒于上述保護(hù)方案存在的不足，有研究人員提出通過通信方式獲取相鄰故障點(diǎn)的方向信息，并就地判斷是否動作隔離故障。此類方法適用于雙電源間線路兩端均裝設(shè)斷路器和相應(yīng)保護(hù)裝置的無分支線路保護(hù)以及母線保護(hù)。當(dāng)微電網(wǎng)中某些單電源(等效)多分支線路(線路僅有一端有斷路器和保護(hù)裝置)發(fā)生短路故障時(shí)，或在多端電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，有T接線路或有斷續(xù)輸出的不可控電源時(shí)，這類比較方向(相位)變化的保護(hù)存在無法判斷的可能。

3、對實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)保護(hù)所需解決問題的探討

微電網(wǎng)保護(hù)的目的是為了盡可能維持微電網(wǎng)的穩(wěn)定，或快速恢復(fù)微電源的運(yùn)行?，F(xiàn)階段微電網(wǎng)內(nèi)部故障后的處置思路應(yīng)是：結(jié)合微電源的容量、分布等因素，將微電網(wǎng)的保護(hù)與故障重構(gòu)統(tǒng)籌考慮，以最大限度利用微電源作為故障后的處置目標(biāo)。以下分別從三個(gè)不同場景對此加以討論：

(1)微電網(wǎng)中的所有微電源集中接于同一母線，以放射式樹干型的線路結(jié)構(gòu)向負(fù)荷供電。當(dāng)微電網(wǎng)內(nèi)部線路發(fā)生短路故障時(shí)，短路電流單向流動。此時(shí)，可采用就地檢測短路電流，并上傳上一級線路保護(hù)的方法，短路回路中的各線路保護(hù)均以檢測到短路電流為啟動保護(hù)出口的條件，以收到下級線路故障電流為閉鎖保護(hù)出口的條件。

當(dāng)故障點(diǎn)靠近線路首端，出現(xiàn)微電源先于線路保護(hù)動作脫網(wǎng)的情況時(shí)，為順利實(shí)現(xiàn)故障重構(gòu)，和微電源接在同一母線上的各出線斷路器操作機(jī)構(gòu)均要求帶失壓脫扣的功能，且這些出線保護(hù)要能夠在微電源脫網(wǎng)前檢測到故障電流并閉鎖該斷路器的合閘回路。

(2)對微電源分多(兩)處接入的微電網(wǎng)，將線路斷路器跳開后不會造成微電源解列的線路定義為“單側(cè)電源供電線路”，反之定義為“雙側(cè)電源供電線路”。

“單側(cè)電源供電線路”的保護(hù)配置與實(shí)現(xiàn)方法同(1)。

“雙側(cè)電源供電線路”在無T接的情況下，線路保護(hù)可選用現(xiàn)有文獻(xiàn)提出的“基于電流相角突變量方向的有源配電網(wǎng)保護(hù)”。由于比較的是電流流向，該保護(hù)特別適用于由多個(gè)等容量逆變器輸出型小容量微電源構(gòu)成的微電網(wǎng)中的線路主保護(hù)。雙側(cè)電源供電線路發(fā)生短路故障時(shí)，即便保護(hù)正確動作隔離故障，也必然會打破其中微電源與負(fù)荷的平衡關(guān)系，使得部分微電源因失穩(wěn)而退出運(yùn)行，進(jìn)而造成微電網(wǎng)無法繼續(xù)運(yùn)行。為了減少此類情況，需要在保護(hù)裝置中加入類似于一次重合閘的動作邏輯，盡快將已脫網(wǎng)的微電源重新投入運(yùn)行。同時(shí)，要將保護(hù)動作結(jié)果以及微電源運(yùn)行狀態(tài)引入到微電網(wǎng)運(yùn)行控制裝置中，探討實(shí)時(shí)故障重構(gòu)的方法。

對于規(guī)模較小的微電網(wǎng)也可探討不設(shè)置線路保護(hù)的方法。在線路開關(guān)處裝設(shè)具有通信功能的檢測裝置，當(dāng)微電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，用微電源的過流保護(hù)無選擇隔離故障，再用人工干預(yù)的方式準(zhǔn)確隔離故障，最后通過故障重構(gòu)的方法恢復(fù)運(yùn)行。

(3)主動配電網(wǎng)模式下微電網(wǎng)內(nèi)部線路保護(hù)要具備兩方面的功能：一是滿足正常運(yùn)行方式(是配電網(wǎng)的一部分)下出現(xiàn)故障時(shí)的配電網(wǎng)保護(hù)功能;二是滿足非正常運(yùn)行方式(故障重構(gòu)形成的“微電網(wǎng)”)下出現(xiàn)故障時(shí)的微電網(wǎng)保護(hù)功能。雖然兩種運(yùn)行方式下短路電流差值很大，主保護(hù)仍可采用基于相鄰信息交互定位故障的保護(hù)原理，后備保護(hù)亦采用取就地信息的過流保護(hù)原理。

若微電源并入主網(wǎng)運(yùn)行，當(dāng)微電網(wǎng)內(nèi)部區(qū)域發(fā)生故障時(shí)，主網(wǎng)系統(tǒng)提供的短路電流遠(yuǎn)大于微電源提供的短路電流。充分利用這一特點(diǎn)，對微電源分開接入的微電網(wǎng)，其相鄰保護(hù)的交互信息可為所測的短路電流幅值，此時(shí)保護(hù)動作的判據(jù)為“僅有一側(cè)短路電流大于等于主網(wǎng)系統(tǒng)在最小運(yùn)行方式下該線路末端兩相短路電流”。微電源處于微電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，保護(hù)配置與實(shí)現(xiàn)方法同(1)和(2)。

主動配電網(wǎng)模式下微電網(wǎng)也會在線路發(fā)生短路時(shí)或保護(hù)動作后出現(xiàn)微電源脫網(wǎng)、解列等問題，解決方案同上，不再贅述。

4、結(jié)語

①微電網(wǎng)形成方式?jīng)Q定了微電網(wǎng)內(nèi)部短路電流幅值、相位等特性取決于微電源;

②微電網(wǎng)保護(hù)所面臨的特殊性問題主要為：短路電流小以及微電源工作的不確定性帶來的可靠性差、選擇性差以及靈敏度低;即便保護(hù)正確動作，微電網(wǎng)也極有可能瓦解。

③可采用基于相鄰信息交互判別故障原理的微機(jī)保護(hù)作為微電網(wǎng)主保護(hù)，按微電源集中于一處接入和微電源分開接入的情況選擇保護(hù)原理。

④將微電網(wǎng)的保護(hù)與故障重構(gòu)統(tǒng)籌考慮，以最大限度利用微電源作為故障后的處置目標(biāo)。

目前有關(guān)微電網(wǎng)的研究以及微電網(wǎng)工程應(yīng)用均處于起始階段，今后在微電網(wǎng)保護(hù)方面仍會出現(xiàn)新的有待不斷解決的問題。

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