微电网保护方法及策略报告

1、保护方案研究报告 题目： 多微电网关键技术研究 指导人： 报告人： 摘要：本文主要就基于区域纵联保护原理的保护方案进行了详述。关键词：保护 区域纵联1、概述同大电网一样，微网内部发生故障时，通常不希望直接切掉电源，而是通过保护装置的选择性将故障部分切除，保障微网正常部分的稳定运行。微网除供电负荷外，还有一些其他的负荷，例如热负荷；因此更不能轻易切掉电源1。故障按照微网的运行方式可以分为联网运行方式下的故障和孤岛运行方式下的故障；按照故障类型可以分为线路故障，负荷故障，变压器故障；按照故障位置可以分为位于分布式电源下游的故障和位于分布式电源上游的故障。图1 微网可能发生的故障位置 评价一种运行方

2、式是否合理，主要是看其能否提高系统的供电可靠性，所以需要对于上述各种运行方式进行可靠性评估，衡量电力系统的可靠性，主要是依据停电时间和停电次数。 文献2指出可以直接利用微型开关或者熔断器（保险丝）对低压侧负荷故障进行切除；并且提到在孤岛运行方式下，电压降落来源于故障，而这个故障导致的电压降落可能会传递到整个网络，所以使用不能使用电压水平作为协调保护装置，使用方向元件是最佳选择。文献3提出利用先进的通信技术，将安装在断路器上的方向元件的状态信息传输个微网控制中心，微网控制中心对于各个继电器进行设置。2、 包含有DG的配网保护中出现的新问题多微网配电系统的保护主要包括并网模式与孤岛模式下配网保护与

3、孤岛保护。配电网系统接入DG以后，改变了原有的网络结构，原系统的潮流分布和短路电流的大小随之改变。这些改变对过流保护的整定、配置和动作特性都有影响，而影响的大小取决于保护的位置、故障点和DG接入的位置。带来的问题主要包括4：（1） DG降低所在线路保护的灵敏度或缩小保护范围； 如图所示，DG接在线路末端，当DG下游出现故障时，由于DG向故障点送出短路电流，DG上游的线路保护R1感受到的故障电流将变小，从而降低了Rl的灵敏度，缩小了保护范围。当保护Relayl采用反时限过流特性时，还会增加其动作的延时。图2 DG所在线路故障对于保护的影响（2） 相邻线路故障时，DG引起所在线路保护误动作 当故障

4、发生在图3中母线(K1处)或相邻线路(K2处)时，DG将提供短路电流，有可能导致DG所在线路的保护R2误动作。这种情况一般可以通过在保护中增加方向元件来解决。 图3 相邻线路故障，DG所在的线路保护误动作（3） 线路故障时，DG侧(弱馈电源侧)保护因灵敏度不足可能拒动。目前解决弱馈侧灵敏度不足的问题，主要采用联锁跳闸的方法。如图所示，一种是保护Rl跳开断路器B1的同时，联跳并网线对侧的断路器BZ；另一种是保护R1跳开B1的同时，联跳DG侧解列开关或微电源出口开关B3，将所有下级的DG与系统分离。图4 DG侧保护灵敏度不够，连锁跳闸 允许DG孤岛运行后，微网内的结构和运行方式会与传统配网有很大区

5、别，也会带来一些新的问题： (1)孤岛形成过程中，有可能失去接地点，孤岛成为小电流接地系统，威胁某些设备的绝缘安全。 (2)孤岛内设备故障时，可能因DG提供的短路电流过小使保护拒动。微网大多采用电力电子接口和电力电子控制器件，所提供的故障电流很小，有时DG甚至只能提供两倍或小于两倍负荷电流的故障电流。传统的过流保护往往需长时间延时才能动作，有些甚至根本无法动作。(3)并网模式和孤岛模式转换时，系统结构发生了变化，同一套保护定值和配合逻辑往往不能适应运行方式的变化，容易造成误动作。3、 多微网保护系统的结构 DG的并网和孤岛运行给配电网的继电保护带来了很多的问题，传统的线路保护模式己经不能满足电

6、网的要求。而应用于多微网配电系统的继电保护系统要遵循如下几个原则： (l)灵活地适应各种运行方式，如并网运行、单元孤岛运行、组合孤岛运行等，实现无缝转换。 (2)涵盖整个多微网配电系统，包括孤岛内的元件和孤岛外的元件。 (3)保护原理和逻辑简单明了，算法快速可靠。 (4)能应对各种非正常情况，如IED拒动和误动、断路器失灵等。 (5)比现有的保护算法在性能上更优越，能够解决某些常规保护算法难以解决的问题，如弱馈侧保护问题等。基于被保护设备各侧信息的纵联比较保护或纵联差动保护，能够可靠地区分区内、区外故障，且无需与其他保护装置进行定值和时限上的配合，具备良好的选择性，已在输电系统中获得了广泛应用

7、5。 纵联保护原理完全可应用到配电系统中，但要考虑配电系统的特点。 由于多微网的配系统结构比较复杂，包括多个分段和分支，每个分段或分支都可能包含微网，这样纵联保护应该是多端纵联，不像高压线路那样通常是两端纵联；考虑到配电系统故障一般不会引起大系统之间的失稳、大面积停电等恶性事故，所以对主保护的快速性、可靠性等方面的要求可以稍低6。 结合上述特点，本文提出了一种主从式的区域纵联比较保护方案，结合配电系统的特点研究保护工作原理和故障检测算法，为包含多微网的配电系统提供性能优良的快速保护功能。现以图 5所示系统为例说明区域纵联保护系统的构成和工作原理。 M、N 分别为 2 个变电站的母线，S1 S1

8、2表示断路器、并网开关和分段开关，假设均具有切断短路电流的能力，开关附近箭头指示的方向为故障正方向。 本文规定：故障的正方向为由主电源指向负荷或微网的方向，这样能够确保方向元件有足够的灵敏度和可靠性，基本不受微网容量和并网位置的影响7。MG1MG6表示微网。以母线 M 侧变电站内虚线框包含的线路为例说明该系统的构成和工作原理。图5 包含多微网的配电网物理结构图在母线 M 侧变电站内设置一台保护主机，在线路各测量点处安装保护从机。 从机负责采集安装点的电气量和开关量信息，当有故障发生时判断故障方向，并将故障方向判断结果通过通信网络传送给保护主机。主机收集到各从机的故障方向信息后，结合当前网络拓扑

9、结构对故障所在区段进行判断，做出跳闸策略，将跳闸命令通过通信通道下发至相应的保护从机，由保护从机跳开所在的断路器以隔离故障。发生馈线故障时，位于该馈线出口处的保护从机会感受到正向过流，并启动保护主机查询该馈线上其他保护从机的故障判断结果。 显然，正常情况下位于变电站母线和故障点之间的保护从机都会感受到正向过流，而位于故障点下游的保护从机要么会感受到反向过流（与微网相连），要么会感受到低电压、低电流（与负荷相连），总之不会感受到正向过流。 保护主机根据从机的判断信息，结合当前网络拓扑结构，就能够确定故障区段的位置。 配电网正常运行时，手拉手开关（图 5 中 S7）一般都断开，但是当馈线失去原有供

10、电电源时，需要闭合手拉手开关由另一侧变电站继续供电。 因此不同的变电站对手拉手开关处正方向的定义也不同的，在图中用双向箭头表示。4、基于扩展纵联比较原理的区域保护4.1、区域纵联保护的特点综合考虑输电系统中广泛应用的。点对点。纵联比较式原理，以及含有多微网的配电系统自身的特点，文献8提出“一主多从”的主从式区域纵联比较的保护方案。这种方案的优点是简化了保护的算法和设备的配置，降低了维护成本；缺点是保护通信需要花费的时间比其他的时间稍长，从而导致保护动作时间延长以及保护对于主机的依赖性较强。但是由于配电系统对于保护时间的要求不是很严格，所以动作时间稍长并不会带来严重问题；保护主机一旦故障，整个保

11、护装置无法正常运行，一般不会出现问题，为了保险起见，在各从机中配备方向过电流原理的后备保护功能，则整个系统的可靠性大大增强，能够满足包含多微网的配电系统对于继电保护的基本性能要求。 主从式区域纵联保护方案以一个包含分布式电源的配电变电站及其所有出线作为基本的保护区域，在变电站中设置一个站级保护主机，在其每条出线的每一个有切断短路电流能力的开关设备处均安装一个保护从机。位于站内的保护从机通过站内通信网络与保护主机保持通信，位于站外的保护从机则通过站外通信网络与主机通信，如图6所示。保护主机主要负责根据从机上传信息实现故障的判断和定位，从机则负责向主机提供其安装点处故障方向等方面的信息，并根据当地

12、检测的结果及主机发来的信息，决定是否将相应开关设备跳开。图6 区域纵联保护通信原理图4.2、区域纵联保护方案的工作流程7 区域纵联保护方案由一套保护系统作为变电站所有设备及馈出线的主保护，同时利用安装在保护从机中的方向元件完成后备保护功能。由于配电网的保护对动作时间的要求相对较低，为了简化算法和保护逻辑，将采用分层纵联比较的思路，保护的工作流程如下： (l)提取变电站各出线电流、变压器高低压侧电流和母线电压进行分析判断，根据分析结果判断系统是否发生故障。若判断结果为正常运行状态，则区域纵联保护系统不动作。保护继续数据采集和分析运行状态的循环运行，一旦发现系统中发生故障，则区域纵联保护立即动作。

13、 保护判断出配电系统发生故障后，再分析是否为本站范围之内的故障。分析的依据是根据变电站与外网连接点处(如图6中的PCC处)方向元件的动作情况。若该方向元件动作，则故障在本站范围之内，本保护系统将继续下一步的判断；若该方向元件不动作，则故障在本站范围之外，本保护系统不动作。若为本站范围之内的故障，需判断该故障是变压器内部故障还是变压器下游的故障。判断的依据是变压器低压侧方向元件的动作状态。若方向元件不动作，则为变压器内部故障，保护将故障变压器跳开；若该方向元件动作，则故障在变压器下游，保护将继续下一步的判断。 (2)判断母线故障。判断依据为母线分段开关处及各馈出线出口处方向元件的动作状态。若变压

14、器低压侧方向元件动作且母线分段处及各馈线出口处的方向元件均不动作，则为母线故障；若母线分段处方向元件同时动作，则为另外一条母线故障；若某条馈线出口处的方向元件动作，则为该出线发生故障。 (3)若判断为某一馈线故障，保护主机通过分析本馈线上各保护从机处方向元件的动作状态，判断出故障所在的区段。若某个区段的上游分段开关的方向元件动作，而其下游分段开关的方向元件不动作，则本区段就是故障区段；若某区段的上、下游分段开关的方向元件均动作或均不动作，则相应的区段就不是故障区段。(4)在故障区段内的保护从机方向元件动作时，说明一定是该保护的下游发生了故障，主机向该保护从机发出允许跳闸的命令，仅将其下游的微网

15、或负荷与主网隔离，而电网的其他部分继续并网运行。通过上面分析的工作流程，可以准确快捷地确定出故障的位置，进而在不影响其他无故障设备正常运行的情况下，快速、灵敏!有选择性地将故障设备可靠切除。保护的工作流程示意框图如图7所示：图7 区域纵联保护方案的流程 如图8所示，在下游K1故障的情况下，方向元件KW处所检测到的故障电流包括了系统主电网提供的短路电流和方向元件安装处上有所以DG所提供的电流。由于系统主电源的容量较大，能提供足够的短路电流，所以方向元件的灵敏度较高；一般情况下，KW上游的DG容量相对于主网较小，所以其运行方式的变化对于KW的检测灵敏度影响不大。 在方向元件的上游K2或K3处发生故

16、障时，流过方向元件KW的电流为其下游微网提供的电流，其值大小与下游微网的容量，负荷紧密相连；但由于此时不需要KW动作，所以无论短路电流大小怎么变化，都不会影响对于故障区域的判断。图8 微网出口处的方向元件的动作方案4.3 故障区段定位算法故障检测算法在保护主机内完成，需要获取各保护从机对故障的判断结果以及当前网络拓扑结构信息。其中保护从机对故障的判断结果借助通信网络传送至主机，网络拓扑结构则根据各开关的位置状态生成8。以图5中虚线框内的线路为例进行分析，其拓扑可用图9所示的拓扑图来描述，将装有保护从机的开关视为节点，用CB表示，将开关之间的馈线和分支线视为支路，用 L 表示。 正常情况下S7断

17、开，对应的节点 CB7用空心圆表示，该处的保护从机不与任何支路关联。图9 以图5为例的网络拓扑结构 根据文献9，设正常运行时，除 S7外其他开关都处于闭合状态，可以得到图9所示的节点-支路关联矩阵 L。该矩阵为 m×n 阶，其中，m 为保护从机的数量，n 为线路区段的数量。 L 中的元素 lij表示的是第 i 个节点与第 j 条支路之间的关系，其值定义为：1 节点 i 与支路 j 直接相连 且支路 j 位于节点 i 的正向 lij= -1 节点 i 与支路 j 直接相连 且支路 j 位于节点 i 的反向0 节点 i 与支路 j 不直接相 可以得到上图的关联矩阵L； (4-1) 主机将

18、来自从机的故障方向判断结果用一个行向量 G 表示。 G 中元素的数量等于保护从机的个数，对元素 gi的取值定义如下：1 从机 i 判为正向故障 gi= 0 从机 i 判为反向故障或不启动故障判断 设故障发生在 L3上，若各保护从机判断正确，得到的故障信息向量 G 应为：G= (4-2) 对故障信息矩阵 G 和关联矩阵 L 进行乘运算，就可得到线路故障区段信息向量 P： (4-3) P 为一个 1×n 阶行向量，其中，n为线路区段数量。分析 P 中元素值可以发现，只有区段 L3对应的元素值为1，其余元素值全为 0，由此可以判断出故障发生在 L3上。如果故障发生在分支 L4上，此时得到的

19、故障信息向量 G 应为： (4-4) G与L进行乘运算，得到故障区信息向量P为： (4-5)可以看出，故障发生在分支上同样可以判断正确。当网络拓扑结构发生变化时，某些区段的主供电电源也将改变，此时就要对相应保护从机的正方向重新定义。当有开关断开时，所在的保护从机由于无法采集到电流信息，不对故障方向进行判断，因此在关联矩阵中应解除这些保护从机和线路之间的联系。 当有开关由断开变为闭合时，将会与相邻线路建立关联关系，在关联矩阵中必须增加这些节点与相邻支路之间的联系。 如果主供电电源发生了改变，还必须对相应保护从机的故障正方向重新定义。上述讨论都是在假设系统各部分工作正常的前提下进行的。实际上难免出

20、现保护从机工作异常、对故障方向判断错误、通信系统故障等情况，这些异常对主机而言都表现为获得的故障判断信息不完备。下面将讨论故障判断信息不完备对故障检测算法的影响。本文规定：对由于各种原因无法获取到故障判断信息的保护从机，在故障信息矩阵G中的对应元素值一律取“0”。此外，为方便讨论，这里只涉及无法获取单台保护从机信息的情况。仍以图9所示的系统和L3故障为例，如果故障点下游的CB4-CB7对应的任意保护从机工作异常，或者向量G中“0”值元素对应的保护从机工作异常，由于规定对应矩阵G中相应元素值取为“0”，因此不会对故障检测算法产生影响。下面分析故障点上游本该判为正向故障的保护从机工作异常的情况。（

21、1）假设CB1对应的从机工作异常，此时主机生成的故障信息向量G为： (4-6)进而得到线路故障区段信息向量P: (4-7) 可见，当故障点上游本该判断为正向故障的从机工作异常时，向量P中会出现奇异值“-1”，该值的出现可作为故障点上游有保护从机工作异常的标志，但不会影响对故障区段的判断，值为“1”的元素对应的线路仍然为L3。（2）当CB3对应的从机工作异常时，所生产的故障信息向量G为： (4-8)进而得到的故障区段信息向量P为： (4-9) 此时主机会将Ll判断为故障区段。如果跳开Ll各侧的开关，切除的是非故障区段，但对于变电站M而言，故障能够消失。如果接下来合上CB7由N侧电源供电，由于故障

22、区段L3并没有被隔离，CB7会合于故障。M站的主机通过再次获取各从机的故障判断信息，会将LS隔离，从而彻底隔离故障。可见，由于关键的保护从机故障，最终不得不扩大停电范围以达到隔离故障的目的。（3） 如果故障点下游的保护从机由于各种原因误判为正向故障，那么G中对应的元素值将由“0”变为“1”，也会对故障检测算法带来影响。在图8中，当故障发生在L3上，假设CB5误判为正向故障，生成的故障信息向量G为： (4-10)进而得到的故障区段信息向量P为： (4-11)此时主机会将L5判为故障区段，但将L5隔离后并不能消除故障，说明故障位于L5的上游，CB5所对应的从机所给出的判断信息有误。假设故障判断和检测的时间足够快，有充足的时间进行第二次判断，那么主机可以对错误的从机信息进行修正，即将向量G中CB5对应的元素值由“1”修正为“0”，然后重新进行故障检测。如果没有充足的时间进行多次判断，那么当L5被隔离后故障仍然存在，只能