- 頭條上海交通大學科研人員提出微電網多層級協同反時限的保護方案2021-08-25 作者：黃文燾 邰能靈 等 | 來源：《電氣技術》 | 點擊率：導語微電網由大量分布式電源組成，且具有靈活、復雜的運行方式，傳統配電網保護難以滿足其對可靠性與穩定性的要求。基于微電網的拓撲結構和故障特性，上海交通大學電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室、國網江蘇省電力有限公司南京供電分公司的研究人員黃文燾、邰能靈、劉劍青、馬洲俊、王杰，在2021年第3期《電工技術學報》上撰文，設計并提出微電網多層級協同反時限保護方案。所提保護方案實現了多層級協同配合切除故障，提高了微電網保護的故障區域判別與快速動作能力，且在并網和孤島兩種運行方式具有自適應配置能力。
隨著風電、光伏等可再生能源的迅速發展，分布式發電得到了廣泛應用，呈現大規模、高滲透與分散并網等特點。微電網是充分利用分布式電源的有效途徑之一，已逐步成為可再生能源在配電領域應用的重要方向。微電網由分布式電源、負荷、儲能裝置和保護控制裝置構成，是自主控制、保護和管理的獨立發配電系統，具有供電靈活、可靠與優質的特點。
由于大量分布式電源的接入，微電網線路短路故障電流呈現雙向性。而逆變型分布式電源作為微電網的主要電源類型之一，受逆變器限流環節的影響，其提供的短路電流通常僅為額定電流的1.2~2倍。此外，由于上級配電網容量遠大于微電網，在并網運行時，微電網內部故障時故障電流較大，而孤島運行時故障電流較小。因此，微電網故障電流受系統結構、運行方式及分布式電源類型與控制方式等因素影響，變化范圍較大，傳統的配電網保護不再適用，需根據微電網運行特點研究并設計保護方案。
目前針對微電網線路保護的研究主要分為三類。
①第一類方案基于傳統的配電網保護，根據微電網的故障特征對判據進行改進。這些保護方案在一定程度上考慮了微電網靈活的運行方式，但受傳統保護特性的限制，選擇性和可靠性仍存在不足。
②第二類方案以通信系統為基礎，利用廣域同步測量信息改進和提高保護性能。這類保護受微電網復雜運行方式的影響較小，但其研究多集中于微電網內部故障，未考慮與并網保護的配合，不利于微電網的協同保護和穩定運行。
③第三類方案將微電網視為小型發配電系統，提出分層分級保護的方式，根據保護區域的重要性和特點來設計保護方案，并通過分層協同實現微電網保護的配合。
與傳統配電網不同，微電網的靈活與可靠運行依賴控制與保護的協同。考慮微電源及微電網的運行特性，故障的發生與切除均構成不同程度擾動。當故障嚴重時，故障的沖擊更大，保護動作時間應盡量短；當發生影響較小的故障時，保護的快速動作對微電網（尤其是孤島微網）的暫態沖擊更大，可在保護中適當引入延時，利用控制系統抑制故障影響，并降低切除動作的影響，再由保護有選擇地切除故障。
因此，微電網故障切除時間應與故障嚴重程度相關，即故障越嚴重切除時間越短。由于微電網對保護速動性和可靠性的要求與配電網不同，需針對性地研究微電網線路保護。
上海交通大學、南京供電分公司的研究人員首先結合微電網的拓撲結構和運行特點，提出微電網多層級協同反時限保護方案，對微電網保護層級進行劃分并設計階梯式反時限動作時間曲線。針對微電網線路故障，利用差動保護的選擇性，并引入反時限原理，提出反時限差動電流（Inverse-Time Differential Current, ITDC）保護，實現多層級協同配合切除故障，提高了微電網保護的故障區域判別與快速動作能力。基于ITDC保護方案設計微電網多層級協同保護算法，并提出保護相量計算的改進算法。
圖1 微電網多層級協同反時限保護架構
圖2 微電網系統仿真模型
該方案具有如下特點：
1）通過差動電流確定故障線路分段，并利用差動電流的反時限特性計算保護動作時間，實現了多層級協同配合切除故障，在提高微電網故障區域判別能力的同時反應于故障嚴重程度。
2）微電網多層級協同保護算法能夠根據微電網并網和孤島兩種運行方式自適應配置保護系統參數；保護能夠適應微電網靈活的運行方式以及微電源不同的控制方式。
3）提出保護相量計算的改進算法，有效抑制非周期分量對相量計算的影響，提高基于電流相量的反時限電流差動保護的有效性與可靠性。
基于PSCAD/EMTDC的算例仿真結果表明，建立的多層級協同反時限保護方案在不同故障條件下均能保證中心層、區域層和系統層保護的協同配合，可靠切除不同類型故障，有效提高微電網運行的可靠性與安全性，具有良好的應用前景。
以上研究成果發表在2021年第3期《電工技術學報》，論文標題為“微電網多層級協同反時限保護方案”，作者為黃文燾、邰能靈 等。
