微电网保护方案设计以及微电网保护的配置分析

国网嘉兴供电公司电力调度控制中心的研究人员张磊、王跃强、陈国恩，在2017年第12期《电气技术》杂志上撰文指出，随着新能源建设的快速发展，微电网愈发普及，其在分布式电源的管控中发挥着巨大的作用。

但由于微电网诸如潮流双向流动、电网容量小等特点，微电网的保护难度较大。因此研发和微电网特点相适应的电网保护方法是十分必要的。

本文结合微电网的应用特点，采用了基于通信的微电网集中保护方案，并配置了本地保护方案作为补充，最终对具体的微电网进行了配置，获得了较为理想的保护效果。

近年来随着国家对新能源产业的大力扶持，新能源产业得到了快速的发展，分布式发电在电网中变得愈发普遍，这种以新能源为背景的微电网结构在电网中的比例逐渐则大。而微电网本身潮流不稳定，系统容量小，运行方式多样，给微电网的保护造成了一定的困扰。

对微电网保护的合理配置，建立科学有效的微电网保护方案是确保微电网可靠运行的基本保障[1]。本文利用通讯手段，建立了集中控制的微电网保护方案，并针对具体的微电网结构，制定了微电网保护的具体方案。

1微电网保护方案设计

1.1设备的集中保护方案

集中保护可以便于对全网综合信息进行分析，从而准确的快速的判断故障位置以及故障原因。微电网设备集中保护方案如图1所示。

其主要由保护装置和保护控制平台构成。微机保护设备的主要功能包括：电能信息的采集和计算、根据保护算法模型分析对数据进行分析、将运算结果传输到上层控制中心、接收集中保护中心的控制信号并执行上级控制中心的指令、监控设备状态[2]。

系统中选用的监测装置、智能保护单元均支持IEC61850通信，从而可以进行方便的组网，与集中保护平台形成统一的网络。

图1 微电网设备集中保护方案

集中保护中心对微机保护设备的数据信息进行故障分析，判断设备是否处于正常运行状态，一旦有故障发生，则应根据故障情况采取相应的保护措施。集中保护可以对现场监测设备的信息进行分析比较，从而判断故障位置[3]。

如图1所示，当F节点工作不正常时，保护设备MPD1和MPD4的都会检测到正向故障，而系统就会通过分析对比判断相应的末端保护和后备保护，此时，MPD4作为末端保护应首先动作，MPD1进行后备保护。

1.2设备的本地保护方案

当微电网保护通信系统出现问题时，由于本地装置无法收到上级集中控制平台的动作指令，现场保护设备应具备根据本地设定进行保护的能力，根据本地信息对故障进行检测和判断，完成设备保护动作[4]。

保护监督动作衔接可根据系统故障判断结果和延时来判定，如图2所示，tf是保护动作的响应时间，tm为动作响应延时时间，该值通常可以设为20ms。另外可以采取安装电子断路器的方式对线路进行短路保护。

图2 保护动作的动作时序

当线路的F处出现故障时，保护设备MPD、MPD1、MPD2会同时检测到系统故障，但MPD2会优先动作，而后备保护MPD和MPD1会根据需要延时动作。往往微电网的规模都比较小，没有较长的输电线路，基本不存在电源通过一条馈线接入的情况，因此通过该保护方案就可以满足保护需要[5]。

保护设备MPD的主要保护设定有：

(1)功率方向保护。

微电网的潮流方向是不固定的，有时需要对故障方向进行识别时，则要增加功率保护装置。

（2）系统接地故障保护。

当有单相接地故障在TN系统出现时，系统的零序电流分量往往难以检测。这时可以通过计算系统四相电流的和是否为0来判断是否有单相接地故障发生。

（3）系统过流保护。

当电网有不对称短路故障出现时，系统的负序电流的电流变动会非常大，所以，可以通过检测负序电流，对系统进行保护。

（4）电压故障保护

电压故障保护往往在系统公共连接点或者集成在系统逆变器中。系统各公共连接点的欠电压保护的目的是在外部电网运行不正常时，可以确保系统单独正常运行。

同时，在系统内部出现问题时，也可以有效的将系统切除，确保外部电网的运行安全。为确保分布式电源的故障穿越能力，公共连接点的保护动作时限不应大于分布电源保护单元[7]。

（5）电网频率保护。

系统频率保护的设置位置和电压保护相同。保护动作时限随频率偏差的增大而减小。

(6)电子断路器保护。

电子断路器保护功能较为全面，具有较强的保护能力，其通常配备过载长延时保护以及过载瞬时动作保护。过载延时动作的保护时间根据系统电流的有效值计算[8]。

1.3自动测控单元的保护逻辑

自动测控单元是微电网保护控制的核心设备，依靠其强大的测控能力，可以方便的实现微电网的保护功能。自动测控单元的保护逻辑如下图所示[9]。

图3 控制保护逻辑图

通过集中保护和就地保护相结合，从而实现对系统的可靠有效保护。

2微电网保护的配置分析

假设某微电网结构如图4所示。其中DG1的额定容量为600kVA,DG2的额定容量为400kVA，DG3、DG4和DG5的额定容量为50kVA，系统电流最大输出值为额定容量的1.2倍，计算得出其分别为1.03kA以及0.69kA。

图4 微电网系统集中式保护方案

对系统电子断路器的额定电流选择为按照系统最高负荷电流的1.2倍。瞬间过载动作电流选择电子断路器的2倍及以上电流，1#断路器处虽然额定电流只有25A，但根据经验系统中的尖峰电流经常超过几十安培，为防止扰动造成开关误动作，瞬断电流取100A。

如表1所示。其故障动作时间选择40ms，长时间过载电流根据线路最大负荷适当增加即可，8#和9#电子断路器的动作时间设定为5S，剩余电子断路器的动作时间为4S。智能保护设备的保护动作电流值和时间设定如表2所示。

这些保护动作时间都是针对微电网网络断线时的本地保护动作时间。而在系统通讯正常时，系统和根据对保护装置的上传信息的分析结果，进行有针对性的切除，主保护的动作时间缩短为0.07S后备保护动作时间缩短为0.1S[10]。

表1 系统电子断路器参数配置表

表2 保护动作时间设定

(2)系统故障保护动作。

对在CCB9和MPD2之间的线路出现两相接地故障的情况进行研究。

1）过渡电阻设定为0.2欧姆，系统负荷达到最大，系统保护动作情况如下表所示。

表3 保护设备动作情况

2）过度电阻设置为2欧姆，系统负荷达到最大，系统保护做情况如下表所示。

表4 保护设备动作情况

同时，我们对系统负荷处于最小时的情况也进行了实验，保护设备均能可靠动作，即使在CCB9在一些故障情况下不能动作时，MPD1和MPD2可以很好的对线路进行保护。

此外，微电网潮流的不稳定运行的方式是多样的，我们通过对系统电源电压和频率，对系统的电源质量保护进行了验证，通过调整负载情况，对系统的过负荷情况进行了验证，都取得了比较理想的保护效果。

3结论

随着新能源和智能电网的建设，分布式电源结构在配电网络中越来越普及。本文针对微电网结构的特点，构建了微电网集中保护控制平台，并对微电网保护设备的配置进行了介绍。

为应对集中控制功能丧失的问题，对微电网的本地保护进行了设置。并通过实验对微电网保护系统进行了检验，获得了较为理想的效果。