微电网保护配置与方案设计是什么？详细介绍

微电网是大电网的有力补充，是智能电网领域的重要组成部分，在工商业区域、城市片区及偏远地区有广泛的应用前景。

微电网保护配置与方案设计是针对微电网系统（Microgrid）量身定制的电气保护和自动化策略，旨在确保微电网在各种运行模式（并网、孤岛）和故障情况下能够安全、可靠、稳定地运行，并最大限度地保障人身、设备和供电安全。这是微电网区别于传统配电网保护的关键所在。

核心挑战与特殊性：

运行模式可变性： 微电网可在并网和孤岛模式间无缝切换。在孤岛模式下，微电网内部的分布式电源（如光伏、风机、储能、微型燃气轮机）成为主要电源，其短路容量（提供故障电流的能力）通常远小于大电网。
电源特性差异： 不同分布式电源的故障特性迥异：
- 旋转电机（柴油发电机、微型燃气轮机）： 能提供较大的短路电流（几倍到十几倍额定电流）。
- 电力电子变换器型电源（光伏逆变器、储能变流器）： 其输出电流受控制策略和功率器件极限限制，通常只能提供1.1 - 2倍额定电流的短路电流，且响应速度、谐波含量与传统电源不同。
双向潮流： 在并网模式下，潮流方向可以是电网到微电网（用电）或微电网到电网（售电），馈线保护需要适应双向潮流。
可靠性要求高： 对关键负荷供电的微电网，对供电连续性要求高，保护方案需避免不必要的停电扩大。
通信要求： 实现复杂保护逻辑和模式快速切换通常依赖快速可靠的通信网络。

微电网保护配置与方案设计的目标：

快速可靠动作： 准确、迅速地检测和隔离故障点，保护设备安全。
选择性（级联配合）： 仅切除离故障点最近的保护设备，最大限度缩小停电范围，尤其在孤岛模式下保护有限的供电能力。
保护死区消除： 确保所有设备和线路，包括电源接入点、馈线、负荷连接点，都有有效保护覆盖，无遗漏。
运行模式自适应： 保护方案应在并网和孤岛模式下均能有效工作。
防止非计划孤岛： 当电网故障或计划外断开时，微电网应能快速、安全地脱离大电网（防孤岛保护），防止其对电网设备和人员造成风险。
无缝切换： 计划内并网/孤岛模式切换时，保护策略能平滑过渡，不影响运行。
满足电能质量要求： 避免保护动作造成电压、频率骤变影响敏感负荷。

关键组成部分与配置：

并网点保护： 微电网与大电网的连接点（Point of Common Coupling, PCC）。
- 功能： 检测电网侧故障、微电网侧故障，执行防孤岛保护，实现安全解列。
- 典型配置：
  - 方向性过流保护： 识别故障方向（区分微网侧故障还是电网侧故障）。
  - 低电压/过电压保护(27/59)： 检测电网电压异常。
  - 低频率/过频率保护(81)： 检测电网频率异常。
  - 功率方向保护(32)： 协助防孤岛和判断潮流方向。
  - 孤岛检测装置： 基于被动（电压、频率、谐波变化率）和主动（干扰注入如AFD、SFDR等）方法快速检测孤岛状态。
  - 断路器/自动切换装置： 执行分合闸操作。
  - 同步检查(25)： 用于计划内重新并网时检查电压、频率、相位差在允许范围内。
分布式电源接入点保护： 每个DG单元到微电网母线或馈线的连接点。
- 功能： 保护电源本体、检测其下游故障、配合馈线保护、在微电网故障时实现必要的电源脱网或低电压穿越。
- 典型配置：
  - 过流保护(50/51)： 分瞬时（I>>）和延时（I>）保护其输出线路。
  - 反时限过流保护(51)： 配合系统保护。
  - 低电压穿越能力： 通过逆变器控制策略实现（需配置保护配合），在电网扰动期间保持连接并支撑电压/频率。
  - 低电压/过电压保护(27/59)： 保护电源设备。
  - 过频/低频保护(81)： 保护电源设备。
  - 逆功率保护(32R)： 防止非计划的反向送电（取决于电源类型）。
  - 接地故障保护(50G/51G/50N/51N)： 根据系统接地方式配置。
馈线（支路）保护： 微电网内部连接母线到负荷或其他节点的线路保护。
- 功能： 检测并清除线路上发生的各类故障。
- 配置策略（核心难点，需仔细设计）：
  - 方向性过流保护(67)： （孤岛模式最常用/关键） 利用故障电流方向实现选择性。需要通信或本地方向元件。
  - 距离保护(21)： 可用于较长的馈线。受限于孤岛模式下DG短路容量小导致保护范围缩小的缺点。
  - 差动保护(87)： 选择性好、速动性高，但成本高，依赖高可靠通信。适用于短距离、重要的馈线或环形母线。
  - 纵联保护(Pilot Protection)： 通过通信通道交换信息实现高速、有选择性的故障隔离。
  - 反时限过流保护(51)： 在并网模式下可能适用；在孤岛模式下，由于所有DG提供的短路电流较小且接近，选择性配合非常困难（电流差值小，时序配合难），需谨慎使用或作为后备。
母线保护：
- 功能： 保护微电网母线本身。
- 典型配置：
  - 母线差动保护(87B)： 最理想的选择，速动、灵敏、选择性好，依赖快速通信。
  - 高阻抗差动保护： 一种母线差动保护。
  - 基于过流保护的后备方案： 作为差动保护失效或简单微电网的替代方案（性能较差）。
负荷保护： 重要负荷入口处可配置保护（如过流、欠压保护）和/或静态切换开关，在故障时快速切换到备用电源。
接地系统与接地保护：
- 选择合适的系统接地方式（IT, TT, TN）对故障电流和人身安全至关重要。
- 配置有效的零序电流保护(50N/51N)、零序方向保护(67N)或剩余电流保护(50G/51G)来检测和清除接地故障。

方案设计流程：

系统建模：
- 详细绘制单线图，标明所有电源、负荷、线路参数、变压器参数。
- 建立并网和孤岛模式下的等值电路模型。
故障分析：
- 计算并网和孤岛模式下，所有故障位置（三相、相间、接地）的最大和最小短路电流水平。
- 分析不同故障类型下短路电流在系统中的分布。
保护目标定义： 明确各区域（母线、馈线、电源接入点、PCC、负荷）的保护需求、选择性要求、速动性要求。
保护原理选择与配置：
- 根据步骤2和3，为每个保护区域选择合适的保护原理（方向过流、差动、距离等）。
- 为每个保护装置（继电器）设定保护功能（如50, 51, 67, 27, 59, 81等）并分配测点（CT/PT位置）。
保护定值整定与协调：
- 核心环节： 计算所有选定保护功能的具体动作值（电流、电压、频率、时间等）。
- 选择性配合： 确保在并网模式和孤岛模式下，保护动作序列都满足级差要求（故障上游保护动作时间 > 下游保护动作时间 + 安全裕度）。孤岛模式下尤其需要利用方向性和通信来解决选择性难题。
- 反复仿真验证不同故障场景下的动作行为。
通信架构设计： 设计支持保护方案所需的信息交换（如方向过流的启动/闭锁信号、差动保护的数据、GOOSE跳闸信号）的通信网络（通常基于IEC 61850），确保速度、可靠性和冗余性。
孤岛检测与管理策略： 设计快速可靠的孤岛检测方案（PCC点），并制定模式切换（计划内/外）时保护和控制的协调策略。
后备与异常处理策略： 设计后备保护策略（如远端跳闸、保护范围重叠）和应对保护装置/通信故障的机制。
仿真与验证： 利用专业软件（如ETAP, DigSILENT PowerFactory, PSCAD）进行全面的电磁暂态或机电暂态仿真，模拟各种运行模式和故障场景，验证保护方案的性能和配合是否达到预期目标。
文档编制： 详细编写保护配置说明书、定值清单、逻辑框图、通信点表等文档。
现场调试与测试： 安装完成后，进行严格的现场调试和动态测试（如注入测试），确保实际运行与设计一致。

总结：

微电网保护配置与方案设计是一个高度专业化、系统性的工程，它必须克服微电网固有特殊性的挑战（双模式运行、DG短路能力弱、双向潮流）。其核心在于利用方向性元件（67）、可靠的通信网络（支持差动87、纵联保护、G0OSE/SV等）和合理的定值整定协调来实现在两种运行模式下的选择性保护。设计过程中需要进行详尽的故障分析（短路计算）和保护定值整定与配合，并高度依赖仿真验证和通信系统的支持，最终目标是构建一个能自适应微电网运行特性、快速隔离故障、保障关键负荷供电、确保系统整体安全稳定的保护方案。