上海交通大学科研人员提出微电网多层级协同反时限的保护方案

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微电网由大量分布式电源组成，且具有灵活、复杂的运行方式，传统配电网保护难以满足其对可靠性与稳定性的要求。基于微电网的拓扑结构和故障特性，上海交通大学电力传输与功率变换控制教育部重点实验室、国网江苏省电力有限公司南京供电分公司的研究人员黄文焘、邰能灵、刘剑青、马洲俊、王杰，在2021年第3期《电工技术学报》上撰文，设计并提出微电网多层级协同反时限保护方案。所提保护方案实现了多层级协同配合切除故障，提高了微电网保护的故障区域判别与快速动作能力，且在并网和孤岛两种运行方式具有自适应配置能力。

随着风电、光伏等可再生能源的迅速发展，分布式发电得到了广泛应用，呈现大规模、高渗透与分散并网等特点。微电网是充分利用分布式电源的有效途径之一，已逐步成为可再生能源在配电领域应用的重要方向。微电网由分布式电源、负荷、储能装置和保护控制装置构成，是自主控制、保护和管理的独立发配电系统，具有供电灵活、可靠与优质的特点。

由于大量分布式电源的接入，微电网线路短路故障电流呈现双向性。而逆变型分布式电源作为微电网的主要电源类型之一，受逆变器限流环节的影响，其提供的短路电流通常仅为额定电流的1.2~2倍。此外，由于上级配电网容量远大于微电网，在并网运行时，微电网内部故障时故障电流较大，而孤岛运行时故障电流较小。因此，微电网故障电流受系统结构、运行方式及分布式电源类型与控制方式等因素影响，变化范围较大，传统的配电网保护不再适用，需根据微电网运行特点研究并设计保护方案。

目前针对微电网线路保护的研究主要分为三类。

①第一类方案基于传统的配电网保护，根据微电网的故障特征对判据进行改进。这些保护方案在一定程度上考虑了微电网灵活的运行方式，但受传统保护特性的限制，选择性和可靠性仍存在不足。

②第二类方案以通信系统为基础，利用广域同步测量信息改进和提高保护性能。这类保护受微电网复杂运行方式的影响较小，但其研究多集中于微电网内部故障，未考虑与并网保护的配合，不利于微电网的协同保护和稳定运行。

③第三类方案将微电网视为小型发配电系统，提出分层分级保护的方式，根据保护区域的重要性和特点来设计保护方案，并通过分层协同实现微电网保护的配合。

与传统配电网不同，微电网的灵活与可靠运行依赖控制与保护的协同。考虑微电源及微电网的运行特性，故障的发生与切除均构成不同程度扰动。当故障严重时，故障的冲击更大，保护动作时间应尽量短；当发生影响较小的故障时，保护的快速动作对微电网（尤其是孤岛微网）的暂态冲击更大，可在保护中适当引入延时，利用控制系统抑制故障影响，并降低切除动作的影响，再由保护有选择地切除故障。

因此，微电网故障切除时间应与故障严重程度相关，即故障越严重切除时间越短。由于微电网对保护速动性和可靠性的要求与配电网不同，需针对性地研究微电网线路保护。

上海交通大学、南京供电分公司的研究人员首先结合微电网的拓扑结构和运行特点，提出微电网多层级协同反时限保护方案，对微电网保护层级进行划分并设计阶梯式反时限动作时间曲线。针对微电网线路故障，利用差动保护的选择性，并引入反时限原理，提出反时限差动电流（Inverse-Time Differential Current, ITDC）保护，实现多层级协同配合切除故障，提高了微电网保护的故障区域判别与快速动作能力。基于ITDC保护方案设计微电网多层级协同保护算法，并提出保护相量计算的改进算法。

图1  微电网多层级协同反时限保护架构

图2  微电网系统仿真模型

该方案具有如下特点：

1）通过差动电流确定故障线路分段，并利用差动电流的反时限特性计算保护动作时间，实现了多层级协同配合切除故障，在提高微电网故障区域判别能力的同时反应于故障严重程度。

2）微电网多层级协同保护算法能够根据微电网并网和孤岛两种运行方式自适应配置保护系统参数；保护能够适应微电网灵活的运行方式以及微电源不同的控制方式。

3）提出保护相量计算的改进算法，有效抑制非周期分量对相量计算的影响，提高基于电流相量的反时限电流差动保护的有效性与可靠性。

基于PSCAD/EMTDC的算例仿真结果表明，建立的多层级协同反时限保护方案在不同故障条件下均能保证中心层、区域层和系统层保护的协同配合，可靠切除不同类型故障，有效提高微电网运行的可靠性与安全性，具有良好的应用前景。

以上研究成果发表在2021年第3期《电工技术学报》，论文标题为“微电网多层级协同反时限保护方案”，作者为黄文焘、邰能灵 等。