【探讨】微电网继电保护特殊性问题解决方案

1微电网保护的特殊性问题

当前有关微电网的研究主要是在传统配电网基础上展开的。现有文献指出, 微电网与配电网之间仅设一个公共连接点(PCC), 且在该处装设静态开关。微电网处于并网运行模式时, 无论配电网还是微电网发生故障, 均即刻(通常在20毫秒内)将微电网和配电网隔离开。若故障点位于配电网, 这将有利于微电网切换至孤岛模式下的稳定运行; 若故障点位于微电网, 则待PCC点断开后在孤岛运行方式下进行故障处理。可见, 只要微电网保护的出口时间大于40毫秒, 微电网内部故障电流特性取决于其内部的微电源。

与传统配电网相比, 微电源的容量较小, 特别是逆变器接口型微电源受电力电子器件的限流影响在微电网内部短路时其提供的故障电流恒定且不大于其额定电流的两倍。因此, 微电网内部保护满足灵敏度的要求有难度。另, 微电网的电路拓扑和配电网类似, 电力用户的分散性又使得微电网内部线路距离短或线路中间有T接。此时, 通过动作电流整定难以保证主保护的选择性, 若依靠动作时限整定来保证选择性既不符合保护快速性的要求也难以保证故障切除后微电网的稳定运行。在多端电源的微电网中, 不可控电源断续输出造成微电网中潮流方向的不确定, 也给采用方向元件来保证保护的选择性带来麻烦。还有一个不可忽视的问题是微电源容量小、供电半径短, 容易失稳和脱网。当微电网线路保护动作时间长于微电源在故障情况下持续并网时间, 微电源会退出运行, 造成微电网“崩盘”, 致使微电网内的线路保护彻底失去选择性。

2国内外研究现状分析

为解决微电网保护灵敏度低、选择性差的问题, 有研究人员将在电网保护中已有成熟应用的低电压、序分量等故障特征量引入微电网保护中, 提出基于就地信息的微电网保护方案。笔者认为, 除非微电网达到相当规模, 此类基于就地信息的微电网保护整定困难, 难以解决保护选择性、灵敏性的问题以及保护间相互配合的问题, 但其可以作为后备保护。

借助于微电网的中央单元和信息平台, 有研究人员提出了基于全网(区域)信息交互的微电网保护方案,目前主要有两种研究思路：一种是实时采集与结构变化相关的电气量及开关量信息, 借由中央单元实现实时整定; 另一种是利用信息采集系统获取全网故障信息, 由中央单元保护模块确定故障点, 进而实现故障隔离。微电网的规模远小于配电网, 基于全网(区域)信息交互的保护可以从微电网全局统筹,很大程度上克服了微电网复杂的运行状态以及灵活多变的拓扑结构对保护的影响, 具有良好的自适应性。但此类保护方案对通信依赖性太强, 不仅通信速度对保护的动作速度有直接影响, 而且局域通信发生故障时, 可能会导致微电网内部多处保护误动或拒动。

鉴于上述保护方案存在的不足, 有研究人员提出通过通信方式获取相邻故障点的方向信息, 并就地判断是否动作隔离故障。此类方法适用于双电源间线路两端均装设断路器和相应保护装置的无分支线路保护以及母线保护。当微电网中某些单电源(等效)多分支线路(线路仅有一端有断路器和保护装置)发生短路故障时, 或在多端电源的拓扑结构中, 有T接线路或有断续输出的不可控电源时, 这类比较方向(相位)变化的保护存在无法判断的可能。

3对实现微电网保护所需解决问题的探讨

微电网保护的目的是为了尽可能维持微电网的稳定, 或快速恢复微电源的运行。现阶段微电网内部故障后的处置思路应是：结合微电源的容量、分布等因素, 将微电网的保护与故障重构统筹考虑, 以最大限度利用微电源作为故障后的处置目标。以下分别从三个不同场景对此加以讨论：

(1) 微电网中的所有微电源集中接于同一母线, 以放射式树干型的线路结构向负荷供电。当微电网内部线路发生短路故障时, 短路电流单向流动。此时, 可采用就地检测短路电流, 并上传上一级线路保护的方法, 短路回路中的各线路保护均以检测到短路电流为启动保护出口的条件, 以收到下级线路故障电流为闭锁保护出口的条件。

当故障点靠近线路首端, 出现微电源先于线路保护动作脱网的情况时, 为顺利实现故障重构, 和微电源接在同一母线上的各出线断路器操作机构均要求带失压脱扣的功能, 且这些出线保护要能够在微电源脱网前检测到故障电流并闭锁该断路器的合闸回路。

(2) 对微电源分多(两)处接入的微电网, 将线路断路器跳开后不会造成微电源解列的线路定义为“单侧电源供电线路”, 反之定义为“双侧电源供电线路”。

“单侧电源供电线路”的保护配置与实现方法同(1)。

“双侧电源供电线路” 在无T接的情况下, 线路保护可选用现有文献提出的“基于电流相角突变量方向的有源配电网保护”。由于比较的是电流流向, 该保护特别适用于由多个等容量逆变器输出型小容量微电源构成的微电网中的线路主保护。双侧电源供电线路发生短路故障时, 即便保护正确动作隔离故障, 也必然会打破其中微电源与负荷的平衡关系, 使得部分微电源因失稳而退出运行, 进而造成微电网无法继续运行。为了减少此类情况, 需要在保护装置中加入类似于一次重合闸的动作逻辑, 尽快将已脱网的微电源重新投入运行。同时, 要将保护动作结果以及微电源运行状态引入到微电网运行控制装置中, 探讨实时故障重构的方法。

对于规模较小的微电网也可探讨不设置线路保护的方法。在线路开关处装设具有通信功能的检测装置,当微电网发生故障时, 用微电源的过流保护无选择隔离故障, 再用人工干预的方式准确隔离故障, 最后通过故障重构的方法恢复运行。

(3) 主动配电网模式下微电网内部线路保护要具备两方面的功能：一是满足正常运行方式(是配电网的一部分)下出现故障时的配电网保护功能; 二是满足非正常运行方式(故障重构形成的“微电网”)下出现故障时的微电网保护功能。虽然两种运行方式下短路电流差值很大, 主保护仍可采用基于相邻信息交互定位故障的保护原理, 后备保护亦采用取就地信息的过流保护原理。

若微电源并入主网运行, 当微电网内部区域发生故障时, 主网系统提供的短路电流远大于微电源提供的短路电流。充分利用这一特点, 对微电源分开接入的微电网, 其相邻保护的交互信息可为所测的短路电流幅值, 此时保护动作的判据为“仅有一侧短路电流大于等于主网系统在最小运行方式下该线路末端两相短路电流”。微电源处于微电网运行时, 保护配置与实现方法同(1)和(2)。

主动配电网模式下微电网也会在线路发生短路时或保护动作后出现微电源脱网、解列等问题, 解决方案同上, 不再赘述。

4结语

①微电网形成方式决定了微电网内部短路电流幅值、相位等特性取决于微电源;

②微电网保护所面临的特殊性问题主要为：短路电流小以及微电源工作的不确定性带来的可靠性差、选择性差以及灵敏度低; 即便保护正确动作, 微电网也极有可能瓦解。

③可采用基于相邻信息交互判别故障原理的微机保护作为微电网主保护, 按微电源集中于一处接入和微电源分开接入的情况选择保护原理。

④将微电网的保护与故障重构统筹考虑, 以最大限度利用微电源作为故障后的处置目标。

目前有关微电网的研究以及微电网工程应用均处于起始阶段, 今后在微电网保护方面仍会出现新的有待不断解决的问题。