朱苑祺，杨明玉，郑灿，刘行

（华北电力大学电气与电子学院，河北保定071003）

0 引 言

微网的出现使得在绿色能源的利用和能源分布不均的问题上有了新的解决方案，但微网的接入同时也给电网的保护带来了新的挑战。微网的灵活性，不同类型的电源，复杂的故障特性，以及接入引起的潮流变化，使得原有配电网保护方案不再具有适应性［1-4］。而且微网中分布式电源采用不同接地方式并网，会影响系统的零序阻抗，进而会影响到系统的单相接地故障电流特征［5］。现有的针对性的保护措施是在微网内部的分布式电源并网逆变器处安装逆变器保护，具有良好的保护选择性，但是却限制了分布式电源效率的最大化利用，更加高效的保护方案是微网保护的迫切需求［6-8］。

微网的保护类型主要分为两种：一种是借助于通信技术的保护方案，通过电气量的共享来实现在线整定［9-10］；另一种在传统配电网的保护基础上进行改进，使之能够适应微网接入的运行条件，达到保护的要求［11-14］。两种类型各有优缺，前者使得保护整定变得简单可靠，但通信通道架设和通信设备的安装，给微网改造带来了新的工作量；后者受原有保护的影响，很难完美的适应微网接入带来的影响。因此，本文提出了一种基于低电压的反时限微网保护方案。首先提出了保护的相关概念，之后分析了保护原理及其动作特性，在并网和孤岛运行方式下均有良好的适应性，用MATLAB/Simulink建模仿真，验证了保护的有效性。

1 基于低电压反时限保护

1.1 基于低电压反时限保护概念描述

目前，微电网保护仍是一个重大的挑战，在一般情况下，微网常常是与配电网并网运行的，因此保护通常是能够提供足够大故障电流。但是，当微网孤岛运行时，任何故障电流将只能由仍然连接着的电源提供。这些分布式电源往往只能提供较小的故障电流量，一般提供的最大故障电流为额定电流的2倍。针对这种情况，已经有一些保护方法被提出，利用短路故障发生时，电压量下降的故障特征，来进行保护设计。为了更好地描述电压扰动，对电压进行abc-dq变换，然后把故障时，微网线路节点上的交轴电压（Vq）和配网上采集到的交轴电压求差，以此电压差值作为保护的依据。正常情况下，交轴电压是一常数，其值为相电压的幅值，当微网并网运行时，配网处发生电压扰动时，从配网处得到的交轴电压和微网中断路器测得的交轴电压同步变换，两者的差值为0，这样可以避免配网上的电压扰动对微网保护的误动。交轴电压的计算公式为：

发生短路故障时，交轴电压会衰减（大概为一个工频周期），取衰减之后的交轴电压Vq与正常运行时该交轴电压的比值在一个工频周期的平均值，及直流分量V q*［15-16］。因此，可以利用短路故障时交轴电压降低的特征，作为保护的一个依据。随着电气距离的增加，V*q下降的程度逐渐减小。但是，在电网任何点短路时各个母线的电压都降低，低电压保护都会动作，即电压保护没有方向性。而且对于线路末端发生故障，可能由于电气距离过大，导致电压下降不明显，单靠电压量难以满足保护的选择性，因此需要借助距离保护的一部分思想来完善保护方案。

设微网中AB线路之间发生短路故障，在节点A测到的阻抗为Zm，设A点测量阻抗与AB间的线路阻抗ZAB的幅值之比为nA，则阻抗比例系数nA可以表示为：

当短路故障发生在区内时，nA必然小于1，短路故障发生在区外时，nA大于1，可以以此作为保护启动的判据。而且随着故障点的靠近，nA的值越小，可以利用这一特点与其他判据配合加快保护的动作。

1.2 基于低电压反时限保护原理

在孤岛条件下，微网线路发生故障时，短路电流变化范围较大，但是保护安装处电压下降的特征在孤岛和并网运行时同样适用，距离故障最近的母线电压最小。规定电流正方向为母线流向线路，则故障线路两侧的保护的测量阻抗均为正，同时两侧节点的其它支路保护测量阻抗则均为负，可以利用测量阻抗的正向相位来保证保护的选择性。考虑到保护应具有反应故障严重程度的能力，故障点越靠近母线，测量阻抗与线路阻抗之比n越小，电压下降的幅度越大，交轴电压Vq也就越小，Vq*也就越小，基于低电压反时限保护的动作方程如下：

式中k为时间整定系数；Vop为动作电压；n为测量阻抗与线路阻抗的比值；Vq*为测量的交轴电压与正常运行时该交轴电压的比值在一个工频周期的平均值；α为曲线形状系数；β为平移系数。当故障发生在保护端附近时Vop/（nVq*）接近于无穷，保护动作时间接近于0，可以看到动作时间呈反时限特性，且随着Vq*的减小而减小，且动作能够很好的适应故障严重程度。该保护主要是利用短路故障时电压下降的特征量，所以称为基于低电压反时限保护。保护动作时间随电压大小变化而变化，跟反时限过电流保护类似，也具有反应故障严重程度的能力。

2 基于低电压反时限限保护配合与整定

2.1 基于低电压反时限限保护配合分析

微网中线路中保护B1和保护C1分别为线路CD的上级保护和下级保护，微网系统结构图如图1所示。

图1 微网系统结构图Fig.1 Diagram of the micro-grid system

为了保证基于低电压反时限保护的选择性，上级保护B1的动作时间应该大于下级保护C1的动作时间，只有当下级保护C1拒动时，上级保护B1才动作跳开线路。上级保护保护B1和下级保护C1的动作时间为tb1、tc1公式如下：

先做一个简化设定：动作时间系数kb1和kc1、曲线形状系数α、曲线平移系数β均相等。

根据距离保护的整定原理，保证下级线路上发生故障时，上级线路的后备保护不越级跳闸，即上级保护B1的动作范围不应该超出下级保护C1的动作范围。如图1所示微网，上级保护B1的保护范围为线路BC和CD的全长，下级保护C1保护范围为线路CD全长。上级保护B1和下级保护C1的阻抗比例系数如式（10）所示：

根据以上所述可得：

即得到阻抗比例系数nb1大于nc1，因此可得式（6）和式（7）成立，这样既满足在线路CD下级保护范围内故障时，上级保护的动作时间大于下级保护动作时间，又可以使保护动作的时间差随着故障点与保护之间的距离增加而变大。图2为下级保护C1和上级保护B1的动作曲线示意图。

图2 保护动作曲线Fig.2 Curves of protection operating characteristics

2.2 基于低电压反时限限保护整定

基于边电压反时限保护动作时间由时间整定系数k、动作电压Vop、曲线形状系数α、曲线平移系数β所决定，接下来讨论各系数对保护动作时间的影响。

（1）时间整定系数k、曲线形状系数α、平移系数β基于低电压反时限保护应在故障发生后立即切除故障，即要求线路的下级保护有足够的快速性，线路的上级保护在下级保护拒动情况下，延迟Δt时间后动作。根据图2的动作时间图，设定曲线平移系数β为1，同时曲线平移系数α决定曲线的弯曲程度，根据图1所示的微网系统，在这里取α=0.02；时间整定系数k决定保护动作的最大延时和不同保护间的时序配合间隔，考虑到动作要求的快速性，在最不利的情况下仍能满足主保护瞬时动作的特性，即在线路末端发生相间短路，此时阻抗比例系数n和Vq*均较大，以图1中保护C1为例，要求k值应该较小，接近于0，在这里取k=0.000 387。

（2）动作电压Vop

Vop不仅是保护启动的判据的一部分（另一部分依靠阻抗比例系数和方向测量元件实现），而且取值决定了保护上下级之间的配合。由式（3）可知，Vop由阻抗比例和交轴电压一个工频周期的平均值的乘积组成，如式（12）所示。

当系统在最大运行方式下短路时，短路电流大，母线的残余电压等级高，保护不容易动作。由于系统并网运行时，相比孤岛运行，系统电压略高于孤岛运行时系统电压。当保护能在并网情况下正确动作时，必定能在孤岛模式下正确动作。Vq*为交轴电压一个工频周期内的平均值，根据仿真结果，并网情况下发生单相短路故障时，交轴电压残余电压最高，因此每个保护端，可以取其线路末端单相短路时的Vq*为整定值。电压比例系数n为了确保在线路末端，保护也能正常动作，因此取其值为1。由于理论计算与实际情况存在一定差别，因此引入可靠系数krel，其值大于1，具体取值可根据线路情况而定。

3 特殊问题的讨论

3.1 微网中含有旋转型分布式电源的影响

当微网中的分布式电源为逆变式电源时，为了保护分布式电源，会对其进行限流处理，防止电流过大损坏电源。但微网中也存在一些通过同步发电机或异步发电机直接并网的旋转型分布式电源。当这些旋转型分布式电源通过小电阻或者直接接地时，故障电流的情况将比经由逆变式分布式电源组成的微网更加复杂。当故障点发生在微网内部时，由于增加了分布式电源零序通道提供的故障电流，故障线路零序电流较分布式电源接入前大幅增大，即使保护安装处测量故障电压下降幅度减小，使低电压反时限保护的快速性受到挑战。当发生不对称故障时，健全相中将会出现几百安培故障电流，有可能导致健全相故障时的电压大于正常运行电压。因此有必要针对含旋转型分布式电源的微网保护策略进行改进［9］。

针对旋转型分布式电源通过小电阻或者直接接地方式接入微网的情况，采用故障选相技术，依靠其故障时故障相电压下降的特征，作为保护判据的一部分。当测量阻抗为正，阻抗比例系数小于1，且故障相电压小于动作电压时保护启动。保护的动作方程为：

式中Ve为故障相电压，其他系数含义与式（3）相同，根据具体的线路参数进行整定。根据相同的保护原理，进行保护的整定和设计，在这里不再赘述。

3.2 分布式电源接地时过渡电阻的影响

当分布式电源不接地时，不存在接地回路，因此阻抗系数n能够正确反应故障，保护能正确动作。但当分布式电源接地时，就存在接地回路，过渡电阻不可避免的会对保护产生影响。当微网单侧电源供电线路上发生故障时，此时保护安装处测量电压与测量电流的关系如下：

式中Um为测量电压；Im、Zm分别为测量电流和测量阻抗；Rk、Zk分别为线路电阻和线路电抗；Rg为过渡电阻。此时由于过渡电阻的存在，使得线路阻抗增加，若故障发生在保护末端，则保护判据阻抗比例系数可能会大于等于1，引起保护拒动。因此需要对阻抗比例系数进行改进，由于过渡电阻不影响测量阻抗的电抗分量，因此阻抗比例系数可以改为电抗比例系数 n［11］，即把式（2）改为式（16）：

在两侧电源的情况下，过渡电阻的存在，既可能使测量阻抗增加，也可能使测量阻抗减小，同时由于测量电流相位的影响，也会影响到测量阻抗的电抗分量，因此式（15）也不再适用，根据保护要求，在中性点直接接地系统中，需要保护快速切除故障。为了满足这一要求，可以与绝缘监测装置配合，在过渡电阻过大时发出报警信号。

4 仿真验证

4.1 微网系统结构及相关参数

本文提出的微网结构图如图2所示。该微网系统系统电压等级为10 kV，配网电源经过变压器，通过公共连接点又称PCC点（Point of Common Coupling）连接微网。各个节点接装有电气测量装置。当PCC断路器闭合时，微网处于并网运行，DG1检测到PCC闭合，切换为PQ控制方式，当检测到PCC点断开，进入孤岛运行模式时，DG1控制方式切换为v/f控制方式，DG2、DG3均为PQ控制方式。DG1作为孤岛运行时的主电源，额定容量为800 kVA、DG2的额定容量都为200 kW、80 kvar，DG3的额定容量为400 kW、100 kvar，限定故障最大电流为额定电流的2倍，负载1、负载2的额定功率均为270 kW、129 kvar，负载3为450 kW、215 kvar。线路的阻抗参数如表1所示。

表1 微网线路参数Tab.1 Line parameters of the micro-grid

微网在并网和孤岛两种方式下正常运行时，各节点电压略有差异，但属于允许电压等级的范围内。通过对CD线路中点发生三相、相间故障进行仿真测试，故障开始时间均为0.06 s，保护测量采集Vq*时，考虑到电压衰减所需的时间，取故障后半个工频周期后的电压量来计算。

图3、图4分别为微网并网运行下，CD线路中点发生三相、相间故障时，保护C1处的三相电压波形和交轴电压波形。当发生故障时，保护C、B1和D处的测量阻抗为正，且阻抗比例系数小于1。B1处安装有线路CD的后备保护，设置延迟动作时间Δt为0.05 s，若检测到故障发生，CD线路主保护C1拒动，则后备保护B1启动。CD线路中点发生三相故障时，此时，测量电压远小于动作电压，保护C测量阻抗为正且阻抗比例系数为0.5，小于1符合保护启动判据。由于并网情况下，主网能够提供较大的短路电流，因此母线上残留电压不会很小，保护能够正常动作。表2和表3表示并网情况下，各保护处的动作参数，保护跳闸指令时间是指系统开始运行到保护发出动作指令所经过的时间。

图3 保护C1三相短路响应Fig.3 Response to a three-phase fault of protection C1

图4 保护C1相间短路响应Fig.4 Response to a phase to phase fault of protection C1

表2 三相短路时保护的参数Tab.2 Protection parameters of the three-phase fault

表3 相间短路时保护的参数Tab.3 Protection parameters of the phase to phase fault

由于线路CD为双电源线路，因此需要观测线路另一侧在故障发生时的电气量。图5、图6分别为保护D处的三相电压波形和交轴电压波形。

图5 保护D三相短路响应Fig.5 Response to a three-phase fault of protection D

图6 保护D相间短路响应Fig.6 Response to a phase to phase fault of protection D

从上图仿真结果可以看到，线路发生三相故障时电压量下降相比相间短路大得多，三相短路时保护C1处测得的Vq*为0.065 3，而相间短路时Vq*为0.529 7，两者的阻抗比例系数相同均为0.5，根据动作方程（3）可得三相故障和相间故障时的保护跳闸指令时间分别为0.090 1 s和0.099 6 s。在故障较为严重的三相故障时，能够更好地保护线路。

保护B1处安装有线路CD的后备保护，为了检测后备保护的能否在主保护拒动情况下，准确动作，需要观测保护B1处的电气量。在正常情况下，主保护C1先于后备保护B1动作，在故障切除后，保护B1测得的电气量因为正常值。图7、图8分别为保护B1处的三相电压和交轴电压响应曲线。三相短路故障情况下，若主保护C1拒动，则保护B1测得的符合保护动作的判据，达到保护设定时间后动作。

图7 保护B1三相短路响应Fig.7 Response to a three-phase fault of protection B1

图8 保护B1相间短路响应Fig.8 Response to a a phase to phase fault of protection B1

图9 保护C1三相短路响应Fig.9 Response to a three-phase fault of protection C1

图10 保护C1相间短路响应Fig.10 Response to a phase to phase fault of protection C1

为了验证保护的正确性，还需在微网孤岛运行下进行测试，图9、图10为微网孤岛运行时，CD线路中点发生三相、相间故障时，电压响应曲线。当发生三相故障时，保护C处的测量电压小于动作电压，测量阻抗为正，且阻抗比例系数为0.5，小于1符合保护启动判据。由于微网中逆变式电源安装的逆变器保护，故障电流很小，导致电压很小，得到的q轴电压也很小，根据保护动作时间方程，保护几乎瞬时动作，考虑到q轴电压的衰减过程和滤波器周期，取半个工频周期后的数据来计算Vq*平均值，故障从0.06 s开始，在0.085 6 s结束。当发生相间短路故障时，C处测得的电气量同样符合保护启动判据，此时的阻抗比例系数为0.5，Vq*平均值为0.531 28，根据电压衰减时间和保护动作方程可得保护在故障发生后0.04 s动作。三相短路动作时间小于相间短路动作时间，很好地体现了保护的反时限特性。

5 结束语

文中在由逆变式分布式电源构成的微网中，利用了故障时电压量下降的电气特征，并加上距离保护的一部分思想，提出了低电压反时限保护方案。该保护通过测得的交轴电压的平均值和阻抗量实现，能够很好地应付逆变式电源故障电流小的情况，并加强了保护的选择性和动作的快速性。仿真结果证明保护方案可行。通过选取合理的反时限曲线形状系数和动作电压参数实现了上下级保护之间的配合。

针对微网中含有旋转式分布式电源并直接接地的情况，提出了利用故障选相技术，对故障相电压来替代交轴电压平均值进行保护整定，避免了由于旋转式DG直接接地导致健全相电压增加引起保护举动的情况。并针对微网接地系统中，过渡电阻的影响进行了讨论和改进。

低电压反时限保护方案有如下特点：克服了传统电流保护在小电流下，无法正常动作的困难；保护启动利用了电压下降，和阻抗比例系数小于1进行判定，具有很好的选择性；保护具有一定的抗过渡电阻能力，利用故障选相技术，也可以对含有旋转式DG直接接地的微网提供保护。另外文中对微网中含有旋转式DG的情况，并未具体讨论，实际微网中可能含有旋转式DG直接接地的情况，需深入研究。