董 博，王海玲，杨 帆

（上海电力学院，上海 200090）

0 引言

微电网保护的关键问题是微电网内含有广泛分布的分布式电源（distributed generation，DG），使潮流可能双向流动，同时并网、孤网模式下产生的故障电流差异较大，导致传统继电保护无法适应[1-3]。如今，大多数DG通过逆变器接入中、低压配网，称为逆变型分布式电源（inverter interfaced distributed generation，IIDG），而IIDG故障前后只能输出正序电流，且逆变器中的限流作用使得故障后IIDG输出电流被限制在2倍额定电流以下，这样就使得很多传统的基于电流幅值的保护方法不再适用。就现有微电网而言，为了保护IIDG在微电网发生故障时的安全，通常在IIDG的并网逆变器处安装逆变器保护，使其在逆变器中电流超过限值时将IIDG切除。目前，逆变器保护装置普遍设定为先于微电网继电保护装置动作[4]。该保护策略虽然既满足了保护的选择性，又确保了IIDG的安全，但是降低了DG的利用效率。因此，针对当前的微电网保护需要提出更加合理有效的微电网保护方案[5-7]。

目前，针对微电网继电保护的研究大体分为两种思路。一种是基于本地信息量的保护。文献[8]提出了基于IIDG出口电压变换的保护方法，通过电压量进行故障识别，规避了因运行方式不同引起的故障电流差异较大的问题，但是微电网拓扑结构多变导致的保护自适应性问题没有解决。另一种是基于通信信息量的保护。文献[9]提出了基于图论的边方向变化量保护原理，通过电流变化量进行故障识别。该方案在应对双向潮流的微电网保护问题具有良好的效果，但是只考虑到相间短路故障，忽略了最常发生的单相故障和最严重的三相故障。文献[10]提出了一种微电网自适应保护方法，应用基于电流量的节点路径算法对保护装置动作时限自适应整定。该方法能够比较好的应对微电网运行方式及拓扑结构灵活多变的保护适应性问题。

笔者提出了基于EPON通信的支路交轴电流突变量微电网保护方法。基于图模型理论，定义微电网分割区域原则，将微电网实时拓扑结构转化为有向节点图。基于以太无源光网络（EPON）来实现数据的传输，应用park变换提取支路电流交轴量，通过电流变化量保护算法获得故障信息值，最终通过节点遍历法进行故障定位与隔离。该保护方法能够根据微电网结构变化自适应改变关联矩阵，并且保护判据不会因为网络拓扑结构变化而改变，具有良好的适用性[11-15]。

1 微电网的图模型

1.1 微电网结构与控制方式的设定

微电网与传统配电网相比结构复杂，运行与控制方式多样，DG接入方式较为灵活，这些都会对故障电流产生影响。对于小电阻接地方式配电网，不同接地方式DG并网对接地故障电流的影响尤为复杂：DG采用直接或小电阻接地方式与不接地方式相比，各故障电流将明显增大或减小，甚至从无到数百安培，将会影响系统原有接地保护与三相保护性能。因此，在讨论微电网保护之前，需对微电网结构、运行与控制方式等进行设定：

1）微电网通过公共耦合点（PCC）与公共电网相连，能够平滑切换并离网运行方式。网外故障时离网运行，网内故障时DG逆变器的保护装置设定为落后于微电网保护动作。

2）并网变压器处接地方式采用直接接地形式，DG的接入方式尽量采用四线接入形式，但是不允许在同一建筑物内出现多电源中性点同时接地，以防止产生杂散电流。当运行方式发生变化，要保障微电网内DG中性点的可靠接地。

3）设定微电网内DG能够“即插即用”，DG的容量能够保证微网的独立运行，并且微电网的保护能够适应维网结构的变化。

1.2 微电网简化图

微电网主要由DG、储能装置、配电线路以及负荷组成，并包含相应的继电保护装置、通信系统以及中央控制系统。由于微电网中存在多个DG，使得潮流可能双向移动，所以本文在各馈线两端母线出口分别配置带功率方向的智能保护装置（intelligent electronic device，IED）。图1为微电网典型拓扑结构图。

图1 微电网典型拓扑结构图Fig.1 Typical topology structure diagram of micro-grid

图1 中配置IED的断路器将微电网划分成多个相关联的不同区域，将其定义为分割区域，如图2所示的虚线区域。划分分割区域的原则为：若干个配备IED的断路器围成的区域视为一个分割区域；原则上分割区域内部不再含有断路器；将配电网视为由并网断路器围成的分割区域。将微电网视为一种图[11-15]，分割区域则视为图的节点，配备IED的断路器则视为图的边，将配电网指向线路末端的负荷或DG定义为有向边正方向，由此将图2简化，形成有向节点图，然后将节点和支路进行编号，形成的微电网有向节点-支路图如图3所示，它是一个17阶的图，节点集为Z={Z1Z2Z3Z4Z5Z6Z7Z8Z9Z10Z11Z12Z13Z14Z15Z16Z17}，有向边集为E={e1e2e3e4e5e6e7e8e9e10e11e12e13e14e15e16}。

1.3 微电网的图描述

考虑一含有n个节点和k条边的微电网有向节点-支路图D，通过关联矩阵的形式来描述D，得到一个n行k列的矩阵，称为微电网关联矩阵M，本文将矩阵M的元素定义如下:

图2 微电网的分割区域Fig.2 Partition area of micro-grid

图3 微电网的有向节点-支路图Fig.3 Node-branch graph of micro-grid

式中：i=1，2，…，n；j=1，2，…，k。

以图3为例，微电网的关联矩阵M为

微电网关联矩阵描述了微电网分割区域与断路器的联系关系，若微电网拓扑结构发生变化，生成的关联矩阵跟随变化，保证了保护的适应性。

2 微电网的保护方法

2.1 微电网电流突变量保护原理

上文已经定义了微电网简化图中有向边的正方向，为方便计算，实际测量电流的参考方向与有向边的方向相反。以图3为例，假设边e0的电流从Z1流向Z2，则电流方向为负，反之为正。如此，当Z1节点发生故障时，边e1的电流可能会：1）电流仍从Z1流向Z2，电流幅值减小；2）电流幅值为零；3）从Z2流向Z1。这3种情况可以理解为：故障后向故障区域附加了故障电流，抵消了故障前的支路电路。同理，当Z2节点发生故障时，边e1的电流方向将保持不变且电流幅值增大。这也可以理解为故障后附加电流的流入增强了故障前的支路电流。结合关联方向（电流有正负），易得判据：故障后电流大于故障前电流，则起点区域故障；故障前后电流不变，则表示没变化或断开；故障后电流小于故障前电流，则终点区域故障。

2.2 微电网电流突变量的获取

本保护方案以电流的变化量作为保护判据，若直接用监测得到的电流变化量作为判据，由于存在高次谐波和频率一致性等问题，在实际计算中可能产生较大误差。笔者提出以交轴电流的直流分量作为电流判断依据。所用电流量为a，b，c三相电流经Park变换得到的q轴电流量Iq在一个工频周期内的平均值。交轴电流Iq计算如下：

图4和图5为两相短路和三相短路时节点电流和交轴量的波形。

图4 两相短路相电流、Iq及Fig.4 Phase current of two-phase short circuit，Iqand

图5 三相短路相电流、Iq及Fig.5 Phase current of three-phase short circuit，Iqand

由于采用电流变化量作为保护判据，那么判定数据要分别是正常运行时的电流和故障电流。首先，在各个IED中设置能够容纳三个周期采样数据的寄存器，在任意时刻以队列的形式存储三个连续工频周期电流互感器（CT）的采样数据。寄存器处在常开的状态，并且保护启动或动作与否不应影响寄存器的运行状态。在保护启动后寄存器录入下一个完整工频周期CT采样数据，如图6所示。通常保护能够通过少量采样数据感知并启动故障，故障发生至保护开放的延时一般不会超过一个周期。这样寄存器中将会包含三个完整的连续采样周期，如此，第一、三采样周期仅为故障前负荷电流、故障电流采样值，第二采样周期则由故障前的负荷电流与故障电流的采样值共同组成，如图6所示。上述采样数据与数据窗口选取的原则能够确保求取故障前后电流变化量的采样数据分别是正常运行时的电流和故障电流。

2.3 微电网电流变化量保护算法

图6 保护寄存器数据存储方式Fig.6 Data storage method in protection register

考虑一含有n个节点和k条边的微电网有向节点-支路图C，定义图C的故障信息向量GF为

式中，gF·i为节点i的故障信息值。当大的微电网因运行需要或故障隔离而变为几个独立运行的区域时，该保护方案应能适应这种变化，并且对独立区域可靠保护。同时，当故障发生在独立区域内，其他非故障独立区域的支路电流不会产生影响。如此，根据前述判据定义gF·i如下:

考虑到电路中的不平衡电流和谐波等影响，防止由于电流的微小波动引起计算的误差，在通过变化量获得gF·i时需要设置阈阀值，计及该情形，根据前述判据定义gF·i如下:

定义节点i的故障标志Fi为

则节点i内是否发生故障的判据为

从编号为Z1的节点开始遍历，判定故障节点。定位微电网关联矩阵M的行，将此行非零元素所代表的断路器断开，即可有效地隔离故障。

3 EPON通信

实现电流突变量保护需要电流采样值（sample value，SV）快速、可靠的传输，已有方法是采用专用光纤通道或基于同步/准同步数字系列（SDH/PDH）技术的复用通道来实现，但在含微电网的配电网中架设专用光纤或SDH/PDH通信设备，性价比低且通信速率慢。而以太无源光网络（EPON）具有高带宽、低成本、易维护等优点，是现代配电网自动化通信主流方式之一，因此笔者采用EPON通信实现保护装置的通信。

EPON是一种采用点到多点（P2MP）的单纤双向光接入网络结构，其典型结构如图7所示。

EPON系统由中心侧的光线路终端（OLT）、用户侧的光网络单元（ONU）和无源光分路器（ODN）组成。EPON中在一根纤芯中传送上下行两个波段：在下行方向（OLT到ONU），OLT发送的信号将通过一个/多个1:n的无源分光器到达每个ONU；在上行方向（ONU到OLT），一个ONU发送的信号将只会到达OLT，而不是直接到达其他ONU。为了防止数据冲突并提高网络利用效率，在上行方向采用时分多址（TDMA）接入方式并且通过OLT对各ONU的数据发送进行仲裁。

图7 EPON系统结构Fig.7 Structure of EPON system

4 仿真分析

以图1为例，在PSCAD/EMTDC环境下搭建微电网模型，配电网容量设为800 kVA，经过10 kV/380 V降压变压器接入微电网，线路电压为380 V，频率为50 Hz，线路阻抗 0.05+j0.01 Ω，单条线路长度0.5 km。负荷1-3分别为30 kW、45 kW、60 kW。DG采用PQ控制结构，控制环路中加设限流器，抑制DG输出的短路电流，额定容量为46 kW。设0.5-0.6 s间负荷2处发生AB相接地故障，此时微电网部分波形如图8所示。

将PSCAD仿真三相电流数据导入Matlab进行数据分析处理，依据式（5）与式（6）编程获得故障信息向量GF与跳闸动作信号如表1所示。依据公式（7）编程获得故障判定结果Fi为[-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-11-1]，F16为1，因此判定为节点16区域内故障，与实际情况相符，仿真正确。

5 结语

图8 微电网两相短路仿真Fig.8 Simulation of two-phase short circuit in micro-grid

表1 故障信息值计算Table 1 The calculation of fault information values

针对微电网继电保护的需求，本文提出了基于EPON通信的支路电流变化量微电网保护方法。定义微电网分割区域原则，将微电网实时拓扑结构转化为有向节点图，基于以太无源光网络（EPON）来实现数据的传输，通过park变换提取支路电流交轴量，通过电流突变量保护算法获得故障信息值，最终通过节点遍历法进行故障定位与隔离。该保护方法能够根据微电网结构变化自适应改变关联矩阵，并且保护判据不会因为网络拓扑结构变化而改变，具有良好的适用性。