1、保護方案研究報告 題目： 多微電網關鍵技術研究 指導人： 報告人： 摘要：本文主要就基于區域縱聯保護原理的保護方案進行了詳述。關鍵詞：保護 區域縱聯1、概述同大電網一樣，微網內部發生故障時，通常不希望直接切掉電源，而是通過保護裝置的選擇性將故障部分切除，保障微網正常部分的穩定運行。微網除供電負荷外，還有一些其他的負荷，例如熱負荷；因此更不能輕易切掉電源1。故障按照微網的運行方式可以分為聯網運行方式下的故障和孤島運行方式下的故障；按照故障類型可以分為線路故障，負荷故障，變壓器故障；按照故障位置可以分為位于分布式電源下游的故障和位于分布式電源上游的故障。圖1 微網可能發生的故障位置 評價一種運行方

2、式是否合理，主要是看其能否提高系統的供電可靠性，所以需要對于上述各種運行方式進行可靠性評估，衡量電力系統的可靠性，主要是依據停電時間和停電次數。 文獻2指出可以直接利用微型開關或者熔斷器（保險絲）對低壓側負荷故障進行切除；并且提到在孤島運行方式下，電壓降落來源于故障，而這個故障導致的電壓降落可能會傳遞到整個網絡，所以使用不能使用電壓水平作為協調保護裝置，使用方向元件是最佳選擇。文獻3提出利用先進的通信技術，將安裝在斷路器上的方向元件的狀態信息傳輸個微網控制中心，微網控制中心對于各個繼電器進行設置。2、 包含有DG的配網保護中出現的新問題多微網配電系統的保護主要包括并網模式與孤島模式下配網保護與

3、孤島保護。配電網系統接入DG以后，改變了原有的網絡結構，原系統的潮流分布和短路電流的大小隨之改變。這些改變對過流保護的整定、配置和動作特性都有影響，而影響的大小取決于保護的位置、故障點和DG接入的位置。帶來的問題主要包括4：（1） DG降低所在線路保護的靈敏度或縮小保護范圍； 如圖所示，DG接在線路末端，當DG下游出現故障時，由于DG向故障點送出短路電流，DG上游的線路保護R1感受到的故障電流將變小，從而降低了Rl的靈敏度，縮小了保護范圍。當保護Relayl采用反時限過流特性時，還會增加其動作的延時。圖2 DG所在線路故障對于保護的影響（2） 相鄰線路故障時，DG引起所在線路保護誤動作 當故障

4、發生在圖3中母線(K1處)或相鄰線路(K2處)時，DG將提供短路電流，有可能導致DG所在線路的保護R2誤動作。這種情況一般可以通過在保護中增加方向元件來解決。 圖3 相鄰線路故障，DG所在的線路保護誤動作（3） 線路故障時，DG側(弱饋電源側)保護因靈敏度不足可能拒動。目前解決弱饋側靈敏度不足的問題，主要采用聯鎖跳閘的方法。如圖所示，一種是保護Rl跳開斷路器B1的同時，聯跳并網線對側的斷路器BZ；另一種是保護R1跳開B1的同時，聯跳DG側解列開關或微電源出口開關B3，將所有下級的DG與系統分離。圖4 DG側保護靈敏度不夠，連鎖跳閘 允許DG孤島運行后，微網內的結構和運行方式會與傳統配網有很大區

5、別，也會帶來一些新的問題： (1)孤島形成過程中，有可能失去接地點，孤島成為小電流接地系統，威脅某些設備的絕緣安全。 (2)孤島內設備故障時，可能因DG提供的短路電流過小使保護拒動。微網大多采用電力電子接口和電力電子控制器件，所提供的故障電流很小，有時DG甚至只能提供兩倍或小于兩倍負荷電流的故障電流。傳統的過流保護往往需長時間延時才能動作，有些甚至根本無法動作。(3)并網模式和孤島模式轉換時，系統結構發生了變化，同一套保護定值和配合邏輯往往不能適應運行方式的變化，容易造成誤動作。3、 多微網保護系統的結構 DG的并網和孤島運行給配電網的繼電保護帶來了很多的問題，傳統的線路保護模式己經不能滿足電

6、網的要求。而應用于多微網配電系統的繼電保護系統要遵循如下幾個原則： (l)靈活地適應各種運行方式，如并網運行、單元孤島運行、組合孤島運行等，實現無縫轉換。 (2)涵蓋整個多微網配電系統，包括孤島內的元件和孤島外的元件。 (3)保護原理和邏輯簡單明了，算法快速可靠。 (4)能應對各種非正常情況，如IED拒動和誤動、斷路器失靈等。 (5)比現有的保護算法在性能上更優越，能夠解決某些常規保護算法難以解決的問題，如弱饋側保護問題等。基于被保護設備各側信息的縱聯比較保護或縱聯差動保護，能夠可靠地區分區內、區外故障，且無需與其他保護裝置進行定值和時限上的配合，具備良好的選擇性，已在輸電系統中獲得了廣泛應用

7、5。 縱聯保護原理完全可應用到配電系統中，但要考慮配電系統的特點。 由于多微網的配系統結構比較復雜，包括多個分段和分支，每個分段或分支都可能包含微網，這樣縱聯保護應該是多端縱聯，不像高壓線路那樣通常是兩端縱聯；考慮到配電系統故障一般不會引起大系統之間的失穩、大面積停電等惡性事故，所以對主保護的快速性、可靠性等方面的要求可以稍低6。 結合上述特點，本文提出了一種主從式的區域縱聯比較保護方案，結合配電系統的特點研究保護工作原理和故障檢測算法，為包含多微網的配電系統提供性能優良的快速保護功能。現以圖 5所示系統為例說明區域縱聯保護系統的構成和工作原理。 M、N 分別為 2 個變電站的母線，S1 S1

8、2表示斷路器、并網開關和分段開關，假設均具有切斷短路電流的能力，開關附近箭頭指示的方向為故障正方向。 本文規定：故障的正方向為由主電源指向負荷或微網的方向，這樣能夠確保方向元件有足夠的靈敏度和可靠性，基本不受微網容量和并網位置的影響7。MG1MG6表示微網。以母線 M 側變電站內虛線框包含的線路為例說明該系統的構成和工作原理。圖5 包含多微網的配電網物理結構圖在母線 M 側變電站內設置一臺保護主機，在線路各測量點處安裝保護從機。 從機負責采集安裝點的電氣量和開關量信息，當有故障發生時判斷故障方向，并將故障方向判斷結果通過通信網絡傳送給保護主機。主機收集到各從機的故障方向信息后，結合當前網絡拓撲

9、結構對故障所在區段進行判斷，做出跳閘策略，將跳閘命令通過通信通道下發至相應的保護從機，由保護從機跳開所在的斷路器以隔離故障。發生饋線故障時，位于該饋線出口處的保護從機會感受到正向過流，并啟動保護主機查詢該饋線上其他保護從機的故障判斷結果。 顯然，正常情況下位于變電站母線和故障點之間的保護從機都會感受到正向過流，而位于故障點下游的保護從機要么會感受到反向過流（與微網相連），要么會感受到低電壓、低電流（與負荷相連），總之不會感受到正向過流。 保護主機根據從機的判斷信息，結合當前網絡拓撲結構，就能夠確定故障區段的位置。 配電網正常運行時，手拉手開關（圖 5 中 S7）一般都斷開，但是當饋線失去原有供

10、電電源時，需要閉合手拉手開關由另一側變電站繼續供電。 因此不同的變電站對手拉手開關處正方向的定義也不同的，在圖中用雙向箭頭表示。4、基于擴展縱聯比較原理的區域保護4.1、區域縱聯保護的特點綜合考慮輸電系統中廣泛應用的。點對點。縱聯比較式原理，以及含有多微網的配電系統自身的特點，文獻8提出“一主多從”的主從式區域縱聯比較的保護方案。這種方案的優點是簡化了保護的算法和設備的配置，降低了維護成本；缺點是保護通信需要花費的時間比其他的時間稍長，從而導致保護動作時間延長以及保護對于主機的依賴性較強。但是由于配電系統對于保護時間的要求不是很嚴格，所以動作時間稍長并不會帶來嚴重問題；保護主機一旦故障，整個保

11、護裝置無法正常運行，一般不會出現問題，為了保險起見，在各從機中配備方向過電流原理的后備保護功能，則整個系統的可靠性大大增強，能夠滿足包含多微網的配電系統對于繼電保護的基本性能要求。 主從式區域縱聯保護方案以一個包含分布式電源的配電變電站及其所有出線作為基本的保護區域，在變電站中設置一個站級保護主機，在其每條出線的每一個有切斷短路電流能力的開關設備處均安裝一個保護從機。位于站內的保護從機通過站內通信網絡與保護主機保持通信，位于站外的保護從機則通過站外通信網絡與主機通信，如圖6所示。保護主機主要負責根據從機上傳信息實現故障的判斷和定位，從機則負責向主機提供其安裝點處故障方向等方面的信息，并根據當地

12、檢測的結果及主機發來的信息，決定是否將相應開關設備跳開。圖6 區域縱聯保護通信原理圖4.2、區域縱聯保護方案的工作流程7 區域縱聯保護方案由一套保護系統作為變電站所有設備及饋出線的主保護，同時利用安裝在保護從機中的方向元件完成后備保護功能。由于配電網的保護對動作時間的要求相對較低，為了簡化算法和保護邏輯，將采用分層縱聯比較的思路，保護的工作流程如下： (l)提取變電站各出線電流、變壓器高低壓側電流和母線電壓進行分析判斷，根據分析結果判斷系統是否發生故障。若判斷結果為正常運行狀態，則區域縱聯保護系統不動作。保護繼續數據采集和分析運行狀態的循環運行，一旦發現系統中發生故障，則區域縱聯保護立即動作。

13、 保護判斷出配電系統發生故障后，再分析是否為本站范圍之內的故障。分析的依據是根據變電站與外網連接點處(如圖6中的PCC處)方向元件的動作情況。若該方向元件動作，則故障在本站范圍之內，本保護系統將繼續下一步的判斷；若該方向元件不動作，則故障在本站范圍之外，本保護系統不動作。若為本站范圍之內的故障，需判斷該故障是變壓器內部故障還是變壓器下游的故障。判斷的依據是變壓器低壓側方向元件的動作狀態。若方向元件不動作，則為變壓器內部故障，保護將故障變壓器跳開；若該方向元件動作，則故障在變壓器下游，保護將繼續下一步的判斷。 (2)判斷母線故障。判斷依據為母線分段開關處及各饋出線出口處方向元件的動作狀態。若變壓

14、器低壓側方向元件動作且母線分段處及各饋線出口處的方向元件均不動作，則為母線故障；若母線分段處方向元件同時動作，則為另外一條母線故障；若某條饋線出口處的方向元件動作，則為該出線發生故障。 (3)若判斷為某一饋線故障，保護主機通過分析本饋線上各保護從機處方向元件的動作狀態，判斷出故障所在的區段。若某個區段的上游分段開關的方向元件動作，而其下游分段開關的方向元件不動作，則本區段就是故障區段；若某區段的上、下游分段開關的方向元件均動作或均不動作，則相應的區段就不是故障區段。(4)在故障區段內的保護從機方向元件動作時，說明一定是該保護的下游發生了故障，主機向該保護從機發出允許跳閘的命令，僅將其下游的微網

15、或負荷與主網隔離，而電網的其他部分繼續并網運行。通過上面分析的工作流程，可以準確快捷地確定出故障的位置，進而在不影響其他無故障設備正常運行的情況下，快速、靈敏!有選擇性地將故障設備可靠切除。保護的工作流程示意框圖如圖7所示：圖7 區域縱聯保護方案的流程 如圖8所示，在下游K1故障的情況下，方向元件KW處所檢測到的故障電流包括了系統主電網提供的短路電流和方向元件安裝處上有所以DG所提供的電流。由于系統主電源的容量較大，能提供足夠的短路電流，所以方向元件的靈敏度較高；一般情況下，KW上游的DG容量相對于主網較小，所以其運行方式的變化對于KW的檢測靈敏度影響不大。 在方向元件的上游K2或K3處發生故

16、障時，流過方向元件KW的電流為其下游微網提供的電流，其值大小與下游微網的容量，負荷緊密相連；但由于此時不需要KW動作，所以無論短路電流大小怎么變化，都不會影響對于故障區域的判斷。圖8 微網出口處的方向元件的動作方案4.3 故障區段定位算法故障檢測算法在保護主機內完成，需要獲取各保護從機對故障的判斷結果以及當前網絡拓撲結構信息。其中保護從機對故障的判斷結果借助通信網絡傳送至主機，網絡拓撲結構則根據各開關的位置狀態生成8。以圖5中虛線框內的線路為例進行分析，其拓撲可用圖9所示的拓撲圖來描述，將裝有保護從機的開關視為節點，用CB表示，將開關之間的饋線和分支線視為支路，用 L 表示。 正常情況下S7斷

17、開，對應的節點 CB7用空心圓表示，該處的保護從機不與任何支路關聯。圖9 以圖5為例的網絡拓撲結構 根據文獻9，設正常運行時，除 S7外其他開關都處于閉合狀態，可以得到圖9所示的節點-支路關聯矩陣 L。該矩陣為 m×n 階，其中，m 為保護從機的數量，n 為線路區段的數量。 L 中的元素 lij表示的是第 i 個節點與第 j 條支路之間的關系，其值定義為：1 節點 i 與支路 j 直接相連 且支路 j 位于節點 i 的正向 lij= -1 節點 i 與支路 j 直接相連 且支路 j 位于節點 i 的反向0 節點 i 與支路 j 不直接相 可以得到上圖的關聯矩陣L； (4-1) 主機將

18、來自從機的故障方向判斷結果用一個行向量 G 表示。 G 中元素的數量等于保護從機的個數，對元素 gi的取值定義如下：1 從機 i 判為正向故障 gi= 0 從機 i 判為反向故障或不啟動故障判斷 設故障發生在 L3上，若各保護從機判斷正確，得到的故障信息向量 G 應為：G= (4-2) 對故障信息矩陣 G 和關聯矩陣 L 進行乘運算，就可得到線路故障區段信息向量 P： (4-3) P 為一個 1×n 階行向量，其中，n為線路區段數量。分析 P 中元素值可以發現，只有區段 L3對應的元素值為1，其余元素值全為 0，由此可以判斷出故障發生在 L3上。如果故障發生在分支 L4上，此時得到的

19、故障信息向量 G 應為： (4-4) G與L進行乘運算，得到故障區信息向量P為： (4-5)可以看出，故障發生在分支上同樣可以判斷正確。當網絡拓撲結構發生變化時，某些區段的主供電電源也將改變，此時就要對相應保護從機的正方向重新定義。當有開關斷開時，所在的保護從機由于無法采集到電流信息，不對故障方向進行判斷，因此在關聯矩陣中應解除這些保護從機和線路之間的聯系。 當有開關由斷開變為閉合時，將會與相鄰線路建立關聯關系，在關聯矩陣中必須增加這些節點與相鄰支路之間的聯系。 如果主供電電源發生了改變，還必須對相應保護從機的故障正方向重新定義。上述討論都是在假設系統各部分工作正常的前提下進行的。實際上難免出

20、現保護從機工作異常、對故障方向判斷錯誤、通信系統故障等情況，這些異常對主機而言都表現為獲得的故障判斷信息不完備。下面將討論故障判斷信息不完備對故障檢測算法的影響。本文規定：對由于各種原因無法獲取到故障判斷信息的保護從機，在故障信息矩陣G中的對應元素值一律取“0”。此外，為方便討論，這里只涉及無法獲取單臺保護從機信息的情況。仍以圖9所示的系統和L3故障為例，如果故障點下游的CB4-CB7對應的任意保護從機工作異常，或者向量G中“0”值元素對應的保護從機工作異常，由于規定對應矩陣G中相應元素值取為“0”，因此不會對故障檢測算法產生影響。下面分析故障點上游本該判為正向故障的保護從機工作異常的情況。（

21、1）假設CB1對應的從機工作異常，此時主機生成的故障信息向量G為： (4-6)進而得到線路故障區段信息向量P: (4-7) 可見，當故障點上游本該判斷為正向故障的從機工作異常時，向量P中會出現奇異值“-1”，該值的出現可作為故障點上游有保護從機工作異常的標志，但不會影響對故障區段的判斷，值為“1”的元素對應的線路仍然為L3。（2）當CB3對應的從機工作異常時，所生產的故障信息向量G為： (4-8)進而得到的故障區段信息向量P為： (4-9) 此時主機會將Ll判斷為故障區段。如果跳開Ll各側的開關，切除的是非故障區段，但對于變電站M而言，故障能夠消失。如果接下來合上CB7由N側電源供電，由于故障

22、區段L3并沒有被隔離，CB7會合于故障。M站的主機通過再次獲取各從機的故障判斷信息，會將LS隔離，從而徹底隔離故障。可見，由于關鍵的保護從機故障，最終不得不擴大停電范圍以達到隔離故障的目的。（3） 如果故障點下游的保護從機由于各種原因誤判為正向故障，那么G中對應的元素值將由“0”變為“1”，也會對故障檢測算法帶來影響。在圖8中，當故障發生在L3上，假設CB5誤判為正向故障，生成的故障信息向量G為： (4-10)進而得到的故障區段信息向量P為： (4-11)此時主機會將L5判為故障區段，但將L5隔離后并不能消除故障，說明故障位于L5的上游，CB5所對應的從機所給出的判斷信息有誤。假設故障判斷和檢測的時間足夠快，有充足的時間進行第二次判斷，那么主機可以對錯誤的從機信息進行修正，即將向量G中CB5對應的元素值由“1”修正為“0”，然后重新進行故障檢測。如果沒有充足的時間進行多次判斷，那么當L5被隔離后故障仍然存在，只能