小水電微網(wǎng)并網(wǎng)保護策略微網(wǎng)保護模塊

小水電微網(wǎng)并網(wǎng)保護策略微網(wǎng)反時限過流保護模塊

圖1中，由于1號饋線只載有非敏感負荷，不會出現(xiàn)潮流雙向流動，所以傳統(tǒng)的反時限過流保護能適用于該線路的應用環(huán)境。

反時限保護的數(shù)學模型為: t=

式中：t為動作延時；K為量綱為時間的常數(shù)；I為故障電流；Ip為保護啟動電流，一般取額定電流；n 是曲線形狀常數(shù)，一般取值為0～2，n越大保護動作時間隨電流增大而減小的越快。反時限保護的動作特點是動作時限隨故障電流的增大而減小。

在PSCAD/EMTDC中，可以利用RMS模塊以及可發(fā)出跳閘信號的Inverse Time Over Current Element元件和單穩(wěn)多諧振蕩器，構(gòu)建反時限保護模塊。

小水電微網(wǎng)并網(wǎng)保護策略微網(wǎng)縱差動保護模塊

由此可以得到差動電流繼電器制動特性曲線（見圖4）。其中包括4個參數(shù)：

圖1中，在2號、3號饋線上，由于小水電站的并網(wǎng)，潮流會出現(xiàn)雙向流動。這時，可以采用縱差動保護，即以采集到的被保護元件兩端的電氣量進行邏輯判斷，以避免選擇性紊亂的問題。

另外，文獻指出由于縱差動保護兩端保護同時出口的特點，雙端斷路器動作的時差在ms內(nèi)。所以，重合閘出口合閘時，理論上小水電的斷路器已將其切除，不會因為小水電的不及時切除導致瞬時性故障變?yōu)橛谰眯怨收?，從而不會出現(xiàn)保護2或3的重合閘失敗。在PSCAD-EMTDC元件庫中以雙斜率差動電流繼電器為基礎，加上Delay元件和一個單穩(wěn)多諧振蕩器，就可實現(xiàn)縱差動保護功能（見圖5）。

理論上，縱差動保護可以實現(xiàn)含小水電、敏感負荷的饋線保護；反時限過電流保護可以有效地對只含有非敏感負荷的饋線進行保護。

微網(wǎng)是一種由負荷和微電源組成的系統(tǒng)，可同時提供電能和熱量。微網(wǎng)內(nèi)部的電源主要由電力電子器件負責能量轉(zhuǎn)換，并提供必要的控制方式。微網(wǎng)有并網(wǎng)和孤網(wǎng)兩種運行模式。并網(wǎng)運行時，圖1中公共連接點PCC閉合，將微網(wǎng)系統(tǒng)與外部大電網(wǎng)相連，此時微網(wǎng)的電壓和頻率由大電網(wǎng)控制；孤網(wǎng)運行時，公共連接點PCC斷開，整個系統(tǒng)孤立于外部大電網(wǎng)，只通過系統(tǒng)內(nèi)的電源和負載維持系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行。

小水電是一種較為常見的微電源，容量在25MW及以下，分布廣泛、靈活。但是，與其他微源相比，小水電一般與輸電線路直接相連而不通過電力電子設備。另外，小水電在大部分情況下與配電網(wǎng)并聯(lián)運行，少數(shù)情況下孤網(wǎng)運行以滿足當?shù)氐碾娏π枨?。當小水電并網(wǎng)運行時可能導致微網(wǎng)內(nèi)潮流雙向流動，傳統(tǒng)配電網(wǎng)保護可能會出現(xiàn)保護選擇性紊亂和重合閘動作失敗2種結(jié)果。所以，傳統(tǒng)的保護已不再適合雙端電源下的故障判斷和啟動。

為適應小水電的應用環(huán)境，工程技術(shù)上通常通過常規(guī)的縱差動保護和反時限過電流保護技術(shù)，構(gòu)建小水電微網(wǎng)的保護塊，并利用PSCAD/EMTDC軟件進行小水電并網(wǎng)運行的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)仿真，驗證該保護策略及相應模塊的有效性。

小水電微網(wǎng)并網(wǎng)保護策略同步發(fā)電機及其勵磁系統(tǒng)的仿真模型

同步發(fā)電機及其勵磁系統(tǒng)是小水電系統(tǒng)的核心。圖6為同步發(fā)電機及其勵磁模塊，

該模塊的工作過程是：勵磁系統(tǒng)通過對比發(fā)電機的端電壓和電流和設定值得到偏差，經(jīng)過勵磁系統(tǒng)中的控制部分的調(diào)節(jié)，最終達到穩(wěn)定發(fā)電機端電壓的效果。

小水電微網(wǎng)并網(wǎng)保護策略水輪機調(diào)速系統(tǒng)模塊

水輪機的調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖7。圖7中，利用PSCAD/EMTDC中的水輪機的調(diào)速模塊（Hydro Gov1）和水輪機模塊（Hydro Tur1）搭建出水輪機及其調(diào)速系統(tǒng)仿真模型。其中，水輪機轉(zhuǎn)速w 為控制對象，Wref為給定轉(zhuǎn)速，對水輪機開度z的調(diào)節(jié)可實現(xiàn)對水輪機轉(zhuǎn)速的控制。

在PSCAD/EMTDCP環(huán)境下，根據(jù)上文構(gòu)建小水電系統(tǒng)的保護模塊，驗證在小水電站在并網(wǎng)運行的情況下，檢驗保護策略和相應模塊的有效性。

圖1中，仿真算例采用雙小水電并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，分別在只載有非敏感負荷的1號饋線和含有小水電的2號饋線上設置單相接地故障點

微網(wǎng)并/離網(wǎng)運行方式故障電流差距較大，微源投退、布局容量、控制方式等影響故障電流大小和方向，因此基于固定值的傳統(tǒng)過流保護方案不再適用于微網(wǎng)。

微網(wǎng)線路保護微網(wǎng)不同運行方式

微網(wǎng)的運行方式不同，故障電流的大小不同，因此微網(wǎng)保護整定值也應不同。微網(wǎng)并網(wǎng)運行時，右圖2(a)中F1處短路，流過2處保護的故障電流由系統(tǒng)(Is)和微源提供，其中主要由系統(tǒng)提供;而離網(wǎng)運行時，圖2(b)中F1處短路，PCC點靜態(tài)開關斷開，流過2處保護的故障電流只有微源提供，其幅值較小。當DG1是逆變器型的微源時，故障電流更小。這是由于含逆變器型的微源故障電流注入能力被限制在兩倍額定電流以內(nèi)，且衰減迅速。

綜上，微網(wǎng)并網(wǎng)運行時，故障電流較大;離網(wǎng)運行時，只有微源為其提供故障電流，故障電流較小。這使得基于固定值的傳統(tǒng)保護方案不能正確動作，因此微網(wǎng)線路保護的配置必須能適應微網(wǎng)不同的運行方式 。

微網(wǎng)線路保護微源投退

單個微源在微網(wǎng)中具有“即插即用”的特點，意味著微源可以隨時接入或者退出微網(wǎng)，這導致微網(wǎng)線路故障時故障電流的不確定性，使得傳統(tǒng)保護方案不適用于微網(wǎng)。如圖3(a)F2處發(fā)生短路故障時，流過保護4處的故障電流由系統(tǒng)和微源提供提供;如圖3(b)，當DG3退出運行時，F(xiàn)2處發(fā)生短路故障，流過保護4處的故障電流只有Is, IDG1。DG的投退影響了故障電流的大小。而傳統(tǒng)無源配電網(wǎng)F2處短路時，右側(cè)無故障電流因此也無保護安裝，DG接入配網(wǎng)后F2處短路時向故障點提供反向故障電流，在右側(cè)無保護的情況下會造成故障持續(xù)甚至繼續(xù)發(fā)展，影響供電的可靠性 。

微網(wǎng)線路保護微源布局、容量

配電網(wǎng)85%左右的故障都是瞬時故障，廣泛采用三段式電流保護。當前由于微網(wǎng)接入容量較小、結(jié)構(gòu)簡單，多接入中低壓配電網(wǎng)，故在保護方面多配以簡單的過電流保護國川」。但是微源接入微網(wǎng)饋線中的位置不同、容量不同，對線路過電流保護的影響不同 ：

（1）DG接入微網(wǎng)饋線始端母線，下游線路中間點故障時，DG產(chǎn)生的助增電流使流過保護的故障電流增大，保護范圍也因此增大，可能延伸到所在保護下一段，使保護失去選擇性。而且DG輸出功率越大，影響越嚴重。

（2）DG接入微網(wǎng)饋線中間母線，當下游線路中間點故障時，由于微源的助增作用，使流過下游保護的短路電流增大，使得末端保護靈敏性得到增強;同時由于微源的汲流作用，流過DG上游保護的故障電流減小從而使保護的靈敏性降低，保護范圍縮小，如果相應保護沒有動作切除故障，則相應遠后備可能拒動。

（3）DG接入微網(wǎng)饋線末端母線，當相鄰線路中間點故障時，DG向上游保護提供反向故障電流，可能引起保護誤動作。

微網(wǎng)線路保護微源控制方式

逆變型微源在并網(wǎng)運行時一般采用恒功率(PQ)控制方式，在孤島運行時根據(jù)需要可選擇PQ控制、恒壓恒頻(V /f)控制或Droop控制。因此控制目標不同，在不同的控制方式下逆變型電源提供的短路電流差別較大。且當DG輸出功率具有波動性和間歇性時，故障電流數(shù)值也隨之發(fā)生變化。

繼電保護應滿足“四性”要求，并網(wǎng)保護當然也不例外。下面主要從可靠性和速動性2個方面分析并網(wǎng)保護的性能要求。其中可靠性包括可信賴性(即不拒動)和安全性(即不誤動)等2個方面 。

分布式電源并網(wǎng)保護故障保護功能

（1）可靠性要求

與饋線保護不同的是，根據(jù)標準IEEE 1547.2并網(wǎng)保護所反映的故障范圍應是整個配電網(wǎng)。但在實際情況中，故障點可能距離公共耦合點較遠，且公共耦合點內(nèi)的分布式電源可能以非同步電機型為主，這會導致分布式電源所能提供的故障電流較小。此時，如果片面追求并網(wǎng)保護的可信賴性，會很容易失去其安全性。當配電網(wǎng)中分布式電源滲透率較高或分布式電源容量較大時，并網(wǎng)保護安全性的不足，會導致系統(tǒng)擾動時大量分布式電源脫網(wǎng)，從而嚴重影響配電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。

由上可見，基于常規(guī)保護判據(jù)的并網(wǎng)保護難以兼顧可信賴性與安全性。目前可以采用2種解決方法。一種方法是改進并網(wǎng)保護原理，如綜合采用電壓、頻率等多種判據(jù)；另一種方法是改造配電網(wǎng)保護，如按雙側(cè)電源要求完善饋線保護配置，并對配電變電站或開關站的母線保護進行校驗，若不滿足要求則配置快速母線保護。這樣配電網(wǎng)的故障可由饋線保護或母線保護快速切除，從而縮小并網(wǎng)保護所需反映的故障區(qū)域。但是，由于傳統(tǒng)配電網(wǎng)保護按照單向潮流配置，上述改造需要很大的建設與運維投入，需進行技術(shù)與經(jīng)濟的比較。

（2）速動性要求

配電網(wǎng)發(fā)生故障時，為減少不利影響，并網(wǎng)保護應立刻動作切除分布式電源。

隨著分布式電源在配電網(wǎng)中滲透率的提高，分布式電源應在系統(tǒng)擾動時提供支撐作用。很多國家開始要求分布式電源應具備故障穿越能力，主要指低電壓穿越（LVRT）。LVRT能力的要求主要影響了并網(wǎng)保護故障檢測中電壓的整定值，以使在配電網(wǎng)發(fā)生故障或擾動后，公共耦合點處電壓在跌落到一定的范圍和時間間隔內(nèi)，分布式電源可以不脫網(wǎng)。我國在新的并網(wǎng)規(guī)則中已經(jīng)規(guī)定光伏發(fā)電站、風電場并網(wǎng)應具備LVRT功能，并在LVRT期間，應具有有功功率恢復和動態(tài)無功支撐能力。

綜合以上要求可見，并網(wǎng)保護的動作時間存在上下限約束。其動作時間下限取決于LVRT要求以及饋線保護和斷路器的動作時間，而動作時間上限取決于饋線重合閘時間。

分布式電源并網(wǎng)保護防孤島保護功能

（1）可靠性

在實際應用中，需要根據(jù)分布式電源滲透率的不同，在防孤島保護的可信賴性與安全性之間做出折衷。例如，當分布式電源容量較小或分布式電源滲透率較低時，可以適當降低對安全性的要求，而將可信賴性放在首位，以確保人員、設備安全。反之，則要對防孤島保護的安全性提出更高的要求，防止因孤島檢測過于靈敏而導致大量分布式電源脫網(wǎng)，損害系統(tǒng)安全性?，F(xiàn)有的被動或主動孤島檢測方案都存在缺陷，目前還不存在獲得世界各國廣泛認可的方案。

（2）速動性

當配電網(wǎng)的功率不平衡度很低時，孤島特征不明顯，需要較長的檢測時間。我國標準要求最長的孤島檢測時間為2s。但是，孤島檢測時間的增加勢必會延長配電網(wǎng)重合閘的時間設置。如果經(jīng)過校驗發(fā)現(xiàn)孤島檢測時間不能滿足重合閘要求，則應考慮配置聯(lián)跳方案，或者為配電網(wǎng)饋線重合閘增配檢同期功能，以作為孤島檢測失效的后備。

分布式電源并網(wǎng)保護并網(wǎng)保護的定義

分布式電源并網(wǎng)保護定義為 ：安裝于公共耦合點處的繼電保護措施，能夠檢測到主電網(wǎng)側(cè)(系統(tǒng)側(cè))和分布式電源側(cè)發(fā)生的故障和其他各種異常情況，并及時將分布式電源與主電網(wǎng)隔離，避免危及主電網(wǎng)的正常運行或者損壞分布式電源裝置。并網(wǎng)保護包括防孤島保護、故障保護以及其他異常保護。

1)對于直接接入到110kV及以上輸電網(wǎng)絡中的分布式電源，其并網(wǎng)聯(lián)絡線已配置了完善的保護系統(tǒng)，不需要專門的并網(wǎng)保護。因此上述并網(wǎng)保護主要針對接入35kV及以下電壓等級的分布式電源。

2)并網(wǎng)保護既不同于分布式電源的發(fā)電機保護，也不同于配電網(wǎng)饋線保護，本質(zhì)上是一種接口保護。上述3類保護的關系可見圖1。

其中包括斷路器A-D，并網(wǎng)保護安裝于公共耦合點的電網(wǎng)側(cè)，一般在并網(wǎng)變壓器的高壓側(cè)。

當分布式電源單獨接入系統(tǒng)時，并網(wǎng)保護功能可與分布式電源的發(fā)電機保護功能集成在同一套保護裝置中。隨著并網(wǎng)容量的增加，分布式電源通常以集群或微電網(wǎng)的方式接入配電網(wǎng)，且常包含嵌入負荷，此時則要求在公共耦合點處配置獨立的并網(wǎng)保護。這樣，電網(wǎng)公司可以無需關注分布式電源自身的保護配置，只對并網(wǎng)保護提出要求，從而簡化保護配合，適應今后大量分布式電源在多種層級的接入要求。

3)在標準IEEE 1547中，從反映系統(tǒng)側(cè)故障、防孤島以及電能質(zhì)量等3個方面，給出了并網(wǎng)保護的核心功能要求。顯然上述要求都是站在電網(wǎng)的角度考慮并網(wǎng)保護的功能。而在標準IEEE 1547中，則要求并網(wǎng)保護在反映系統(tǒng)側(cè)故障的同時，還能兼顧分布式電源側(cè)故障。在實踐中，為分布式電源單元配置哪些保護功能主要由IPP根據(jù)自身要求決定，故并網(wǎng)保護依舊應以反映系統(tǒng)側(cè)擾動為主。

分布式電源并網(wǎng)保護并網(wǎng)保護的功能

（1）故障保護

配電網(wǎng)發(fā)生故障時，分布式電源持續(xù)向故障點提供短路電流，這會給配電網(wǎng)一次設備、保護和重合閘帶來諸多不利影響 。

首先，分布式電源的接入改變了配電網(wǎng)的短路電流幅值和分布特征。兩個典型的影響是，如果分布式電源的公共耦合點位于饋線保護與故障點之間，那么該分布式電源的“屏蔽效應”會使流過饋線保護的短路電流變小，從而可能導致饋線保護拒動;而如果分布式電源的公共耦合點位于非故障饋線，則可能導致該饋線保護誤動。為了減少對配電網(wǎng)保護的影響，要求并網(wǎng)保護在配電網(wǎng)發(fā)生故障時能夠快速動作以切除分布式電源。

其次，架空線路故障主要為瞬時性故障，提高重合閘的成功率能夠顯著提高供電可靠性。但是，當配電網(wǎng)故障時，分布式電源的持續(xù)供電會使變電站或饋線重合閘的檢無壓重合失??；即使?jié)M足檢無壓重合條件，分布式電源持續(xù)提供的短路電流還會阻礙故障點滅弧而導致重合失敗，使瞬時故障變?yōu)橛谰霉收?；即使能夠重合，但由于分布式電源已與主電網(wǎng)失去同步，非同期合閘也會對斷路器、分布式電源以及負荷帶來很大沖擊。所以，并網(wǎng)保護必需在饋線重合閘動作之前及時退出分布式電源，一旦配合失敗則會導致嚴重后果。

除以上影響外，分布式電源的接入還會導致配電網(wǎng)設備損壞并產(chǎn)生過電壓，提供的故障電流會使饋線熔斷器過早熔斷。

（2）防孤島保護

當分布式電源與公共電網(wǎng)失去電氣連接時，出于系統(tǒng)運行、人員設備安全以及電能質(zhì)量等考慮，目前世界各國的并網(wǎng)標準都要求分布式電源立即退出運行。導致孤島的原因有2類：一類因故障跳閘；另一類因非故障開關操作，包含人為誤操作。

這里需要說明公共耦合點處的防孤島保護與分布式電源自身防孤島保護的關系。不同類型的分布式電源，其防孤島保護的配置要求有所不同。對于變流器型分布式電源，標準明確規(guī)定其控制器中需具備孤島檢測能力；對于不具有自勵磁能力的感應電機型分布式電源，其不具備孤島運行能力；而同步電機型分布式電源本身已配置有電壓/頻率保護，當孤島內(nèi)有功、無功不能平衡時，機組會自動退出運行。因此同步電機和感應電機型分布式電源不要求設置防孤島保護。

這樣看來，似乎僅需為變流器型分布式電源配置防孤島保護。但是，電網(wǎng)運行人員仍希望在公共耦合點配置專門的防孤島保護。這是因為，在同一PCC下面可能包含多個類型的分布式電源單元，分別采用了不同的孤島檢測方法。例如，變流器型分布式電源多采用主動式孤島檢測，但是此方法在多變流器并網(wǎng)條件下，注入電網(wǎng)的擾動可能互相干擾而產(chǎn)生稀釋效應，使得檢測性能明顯下降;對于同步電機型分布式電源，在其出力和本地負荷基本匹配時，其自身的電壓/頻率保護有較大的檢測盲區(qū)。由于存在這些問題，在實踐中應評估分布式電源單元自身孤島檢測機制失效的概率和風險。在公共耦合點配置專門的防孤島保護，有利于提供更為完善的防孤島保護方案并方便校核，減少因分布式電源自身防孤島保護失效所帶來的安全隱患。

（3）其他功能

1)檢同期。當配電網(wǎng)故障切除、饋線重新供電后，分布式電源可以重新并入電網(wǎng)。但非同期重合會給電網(wǎng)設備和分布式電源造成很大的沖擊，因此并網(wǎng)保護必須配置檢同期繼電器，以確保線路不帶電。在允許計劃性孤島的情況下，分布式電源的重合情況有如下2種，否則只有第2種重合情況。

a)分布式電源與本地負荷功率匹配。當配電網(wǎng)F處發(fā)生故障時，饋線保護A動作切除系統(tǒng)電源，并網(wǎng)保護動作跳開斷路器B，分布式電源與本地負荷形成孤島。故障消除后，系統(tǒng)側(cè)A處重合閘先檢無壓重合。如果A重合成功，則并網(wǎng)保護進行同期并列，恢復聯(lián)網(wǎng)運行；否則，并網(wǎng)保護不響應。

b)分布式電源與本地負荷功率不匹配。F故障且饋線保護A動作后，并網(wǎng)保護動作跳開C、D，退出分布式電源，饋線重新供電后，并網(wǎng)保護通過分布式電源出口處的同期檢定即可并入分布式電源。

2)不平衡狀態(tài)檢測。當配電網(wǎng)中發(fā)生不對稱故障時，負序電流可能損壞同步電機型分布式電源，為此并網(wǎng)保護應配備負序過電流保護。

3)逆功率檢測。一些并網(wǎng)協(xié)議不允許分布式電源向主網(wǎng)負荷供電，此時并網(wǎng)保護中需要配置功率方向元件，檢測公共耦合點處的反向潮流。

分布式電源并網(wǎng)保護并網(wǎng)保護的基本配置

并網(wǎng)保護的配置需要考慮分布式電源類型、配電網(wǎng)接地方式、并網(wǎng)規(guī)程等多種因素。圖2給出了小電流接地配電網(wǎng)中，同步電機型分布式電源的一種并網(wǎng)保護配置方案。

并網(wǎng)保護的相間故障檢測可以采用過電流保護、低電壓起動的過電流保護或者阻抗保護實現(xiàn)。而接地故障的檢測與配電網(wǎng)接地方式有關標準中明確規(guī)定分布式電源的接地方式應和電網(wǎng)側(cè)的接地方式保持一致。當配電網(wǎng)為大電流接地方式時，分布式電源不僅會通過故障相提供接地短路電流，還可能存在通過非故障相交換的故障電流，可采用定時限接地過電流保護和方向過電流保護進行故障檢測；而在小電流接地方式配電網(wǎng)中，分布式電源不會產(chǎn)生接地故障的饋入電流，此時應配置接地過電壓保護。

目前已提出的孤島檢測方法按照信號來源、是否有主動激勵可分為被動檢測法、主動檢測法和聯(lián)跳。聯(lián)跳方案可以最大程度消除孤島檢測盲區(qū)并提高檢測速度。但是，由于并非配電網(wǎng)中所有的保護動作或開關變位都會導致孤島，所以該方案需進行實時拓撲分析，并在并網(wǎng)保護與斷路器之間建立多對多的通信連接。如果考慮到配電網(wǎng)重構(gòu)，聯(lián)跳的實現(xiàn)會變得更為復雜且不經(jīng)濟。考慮到這些，被動檢測依然是重要的孤島檢測方案。該方案一般配置過/欠電壓保護和過/欠頻率保護，還可以配置頻率變化率保護、相位偏移保護。