微电网运行-继电保护

03二月2023微电网中的继电保护§5-1微电网继电保护与配电网保护的区别§5-2微电网保护方案分析§5-3微电网保护方案设计§5-4基于对称分量的保护

03二月2023§5-1微电网继电保护与配电网保护的区别常规的配电网为单电源辐射型结构，潮流的方向为单方向，即从电压等级高的一侧流向电压等级低的一侧。设计配电网的保护系统时，可认为配电网为无源网络，网络中没有发电机。在配电网中引入分布式电源形成微电网后，虽然网络结构没有改变，但电网中除了中央发电系统对微电网送电外，还包含多个分布式电源。因此按常规的配电网设计的保护系统可能不适合于微电网。一、短路功率和故障电流大小电力系统中故障电流的标幺值可按下式计算Zf为网络的等值阻抗。配电网中，典型的相间或相-地间的故障电流的标幺值为10~15，远远大于额定电流。因此当系统发生短路故障时，在继电保护装置动作前，必须有足够的电源功率产生故障电流。03二月2023§5-1微电网继电保护与配电网保护的区别微电网中的各类电源并不都能满足此要求，特别是采用电力电子设备的微型电源，为了保护电力电子器件，这些微型电源的控制器都装配有防止过电流的保护装置。例如，如果在配电网的用户端安装了大容量的PV系统，可能会出现短路故障发生后，系统中的相电流并没有显著增大，因此过电流保护系统可能探测不到故障的发生。当微电网发生故障时，虽然故障电流可能较小，但可能产生非常危险的接触电压。若不将故障切除，永久性的故障可能蔓延开来，损坏更多的电气设备。微电网中有很多分布式电源并联运行，将使故障时的等值电阻减小，在短路故障发生瞬间，产生比常规配电网发生短路故障时更高的故障电流。若配电网按常规的方法设置了继电保护装置后，当网络中新增分布式电源后，还应考虑继电保护装置能否正确运行。03二月2023§5-1微电网继电保护与配电网保护的区别母线2和母线3之间的线路始端安装了继电器R，若在a点发生了短路故障，则实际的短路电流为但继电器R只能测量到来自大电网中的电流If0，因此可能使得继电保护装置不能正常触发。如果继电保护装置采用反时限过电流保护，若故障类型为高阻抗故障，则可能没有足够的时间使得继电保护装置动作。若故障发生在母线2，则流过继电器的电流将反向，若采用方向继电保护装置，则继电保护装置也不能正常工作。03二月2023§5-1微电网继电保护与配电网保护的区别二、阻抗继电器限距减小阻抗继电器的限距是指在某一阻抗区域内，能使继电器动作的最大故障距离。因此，阻抗继电器的限距对应于继电器能够测量到的最大故障阻抗或最小故障电流。当a点发生短路故障时，继电器R测量的电压可表示为：Z23为母线2和母线3之间的线路阻抗；Z3a为母线3到故障点a之间的阻抗。

因此继电器R测量得到的阻抗为继电器R测量得到的阻抗大于实际的故障点的阻抗，其后果是继电器可能在另一距离区起动更高一级的时间响应。增加的阻抗随Idg/If0的变化而变化。03二月2023§5-1微电网继电保护与配电网保护的区别对于在规划设计阶段整定的继电器，若要继电器在原来设计的距离区动作，则故障应该离继电器近一些，因此继电器的动作区减小，也即其限距减小。三、潮流方向和电压曲线的变化辐射型配电网的潮流为单方向的，配电网中的方向过电流继电器，均按此标准设计保护装置。当配电网中加入分布式电源后，如果分布式电源的输出功率超过本地负荷消耗的功率，则潮流方向将改变。潮流方向的改变还将影响辐射型馈线的电压曲线。潮流方向的改变除了将引起电能质量问题外，还可能干扰线路上的电压限额，使电气设备增加额外的电压应力。潮流方向的变化所引起的电压变化可近似用下式计算UN为系统的额定电压；Rl+jXl为线路的等值阻抗；Pdg+jQdg为分布式电源的输出功率。03二月2023§5-1微电网继电保护与配电网保护的区别当配电网中有和没有分布式电源时，配电馈线上的电压曲线和电压梯度如图所示。潮流方向的改变将引起电压梯度的符号改变。在负荷比较重的配电网中，分布式电源对电压曲线的影响是正面的，能够改善系统的电能质量。馈线上电压曲线的变化也将影响变压器分接头的正常工作。如果分布式电源位于配

电网的入口附近(例如DG处于母线2)，由于分布式电源的加入导致变压器的负荷减小，从而影响变压器分接头的改变。03二月2023§5-1微电网继电保护与配电网保护的区别变压器分接头的调节特性将发生移位，配电网的入口电压将得不到正确的调节。四、孤岛和重合闸一般情况下，并网运行的微电网发生孤岛时是由故障引起。当微电网内部发生故障时，由于分布式电源给微电网继续提供电能，将维持故障产生的电弧，故障可能得不到切除。电力系统的故障可能在很短的时间内即可清除，因此配电网中通常安装了自动重合闸装置。当微电网处于孤岛状态运行时，短时间内将微电网自动重新连接到大电网可能出现下述两个问题：由于分布式电源继续对故障电弧提供电能，故障不能清除，因此可能导致重合闸失败；孤岛运行的微电网的频率将随着电源和负载间有功功率不平衡而发生变化，自动重合闸可能导致大电网和微电网异步运行。03二月2023§5-1微电网继电保护与配电网保护的区别孤岛运行的微电网其频率变化率可表示为微电网中电源和负荷之间有功功率偏差的函数。设微电网中电源和负荷之间的有功功率偏差为若微电网等值发电机的惯性时间常数为H，额定功率为SN，孤岛运行前的频率为fs，则孤岛运行时微电网的频率变化为上式仅仅考虑了孤岛运行时负荷和电源之间的有功功率偏差，没有考虑故障的影响。03二月2023§5-1微电网继电保护与配电网保护的区别下图为微电网重新并联到大电网的自动重合闸过程。假设微电网孤岛运行时，分布式电源提供的功率小于负荷功率，因此微电网的频率下降。03二月2023§5-1微电网继电保护与配电网保护的区别五、其他方面的问题微电网保护还涉及一些其它的问题。这些问题通常是常规电力系统保护的一些共性问题。主要为铁磁谐振和接地问题。

当电力系统发生故障时，可能产生铁磁谐振，从而损坏系统中的变压器和其他电气设备。例如当电缆发生故障时通常为永久性的，可采用快速熔断器作为过电流保护。由于三相系统中的熔断器各相可能不能同时动作，将出现变压器短时间内处于两相工作状态。电缆的等值电容与变压器电抗串联，可能满足谐振条件，引起瞬时过电压和过电流。微电网中分布式电源多处接地可能使得故障发生时形成不同路径的电流通路。如果分布式电源通过Dyn接线的变压器接地，当线路发生接地短路故障时，故障电流不仅从故障点流向系统中的主变压器，而且将流向分布式电源所接的变压器。03二月2023§5-2微电网保护方案分析03二月2023§5-2微电网保护方案分析一、微电网正常运行时系统中发生故障的情况微电网正常运行是指微电网与大电网并列运行，即分段器件SD闭合时的情况。在这种情况下的保护问题为单个分布式电源和整个微电网对发生在大电网中和微电网中故障的响应。对于大电网中发生故障的响应将随着微电网中负载的需要而变化。例如若微电网中的负载主要为零售商，则主要应考虑保证照明，从而使得商店的营业能继续进行。与计算机相关的收银机和存货控制等敏感负载应该有专用的UPS系统，这样数秒钟短暂的停电不会影响零售商继续进行商业交易的能力。如果微电网中包含生产线这样的敏感负载，则短时停电的容忍时间将比零售商所允许的时间短得多，特别是在厂商非常相信微电网的供电可靠性而不装配UPS系统的情况下。03二月2023§5-2微电网保护方案分析1.大电网中的故障变压器两侧或馈线C发生的故障将产生两种响应。(1)首先分段设备SD动作馈线A和B与故障隔离，余下的区域1和区域7为没有分布式电源的传统的电力系统结构，不需要特殊的保护。根据系统的电压等级、开关的操作速度以及故障电流的大小，SD可能采用不同的结构，如采用具有并联跳闸装置的模块化线路断路器，或者采用高速的静态开关。保护方案必须根据线路的连接特征设计。保护方案可能很简单，例如可监视电流的幅值和每一相线路的潮流方向，如果它们超过设定的阈值，则发出SD的跳闸信号；保护方案也可能相当复杂，如可监视电压和电流信号的波形，以取得经过详细分析的四分之一周期的跳闸时间。03二月2023§5-2微电网保护方案分析上述保护方案必须保证当分段设备SD将微电网与大电网断开时，微电网仍能正常运行，即故障发生时，微电网和大电网断开之前，不应该触发分布式电源的继电保护设备。(2)如果微电网与大电网解列后，故障现象仍然存在，则故障不在大电网中，将进行第二阶段的保护动作。2.当微电网与大电网并联时微电网内部的故障从分布式电源和微电网内部的负载来看，目前没有什么方法能够区分大电网侧的故障和微电网侧的故障。然而对于这两种不同的故障其响应应该不同。对于微电网侧的故障，其响应是断开SD以及在微电网内部将故障隔离开来。例如区域2发生故障，需将SD断开，并且还需将馈线A和B与主母线连接的断路器断开。3.微电网重新与大电网并联故障清除后，必须采取一定的方法将微电网与大电网重新并列运行。03二月2023§5-2微电网保护方案分析理想情况下，大电网应该尽快恢复对原断开的负荷供电，这可能需要数秒到数分钟时间，取决于母线和负荷的特征。通过测量SD两侧的电压，微电网必须具有合适的控制方法，使得微电网中所有分布式电源与大电网中的同步发电机同步运行。二、孤岛运行时微电网中发生故障的情况若故障在孤岛运行的微电网中发生，馈线A和B具有继电保护装置，通过线路上的断路器尽可能少地将分布式电源断开。若区域4发生故障，应该使得离故障点最近的断路器动作，将故障点与其它部分隔离开，使故障对微电网中其它负荷的影响最小。若区域3发生故障，则应使馈线A上的所有负荷和电源断开。若故障发生在区域5，则应将馈线B断开。微电网中继电保护的动作原理将随着微电网的复杂程度而发生较大的变化。03二月2023§5-2微电网保护方案分析若微电网中仅仅只有一个分布式电源，则所采用的保护方案基本上与传统的辐射型配电网的保护方案相同。具有多个分布式电源的更复杂的微电网则需要非常复杂的保护方法。保护方法的复杂程度和费用取决于微电网的需要。当微电网中的用户具有适当容量的分布式电源，能够满足他们自己所需电能的需要，则保护方案将比较简单。当微电网中发生故障时，用户可将自己的负荷与微电网中其它部分隔离。但是这样的保护措施不能利用微电网中负荷和电源可能的多样性的特点。若要充分利用微电网中的资源，则必须采用较复杂的保护措施。若区域3中发生故障，馈线A的断路器将跳闸，使得区域3中所有负荷断电，而区域4仍可以正常运行。但区域3的故障并不是直接就能检测出来，因为微电网处于孤岛运行状态时，其短路电流将显著减小。03二月2023§5-2微电网保护方案分析由于分布式电源仅仅只能给故障处提供负荷电流两倍甚至小于两倍的短路电流，因此不能采用常规的过电流保护。目前可采用的方法有阻抗继电器、零序电流和/或电压继电器以及差动电流和/或电压继电器等。这些技术在配电网和微电网中的应用还需要进行深入的研究。03二月2023§5-3微电网保护方案设计微电网继电保护方案假设微电网中的微电源可为微电网中的负荷孤岛运行时提供足够的电能。四个保护区之间设置了继电保护装置，即区域2和区域3之间的继电器3、区域3和区域4之间的继电器4以及区域2和区域5之间的继电器5。继电器配置可以不同，但所考虑的保护区域应该相同。03二月2023§5-3微电网保护方案设计不管继电器的安装位置如何，当故障发生时，应将对故障点进行供电的微电源关闭。一、单相接地故障单相短路接地是电力系统中最常见的故障。除了每个区域的每一相设置故障电流检测器外，还应在每个区域的中线上设置故障电流检测器。这样当发生单相接地故障时，可采用差动电流Id对微电网进行保护。例如，当区域4发生单相接地故障时，将在区域2、3和4产生非零的差动电流，导致继电器2在0.5~2个周期内将静态开关断开，接着继电器4断开它的断路器并关闭区域4的电源。继电器3通过一定的延时使微电网中故障上游的部分系统仍正常工作。由于故障不在此部分，可使静态开关重合使该部分微电网与电网重新并列运行。03二月2023§5-3微电网保护方案设计采用该方案的问题是故障下游区域将检测不到对地电流，三相电流之和Id及中性点电流为零。例如当单相接地故障发生在区域3时，将产生差动电流触发静态开关和继电器3，并关闭区域3的电源，但区域4将检测不到故障电流。故障所产生的接地电流不会通过区域4，由区域4的继电器4的差动电流装置检测出的电流为零，将使得区域3和区域4仍有电，从而形成一个带故障的孤岛子系统。如果故障具有高阻抗性质，过电流和I2t这样的后备保护不会触发区域4的微电源。低电压保护作为后备保护可能起到一定作用，但仍将存在一些问题，需采用零序电流保护来解决这样的单相接地故障。假设微电网中所有区域的负荷都为40kW，区域3的电源输出功率为40kW，区域4和5的输出功率为20kW，相电压的额定值为480V，因此微电网需要大电网提供40kW的功率。若区域3的A相发生单相接地高阻抗故障(~28kW)，继电器将检测到该故障，Id>0，并在5~10毫秒内断开静态开关。03二月2023§5-3微电网保护方案设计信号继电器3继电器4|Ia|(A)3.559.6|Ib|(A)20.84.8|Ic|(A)21.49.2Id(A)32.203|I0|(A)054.4|V+|(V)392.1391.2|V-|(V)4.85区域3发生单相接地故障且微电网孤岛运行时的故障电压和电流为保证静态开关首先断开，继电器4可设置3个周期的延迟时间，为保证区域4首先可靠地断开，继电器3可设置10个周期的延迟时间。继电器4的差动电流为零，但零序电流较大，可作为断路器的跳闸信号。由于每个微电源有电压控制器，电压的不对称性很小，只有1%左右。差动电流与零序电流的关系为电流互感器的位置以及连接到逆变器的输出变压器中性导线的函数。不对称负荷和零序电流之间的共同作用非常重要，不对称负荷将产生零序电流，而差动电流检测器并不能检测出负荷的不对称。03二月2023§5-3微电网保护方案设计二、相间短路故障对于低阻抗的相间短路故障，采用I2t保护比较有效，但在许多情况下，触发时间比较长，将对负荷和电网引起不必要的干扰。高阻抗的相间短路产生的故障电流幅值较小，不足以使继电器动作。较好的方法是采用负序电流检测相间短路故障。对于上述微电网结构，除了区域3外，所有的相间故障都可用负序电流检测。由于静态开关和继电器3之间没有负荷，当静态开关响应区域3中的相间故障而跳闸时，继电器3没有电流，因此该继电器不能触发与之相连的断路器。结果是微电源A1不能关闭并继续提供故障电流。03二月2023§5-4基于对称分量的保护

单相接地故障和相间短路故障将使微电网中某些保护区域产生不对称电流，为分析不对称电流，可以采用对称分量法。单相接地故障通常产生零序和负序电流，而相间短路故障仅仅产生负序电流。零序和负序电流可用于微电网不同保护区域的单相接地故障和相间短路故障的检测。微电网一般应用于电力系统中的配电系统，其负荷经常是不对称的，因此基于对称分量的继电保护装置必须区分所检测到的信号是由故障还是负荷的不对称所引起的。下面采用EMTP对微电网进行仿真，得到时域仿真对称分量数值。为使得所得到的数值与实际的继电保护装置所获得的数值相同，将所有通过EMTP得到的对称分量值乘以3。在下面的分析中，假设负荷的最大不对称度为20%，微电源A1、A2和B1以及负荷功率L1、L2和L3分别为：PA1=40kW、PA2=20kW、PB1=20kW、PL1=40kW、PL2=60kW、PL3=40kW。

03二月2023§5-4基于对称分量的保护

一、不对称负荷改变负荷L3使得其不对称度为20%，总功率为60kW。|Ia|(A)|Ib|(A)|Ic|(A)3|I+|(A)3|I-|(A)3|I0|(A)|V+|(V)|V-|(V)继电器2179.2162.7164.9506.821.89.3391.30.22继电器3112.394.797.3304.223.79.3391.30.22继电器411493.996.7304.42611.9389.30.37继电器567.367.468.320320390.80.18零序和负序电流最大值出现在继电器4上，分别为11.9和26A。若不对称负荷出现在L1或L2上，不对称度相同，则与不对称负荷最近的继电器的零序和负序分量达到最大值，但不会超过负荷L3不对称时的最大值。当采用对称分量法检测故障时，所有继电器的零序和负序电流的阈值应大于11.9和26A，这样才能保证继电保护系统当负荷不对称度不大于20%时不触发断路器产生跳闸信号。二、单相接地故障03二月2023§5-4基于对称分量的保护

设微电网原来运行在稳定工作状态，28.5kW(Rf=2.695Ω)的单相接地故障在t＝1s时在某一区域发生。当静态开关闭合和断开时，区域4、3、2和5分别发生单相接地故障。区域4发生单相接地故障时各相电流、各序电流及正序、负序电压|Ia|(A)|Ib|(A)|Ic|(A)3|I+|(A)3|I-|(A)3|I0|(A)|V+|(V)|V-|(V)SS闭合继电器2211.6117116.9445102.888.1391.31.05继电器314747.650242.711288.1393.11.05继电器4158.842.442.7242.8123.3111.4389.61.76继电器56666.370.7202.99.20390.90.88SS断开继电器2000000391.60继电器32.420.821.633400392.14.5继电器481.548.57288.485.4391.15继电器51311.624.433.24003923.803二月2023§5-4基于对称分量的保护

区域3发生单相接地故障时各相电流、各序电流及正序、负序电压|Ia|(A)|Ib|(A)|Ic|(A)3|I+|(A)3|I-|(A)3|I0|(A)|V+|(V)|V-|(V)SS闭合继电器2215.6166.6116.2448106.593.5391.31.1继电器3151.247.249.2245.611693.5391.31.09继电器422.641.841.5104.81726389.81.6继电器56666.270.8202.99.50390.90.9SS断开继电器2000000391.60继电器33.520.821.431.241.50392.14.8继电器459.64.89.2725354.4391.25继电器51311.924.231.341.503927.803二月2023§5-4基于对称分量的保护

区域2发生单相接地故障时各相电流、各序电流及正序、负序电压|Ia|(A)|Ib|(A)|Ic|(A)3|I+|(A)3|I-|(A)3|I0|(A)|V+|(V)|V-|(V)SS闭合继电器2221.6114.5113.2449112105.8391.31.1继电器3164545.810523.239.6393.11.1继电器426.739.337.3103.211.312.2390.21.1继电器565.866.371203100390.81.0SS断开继电器2000000391.60继电器3140.621.721.4175.6101.5144.83925继电器4557.511.271.649.444.7391.64.8继电器512.613.224.730.743.50391.84.203二月2023§5-4基于对称分量的保护

区域5发生单相接地故障时各相电流、各序电流及正序、负序电压|Ia|(A)|Ib|(A)|Ic|(A)3|I+|(A)3|I-|(A)3|I0|(A)|V+|(V)|V-|(V)SS闭合继电器2161.5118.4168.644490.40391.30.92继电器334.540.830.3104.818.90391.30.92继电器433.737.432.3103.29.20390.20.87继电器519874.672.2343.2109.3141.7390.43SS断开继电器2000000391.60继电器374.630.475.81738203924继电器432.29.831.769.4400391.73.8继电器513228.125.3173.282.3142391.45.5当静态开关闭合时，所有位于故障点上游的继电器的零序电流幅值都大于由不对称度为20%时不对称负荷所产生的最大零序电流，当故障发生时这些故障即可检测出来。03二月2023§5-4基于对称分量的保护

当静态开关断开后，故障点下游的继电器采用零序电流将无法检测出单相接地故障，但是可以采用差动电流来检测这些故障。三、相间短路故障下面分析区域2、3、4和5中某一区域发生相间短路故障时的情况，假设微电网原来运行于稳定工作状态，t=1s时在某一区域引入85.5kW(Rf=2.695Ω)的相间短路故障。03二月2023§5-4基于对称分量的保护

区域4发生相间短路故障时各相电流、各序电流及正序、负序电压|Ia|(A)|Ib|(A)|Ic|(A)3|I+|(A)3|I-|(A)3|I0|(A)|V+|(V)|V-|(V)SS闭合继电器231029614071930403913.1继电器325323963.751633003913.1继电器426224952.55173640388.15.2继电器57258.673.2203270390.62.6SS断开继电器2000000391.60继电器375726.71351180391.414继电器41571526.92752600389.515继电器545.285401361180391.81103二月2023§5-4基于对称分量的保护

区域3发生相间短路故障时各相电流、各序电流及正序、负序电压|Ia|(A)|Ib|(A)|Ic|(A)3|I+|(A)3|I-|(A)3|I0|(A)|V+|(V)|V-|(V)SS闭合继电器231830413973331803913.1继电器32622476353034603913.1继电器422.143.451.311250.70388.54.8继电器572.258.273.420328.40390.62.7SS断开继电器2000000391.60继电器377.6756.41401240391.314继电器485.6905.6147157039015继电器546.688421401240391.71203二月2023§5-4基于对称分量的保护

区域2发生相间短路故障时各相电流、各序电流及正序、负序电压|Ia|(A)|Ib|(A)|Ic|(A)3|I+|(A)3|I-|(A)3|I0|(A)|V+|(V)|V-|(V)SS闭合继电器23243091357373350390.93.4继电器321.641.658.2109700390.93.4继电器427.83445.8105340389.83.2继电器572.357.874203300390.52.8SS断开继电器2000000391.60继电器31701724.52903020390.815继电器483852.31451470390.814继电器547.290441421300391.41203二月2023§5-4基于对称分量的保护

区域5发生相间短路故障时各相电流、各序电流及正序、负序电压|Ia|(A)|Ib|(A)|Ic|(A)3|I+|(A)3|I-|(A)3|I0|(A)|V+|(V)|V-|(V)SS闭合继电器23271962227162660390.92.7继电器3225341.110955.60390.92.7继电器426.642.137.6105270389.82.6继电器52802709961632203898.8SS断开继电器2000000391.60继电器317385892762420391.212继电器485.243431381170391.211继电器515114811.52762420390.1