分布式发电微网保护解决方案

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摘要：在能源需求和环境保护的双重压力下，分布式发电技术获得了越来越多的应用。该文针对浙江省电力试验研究院分布式发电和微网实验室，提出了差动主保护、基于配电馈线自动化FA的后备保护相结合的解决方案，并对微网系统保护方案、配置、实现进行完整的分析、验证。

关键词：分布式发电；微网；差动保护；馈线自动化

中图分类号：TP338文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)04-0935-04

A Resolution for the Distributed Generation Micro-grid Protection

LIU Yun，XU Jian，WANG Jia-hua，JIN Qiang

(Nanjing Sifang Epower Automation co.,LTD, Nanjing 211111, China)

Abstract：Because of the impression of the need of the energy and the enviroment protection, the distributed generation is used more and more. This paper presents the whole resolution for the protection of the chassic micro-grid in Zhejiang distributed Generation andMicro-grid Laboratory, baed on the combination of differential protection and Feeder Automation.The whole resolution including scheme、configuration are also analysised in detail .And verifications are provided.

Key words：distributed generation; micro-grid; differential protection; feeder automation

微网是指由分布式电源（分布式电源如风能/太阳光能/海洋潮汐/生物能等）、储能装置、能量变换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统。微网是分布式发电的重要形式之一，它可以将一定区域内分散的小型发电单元组织起来形成一个微型网络为本区域的当地负荷供冷、热和电或与传统电网并联。这样，微网既可以通过配电网与大型电力网并联运行，形成一个大型电网与小型电网的联合运行系统，也可以独立地为当地负荷提供电力需求。这种灵活运行模式大大提高了负荷侧的供电可靠性。同时，微网通过单点接入电网，可以减少大量小功率分布式电源接入电网后对传统电网的影响。另外，微网将分散的不同类型的小型发电源（分布式电源）组合起来供电，能够使小型电源获得更高的利用效率。

基于以上原因，“微网”这个概念及其相关技术获得了世界很多国家的重视和推广[1-2]。以欧盟、美国和日本为代表，他们积极推广微网技术，并且已经取得了一定的进展。

近年来我国社会发展的目标已经发生了重要变化，建设资源节约、环境友好、可持续发展的社会成为全国上下的共识。国家已将“分布式供能技术”列入2006~2020年中长期科学和技术发展规划纲要，08年南方雪灾和汶川地震，更加速了我国在分布式发电领域的投资力度。国家的863和973计划，都分别支持了微网领域的相关研究。

在能源需求和环境保护的双重压力下，分布式发电技术获得了越来越多的重视与应用。将分布式电源以微网的形式接入到大电网并网运行，与大电网互为支撑，是发挥分布式发电系统效益的最有效途径。微网在实际运行中需要解决的关键问题主要体现在控制策略、保护配置、能量管理等方面[3-5]，而微网的硬件平台建设，作为微网控制策略的实现载体，可为微网控制策略研究提供验证平台。

浙江省电力试验研究院分布式发电和微网实验室，是国家重点基础研究发展计划973项目中分布式发电供能系统相关基础研究的试验基地，本文将就该实验室系统的微网保护配置及试验结果作详细的介绍说明。

1微网实验室设备配置及保护功能配置

1.1典型微网实验室主接线

该微网系统为浙江省电力试验研究院分布式发电和微网实验室项目，建有如下主要设备和系统：60kW屋顶光伏并网系统；30kW双馈风力发电模拟系统；两台5kW小型直驱式风力发电系统；250kW柴油发电机系统；蓄电池组及100kW双向逆变器；250kW飞轮储能系统以及多个模拟负载柜。该微网实验室主接线拓扑如图1。

该拓扑可以A网、B网分别离网独立运行，可以A+B网组合后离网独立运行，亦可以A网、B网分别并网运行，或者A+B网组合后并网运行，运行组合方式可灵活控制，但在实验室一期工程中只有一处并网点，即通过K2、K4间的隔离变压器并网。

1.2微网保护配置

在LM3~LM8各母线接点上配差母线保护，作为母线主保护。

由于微网内分布式电源的存在，各支路成为多端电源的支路，因此传统的不带方向的过电流保护无法应用；即使给传统的过电流保护增加方向元件，但由于微网位于负荷终端，若再考虑微网内各支路的时间级差配合，会影响配电网过电流保护的动作时限配合。因此带方向的过电流保护同样存在困难。微网的各馈线支路的保护可以采用纵联保护方式，但无疑增加了保护的投资。本后备保护方案采用配网馈线自动化FA方式加以实现。

配置了10台FTU CSC271C，分别实现A1，A4，A5，A6，B1，B4，B5，B6，L1，L2开关的馈线自动化远方终端，在A2，A3以及B2，B3处配置分别配置DTU CSC271各一台，用于实现馈线自动化以及母差主保护。另外还配置一台配网子站CSC270。各开关的保护测量、计算、相关动作信息（故障、方向）上送由CSC271/271C测控终端实现，故障信息的收集、故障隔离由配网子站CSC270实现。

主保护配置为常规的差速、比率制动差动，本文不再细述，下面就馈线自动化后备保护作详细说明。

2馈线自动化处理实现原理

2.1 FTU/DTU的故障处理

馈线终端FTU/DTU实时分析采样电流和电压，判断故障性质（瞬时性故障和永久性故障）、故障类型及故障数据的录波、故障信息的上报等，并执行子站的故障处理控制命令。馈线远方终端在馈线自动化故障处理中充当检测故障及故障处理执行机构的角色。

主站下发馈线远方终端检测故障发生的各种特征量的整定值，如电流、电压、功率方向等，馈线远方终端根据采样值与这些特征量进行比较，分析出故障发生的性质和类型，并考虑与变电站出口的速断保护及后备保护配合，根据采样电流，启动不同的整定时间，以便达到与出口保护的协调。

故障方向的判据：

方向元件采用90°接线方式，按相起动，各相电流元件仅受下表中所示相应方向元件的控制。动作区范围为-120°～60°为正（如图5-3所示），误差

注：在现场，除需要校验电压、电流的相序外，还须确定电压、电流的相对相角，以选择正确的功率参考方向。软件中留有专门控制字决定方向元件最终输出是否取反，这样便于适应现场实际接线的方向。

方向判别逻辑是：任一低压则启动，启动后选择最大电流相，将该相电流与相应电压作比相，动作区在-120°～60°时为正，其他则为负；当关联相电压低于2V时，使用故障前记忆电压。或过流故障时，亦如上输出当前故障功率方向。

2.2子站的故障处理

该实验室配电网保护FA开关拓扑如图3所示。

图3微网实验室FA开关拓扑图

网络系统实际连接拓扑图，由上层软件绘制，并将相关开关信息（电源开关、分支开关、联络开关、普通开关）附加在一起下载驻留在配网子站CSC270中。

配电自动化子站管理其辖区的柱上FTU、开闭所DTU等配电远方终端设备，完成数据集中与转发的功能，以及区域内的故障诊断、隔离、以及恢复供电功能[6、7]。

配网子站不仅负责与变电站内RTU进行通信，采集站内数据，在允许对出口开关控制的情况下，负责变电站出线的恢复供电；而且负责处理所辖区域馈线远方终端（FTU、DTU）的故障上报，查询故障信息、分析故障位置及实现故障的区域性隔离，当故障区域超出单个子站辖区范围或隔离不成功，配网子站上报故障给主站。

当馈线远方终端检测到瞬时性故障时，FTU/DTU仅上报事项给子站，子站上报事项给主站而没有其他操作。当配电远方终端检测到永久性故障时，立即上报故障给子站，配网子站根据实时跟踪的拓扑结构，判断故障发生的位置，命令相应FTU、DTU操作对应的开关，实现故障的隔离。

子站隔离的判据：

1)在多电源系统中，若检测到任何两个相邻开关故障且该相邻的两个开关为相反故障方向时，立即启动发令隔离该相邻的两开关。

2)当在网络中，若检测到所有故障开关均为同方向时，经过设定小延时等待后，则从故障开关两侧分别检索，认为从某电源点后的所有连续故障开关的最远端开关及其相邻未报故障的开关为隔离点。

2.3基于快速通信机制(专用通道)的FA模式

配电网光纤以太网通信系统的广泛使用，使得配电自动化系统有条件采用光纤以太网复用技术，在正常的三遥处理功能以外，开辟相对独立的、虚拟的通道，专门处理故障诊断、隔离的信息。

专用通道的建立是“虚拟”的，并不需要独立的介质。在以太网的通信中，可以实现UDP短报文的发送，尽管这种方式具有链路不可靠时发送接收不确定的缺点，但通过心跳测试报文的收发握手信号方式可以实时检测到通道的异常状态。

在稳定的网络连接建立完成后，FTU/DTU终端方与子站可按自定义的短报文传递相关信息，一旦FTU/DTU检测到故障，即能按短报文的方式主动上传信息给配电子站，配电子站根据收到的信息，作出故障的定位与判断，并可遥控实现故障隔离。

通过上述方式，子站与各个终端之间可以建立稳固的连接，终端通过这种机制快速上传故障相关信息，子站不需要采用轮讯方 式逐一问讯各个终端的的故障信息，根据各个远方终端上报的信息就能准确地进行故障处理。2.4试验结果及数据

现场FTU（CSC271C）及DTU(CSC271)保护投入故障检测，过流一段，过流闭锁以及低压方向保护。其中过流一段按照一次故障电流104A，二次故障电流1.73A整定，延时1S。注：FA范围内的过流保护整定时间应该全部一致。

在孤网A运行情况下，进行Fault3点模拟故障试验，故障类型A相接地，故障地点A3-A4线路中点，故障电流为112A，馈线自动化FA检测到该间隔故障，跳开A3、A4，实现故障隔离，隔离整定时间为1s，实际分断时间为1.5s，1.52s（其中实验室中的负荷开关分闸时间具有一定离散性，实际在300ms-500ms之间）。录波图见图4。

在微网A并网运行、双向逆变器充电情况下，进行区外Fault1点模拟故障试验，故障类型ABC三相接地，故障电流110A，馈线自动化FA检测到该间隔故障，跳开A1、A2，实现故障隔离，隔离整定时间为1s，实际分断时间为1.40s、1.48s。录波图见图5。

按此方式进行的故障处理，其时间指标可控制在：故障判断

3结束语

本文依据实际微网实验室为平台，进行了微网保护的配置，即差动主保护与基于馈线自动化FA的后备保护相结合，并进行了实际测试，试验数据结果表明，该方案可行，保护动作迅速可靠，达到了经济性与实用性相结合的目标。该微网保护方案配置给予浙江省舟山东福岛微网工程很好的应用启示。

参考文献：

[1] Lasseter R L,Piagi P. MicroGrid: a conceptual solution[C]. Power Electronics Specialists Conference, IEEE 35th Annual, Germany, 2004, 6: 4285-4290.

[2] Piagi P, Lasseter R H. Control and design of MicroGrid components [OB/OL]. Available: www.省略/cgi-pserc/getbig/publicatio/ reports/2006report/lasseter_MicroGridcontrol_final_ project_report.pdf.

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