章楨，李然

（東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南京 210096）

微網(wǎng)保護(hù)與傳統(tǒng)配網(wǎng)保護(hù)存在極大不同，具體表現(xiàn)有：1）分布式電源的存在使潮流具有雙向流通的特性；2）微網(wǎng)在并網(wǎng)、孤島2種運(yùn)行模式下短路電流差異很大，影響保護(hù)的整定計(jì)算[1-3]。這些特殊性使得傳統(tǒng)三段式電流保護(hù)在微網(wǎng)中無法適應(yīng)。目前針對(duì)微網(wǎng)保護(hù)的研究主要可以分為兩類，一類是不基于通信的本地量保護(hù)，主要采用的方法是限制微電源的準(zhǔn)入容量、限制故障時(shí)短路電流大小、內(nèi)部故障時(shí)隔離所有微電源等[4-6]，這類方案多以犧牲分布式電源的利益來換取傳統(tǒng)三段式電流保護(hù)的適用性，極大地限制了新能源的發(fā)展[7-8]；另一類是基于通信的保護(hù)方案，借助多點(diǎn)信息的比較來適應(yīng)微網(wǎng)保護(hù)的特殊環(huán)境。曾有學(xué)者提出了采用邊方向變化量保護(hù)算法來克服微網(wǎng)雙向潮流以及不同運(yùn)行模式對(duì)保護(hù)的影響[4]，但是需要用到阻抗元件且通信實(shí)時(shí)性要求較高，這對(duì)通信條件落后且沒有大規(guī)模配置電壓互感器的低壓配網(wǎng)來說，保護(hù)的升級(jí)成本太大，實(shí)用價(jià)值不高?？梢姡脤?shí)時(shí)高速通信系統(tǒng)構(gòu)建的保護(hù)方法是未來低壓配網(wǎng)保護(hù)的發(fā)展趨勢，當(dāng)然也面臨著保護(hù)方案成本過高及其在現(xiàn)有配網(wǎng)條件下的實(shí)用性問題。

通過對(duì)以上保護(hù)方案的總結(jié)，可以發(fā)現(xiàn)微網(wǎng)保護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)具備以下技術(shù)要點(diǎn)：1）適應(yīng)微網(wǎng)雙向潮流的特性；2）適應(yīng)微網(wǎng)多變的結(jié)構(gòu)（微電源的即插即用）和獨(dú)立并網(wǎng)2種運(yùn)行方式；3）在1）、2）的基礎(chǔ)上，盡量降低保護(hù)系統(tǒng)對(duì)通信系統(tǒng)的依賴和對(duì)現(xiàn)有配網(wǎng)改造的成本，如不使用電壓互感器，采用電流量構(gòu)建保護(hù)系統(tǒng)等[9-10]；4）保護(hù)方案要能適應(yīng)未來智能電網(wǎng)及其配套通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢，如網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字化智能樓宇小區(qū)，三網(wǎng)融合技術(shù)，配網(wǎng)環(huán)網(wǎng)運(yùn)行等[11]。

因此，本文提出了基于ZigBee無線組網(wǎng)的集中式保護(hù)方案，分別基于電流量的綜合幅值和相位變化量構(gòu)建相互獨(dú)立的雙重保護(hù)判據(jù)，判據(jù)所用信息為電流綜合幅值和相位變化量判斷的邏輯結(jié)果，不需要進(jìn)行苛刻的采樣數(shù)據(jù)同步處理，減少了對(duì)保護(hù)通信系統(tǒng)的依賴，同時(shí)通過“廣域”保護(hù)區(qū)域的劃分方法擴(kuò)大保護(hù)范圍，在一定程度上彌補(bǔ)了系統(tǒng)的后備保護(hù)能力。最后針對(duì)現(xiàn)有小型化低壓配網(wǎng)結(jié)構(gòu)，闡述了基于ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)的保護(hù)通信架構(gòu)及其在微網(wǎng)中的適用性。

1 微網(wǎng)集中式保護(hù)原理

1.1 綜合電流的幅值差動(dòng)判據(jù)

綜合電流差動(dòng)保護(hù)，是指通過對(duì)相電流、序電流的組合來實(shí)現(xiàn)保護(hù)算法。本文采用的是將正序故障分量和負(fù)序電流結(jié)合起來構(gòu)建綜合電流[10]，并以其幅值作為差動(dòng)保護(hù)使用的原始數(shù)據(jù)。定義保護(hù)算法中的綜合電I觶cc（comprehensive current）為

式中，I觶2為負(fù)序電流；ΔI觶1為正序故障分量；k為組合系數(shù)，應(yīng)大于1，保證算法應(yīng)對(duì)各種故障時(shí)都能保證一定的靈敏性，即無論何種故障情況下，I觶2或ΔI觶1都不占據(jù)主導(dǎo)地位。在本文中，取k=3的情況來進(jìn)行討論。

綜合電流I觶cc的獲取和計(jì)算可以在本地IED裝置中完成，以線路兩端綜合電流幅值和為差動(dòng)量，幅值差為制動(dòng)量構(gòu)建差動(dòng)判據(jù)：

通常傳統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)需要對(duì)線路兩側(cè)電流相量進(jìn)行嚴(yán)格同步，在本判據(jù)中僅使用電流幅值量，沒有引入電壓量和電流相位信息，大大節(jié)約了電壓互感器投資成本，降低了對(duì)采樣數(shù)據(jù)的同步要求，在微網(wǎng)這樣短距離的傳輸系統(tǒng)完全能夠滿足要求。然而，僅依賴電流幅值信息來構(gòu)建保護(hù)判據(jù)理論上存在動(dòng)作盲區(qū)，即在對(duì)稱度很高的網(wǎng)絡(luò)中可能會(huì)存在某一點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，判斷處于該區(qū)間區(qū)內(nèi)故障的兩端綜合電流幅值量，可能會(huì)出現(xiàn)保護(hù)拒動(dòng)。

因此，為了提高保護(hù)的安全性能，在綜合電流幅值差動(dòng)判據(jù)的基礎(chǔ)上，增加了與之并列存在的相位變化量判據(jù)，兩者相輔相成。

1.2 相位變化量判據(jù)

為了減輕通信壓力，采用相位變化量判據(jù)，實(shí)現(xiàn)相位的就地采樣、本地計(jì)算，通信系統(tǒng)中傳輸?shù)氖侵淮碚?fù)半周的邏輯信號(hào)。此處定義相位變化量為故障后正序電流的相位與故障前正序電流的相位差。如圖1所示。

圖1 相位變化量判據(jù)例圖Fig.1 The amount of phase change criterion

當(dāng)AB線路段F1點(diǎn)發(fā)生三相短路故障時(shí)，故障電流中只有正序分量，非故障段BC兩端IED測的相位變化量必將同時(shí)超前或者滯后于故障前電流I觶L一定的角度α，而故障段AB兩端測得的電流相位變化量一個(gè)超前故障前電流I觶L相位α，一個(gè)滯后相位β，當(dāng)不計(jì)及負(fù)荷影響時(shí)，將滿足α+β≈180°[10]，見圖2。

圖2 故障電流正序分量和故障前電流相位關(guān)系Fig.2 Fault current and pre-fault positive sequence component of the current phase relationship

根據(jù)區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障時(shí)線路兩側(cè)電流相位變化量呈現(xiàn)的不同規(guī)律，以邏輯量作為本地相位變化量判斷的結(jié)果與線路另一端結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，判據(jù)如下：

判斷情況如表1所示。

表1 相位變化量判斷邏輯表Tab.1 Analyzing logic table for phase variations

當(dāng)AB線路段F1點(diǎn)發(fā)生兩相短路故障時(shí)，故障電流中既有正序也有負(fù)序電流分量，兩者相互獨(dú)立。因此，采用正序分量與負(fù)荷電流比相時(shí)，結(jié)論和三相故障是一致的。

1.3 保護(hù)區(qū)域的劃分

以三分支及以上的節(jié)點(diǎn)為端點(diǎn)劃分保護(hù)區(qū)域，最小的保護(hù)區(qū)域內(nèi)至少包含2個(gè)IED，較大的保護(hù)區(qū)段可以包含多個(gè)二分支節(jié)點(diǎn)，在這一類保護(hù)區(qū)域內(nèi)，將會(huì)出現(xiàn)諸如DG投切等微網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化。因此，保護(hù)范圍亦將適時(shí)作出修正。

如圖3所示，劃分為區(qū)域1和2。區(qū)域1為典型最小保護(hù)范圍，區(qū)域2則較大，亦是即插即用的微電源的可行接入點(diǎn)。在未做微源投切操作前，區(qū)域1以節(jié)點(diǎn)2和節(jié)點(diǎn)3的相關(guān)側(cè)IED構(gòu)成一對(duì)差動(dòng)保護(hù)端。區(qū)域2中，正常運(yùn)行時(shí)，仍以節(jié)點(diǎn)為單位構(gòu)成最小范圍保護(hù)，即節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)4，節(jié)點(diǎn)4和節(jié)點(diǎn)5，節(jié)點(diǎn)5和節(jié)點(diǎn)6分別構(gòu)成一對(duì)，在此類區(qū)域中可實(shí)現(xiàn)互為后備的保護(hù)模式。以節(jié)點(diǎn)4和節(jié)點(diǎn)5構(gòu)成的保護(hù)對(duì)為例，約定每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以和與之相鄰節(jié)點(diǎn)構(gòu)成后備保護(hù)對(duì)，一旦節(jié)點(diǎn)4和節(jié)點(diǎn)5之間發(fā)生區(qū)內(nèi)故障，而節(jié)點(diǎn)4或者節(jié)點(diǎn)5或者兩者都發(fā)生拒動(dòng)，則將經(jīng)過一定的延時(shí)，由節(jié)點(diǎn)3和節(jié)點(diǎn)6對(duì)應(yīng)側(cè)的IED來完成差動(dòng)保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)類似后備保護(hù)的功能。

圖3 保護(hù)區(qū)域劃分Fig.3 The partition of protection areas

當(dāng)微源進(jìn)行投切時(shí)，保護(hù)范圍亦將做出相應(yīng)的修正，如對(duì)圖3中10節(jié)點(diǎn)處的DG退出運(yùn)行，而在節(jié)點(diǎn)5投入新的微源，則修正后的保護(hù)區(qū)域如圖4所示，區(qū)內(nèi)保護(hù)策略也按照保護(hù)范圍的變化適當(dāng)做出修正。

圖4 修正后的保護(hù)區(qū)域劃分Fig.4 The revised partition of protection areas

2 綜合保護(hù)方案的實(shí)現(xiàn)

綜合電流幅值差動(dòng)判據(jù)和相位變化量判據(jù)，二者都具備不需要采樣數(shù)據(jù)同步的特點(diǎn)，對(duì)實(shí)時(shí)性要求并不苛刻。二者都不需要引入電壓量，保護(hù)原理簡單，互為補(bǔ)充，相互獨(dú)立，構(gòu)成一套綜合保護(hù)方案。

該方案的工作流程如圖5所示。流程中加入了一個(gè)故障分量的啟動(dòng)元件，當(dāng)故障分量電流大于設(shè)定閥值時(shí)，才啟動(dòng)判據(jù)計(jì)算。

圖5 綜合保護(hù)方案流程圖Fig.5 The flowchart of the comprehensive protection program

3 基于ZigBee技術(shù)的保護(hù)通信系統(tǒng)架構(gòu)

我國智能電網(wǎng)的發(fā)展首先是智能電網(wǎng)信息技術(shù)的應(yīng)用。因此，無論是本文所述的保護(hù)領(lǐng)域，還是在其他電力系統(tǒng)監(jiān)測與安全分析控制領(lǐng)域，通信技術(shù)的發(fā)展是必要條件。只有具備有穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)鏈路的傳輸技術(shù)，才能可靠保證各點(diǎn)測試數(shù)據(jù)的獲取和控制信息的傳達(dá)。

本文采用廣泛應(yīng)用于工業(yè)無線控制與監(jiān)測領(lǐng)域的ZigBee技術(shù)來構(gòu)建微網(wǎng)的保護(hù)通信架構(gòu)，該架構(gòu)不僅可確保保護(hù)所用信息通道的實(shí)時(shí)完整，更可用于微網(wǎng)的能量管理與監(jiān)測，電能質(zhì)量監(jiān)測等領(lǐng)域。ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，主要適合于遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，支持地理定位功能[13]。其協(xié)議簇如圖6所示。

針對(duì)微網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和特定的運(yùn)行模式，本文提出了基于ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)的保護(hù)通信架構(gòu)。如圖7所示，每個(gè)多分支節(jié)點(diǎn)處每個(gè)分支都配備有電流互感器，其數(shù)據(jù)匯總至無線IED，由于在整個(gè)微網(wǎng)中覆蓋有Zigbee網(wǎng)絡(luò)，通過其無線AP（access point）與遠(yuǎn)端其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)同時(shí)匯總于中央監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)算法功能之后返還操作命令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線控制。

圖6 ZigBee協(xié)議簇Fig.6 The protocol stack of ZigBee

圖7 基于ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)的保護(hù)通信架構(gòu)Fig.7 The networking technology of protection based on ZigBee wireless communication architecture

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)微網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)具備了極強(qiáng)的適用性，具體表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

1）ZigBee技術(shù)抗干擾能力強(qiáng)。通過工作在2.4 GHz頻段下的跳頻工作方式[13]，保證了集中式微網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)所需電流幅值和相位等控制數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

2）ZigBee是無線自組網(wǎng)，采用平面路由或樹狀路由等算法[14]，可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)路由策略，即使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生改變，也可以在無需人工干預(yù)的條件下實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)完成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，自?dòng)接入，這十分適應(yīng)微網(wǎng)多變的運(yùn)行結(jié)構(gòu)和微源即插即用的特點(diǎn)，大大降低維護(hù)成本，亦可配合上文所述區(qū)域劃分算法，提供后備保護(hù)能力。

3）ZigBee的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多種多樣，有星狀、片狀和網(wǎng)狀[15-16]，如果配合數(shù)據(jù)服務(wù)器，可擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)的數(shù)目將不限定，對(duì)未來微網(wǎng)的擴(kuò)展及各種服務(wù)于電力系統(tǒng)的功能的集成將能夠很好地適應(yīng)。

4）ZigBee采用三級(jí)安全模式，嚴(yán)密的安全模式足以保證電網(wǎng)運(yùn)行控制的安全，當(dāng)然也包括應(yīng)用此技術(shù)的微網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)，給予安全性方面的保障。

4 數(shù)字仿真

根據(jù)美國可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會(huì)（CERTS）最早提出的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以圖8所示系統(tǒng)建立數(shù)字仿真模型，引入PQ和VF控制的逆變型微電源，進(jìn)行MATLAB仿真。

圖8 微網(wǎng)數(shù)字仿真算例Fig.8 The digital simulation of micro-grid

參數(shù)如下所示：

主網(wǎng)電源線電壓400 V，50 Hz；變壓器變比11/0.4；MG1采用PQ控制，額定輸出P=20 kW，Q=0 kvar；MG2采用VF控制，額定輸出:線電壓380 V，50 Hz；MG3采用PQ控制，額定輸出:P=20 kW，Q=0 kvar；負(fù)載load1為20 kW；load2為50 kW；load3為20 kW；線路r=0.325 Ω/km，x=0.073 Ω/km。

分別給出兩種判據(jù)在并網(wǎng)故障情況下的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)圖，見圖9～10，表2。

圖9 CD段幅值差動(dòng)判據(jù)結(jié)果（F1處兩相短路）Fig.9 The results of amplitude differential criterion for CD segment when two-phase short circuit occurs at F1

當(dāng)微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，0.25 s時(shí)刻在CD段設(shè)置各種類型的故障。由圖9所得數(shù)據(jù)顯示，在故障前幅值差動(dòng)制動(dòng)量大于動(dòng)作量，保護(hù)算法可靠不動(dòng)作；當(dāng)0.25 s發(fā)生AB兩相短路時(shí)，算法動(dòng)作量遠(yuǎn)大于制動(dòng)量，保護(hù)可靠動(dòng)作，在發(fā)生三相短路和其他短路方式時(shí)，也均能得到此正確動(dòng)作結(jié)果。故障前后，兩端相位變化量也符合判據(jù)的動(dòng)作要求，驗(yàn)證了保護(hù)算法的有效性。

圖10 CD段相位變化量判據(jù)結(jié)果（F1三相短路）Fig.10 The results of phase criterion for CD segment when three-phase short circuit occurs at F1

表2 各種故障類型電流的相位關(guān)系Tab.2 The current phase relationship among the various types of faults （°）

當(dāng)PCC斷開與主網(wǎng)的連接，微網(wǎng)實(shí)現(xiàn)孤島運(yùn)行，依然是在0.25 s時(shí)刻設(shè)置同并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)所述的各種故障。通過對(duì)輸出結(jié)果的驗(yàn)證，保護(hù)算法依然適用，限于篇幅，此處不再給出波形圖。

5 結(jié)論

通過分析、總結(jié)交流微網(wǎng)保護(hù)面臨的諸多難點(diǎn)和特殊性，提出了采用電流量的綜合幅值和相位變化量構(gòu)建相互獨(dú)立的雙重差動(dòng)判據(jù)的集中式保護(hù)方案，且保護(hù)系統(tǒng)的通信架構(gòu)基于ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)。該微網(wǎng)保護(hù)方案具備以下優(yōu)點(diǎn)：

1）能很好地適應(yīng)微網(wǎng)雙向潮流特性以及多變的運(yùn)行模式；

2）借鑒“廣域”保護(hù)區(qū)域的劃分的方法，保護(hù)范圍擴(kuò)大，后備能力增強(qiáng)；

3）保護(hù)通信系統(tǒng)基于ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)，適應(yīng)微源即插即用的特性，安全性和抗干擾能力強(qiáng)；

4）通信信道中傳遞的信息量為電流綜合幅值和相位變化量判斷的邏輯結(jié)果，不需要進(jìn)行苛刻的采樣數(shù)據(jù)同步處理，減少了保護(hù)對(duì)通信的依賴和升級(jí)成本，實(shí)用性很強(qiáng)。

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