2.5 微电网的保护策略

微电网的保护手段主要是指当微电网发生故障时，能够快速定位故障位置，并能及时动作于故障，实现对故障的切除并恢复微电网的安全稳定运行。目前微电网的保护手段主要有自适应保护、过电流保护、差动保护、距离保护等。应该根据微电网运行特点选择不同的继电保护设备，由于微电网由离网运行和并网运行两种方式，因此要根据两种不同的运行特性选择不同的保护手段。

微电网的引入，对传统中低压配网的保护带来了挑战。首先，原本辐射状线路的单向潮流可能变成双向。其次，微网由于具有多DG，不同类型的DG提供的短路电流的能力与其控制策略有关，DG对短路电流的不同贡献使得保护整定计算更为复杂。另外，包括光伏电池、燃料电池这类逆变型电源，由于内部热过载能力较低，输出电流一般被限制为额定电流的2～3倍，很难利用故障电流进行故障定位。因此，微电网直接接入配电网，会改变配电网的结构与潮流流向，导致传统依赖过电流时限配合的继电保护技术容易误动或拒动。并且微电网保护也具有一定特殊性，它必须在微电网离网和并网运行时都能对故障做出正确响应。微电网的并网运行影响到配电网的故障电流，使原有的保护动作整定值不再适用，给重合闸带来了不利因素，同时也扰乱了基于重合器、分断器、熔断器等自动化电器的支线保护。

1．差动保护法

从保护设施方面看，微电网差动保护可通过多代理系统实现，也可通过数字式继电器实现，或利用智能继电器及控制网络辅助实现。从微网拓扑结构方面看，差动保护策略可适用于网状结构微电网，而闭环微电网的差动保护方法是根据故障分量幅值大小以及与负荷电流相位关系实现故障排查与定位。结合传统的差动保护方法设计微电网保护策略，可以降低保护系统的实施难度。微电网保护单元利用基于差动和对称电流分量的探测方法，可以快速可靠地检测到微电网不同类型故障电流，控制相应的断路器动作，隔离故障区域，以保护微电网。

差动保护需要配合通信网络才能正确处理微电网中复杂的故障情况，但是考虑到微电网的容量小、线路短，通信网络以及差动继电器的构建成本较高；而且通信网络由于易受干扰，必须增加充分的后备保护。微电网差动保护的优点是不受双向潮流和孤岛模式下小故障电流的影响，但通信系统一旦发生故障，需要有可靠的后备保护，通信设施的建设成本较高，系统或负荷不对称以及分布式电源并网和断开的过渡会给保护带来困难。差动保护的缺点是需要采集被保护线路两侧的电气量进行比较，信息传输量大且要求两侧信息量同步采集，采用光纤、载波通信或线缆等传输采集信息和保护判断信息，且对保护通信上提出的要求增加了保护的复杂性和投资。

2．过流保护法

配电网中的过流保护方法无法适应微电网的特殊性，必须融合新的算法才能确保其正常作用。不依靠通信进行保护固然可以提高保护策略的可靠性，但是同时增加的可编程继电器或者电压传感器仍将提高保护的成本，而且故障电压的采集容易受到微电网功率波动以及高阻抗接地故障的影响，过流保护需结合智能保护设备才能在微电网中发挥作用，因此目前并没有直接应用该方法作为微电网保护的应用实例。

3．距离保护法

受到分布式电源接入微电网的影响，阻抗继电器测量的故障线路阻抗要大于实际值，从而造成保护灵敏度下降、保护范围缩小，这种影响在离网运行时更加明显。距离保护通常用于线路保护中，距离继电器测量从继电器安装处到故障点间的阻抗，若故障发生在距离继电器保护区域内，保护装置动作，相应断路器跳闸。由于距离保护不依赖于故障电流幅值，一些学者尝试将其应用于微网中。由于阻抗继电器不具方向性，通过合理配置微电网结构，将保护装置装在两个分布式电源之间的线路中间，可以对这条线路的前半段和后半段进行保护，从而实现微网的保护功能。对于这类以测量阻抗作为故障判据的保护方案，谐波和电流暂态过程会给基波分量的提取带来困难，故障过渡电阻会给导纳的测量带来误差，能否准确检测故障电阻，会影响反时限导纳继电器的准确动作。在微电网中，储能、分布式电源以及负荷可以根据需要运行于并网或者离网模式，因此系统的线路导纳会发生变化，从而影响导纳继电器的动作时限，由于这种情况的存在，距离保护在微电网中较难适用。对于微网的不同运行模式和高阻故障等复杂情况缺乏考虑，还需要更全面论证才能证明其实际应用的前景。

4．方向比较式纵联保护法

基于方向比较原理的纵联保护，通过比较多点的故障方向信息综合判断出故障位置并采取相应的保护策略。该算法只以电流方向作为判断故障的依据，不依赖故障电流大小，只传送对故障位置的判断结果或有关信息，原理简单可靠。

5．外部设备辅助保护法

并网模式和离网模式下的故障电流大小有着极大差异，因此可以通过增加外部设备的方法，在微电网进行模式转换时增大或减小故障电流，使传统保护装置和保护策略得以保留。

6．自适应保护法

微电网存在并网和离网两种运行方式，分布式电源注入的故障电流被电力电子装置限制在两倍额定电流，离网模式和并网模式短路电流的大小和流通路径均有差异，分布式电源的“即插即用”功能导致微电网结构改变，某些分布式电源如风力发电、光伏电池发电的间歇性特点使之无法提供长期稳定的供电，这些因素导致了微电网故障电流的不确定性，依靠离线整定的保护定值和动作时间来实现故障检测和保护配合的方案无法应用于微网保护中，必须采用自适应保护，以适应微电网状态的改变。自适应保护方法的核心在于当微电网运行方式发生变化时，保护策略可自行更正与之不相适应的保护整定值。

在微电网中实施自适应保护，需要具备3个条件：配置数字化的方向性过流继电器；数字继电器能够通过远程通信或者本地操作更改动作门限值；利用标准通信协议构建自适应保护的通信网络。根据改变整定值的途径，自适应保护方法分成集中式与分散式两类。其中，集中式由保护系统的中央控制单元向数字继电器下发保护整定值，适用于节点数较少的小型电网；分散式由数字继电器本身的控制单元计算保护整定值，适用于节点数很多的复杂电网。自适应保护的实现手段可大致分为两类：一类是首先离线计算不同微电网运行模式下的保护整定值，然后采用某种方法区分微电网运行模式，并对继电保护整定值或保护策略进行修正，即离线整定，实时切换；另一类是实时监测微电网拓扑变化，动态计算故障电流，对保护动作值进行在线整定，此类保护方法能够响应微电网结构的改变，具有发展潜力。

自适应保护法对于通信网络的数据传输速率以及抗干扰性的要求很高；微电网的节点数越多，在线计算保护整定值产生的计算量就越大，对中央控制单元的处理能力要求越高；需要提前分析微电网运行状态及故障特征，构建保护整定值的离线专家库，而且微电网内各个节点的采样设备需具备等时同步功能。另外，自适应保护法可能面临以下问题：需要事先知道微电网所有可能的拓扑结构、大规模通信系统的建设成本较高、微电网不同运行模式下的短路电流计算较复杂等。

7．基于电压量的保护法

分布式电源在并网点处的电压容易受到微电网故障的影响，通过采集分布式电源的并网电压并从中提取特征分量可以对故障类型和位置进行判定。基于电压量的微电网保护策略有几个问题仍待解决：高阻抗接地故障引起的相电压突变量较小，导致无法根据电压量判断故障的发生；低压微电网的线路可能短至几十米，因而故障时相邻继电器之间的电压降落不明显。由于这些问题没有解决，此方法没有得到实际应用。

8．基于智能算法的保护法

微电网运行中的多样性决定了其保护策略的复杂程度，因此，可借助先进智能控制算法构建保护策略，如先用图论对微电网拓扑进行抽象，把系统内各分布式电源或负载节点抽象为节点，用最短路径算法确定各个继电器对电网稳定的影响因数，一旦微电网发生故障或者结构变化，则重新计算影响因数并更新继电保护的选择性信息。

智能算法的长处在于控制的鲁棒性较强，使保护策略能够灵活应对微电网的结构与状态变化，但是该类保护策略对于模拟量采集、通信速率和中央处理单元的要求较高，实时计算量较大，实施困难，目前还未有实际应用。

9．故障电流补偿法

微电网在离网和并网模式下的故障电流显著不同，导致传统的过流保护完全失效。一种技术路线是在微电网内部设置故障电流补偿设备，将两种模式下的故障电流控制在相近范围内，使得过流保护策略仍然适用。另一种技术路线是通过飞轮、超级电容器等功率型储能构成故障电流源，一旦离网微电网系统检测到故障，故障电流源便投入微电网并提供足够的故障电流，从而触发过流保护动作，切除故障后故障电流源退出微电网。

在微电网中专门配置储能设备构成故障电流源并能够输出足够的短路电流，其制造和运行成本均比较高。若利用微电网中现有的储能设备，不仅增加储能控制器的复杂程度，且需准确而迅速的孤岛及故障检测单元进行配合，因此在实际微电网系统中鲜有应用。

10．综合保护法

随着新能源和智能电网的建设，分布式电源结构在配电网络中越来越普及。但鉴于微电网诸如潮流双向流动、电网容量小等特点，使微电网的保护难度较大。根据微电网的应用特点，采用基于通信的微电网集中保护方案，并配置本地保护方案作为补充，可获得较为理想的保护效果。因此，对微电网保护的合理配置，建立科学有效的微电网保护方案是确保微电网可靠运行的基本保障。

分布式发电及储能元件在配电网中的应用，促成传统性配电网向主动性配电网转变。微电网在配电网中的运行，改变了电网系统的运行和故障特性，需要在配电网中应用相关的保护技术或措施。微电网的主要保护问题可分为以下3个方面：

（1）微电网配电系统保护

微电网并网运行，其中压侧发生故障时，主电网的故障电流可达额定电流的20～50倍，熔断器保护可在0.1～0.2s内快速动作；在低压侧故障时，故障电流约为额定电流的10～20倍，动作延时一般为0.5～1.5s。而独立运行微电网（由联网馈线断路器断开而进入独立运行），当中压侧发生故障时，产生的故障电流仅为额定电流的1.5倍左右，按照20～50倍整定的过电流保护根本无法动作。解决措施：联络变压器高压侧过电流保护设置两套独立的定值，且在微电网独立运行时，自动切换为低定值。微电网保护的过电流定值应能作为主电网故障的后备保护，但在独立运行模式下，由于故障电流变小，过电流保护整定值的计算配合非常复杂，因此在每个可隔离区域均采取差动保护方案以保证选择性。

发生故障时，传统保护主要基于因故障点不同而不同的故障回路电流，并按照上下级保护的动作时限不同，实现故障切除的选择性，电源侧可视为无穷大系统。但当微电网独立运行时，由于系统中微电源不能视为无穷大电力系统，并且微电网电源的阻抗比变压器阻抗大很多，因此当故障点由高压侧向低压侧移动时，故障电流的变化会相对较小，按照联网状态整定的过电流保护就会拒动或动作时间明显加长。由此可知，保护协调模块需要在微电网从联网向独立运行的转变期间，对过流继电器定值进行自动重新整定，或通过合理的计算选择适应两种运行模式的电流整定值。匹配并网和离网两种模式下故障电流水平的实用方法是在PCC点装设故障电流限制器，以使微电网从并网到离网运行的过渡更加平滑，但这将彻底改变保护系统的基本原理。

（2）微电源保护

微电源保护的重点是依据系统中的电压和频率实现保护的调节功能。微电网独立运行期间，特别是装机容量较低的微电网中，电压和频率参数的变化范围较大，所以可采取大的电压和频率偏差允许值。但是，若电压和频率偏差的初始整定值以保障系统设备安全为边界条件，则独立运行时不能扩大电压和频率偏差的允许值。

微电网中，当微电源容量与负荷容量相近时，宜停用相应的反孤岛保护，因为反孤岛控制在微电网系统电压和频率波动中会造成分布式发电的跳闸，形成电压和频率崩溃的连锁反应。防范的举措是由微电网中央控制器发出令反孤岛保护跳闸功能失效的闭锁信号。

自动切负荷是当微电网独立运行时，为防止因过负荷造成电压和频率的降低而切除部分非优先负荷。需求侧控制的作用是当微电网恢复联网运行时，自动将切除的非优先负荷恢复供电。自动按频率减负荷的定值是按微电网内允许的频率下降程度进行整定的，边界条件是优先负荷中频率敏感特性、系统内元件的安全频率等的最高允许频率值，并保证一定的裕度。

（3）配电变压器保护

在为中压/低压配电变压器设置继电保护方案前，必须计算变压器过电流保护是否适应故障电流水平较低的独立运行微电网，并且可实现继电保护定值在线实时修改，也可采用两套完全独立的保护装置在不同的状态下实行相互闭锁。