福建电力职业技术学院

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  课题：《微电网的继电保护综述》

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开课时间    20##-2016（上） 

课程论文提交时间：   2015年   月   日

微电网的继电保护综述

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摘要：20##年7月国家能源局提出关于推进新能源微电网示范项目建设的指导意见，指出新能源微电网代表了未来能源发展趋势，是推进能源发展及经营管理方式变革的重要载体，是“互联网+”在能源领域的创新性应用，对推进节能减排和实现能源可持续发展具有重要意义。而微电网控制保护技术是是微电网的关键技术之一，实施微电网控制保护需要克服微电网系统运行灵活多变，扰动频繁等技术难点 。本文从微电网并网保护实施方案、微电网保护发展动态、微电网保护关键技术问题及解决渠道对微电网的继电保护进行论述。

一、微电网简介

随着经济的发展，社会对电力需求迅速增长，很多国家在很长一段时间都是把重心放在在火电、水电以及核电等大型集中电源和超高压远距离输电网的建设上。然而，随着电网规模的扩大，超大型的电力系统的弊端被逐渐呈显出来。如建设维护成本高，运行难度大，难以适应用户越来越高的安全和可靠性要求以及多样化的供电需求。尤其在近年来世界范围内接连发生几次大面积停电事故之后，大电网的脆弱性充分暴露了出来。为此有关专家提出研究分布式发电以应对大电网存在的问题。

分布式发电具有污染少、可靠性高、能源利用效率高、安装地点灵活等多方面优点，有效解决了大型集中电网的许多潜在问题。虽然分布式电源有诸多优点，可以解决大电网的一些潜在问题，但是分布式电源也存在很多的实际问题，例如，单机接入成本高，安全控制比较困难等。另外，分布式电源相对大电网来说是一个不可控源，具有间歇性，电网结构分散、运行方式复杂多变、稳定性弱等特点，因此大电网往往采取限制、隔离的方式来减小其对大电网的冲击。这使得大电网安全可靠运行与分布式电源的发展存在一系列技术上的矛盾。为协调大电网与分布式电源间的矛盾，充分发挥分布式电源的作用，20##年起各国有关专家研究提出微电网的概念。

微电网是相对大电网提出来的一个概念，是一种由负荷、微型电源、储能系统、控制保护装置共同组成的系统单元。一个成熟完善的微电网应该能够实现自我控制、保护和管理，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。微电网有利于增强局部供电可靠性，降低馈电损耗，支持当地电压，也可作为不间断电源。微电网可以有效解决了分布式电源的大规模接人问题，充分发挥了分布式电源的各项优势。微电网的具体结构会随着负荷等各方面需求而不同，但是基本单元应包括控制管理中心、分布式电源、智能化用户、储能设备和具有自愈（故障重构）能力的电网等，其中大多数微电源与电网的接口是基于电力电子技术，以保证微电网的灵活性和可靠性。微电网能实现内部电能和负荷的一体化运行，并通过和大电网的协调控制，平滑接入大电网或独立运行。

二、微电网的并网运行标准

关于微电网的并网国家或相关企业还没有制定相关标准，但已经有了一定的指导性文件和相关的规范。目前微电网并网运行主要使用的标准有：20##年国家电网发布的企业标准《分布式电源接入电网技术规定Q/GDW480—2010》、20##年12月通过审核的国家标准《微电网接入配电网调试与验收规范》、国家标准《微电网接入配电网测试规范》、20##年广西地方标准《微电网接入10 kV及以下配电网技术规范》，另外20##年7月《国家能源局关于推进新能源微电网示范项目建设的指导意见》分别提出了联网型新能源微电网项目技术要求和技术条件。这些标准及指导意见，对我国微电网技术应用的提出了建设实施标准和建设指导思想。

联网型微电网的主要技术要求：

1、最高电压等级不超过110千伏，与公共电网友好互动，有利于削减电网峰谷差，减轻电网调峰负担；

2、并网点的交换功率和时段要具备可控性，微电网内的供电可靠性和电能质量要能满足用户需求。微电网内可再生能源装机功率与峰值负荷功率的比值原则上要达到50%以上，按照需要配置一定容量的储能装置；在具备天然气资源的条件下，可应用天然气分布式能源系统作为微电网快速调节电源。

3、具备孤岛运行能力，保障本地全部负荷或重要负荷在一段时间内连续供电，并在电网故障时作为应急电源使用。

联网型微电网的主要技术条件：

1、与公共配电网具有单一并网点，应能实现联网和孤岛2种运行模式，根据所在地区资源特点、负荷特性以及电网需求和架构，可以具备上节联网微电网的一种或多种功能。

2、微电网接入110kV公共配电网，并网点的交换功率应≤40MW，微电网接入35kV公共配电网，并网点的交换功率应≤20MW，微电网接入10kV公共配电网，并网点的交换功率应≤6MW，微电网接入400V公共配电网，并网点的交换功率应≤500kW；

3、储能装置的有效容量由所希望实现的功能、负荷的日分布特性、孤岛运行时间以及电网调峰需求决定，应根据实际情况设计；

4、在具备天然气资源的条件下，可应用天然气分布式能源系统，作为微电网快速调节电源，为消纳高比例、大规模可再生能源发电提供快速调节能力；

5、具有从发电到用电的智能能量管理系统，具有用户用能信息采集功能和远程通信接口；

6、微电网与公共配电网并网，应符合分布式发电接入电力系统的相关技术规定；微电网供电范围内的供电安全和电能质量亦应符合相关电力标准。

三、微电网的并网运行保护方案

微电网接入电网时应具备的保护功能及其所应达到的要求，微电网接入电网后对电网原有保护的具有很大的影响，微电网的接入改变了电网的继电保护及自动装置的配合特性，使电网中原有的保护系统不能适用于于微电网接入后的电网，因此必须有新的保护控制方案。微电网的保护控制需要保证在孤岛运行和并网运行时保持相同的保护策略，或者是通过相应的手段使得保护模式能够实现在孤岛运行和并网运行之间进行安全、可靠、快速的切换。在设计和配置微电网保护时，微电网保护系统必须能够灵敏的感受电网侧和微电网侧的所有类型的故障，并且快速切除故障。如果故障发生在常规大电网侧，一般要求微电网保护能够尽快将微电网部分从大电网侧隔离以保护微电网运行的安全；而如果故障在微电网内部，微电网保护系统必须迅速隔离微电网中的故障，使得故障影响范围尽可能减小，而故障隔离时间不得超过0.1s。

微电网运行过程中必须向大电网提供微电网相关保护的配置和参数设置，以便于设计电网侧优化设计配套的保护。同时微电网的结构的不同、所接的微电源个数不同和电源性质的不同，风光等新能源组成的分布式能源，受天气条件制约不具备持续稳定的供电能力，经常进行投退操作，故障电流的大小还与分布式电源的工作状态有关，孤网模式故障电流较小时的这种现象尤其明显。配电系统发生故障时，微网内的分布式电源不用直接退出，而是转入离网模式运行，形成对负荷的不间断供电，因此对于并网型的微网，存在并网、离网两种运行模式。并网模式下故障电流由大电网和分布式电源一起提供，而离网模式下故障电流仅由微网内的分布式电源提供，两种模式下的故障电流差别很大。发生故障时微电网产生的故障电流大小会不断的变化。因此微电网保护系统其参数设置也应不断的变化，对于微电网保护系统要求定期的检查和更新保护系统的参数值以确保当前设置的数值能够适应当前大电网与微电网的运行情况。

而20##年国家电网发布的企业标准《分布式电源接入电网技术规定Q/GDW480—2010》中继电保护与安全自动装置的要求如下：

1、一般性要求

分布式电源的保护应符合可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求，其技术条件应满足GB/T 14285-2006《继电保护和安全自动装置技术规程》和DL/T 584-2007《3kV～110kV电网继电保护装置运行整定规程》的要求。

2、元件保护

分布式电源的变压器、同步电机和异步电机类型分布式电源的发电机应配置可靠的保护装置。分布式电源应能够检测到电网侧的短路故障（包括单相接地故障）和缺相故障，短路故障和缺相故障情况下保护装置应能迅速将其从电网断开。

分布式电源应安装低压和过压继电保护装置，继电保护的设定值应满足下表3-1的要求。

表3-1分布式电源的电压响应时间要求

分布式电源频率保护设定应满足下表3-2要求：

3、系统保护

通过10kV（6kV）～35kV电压等级并网的分布式电源，宜采用专线方式接入电网并配置光纤电流差动保护。在满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性要求时，线路也可采用“T”接方式，保护采用电流电压保护。

4、防孤岛保护

同步电机、异步电机类型分布式电源，无需专门设置孤岛保护，但分布式电源切除时间应与线路保护相配合，以避免非同期合闸。 

变流器类型的分布式电源必须具备快速监测孤岛且监测到孤岛后立即断开与电网连接的能力，其防孤岛保护应与电网侧线路保护相配合。

5、故障信息 

接入10kV（6kV）～35kV电压等级的分布式电源的变电站需要安装故障录波仪，且应记录故障前10s到故障后60s的情况。该记录装置应该包括必要的信息输入量。

6、恢复并网 

系统发生扰动脱网后，在电网电压和频率恢复到正常运行范围之前分布式电源不允许并网。在电网电压和频率恢复正常后，通过380V电压等级并网的分布式电源需要经过一定延时时间后才能重新并网，延时值应大于20s，并网延时由电网调度机构给定；通过10kV（6kV）～35kV电压等级并网的分布式电源恢复并网必须经过电网调度机构的允许。

因为微电网是由分布式电源和其他组成部分形成的一个微型电网系统，因此国家电网发布的《分布式电源接入电网技术规定Q/GDW480—2010》中继电保护与安全自动装置的要求中的部分内容同样适用于微电网。

近期国内相关专家在分析微电网接入配电网对现有继电保护模式的不利影响基础上，总结出了含微电网的配电网的保护策略，提出一个一种适用于含微电网的配电网的保护方案。所提出的保护方案包括：微网外保护方案、微网内保护方案、PCC点（公共连接点）保护方案。而北京四方、许继电气、南瑞集团分别提出了自己的微电网保护控制方案。北京四方的微电网保护控制方案示意图如图3-1所示。

图3-1 微电网保护控制方案示意图

四、微电网保护技术的研究现状

在20##年，国际电力可靠性技术方案协会的科学家提出了微电网保护对于微电网的安全运行是必不可少的，并提出了微电网保护配置与传统保护的配置的不同之处。之后大量的科学家和研究机构开始投入到微电网保护技术的研究当中。国际上美国、日本、希腊、西班牙纷纷投入微电网保护的研究，并建设了相应的试点工程。国内一些院校和企业也在对微电网技术进行深入的研究，如许继电气、北京四方、中国电力科学研究院、上海电力学院等。近年来，北京四方、许继电气、南瑞集团等企业也分别提出了新能源微电网项目实施的解决方案，并相继开发出相应的微电网产品，如能量管理系统、微电网并网控制装置、微电网保护测控装置等。微电网技术经过国内外大量的机构的研究，微电网技术日渐成熟，已经基本上渡过了幼稚期，逐步进入形成产业的“成熟期”。相20##年7月国家能源局也提出了建设微电网示范工程的指导意见，规范了微电网示范工程的建设要求，表明我国微电网的推广和研究从个别试点工程，向全国大范围试点推进。

关于微电网保护技术研究主要在以下几个方面：

1、微电网保护原理和方法的研究 

因为微电网存在一个或多个分布式电源的接入，使微电网系统的故障特征与大电网相比有很大的不同。传统大电网所采用的保护原理和方法已经难以直接应用于微电网，因此必须结合的微电网本身的特点，对传统保护原理进行改进或提出新的保护理论。目前可以应用于微电网中的保护原理按照故障检测的依据，一般可以分为：过电流保护、电压扰动保护、差动电流保护、方向纵联保护、阻抗保护等。而这些保护与传统保护相比需要做一定的改进，才能应用于微电网中。同时也有一些科学家在尝试研究一些新原理的保护。

2、过电流保护的研究

微电网接入一般都是选择与大电网的配电侧连接，而传统配电网由于馈线上不存在对侧电源，所以保护都是只考虑单向潮流，故障电流的方向都是从电网电源侧指向故障点，配置的过流保护不需要考虑方向性的问题。另外，不管是简单低压电网中的熔丝，还是配电网自动化中的馈线自动化，都是依靠检测电流超出限值来判断故障和隔离故障。微电网系统由于分布式电源接入，使得馈线对侧也存在电源，因此不能仅仅考虑故障时，大电网带来的故障电流，还应考虑微电网系统电源带来的故障电流，尤其是微电网系统容量越大这个影响越明显。简单便宜的熔丝因为微电网分布式电源的存在已经不适用，传统的过电流保护也不适用。一些研究者提出使用故障限流器或低电压加速反时限过电流保护来解决简单熔丝和传统过电流保护装置不适应微电网的问题。

  3、电压扰动保护的研究

国内外一些学者通过研究分析微电网故障时微电网内部分布式电源侧电压变化的特征，并将电压变化特征作为故障检测的依据，构成了电压扰动保护。但是这个保护的实现需要强大的通讯系统的支持，而且其在系统高阻抗时的有效性和在并网状态和离网状态的适应性还没有得到验证，需要做进一步的研究和测试。

4、差动电流保护的研究 

差动电流保护作为高压电网中的主流保护，具备很多优点。差动电流保护只需检测流入和流出保护区的不平衡电流，定值只需躲过最大不平衡电流，因此灵敏度更高；差动电流保护保护选择性好，将微电网划分为各个保护区域，差动保护通过判别区内区外故障，可以有效避免越级跳闸扩大事故范围的现象发生；差动电流保护间配合简单，各保护区域仅考虑最大不平衡电流，不存在需要通过定值实现各级保护配合的问题。

因此许多学者提出将差动保护应用于微电网中，并且通过验证差动电流保护在微电网中的应用具有较强的合理性。差动电流保护在微电网中的应用还需要考虑离网模式下微电网故障电流较小的问题。在微电网中当保护区域内部发生故障时，差动分量只与故障电流有关，制动分量则与负荷情况有关，在重负荷或高阻接地情况下，可能会出现由于故障电流较小、制动分量较大导致的保护拒动现象，因而必须采取措施提高差动保护的灵敏度。

5、方向纵联保护的研究 

基于方向比较原理的纵联保护，通过比较故障相邻区域多测点的故障方向信息, 能准确地判断出故障位置并采取相应的保护策略。微电网中采用不需要考虑负荷和分布式电源侧的电流大小，只需要根据故障电流方向判断故障是否存在。在方向纵联保护中通信系统传递的是保护动作信号及开关量，所以相对可靠、安全。目前方向纵联保护已经在分布式电源并网的系统得到较好的应用，其应用效果微电网可以借鉴。

6、自适应保护方案的研究 

微电网存在并离网两种模式，所接的分布式电源，尤其是风电和光伏发电无法长期连续供电，导致微电网中出现的故障电流也是一个变化值，传统保护在微电网中应用，必须实现各保护装置之间的相互通信，动态掌握微电网运行信息，实现对保护定值的在线自动调整，以适应微电网运行状态的变化。目前很多学者研究自适应保护应用到微网中的可行性和实现方法，并取得了众多的研究成果。国内部分企业已经研究出针对微电网的自适应型保护装置。自适应保护方案在微电网中的应用要有以下要求：1）高度可靠的通信系统既要保证保护装置在规定时间内的动作出口，满足保护的快速性要求，又要避免由于通信故障造成的保护误动和拒动，满足保护的可靠性要求。2）先进的智能设备，智能设备要实时采集微电网的信息，并通过对所采集的信息分析，判断当前微电网的运行状态，并选择相应的保护策略。

五、需要解决的关键问题

1、  需要寻找新的能够适应微电网运行方式的保护原理

上述研究成果虽然可以一定程度上解决微电网系统保护面临的一些问题，但是都存在着局限性，而且研究成果大部分仅仅是通过仿真得出的结论，需要实际运行经验的验证。例如采用限流器改善过电流保护，是通过减少故障电流，来获得保护的选择性，但是不可避免的牺牲了保护的灵敏性。所以需要研究一些新的保护原理以适应微电网的需求。

2、  需要研发自适应智能保护系统所需的智能设备

上述研究成果表明，自适应型保护是解决微电网保护问题的一项有效的技术措施。自适应型保护是基于可靠的通信系统和先进的智能设备，构成广域保护系统（面保护），通过布置在各关键节点的智能终端，广域在同一时间捕捉到微电网和配电网的实时动态信息，通过动态信息的分析反应电网的状态。但是目前国内对自适应型智能保护系统的智能设备的研究还处于研发阶段，还没有一个真正比较成熟的产品。

六、结论

依照20##-20##年国家能源战略行动计划，分布式能源发电技术将会越来越普及，微电网项目也必然会在这个时期得到快速的发展，形成一个新的产业。微电网的安全可靠运行离不开性能稳定的微电网保护装置。一套成熟的微电网保护方案需要满足微电网的运行特点和继电保护的“四个基本要求”。要实现微电网产业的快速成长需要对微电网保护技术进行更多更深入的研究。我们可以通过以下方法来加快微电网保护技术的快速发展。

1、通过大面积的试点工程来验证一些保护的在微电网中应用的实际适应性，这一点国家已经有了相应的实施计划，20##年7月国家能源局提出的关于推进新能源微电网示范项目建设的指导意见，就是加快微电网技术应用的理论验证的一个政策性的指导意见。

2、鼓励企业开展对自适应型保护的相关设备的研究及研究更加可靠、抗干扰的通信系统，并做好自适应保护技术的推广。

微电网是一个新的技术，也将发展成为一个新的产业，在由技术向产业的发展过程中还需要大量的科研研究和试点应用。

七、参考文献

[1] 赵上林,吴在军,胡敏强等.关于分布式发电保护与微网保护的思考[J].电力系统自动化,2010,34(1):73-77.

[2] 张玉海.微网保护分析与研究[D].山东大学硕士学位论文,2012.

[3]  国家能源局.国家能源局关于推进新能源微电网示范项目建设的指导意见.201507

[4]  国家电网公司.分布式电源接入电网技术规定Q/GDW480—2010

[5] 翟笃庆，吉小鹏，金强，吴家宏.微电网继电保护技术研究[J]. 2013第十四届全国保护和控制学术研讨会