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user: 4. 国内外微网保护研究 根据上文的分析，显而易见需要研究的微网保护包括两个方面，其一是微网系统自身的保护，其二是接纳微网的配电网保护。国内外学者针对传统配电网运行管理特点和微网控制保护要求，对上述两个方面的微网保护开展了大量的研究。 4.1. 含微网的配电网保护研究 传统配网保护多以保护大电网安全为出发点，根据线路和用户负荷特点大致配有电流保护、过/欠压保护、过负荷保护、漏电保护、不平衡保护(断线保护)等。微网接入增加了原有配网拓扑结构的复杂性，其高渗透性的特点主要对线路电流保护产生较大影响。为此，国内外学者针对含有微网的配电网保护展开了大量的研究，提出了许多区别于传统三段式电流保护的方案：自适应电流保护、现代通信及量测技术下的广域保护、差动电流保护、距离保护、方向比较式纵联保护等等。 4.1.1. 自适应性电流保护 针对微网的并网和孤岛2种运行方式所带来的保护难点，许多学者提出了自适应电流保护。分布式电源注入的故障电流被电力电子装置限制在2倍额定电流，孤岛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，以适应微网状态的改变。在三段式过流保护适应性研究方面，以电流保护和其它简单无通道保护的改进应用为主，对过流保护进行重新整定调整，增加方向元件防止保护误动，必要时通过其它无通道保护形式满足保护“四性”要求。很多学者开始重视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。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网运行模式下的保护整定值，然后采用某种方法区分微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。 文献 [ 6 ] 提出了调整过流保护整定值和保护配合时限以适应分布式电源接入需求的配网保护整定方法，实现简单，但对拓扑结构变化的配网适应性较差；文献 [ 7 ] 提出一种保护整定值随DG功率输出水平、故障电流水平同进退的配网保护新策略，较好解决了保护适应性问题，但实际应用中对通信和计算速度均提出很高要求，实现较为困难；文献 [ 8 ] 提出了基于配电网电流正序分量相位变化的一种过流保护方案，该方案保护仅用一个保护装置就可同时保护双回线路，但是该方案在实际运用存在较大问题；文献 [ 9 ] 通过比较零序阻抗角度区分运行模式，并网运行时通过过电流保护实现故障检测，孤岛模式通过dq0电压检测故障，利用零序电流分量实现保护区域的区分。优点是无需通信，但仍存在一些技术难点，如继电器选择性、运行速度等问题，且保护方案的可行性尚待软件和硬件验证。文献 [ 10 ] 通过离线计算并网及孤岛模式下系统过流继电器的整定值并将其存储于继电器中，当孤岛发生时，继电器自动切换到相应的整定值。但是在实际应用中需要进行快速孤岛检测。文献 [ 11 ] 运用电压、电流故障分量实时计算系统和微网的阻抗，通过监测比较大电网和微网的阻抗修正继电器的动作特性，在故障发生后的2个周期内有效，仅适用于基于逆变型分布式电源的微网。自适应保护的另一类实现手段是实时监测微网拓扑变化，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网结构的改变，具有发展潜力。文献 [ 12 ] 提出基于故障电流方向判别的微电网自适应保护方法，将微网实时拓扑结构转化为树形节点路径图，采用树形节点搜索及节点路径算法对微网内保护装置的动作值及动作时限进行自适应整定，可有效跟踪网络拓扑结构变化而实时更改保护整定值，具有较好的自适应性。总体而言，上述保护对原有配网的改造较小，易于实现，能较好地适应微网并网容量不大，结构简单、固定的配网保护需求。但是上述自适应保护方案也可能面临以下问题：a) 需要事先知道微网所有可能的拓扑结构。b) 大规模通信系统的建设成本较高。c) 微网不同运行模式下的短路电流计算较复杂。 4.1.2. 广域保护 针对微网通信的难点，研究者们提出了广域保护，此处所述的广域保护是现代通信、量测技术下的广域保护应用。主要利用两个或多个站点测量信息实现系统保护，通过分布式智能(DI)控制方式完成数据传输。我们常用的“多代理(Agent)”方法即为其中一种数据传输控制方法。文献 [ 13 ] 提出一个具有三层结构的集中式差动保护控制概念和系统构架，将分层控制与差动保护相结合，实现配网闭环运行下的保护；文献 [ 14 ] 将配网分区，在每个区域内装配同步相量测量装置(PMU)，并通过一个集中的测控保护智能装置实现故障判断和保护动作；文献 [ 15 ] 采用“多代理”控制方式，将采样、通信、定值管理、保护决策等看作不同的代理，利用SCADA系统和各代理之间的协助配合实现配网保护。广域保护的应用会给配网保护带来质的飞跃，符合智能电网的发展趋势。但就现阶段而言，此类保护装置成本远高于电流保护、距离保护，我国配网还处于日益发展和不断扩张阶段，智能终端、高级量测系统和配网自动化的建立完善尚需时间。巨大的投资改造和变幻的外部环境使得此类保护的应用基础和时机尚不成熟，建议可在重要线路采用此类保护，并以简单可靠的差动保护作为首。 4.1.3. 差动电流保护 在传统广域保护方面，多数学者采用了差动保护。差动保护是反映从被保护元件各对外端口流入该元件的电流之和的一种保护，是最理想的保护原理，被誉为有绝对选择性的快速保护原理，它主要为了解决微网多电源结构所带来的微网潮流及短路电流的复杂性难点。从保护设施方面看，微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 [ 16 ] - [ 18 ] 。从微网拓扑结构方面看，文献 [ 19 ] 提出了适用于网状结构微网的差动保护策略，该方案能够迅速有效的保护微网，但是其计算比较复杂，难以满足实时性要求；文献 [ 20 ] 提出闭环微网的差动保护方法，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。微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。 4.1.4. 距离保护 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，能够很好的解决微网多电源结构带来的短路电流复杂的难点，一些学者尝试将其应用于微网中。文献 [ 21 ] 研究了分布式电源接入对继电保护的影响，并提出距离保护应用于配网保护中，该方案能有效解决方向过流保护保护死角的问题。文献 [ 22 ] 提出将反时限导纳继电器应用于微网保护。导纳继电器所测导纳与保护安装点到故障点的导纳有关，而与电流没有关系。故障点离保护安装点越远，继电器动作时间越长，越近则动作时间越短。该反时限继电器既可以作为本段线路的主保护，也可以作为相邻线路的后备保护。文献 [ 23 ] 提出将阻抗保护应用于微网保护的设想，介绍了一种基于负荷阻抗的反时限低阻抗保护，利用测量阻抗与最小负荷阻抗实现保护功能，无需通信，有较好的抗过渡电阻能力。由于阻抗继电器不具方向性，通过合理配置微网结构，将保护装置装在2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，从而实现了微网的保护功能。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，且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。 4.1.5. 方向比较式纵联保护 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，同样能够解决微网多电源结构带来的短路电流复杂的问题。文献 [ 24 ] 利用故障电流方向判断故障区域，克服了微网中因逆变器的限流控制导致叠加原理不适用的不足；同时也解决了微网中不同区域同时含有电源和负荷而导致故障后电流大小和方向不确定的难题(表2)。 4.2. 微网系统自身的保护 微网系统自身的保护研究是另一个重要的研究方面，微网可以作为一个独立的系统运行，因此其自身的保护也十分重要。通常情况下从相互关系和逻辑层次分，微网自身保护可分为公共连接点(PCC点)保护、内部干/支线保护和微源保护。文献 [ 25 ] 以此为原则，提出了分级保护的概念，根据保护区域重要程度不同，配置相应的保护策略。国内外此方面的保护研究也主要集中在上述三块保护的保护配置和保护协调上。 4.2.1. 公共连接点(PCC点)保护 PCC点的保护是微网保护的重要环节，既要能及时开断保护区域内的故障电流，也要防止非意向孤岛的存在。因此，此处保护应具备一般馈线保护的功能，也要配置相应的反孤岛保护。在馈线保护方面，PCC点通常连接上级变电站变压器低压侧和下级微网系统母线，潮流具有双向性，需在两个功率方向上均能使保护快速动作切除故障，故一般配置广域保护(主要是差动保护)。文献 [ 24 ] 采用了基本的进出线电流差动保护方式；文献 [ 25 ] 采用了收集各级断路器信息获取故障电流方向，判断故障位置的广域差动保护策略。在反孤岛保护方面，已有多种反孤岛保护在实际系统中获得应用，如远方跳闸保护、载波保护、频率保护、相位突变保护等。按对通信需求的不同大致可分为：基于通信的和基于本地信息的反孤岛保护。前者通过监控电网中所有可能导致孤岛形成的断路器(开关)的状态，判断是否处于孤岛状态并启动反孤岛措施，方法简单有效，但不够灵活，当网络拓扑发生变化时，可能失效，在实际工程中可以作为其它反孤岛保护的闭锁条件，以提高保护动作的灵敏性。后者又可分为被动式孤岛检测和主动式孤岛检测两种。被动式孤岛检测基于孤岛形成前后PCC点电气量的变化，判断有无孤岛产生，对电能质量没有影响，但检测时间长、门槛不易设定、检测盲区大；主动式孤岛检测通过控制分布式电源输出某个扰动，并监测系统的响应来判断非计划孤岛是否发生，检测盲区较小，但会对电能质量造成影响。 4.2.2. 微网内部干/支线保护 微网内部干/支线保护设置时应考虑双向潮流对保护的影响，也要尽可能采用一致的保护策略满足微网并网和孤岛运行状态下的线路保护要求。同时在此基础上，需从经济角度考虑，采用尽可能简单、方便的保护策略。在无通道保护研究方面，文献 [ 26 ] 提出了低压加速反时限过流保护，与方向判定元件配合，一定程度上能满足微网并网和孤岛运行状态下保护要求，成本低、易于实现，但难以适应复杂微网和未 Table 2 Comparison of protection of distribution network with microgri 保护 方式 优点 缺点 自适应性电流保护 根据运行方式、短路类型来自动调整保护整定值，对于不同的短路类型、短路相别和不同接线方式均有形同的保护范围，能够响应微网结构的改变。 需要事先知道微网所有可能的拓扑结构，成本较大，且微网不同运行模式下的短路电流计算较复杂，计算量大，可能导致保护不能及时动作。 广域保护 利用电力系统多点的信息，对故障进行快速、可靠、精确的切除。对含微网的配电网的复杂的短路电流有很好的处理能力，能够快速准确的切除故障。 成本远高于电流保护、距离保护，智能终端、高级量测系统和配网自动化的建立完善尚需时间。 差动电流保护 不受双向潮流和孤岛模式下小故障电流的影响，能够解决微网多电源结构所带来的微网潮流及短路电流的复杂性难点。 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。 距离保护 通过线路阻抗判别故障，不依赖于故障电流幅值，能够很好的解决微网多电源结构带来的短路电流复杂的难点。 短路时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。 方向比较式纵联保护 只以电流方向作为判断故障的依据，不依赖故障电流大小，能够解决微网多电源结构带来的短路电流复杂的问题；只传送对故障位置的判断结果或有关信息，能准确讯速的切除故障。 但是该保护方案设计复杂，需要比较线路两边的故障方向，成本较高。 表2. 含微网的配电网保护对比 来微网“即插即用”模式下的保护需求。文献 [ 27 ] 基于图论的思想，将微网分区分块，提出了基于各区域综合电流方向变化量的保护方法，但对网络拓扑结构变化的电网需要重新划区设定。文献 [ 28 ] 提出了基于Park变换的故障电压、电流分解实现故障类型判定的算法，以及基于对称分量法实现故障选相的算法，方法简单，但在不对称负荷运行下可能失效。在广域保护应用方面，多数学者采用了成熟的差动保护 [ 29 ] ，不同的是他们测量对象可能为正序、负序、零序电流的一种或多种，并选择幅值、方向、相位其一为判定条件，均具有较强的鲁棒性，为提高装置的可靠性建议采用电流突变量启动的方式。文献 [ 30 ] 提出根据收集各节点数据，实时计算系统阻抗、调整保护定值和逻辑功能、判定故障类别的方法，但其对数据实时性和容错率要求极高，不利于推广应用。文献 [ 31 ] 提出根据故障电流数据判别故障区域的方法，能根据不同运行状况自适应调整故障区域的搜索路径，在线路发生单一故障时能够有选择地正确动作，但对复杂的故障则不适用。还有学者应用多代理技术 [ 32 ] ，按保护装置功能不同设置馈线保护代理、电源控制代理、决策代理等，实现故障识别和故障定位，但其推广依赖于智能终端和广域测控系统(WAMCS)的普及。 4.2.3. 微源自身保护 微源按其并网形式可分为同步型电源、异步型电源(包括双馈机型)、逆变型电源。同步型电源和异步型电源故障时输出短路电流较大，故障初期可达5~10倍额定电流，其电源自身保护可沿用原有的过电流保护等策略。逆变型电源受制于电力电子元件的热稳定性，短路电流限制在1.2~2倍的额定电流范围内 [ 33 ] ，使得传统的电流保护不再适用。因此，一般配置电能质量保护，以电压、频率的偏差作为保护动作的依据，保护装置简单，对不同类型的电源均具有一定的通用性。也有学者针对逆变型电源，从逆变器的输出特性(主要是输出电压)分析，研究其保护策略。文献 [ 34 ] 使用继电器监测逆变型电源端口输出的电压，通过对电压的离散傅里叶变换和谐波畸变率分析，判断故障相和故障位置，其实现难度是谐波量的提取以及总谐波失真(THD)门槛值的设定和通信的同步。