基于EPON通信的微電網支路交軸電流突變量保護方法

董 博，王海玲，楊 帆

（上海電力學院，上海 200090）

0 引言

微電網保護的關鍵問題是微電網內含有廣泛分布的分布式電源（distributed generation，DG），使潮流可能雙向流動，同時并網、孤網模式下產生的故障電流差異較大，導致傳統繼電保護無法適應[1-3]。如今，大多數DG通過逆變器接入中、低壓配網，稱為逆變型分布式電源（inverter interfaced distributed generation，IIDG），而IIDG故障前后只能輸出正序電流，且逆變器中的限流作用使得故障后IIDG輸出電流被限制在2倍額定電流以下，這樣就使得很多傳統的基于電流幅值的保護方法不再適用。就現有微電網而言，為了保護IIDG在微電網發生故障時的安全，通常在IIDG的并網逆變器處安裝逆變器保護，使其在逆變器中電流超過限值時將IIDG切除。目前，逆變器保護裝置普遍設定為先于微電網繼電保護裝置動作[4]。該保護策略雖然既滿足了保護的選擇性，又確保了IIDG的安全，但是降低了DG的利用效率。因此，針對當前的微電網保護需要提出更加合理有效的微電網保護方案[5-7]。

目前，針對微電網繼電保護的研究大體分為兩種思路。一種是基于本地信息量的保護。文獻[8]提出了基于IIDG出口電壓變換的保護方法，通過電壓量進行故障識別，規避了因運行方式不同引起的故障電流差異較大的問題，但是微電網拓撲結構多變導致的保護自適應性問題沒有解決。另一種是基于通信信息量的保護。文獻[9]提出了基于圖論的邊方向變化量保護原理，通過電流變化量進行故障識別。該方案在應對雙向潮流的微電網保護問題具有良好的效果，但是只考慮到相間短路故障，忽略了最常發生的單相故障和最嚴重的三相故障。文獻[10]提出了一種微電網自適應保護方法，應用基于電流量的節點路徑算法對保護裝置動作時限自適應整定。該方法能夠比較好的應對微電網運行方式及拓撲結構靈活多變的保護適應性問題。

筆者提出了基于EPON通信的支路交軸電流突變量微電網保護方法?；趫D模型理論，定義微電網分割區域原則，將微電網實時拓撲結構轉化為有向節點圖?；谝蕴珶o源光網絡（EPON）來實現數據的傳輸，應用park變換提取支路電流交軸量，通過電流變化量保護算法獲得故障信息值，最終通過節點遍歷法進行故障定位與隔離。該保護方法能夠根據微電網結構變化自適應改變關聯矩陣，并且保護判據不會因為網絡拓撲結構變化而改變，具有良好的適用性[11-15]。

1 微電網的圖模型

1.1 微電網結構與控制方式的設定

微電網與傳統配電網相比結構復雜，運行與控制方式多樣，DG接入方式較為靈活，這些都會對故障電流產生影響。對于小電阻接地方式配電網，不同接地方式DG并網對接地故障電流的影響尤為復雜：DG采用直接或小電阻接地方式與不接地方式相比，各故障電流將明顯增大或減小，甚至從無到數百安培，將會影響系統原有接地保護與三相保護性能。因此，在討論微電網保護之前，需對微電網結構、運行與控制方式等進行設定：

1）微電網通過公共耦合點（PCC）與公共電網相連，能夠平滑切換并離網運行方式。網外故障時離網運行，網內故障時DG逆變器的保護裝置設定為落后于微電網保護動作。

2）并網變壓器處接地方式采用直接接地形式，DG的接入方式盡量采用四線接入形式，但是不允許在同一建筑物內出現多電源中性點同時接地，以防止產生雜散電流。當運行方式發生變化，要保障微電網內DG中性點的可靠接地。

3）設定微電網內DG能夠“即插即用”，DG的容量能夠保證微網的獨立運行，并且微電網的保護能夠適應維網結構的變化。

1.2 微電網簡化圖

微電網主要由DG、儲能裝置、配電線路以及負荷組成，并包含相應的繼電保護裝置、通信系統以及中央控制系統。由于微電網中存在多個DG，使得潮流可能雙向移動，所以本文在各饋線兩端母線出口分別配置帶功率方向的智能保護裝置（intelligent electronic device，IED）。圖1為微電網典型拓撲結構圖。

圖1 微電網典型拓撲結構圖Fig.1 Typical topology structure diagram of micro-grid

圖1 中配置IED的斷路器將微電網劃分成多個相關聯的不同區域，將其定義為分割區域，如圖2所示的虛線區域。劃分分割區域的原則為：若干個配備IED的斷路器圍成的區域視為一個分割區域；原則上分割區域內部不再含有斷路器；將配電網視為由并網斷路器圍成的分割區域。將微電網視為一種圖[11-15]，分割區域則視為圖的節點，配備IED的斷路器則視為圖的邊，將配電網指向線路末端的負荷或DG定義為有向邊正方向，由此將圖2簡化，形成有向節點圖，然后將節點和支路進行編號，形成的微電網有向節點-支路圖如圖3所示，它是一個17階的圖，節點集為Z={Z1Z2Z3Z4Z5Z6Z7Z8Z9Z10Z11Z12Z13Z14Z15Z16Z17}，有向邊集為E={e1e2e3e4e5e6e7e8e9e10e11e12e13e14e15e16}。

1.3 微電網的圖描述

考慮一含有n個節點和k條邊的微電網有向節點-支路圖D，通過關聯矩陣的形式來描述D，得到一個n行k列的矩陣，稱為微電網關聯矩陣M，本文將矩陣M的元素定義如下:

圖2 微電網的分割區域Fig.2 Partition area of micro-grid

圖3 微電網的有向節點-支路圖Fig.3 Node-branch graph of micro-grid

式中：i=1，2，…，n；j=1，2，…，k。

以圖3為例，微電網的關聯矩陣M為

微電網關聯矩陣描述了微電網分割區域與斷路器的聯系關系，若微電網拓撲結構發生變化，生成的關聯矩陣跟隨變化，保證了保護的適應性。

2 微電網的保護方法

2.1 微電網電流突變量保護原理

上文已經定義了微電網簡化圖中有向邊的正方向，為方便計算，實際測量電流的參考方向與有向邊的方向相反。以圖3為例，假設邊e0的電流從Z1流向Z2，則電流方向為負，反之為正。如此，當Z1節點發生故障時，邊e1的電流可能會：1）電流仍從Z1流向Z2，電流幅值減??；2）電流幅值為零；3）從Z2流向Z1。這3種情況可以理解為：故障后向故障區域附加了故障電流，抵消了故障前的支路電路。同理，當Z2節點發生故障時，邊e1的電流方向將保持不變且電流幅值增大。這也可以理解為故障后附加電流的流入增強了故障前的支路電流。結合關聯方向（電流有正負），易得判據：故障后電流大于故障前電流，則起點區域故障；故障前后電流不變，則表示沒變化或斷開；故障后電流小于故障前電流，則終點區域故障。

2.2 微電網電流突變量的獲取

本保護方案以電流的變化量作為保護判據，若直接用監測得到的電流變化量作為判據，由于存在高次諧波和頻率一致性等問題，在實際計算中可能產生較大誤差。筆者提出以交軸電流的直流分量作為電流判斷依據。所用電流量為a，b，c三相電流經Park變換得到的q軸電流量Iq在一個工頻周期內的平均值。交軸電流Iq計算如下：

圖4和圖5為兩相短路和三相短路時節點電流和交軸量的波形。

圖4 兩相短路相電流、Iq及Fig.4 Phase current of two-phase short circuit，Iqand

圖5 三相短路相電流、Iq及Fig.5 Phase current of three-phase short circuit，Iqand

由于采用電流變化量作為保護判據，那么判定數據要分別是正常運行時的電流和故障電流。首先，在各個IED中設置能夠容納三個周期采樣數據的寄存器，在任意時刻以隊列的形式存儲三個連續工頻周期電流互感器（CT）的采樣數據。寄存器處在常開的狀態，并且保護啟動或動作與否不應影響寄存器的運行狀態。在保護啟動后寄存器錄入下一個完整工頻周期CT采樣數據，如圖6所示。通常保護能夠通過少量采樣數據感知并啟動故障，故障發生至保護開放的延時一般不會超過一個周期。這樣寄存器中將會包含三個完整的連續采樣周期，如此，第一、三采樣周期僅為故障前負荷電流、故障電流采樣值，第二采樣周期則由故障前的負荷電流與故障電流的采樣值共同組成，如圖6所示。上述采樣數據與數據窗口選取的原則能夠確保求取故障前后電流變化量的采樣數據分別是正常運行時的電流和故障電流。

2.3 微電網電流變化量保護算法

圖6 保護寄存器數據存儲方式Fig.6 Data storage method in protection register

考慮一含有n個節點和k條邊的微電網有向節點-支路圖C，定義圖C的故障信息向量GF為

式中，gF·i為節點i的故障信息值。當大的微電網因運行需要或故障隔離而變為幾個獨立運行的區域時，該保護方案應能適應這種變化，并且對獨立區域可靠保護。同時，當故障發生在獨立區域內，其他非故障獨立區域的支路電流不會產生影響。如此，根據前述判據定義gF·i如下:

考慮到電路中的不平衡電流和諧波等影響，防止由于電流的微小波動引起計算的誤差，在通過變化量獲得gF·i時需要設置閾閥值，計及該情形，根據前述判據定義gF·i如下:

定義節點i的故障標志Fi為

則節點i內是否發生故障的判據為

從編號為Z1的節點開始遍歷，判定故障節點。定位微電網關聯矩陣M的行，將此行非零元素所代表的斷路器斷開，即可有效地隔離故障。

3 EPON通信

實現電流突變量保護需要電流采樣值（sample value，SV）快速、可靠的傳輸，已有方法是采用專用光纖通道或基于同步/準同步數字系列（SDH/PDH）技術的復用通道來實現，但在含微電網的配電網中架設專用光纖或SDH/PDH通信設備，性價比低且通信速率慢。而以太無源光網絡（EPON）具有高帶寬、低成本、易維護等優點，是現代配電網自動化通信主流方式之一，因此筆者采用EPON通信實現保護裝置的通信。

EPON是一種采用點到多點（P2MP）的單纖雙向光接入網絡結構，其典型結構如圖7所示。

EPON系統由中心側的光線路終端（OLT）、用戶側的光網絡單元（ONU）和無源光分路器（ODN）組成。EPON中在一根纖芯中傳送上下行兩個波段：在下行方向（OLT到ONU），OLT發送的信號將通過一個/多個1:n的無源分光器到達每個ONU；在上行方向（ONU到OLT），一個ONU發送的信號將只會到達OLT，而不是直接到達其他ONU。為了防止數據沖突并提高網絡利用效率，在上行方向采用時分多址（TDMA）接入方式并且通過OLT對各ONU的數據發送進行仲裁。

圖7 EPON系統結構Fig.7 Structure of EPON system

4 仿真分析

以圖1為例，在PSCAD/EMTDC環境下搭建微電網模型，配電網容量設為800 kVA，經過10 kV/380 V降壓變壓器接入微電網，線路電壓為380 V，頻率為50 Hz，線路阻抗 0.05+j0.01 Ω，單條線路長度0.5 km。負荷1-3分別為30 kW、45 kW、60 kW。DG采用PQ控制結構，控制環路中加設限流器，抑制DG輸出的短路電流，額定容量為46 kW。設0.5-0.6 s間負荷2處發生AB相接地故障，此時微電網部分波形如圖8所示。

將PSCAD仿真三相電流數據導入Matlab進行數據分析處理，依據式（5）與式（6）編程獲得故障信息向量GF與跳閘動作信號如表1所示。依據公式（7）編程獲得故障判定結果Fi為[-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-11-1]，F16為1，因此判定為節點16區域內故障，與實際情況相符，仿真正確。

5 結語

圖8 微電網兩相短路仿真Fig.8 Simulation of two-phase short circuit in micro-grid

表1 故障信息值計算Table 1 The calculation of fault information values

針對微電網繼電保護的需求，本文提出了基于EPON通信的支路電流變化量微電網保護方法。定義微電網分割區域原則，將微電網實時拓撲結構轉化為有向節點圖，基于以太無源光網絡（EPON）來實現數據的傳輸，通過park變換提取支路電流交軸量，通過電流突變量保護算法獲得故障信息值，最終通過節點遍歷法進行故障定位與隔離。該保護方法能夠根據微電網結構變化自適應改變關聯矩陣，并且保護判據不會因為網絡拓撲結構變化而改變，具有良好的適用性。