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摘 要：本文针对典型农村户用型微电网的保护技术开展研究，综合考虑并网和离网两种运行方式，分别提出了不同的保护配置方案。采用电流速断为主，限时电流速断和方向性电流保护为辅的保护配置方案以应对并网农村微电网故障，同时在离网运行时提出低电压保护方案，有效保证了农村户用型微电网的供电可靠性。基于PSCAD/EMTDC电磁暂态仿真平台，搭建典型农村微电网及保护仿真模型，对典型农村微电网并/离网保护方案进行仿真验证，结果表明保护配置方案合理有效，故障时保护装置均能准确动作并快速隔离故障，可为农村微电网的持续、稳定、安全运行提供技术支撑。
关键词：农村微电网；保护；运行方式
Research on Protections of Rural Household Microgrids
Gao Zhiqiang1，Han Shu2，Jing Hao1，Sun Zhongji1，Li Xuanyi1，Wu Xi3
（1. Hebei Electric Power Company Electric Power Research Institute， Shijiazhuang 050021， China；
2. State Grid Nanjing Power Supply Company Huaheng Electric co.， LTD， Nanjing 210008， China；
3. Southeast University， Nanjing 210096， China）
Abstract： The protections of the rural household microgrids are investigated in this paper. Considering the grid-connected and islanded operation modes， different protections including current instantaneous fault， limited current instantaneous fault， directional current and low voltage are designed respectively to ensure the reliability of power supply of rural microgrids. The protections are tested and verified based on PSCAD simulation platform， simulation results show the effectiveness of the protections， which can support the continuous stable and safe operation of the rural microgrids.
Keywords： Rural microgrids； Protections； Operation modes
1引言
在我国农村地区发展智能型微电网技术，利用微电网灵活的供电模式和运行方式，可解决农村供电能力不足问题，提升可再生能源的利用效率及农村用户的供电可靠性和电能质量水平[1-2]。但目前对农村微电网的研究多集中在规划设计、优化配置、协调控制等方面，关于保护技术的研究仍需进一步关注[3-4]。区别于传统配电网的单一形式电源、放射状结构，农村微电网在结构上发生了变化，其潮流分布和短路电流分布也随之变化，因此其故障特性也与传统配电网有很大差别[5-6]。主要差别可归纳为：1）潮流可双向流动；2）在并网与离网方式下发生故障时，故障电流差异很大。离网时由于变流器过流保护限制，分布式电源能提供的故障电流模值较小，传统的过流保护等难以适用[7-8]。本文针对农村户用型低压微电网保护技术开展研究，在并/离网运行方式下分别提出不同的保护配置方案，基于PSCAD/EMTDC建立详细的一次系统和二次保护仿真模型，在典型故障下验证所提保护配置方案的有效性。
2农村微电网保护技术
本文基于农村微电网的特点开展保护技术研究，针对并/离网运行方式提出不同的保护配置方案，为农村微电网提供充分的保护以应对故障，保证农村微电网的供电可靠性。
2.1并网农村微电网保护
并网农村微电网故障时，故障电流仍主要由配电网提供，数值相对较大，传统配电网的保护技术仍能适用，可参考传统配电网进行保护方案配置。针对农村微电网，采取以电流速断为主，限时电流速断与方向电流保护为辅的保护配置方案[5-8]，保护原理本文不再赘述，保护配置如图1所示。
图1保护配置方案
2.2离网农村微电网保护
离网农村微电网故障电流数值相对较小，传统电流保护已难以适用。考虑到发生故障时分布式电源输出端的电压跌落明显，针对农村微电网提出一种低电压保护方案，通过监测分布式电源电压的跌落情况配置保护措施[5-8]。
图2低电压保护示意图
农村微电网中各区域的电压不同，需将微电网划分为多个功率和负荷关系平衡的电压保护区域，并在每个区域内配置一个低电压保护装置。所配低电压保护装置能通过电压阈值的设定快速定位并识别故障，并切除故障。
低电压保护方案可按以下三步实施：
1）故障判断：检测q轴电压分量的扰动值VDIST是否为零，发生故障即不为零
2）故障类型判断：根据VDIST的波形呈现的不同特征辨识出故障的类型；另外整定值Vset的设定需考虑不同故障类型
3）故障位置判断：辨识出故障类型后，仍需判断故障点位置，以区分区外和区内故障，在无通信时，VDIST > Vset，判定为区内故障，保护动作；反之则为区外故障，仅故障区域内保护动作。 3仿真分析
建立典型农村微电网模型，如图3所示，在并/离网运行方式下分别进行故障模拟和保护仿真，验证农村微电网保护配置方案的有效性。
图3农村微电网仿真系统
3.1并网农村微电网保护仿真分析
在仿真系统中，通过控制元件在K1处设置ABC三相短路接地故障，故障起始时间设为2s，持续0.1s，动态过程仿真时间为10s，仿真结果如下：
图4 保护动作曲线图
在0～2s，仿真微网并网运行，其中各分布式电源运行在PQ控制模式；在2s发生三相短路故障时，优先断开微电网与配电网的公共连接点PCC以避免微电网使故障特性复杂化。由图4可知，流过PCC处的电流幅值在2s时发生剧增，达到了保护开关动作的整定值，保护开关B1打开，将农村微电网断开，隔离故障。
3.2离网农村微电网保护仿真分析
离网模式下，通过农村微电网中各分布式电源为农村用户供电，与上节类似，通过控制元件在K2处设置ABC三相短路接地故障，故障起始时间设为2s，持续0.1s，动态过程仿真时间为10s，结果如下：
图5故障类型判断
在0～2s期间，微电网孤岛运行，柴发运行在V/f控制模式下，其他分布式电源运行在PQ控制模式下；微电网在2s时发生三相短路故障，B2点处的电压降低，故障处电压扰动值波形呈现出纯直流电压波形，见图5，判断为三相短路接地故障，且VDIST > Vset，达到了保护开关动作的限定值，低电压保护开关B2动作，故障区域被隔离。由图6可知，低电压保护能快速切除故障，隔离故障区域，保证其他负荷的不间断供电。
图6低电压保护动作曲线图
4结论
本文详细研究了农村微电网并/离网保护配置方案，利用PSCAD平台对农村微电网保护技术进行了仿真验证，结果表明了保护方案的有效性。本文对农村微电网保护技术的针对性研究，有助于探索符合我国实情的农村微电网保护技术，利于推动微电网供电模式在农村供电系统中的发展，提升我国农村供电的安全性和可靠性。
参考文献
[1] 宋晓辉， 盛万兴， 史常凯， 等. 新农村电气化村典型供电模式[J]. 电力系统自动化. 2008（17）： 104-107.
[2] 孙钦斐，高婷婷，杨仁刚，等. 农村户用型智能微电网设计与实现[J]. 农业工程学报， 2013， 29（13）： 150-157.
[3] 柯人观. 微电网典型供电模式及微电源优化配置研究[D]. 浙江大学， 2013.
[4] 代凤仙. 分布式电源对配电网保护的影响分析及对策[D]. 天津大学， 2008.
[5] 周伟. 微电网控制策略与保护配置的研究[D]. 华南理工大学， 2013.
[6] 郭凯. 计及配电网影响的微电网线路保护研究[D]. 太原理工大学， 2012.
[7] 陈祎亮. 分布式电源的故障特性及其微电网保护原理的研究 [D]. 天津大学， 2010.
[8] 梁明辉. 微网故障特性分析和保护原理研究[D]. 华中科技大学， 2011.
关键词：农村微电网；保护；运行方式
Research on Protections of Rural Household Microgrids
Gao Zhiqiang1，Han Shu2，Jing Hao1，Sun Zhongji1，Li Xuanyi1，Wu Xi3
（1. Hebei Electric Power Company Electric Power Research Institute， Shijiazhuang 050021， China；
2. State Grid Nanjing Power Supply Company Huaheng Electric co.， LTD， Nanjing 210008， China；
3. Southeast University， Nanjing 210096， China）
Abstract： The protections of the rural household microgrids are investigated in this paper. Considering the grid-connected and islanded operation modes， different protections including current instantaneous fault， limited current instantaneous fault， directional current and low voltage are designed respectively to ensure the reliability of power supply of rural microgrids. The protections are tested and verified based on PSCAD simulation platform， simulation results show the effectiveness of the protections， which can support the continuous stable and safe operation of the rural microgrids.
Keywords： Rural microgrids； Protections； Operation modes
1引言
在我国农村地区发展智能型微电网技术，利用微电网灵活的供电模式和运行方式，可解决农村供电能力不足问题，提升可再生能源的利用效率及农村用户的供电可靠性和电能质量水平[1-2]。但目前对农村微电网的研究多集中在规划设计、优化配置、协调控制等方面，关于保护技术的研究仍需进一步关注[3-4]。区别于传统配电网的单一形式电源、放射状结构，农村微电网在结构上发生了变化，其潮流分布和短路电流分布也随之变化，因此其故障特性也与传统配电网有很大差别[5-6]。主要差别可归纳为：1）潮流可双向流动；2）在并网与离网方式下发生故障时，故障电流差异很大。离网时由于变流器过流保护限制，分布式电源能提供的故障电流模值较小，传统的过流保护等难以适用[7-8]。本文针对农村户用型低压微电网保护技术开展研究，在并/离网运行方式下分别提出不同的保护配置方案，基于PSCAD/EMTDC建立详细的一次系统和二次保护仿真模型，在典型故障下验证所提保护配置方案的有效性。
2农村微电网保护技术
本文基于农村微电网的特点开展保护技术研究，针对并/离网运行方式提出不同的保护配置方案，为农村微电网提供充分的保护以应对故障，保证农村微电网的供电可靠性。
2.1并网农村微电网保护
并网农村微电网故障时，故障电流仍主要由配电网提供，数值相对较大，传统配电网的保护技术仍能适用，可参考传统配电网进行保护方案配置。针对农村微电网，采取以电流速断为主，限时电流速断与方向电流保护为辅的保护配置方案[5-8]，保护原理本文不再赘述，保护配置如图1所示。
图1保护配置方案
2.2离网农村微电网保护
离网农村微电网故障电流数值相对较小，传统电流保护已难以适用。考虑到发生故障时分布式电源输出端的电压跌落明显，针对农村微电网提出一种低电压保护方案，通过监测分布式电源电压的跌落情况配置保护措施[5-8]。
图2低电压保护示意图
农村微电网中各区域的电压不同，需将微电网划分为多个功率和负荷关系平衡的电压保护区域，并在每个区域内配置一个低电压保护装置。所配低电压保护装置能通过电压阈值的设定快速定位并识别故障，并切除故障。
低电压保护方案可按以下三步实施：
1）故障判断：检测q轴电压分量的扰动值VDIST是否为零，发生故障即不为零
2）故障类型判断：根据VDIST的波形呈现的不同特征辨识出故障的类型；另外整定值Vset的设定需考虑不同故障类型
3）故障位置判断：辨识出故障类型后，仍需判断故障点位置，以区分区外和区内故障，在无通信时，VDIST > Vset，判定为区内故障，保护动作；反之则为区外故障，仅故障区域内保护动作。 3仿真分析
建立典型农村微电网模型，如图3所示，在并/离网运行方式下分别进行故障模拟和保护仿真，验证农村微电网保护配置方案的有效性。
图3农村微电网仿真系统
3.1并网农村微电网保护仿真分析
在仿真系统中，通过控制元件在K1处设置ABC三相短路接地故障，故障起始时间设为2s，持续0.1s，动态过程仿真时间为10s，仿真结果如下：
图4 保护动作曲线图
在0～2s，仿真微网并网运行，其中各分布式电源运行在PQ控制模式；在2s发生三相短路故障时，优先断开微电网与配电网的公共连接点PCC以避免微电网使故障特性复杂化。由图4可知，流过PCC处的电流幅值在2s时发生剧增，达到了保护开关动作的整定值，保护开关B1打开，将农村微电网断开，隔离故障。
3.2离网农村微电网保护仿真分析
离网模式下，通过农村微电网中各分布式电源为农村用户供电，与上节类似，通过控制元件在K2处设置ABC三相短路接地故障，故障起始时间设为2s，持续0.1s，动态过程仿真时间为10s，结果如下：
图5故障类型判断
在0～2s期间，微电网孤岛运行，柴发运行在V/f控制模式下，其他分布式电源运行在PQ控制模式下；微电网在2s时发生三相短路故障，B2点处的电压降低，故障处电压扰动值波形呈现出纯直流电压波形，见图5，判断为三相短路接地故障，且VDIST > Vset，达到了保护开关动作的限定值，低电压保护开关B2动作，故障区域被隔离。由图6可知，低电压保护能快速切除故障，隔离故障区域，保证其他负荷的不间断供电。
图6低电压保护动作曲线图
4结论
本文详细研究了农村微电网并/离网保护配置方案，利用PSCAD平台对农村微电网保护技术进行了仿真验证，结果表明了保护方案的有效性。本文对农村微电网保护技术的针对性研究，有助于探索符合我国实情的农村微电网保护技术，利于推动微电网供电模式在农村供电系统中的发展，提升我国农村供电的安全性和可靠性。
参考文献
[1] 宋晓辉， 盛万兴， 史常凯， 等. 新农村电气化村典型供电模式[J]. 电力系统自动化. 2008（17）： 104-107.
[2] 孙钦斐，高婷婷，杨仁刚，等. 农村户用型智能微电网设计与实现[J]. 农业工程学报， 2013， 29（13）： 150-157.
[3] 柯人观. 微电网典型供电模式及微电源优化配置研究[D]. 浙江大学， 2013.
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[5] 周伟. 微电网控制策略与保护配置的研究[D]. 华南理工大学， 2013.
[6] 郭凯. 计及配电网影响的微电网线路保护研究[D]. 太原理工大学， 2012.
[7] 陈祎亮. 分布式电源的故障特性及其微电网保护原理的研究 [D]. 天津大学， 2010.
[8] 梁明辉. 微网故障特性分析和保护原理研究[D]. 华中科技大学， 2011.