分散式電源併網保護

分散式電源併網保護是指：安裝於公共耦合點處的繼電保護措施，能夠檢測到主電網側（系統側）和分散式電源側發生的故障和其他各種異常情況，並及時將分散式電源與主電網隔離，避免危及主電網的正常運行或者損壞分散式電源裝置。併網保護包括防孤島保護、故障保護以及其他異常保護。

基本介紹

• 中文名：分散式電源併網保護
• 外文名：Interconnection Protection of DistributedResource
• 學科：電氣工程
• 領域：能源利用
• 套用：檢測和隔離系統及分散式電源故障
• 功能：孤島、故障保護，其他異常保護

背景

分散式電源廣泛接入配電網是智慧型電網的核心特徵之一。傳統的配電網是一個功率單向流動的無源網路，而大量分散式電源的接入對傳統配電網的拓撲結構、運行規程、控制方式和保護配置等都提出了很大的挑戰。與常規集中式發電不同的是，分散式電源具有容量小、數量多的特點，電網運行人員不具備對分散式電源單元的直接控制能力，這給配電網運行中的人身安全、設備安全、系統安全以及電能質量等都帶來了威脅。

為使配電網不直接面對類型多樣、數量眾多的分散式電源，需要針對分散式電源接入電網的公共耦合點研究、制定併網標準。併網標準使得電網公司僅需關注分散式電源與公共配電網的接口處，而無需關注公共耦合點內分散式電源單元的複雜性，從而建立更為清晰的保護與控制的配合界面。國際電氣與電子工程師協會於2003年發布的IEEE1547標準在國際上獲得廣泛的認可，並已經擴展成系列標準。歐洲委員會機電標準化組織於2007年出台了公共低壓配電網連線微小發電機的草案。在國家層面，英國於2010年發布了嵌入式發電接入公共配電網的標準。加拿大目前主要有兩個互聯標準，分別為2006年發布的《基於逆變器的微電源配電網互聯標準》和2007年發布的《分散式電力供應系統互聯標準》。從2010年起，我國國家電網公司先後發布了《分散式電源接入電網技術規定》《分散式電源接入配電網運行控制規範》及《分散式電源接入配電網設計規範》等。

配置併網保護是使分散式電源滿足併網標準的重要技術措施。已開發國家由於獨立發電商出現較早，較早就開始了併網保護研究。IEEE的繼電保護專委會於1990年發表了用戶側電源的併網保護研究報告IEEE 1547.2標準中明確了併網保護的安裝要求。國際大電網委員會組建B5.34工作組，對可再生能源與分散式發電對變電站保護與自動化的影響問題進行了專門研究。該組織在2012年又組建了聯合工作組JWG BS/C6.26-CIRED，於2014年發表了《含分散式能源的配電網保護》技術報告。電網公司也認識到併網保護的重要性，並開始制定相關規範。加拿大安大略省最大的電力公司Hydro one規定了併網保護的功能配置與要求。我國的國家電網公司於2014年發布了《分散式電源涉網保護技術規範》和《接入分散式電源的配電網繼電保護和安全自動裝置技術規範》。

在分散式電源發展初期，各國通過限制其併網容量來保證配電網的安全運行。但隨著可再生能源的快速發展，分散式電源滲透率水平不斷提高，併網保護才開始受到重視。這使得國內外對併網保護的研究較之對配電網保護和分散式電源內部保護存在較大的滯後性；而且，由於不同時期、不同地區分散式電源滲透率不同，以及分散式電源類型的多樣性和接入方式的複雜性，導致了世界各國對併網保護的具體要求存在較多差異性。

隨著我國用戶側分散式電源市場的全面放開，併網保護研究應獲得越來越多的重視。為此，對國內外的研究進行梳理，分析分散式電源併網保護的功能配置與性能要求，總結併網保護套用中的主要問題，給出可能的解決方案，提煉併網保護研究中的關鍵課題，對於併網保護的未來發展具有積極的意義。

併網保護的功能與配置

併網保護的定義

分散式電源併網保護定義為：安裝於公共耦合點處的繼電保護措施，能夠檢測到主電網側(系統側)和分散式電源側發生的故障和其他各種異常情況，並及時將分散式電源與主電網隔離，避免危及主電網的正常運行或者損壞分散式電源裝置。併網保護包括防孤島保護、故障保護以及其他異常保護。

1)對於直接接入到110kV及以上輸電網路中的分散式電源，其併網聯絡線已配置了完善的保護系統，不需要專門的併網保護。因此上述併網保護主要針對接入35kV及以下電壓等級的分散式電源。

2)併網保護既不同於分散式電源的發電機保護，也不同於配電網饋線保護，本質上是一種接口保護。上述3類保護的關係可見右圖。

饋線保護、併網保護與DR發電機保護的關係

其中包括斷路器A-D，併網保護安裝於公共耦合點的電網側，一般在併網變壓器的高壓側。

當分散式電源單獨接入系統時，併網保護功能可與分散式電源的發電機保護功能集成在同一套保護裝置中。隨著併網容量的增加，分散式電源通常以集群或微電網的方式接入配電網，且常包含嵌入負荷，此時則要求在公共耦合點處配置獨立的併網保護。這樣，電網公司可以無需關注分散式電源自身的保護配置，只對併網保護提出要求，從而簡化保護配合，適應今後大量分散式電源在多種層級的接入要求。

3)在標準IEEE 1547中，從反映系統側故障、防孤島以及電能質量等3個方面，給出了併網保護的核心功能要求。顯然上述要求都是站在電網的角度考慮併網保護的功能。而在標準IEEE 1547中，則要求併網保護在反映系統側故障的同時，還能兼顧分散式電源側故障。在實踐中，為分散式電源單元配置哪些保護功能主要由IPP根據自身要求決定，故併網保護依舊應以反映系統側擾動為主。

併網保護的功能

（1）故障保護

配電網發生故障時，分散式電源持續向故障點提供短路電流，這會給配電網一次設備、保護和重合閘帶來諸多不利影響。

首先，分散式電源的接入改變了配電網的短路電流幅值和分布特徵。兩個典型的影響是，如果分散式電源的公共耦合點位於饋線保護與故障點之間，那么該分散式電源的“禁止效應”會使流過饋線保護的短路電流變小，從而可能導致饋線保護拒動;而如果分散式電源的公共耦合點位於非故障饋線，則可能導致該饋線保護誤動。為了減少對配電網保護的影響，要求併網保護在配電網發生故障時能夠快速動作以切除分散式電源。

其次，架空線路故障主要為瞬時性故障，提高重合閘的成功率能夠顯著提高供電可靠性。但是，當配電網故障時，分散式電源的持續供電會使變電站或饋線重合閘的檢無壓重合失敗；即使滿足檢無壓重合條件，分散式電源持續提供的短路電流還會阻礙故障點滅弧而導致重合失敗，使瞬時故障變為永久故障；即使能夠重合，但由於分散式電源已與主電網失去同步，非同期合閘也會對斷路器、分散式電源以及負荷帶來很大衝擊。所以，併網保護必需在饋線重合閘動作之前及時退出分散式電源，一旦配合失敗則會導致嚴重後果。

除以上影響外，分散式電源的接入還會導致配電網設備損壞並產生過電壓，提供的故障電流會使饋線熔斷器過早熔斷。

（2）防孤島保護

當分散式電源與公共電網失去電氣連線時，出於系統運行、人員設備安全以及電能質量等考慮，目前世界各國的併網標準都要求分散式電源立即退出運行。導致孤島的原因有2類：一類因故障跳閘；另一類因非故障開關操作，包含人為誤操作。

這裡需要說明公共耦合點處的防孤島保護與分散式電源自身防孤島保護的關係。不同類型的分散式電源，其防孤島保護的配置要求有所不同。對於變流器型分散式電源，標準明確規定其控制器中需具備孤島檢測能力；對於不具有自勵磁能力的感應電機型分散式電源，其不具備孤島運行能力；而同步電機型分散式電源本身已配置有電壓/頻率保護，當孤島內有功、無功不能平衡時，機組會自動退出運行。因此同步電機和感應電機型分散式電源不要求設定防孤島保護。

這樣看來，似乎僅需為變流器型分散式電源配置防孤島保護。但是，電網運行人員仍希望在公共耦合點配置專門的防孤島保護。這是因為，在同一PCC下面可能包含多個類型的分散式電源單元，分別採用了不同的孤島檢測方法。例如，變流器型分散式電源多採用主動式孤島檢測，但是此方法在多變流器併網條件下，注入電網的擾動可能互相干擾而產生稀釋效應，使得檢測性能明顯下降;對於同步電機型分散式電源，在其出力和本地負荷基本匹配時，其自身的電壓/頻率保護有較大的檢測盲區。由於存在這些問題，在實踐中應評估分散式電源單元自身孤島檢測機制失效的機率和風險。在公共耦合點配置專門的防孤島保護，有利於提供更為完善的防孤島保護方案並方便校核，減少因分散式電源自身防孤島保護失效所帶來的安全隱患。

（3）其他功能

1)檢同期。當配電網故障切除、饋線重新供電後，分散式電源可以重新併入電網。但非同期重合會給電網設備和分散式電源造成很大的衝擊，因此併網保護必須配置檢同期繼電器，以確保線路不帶電。在允許計畫性孤島的情況下，分散式電源的重合情況有如下2種，否則只有第2種重合情況。

a)分散式電源與本地負荷功率匹配。當配電網F處發生故障時，饋線保護A動作切除系統電源，併網保護動作跳開斷路器B，分散式電源與本地負荷形成孤島。故障消除後，系統側A處重合閘先檢無壓重合。如果A重合成功，則併網保護進行同期並列，恢復聯網運行；否則，併網保護不回響。

b)分散式電源與本地負荷功率不匹配。F故障且饋線保護A動作後，併網保護動作跳開C、D，退出分散式電源，饋線重新供電後，併網保護通過分散式電源出口處的同期檢定即可併入分散式電源。

2)不平衡狀態檢測。當配電網中發生不對稱故障時，負序電流可能損壞同步電機型分散式電源，為此併網保護應配備負序過電流保護。

3)逆功率檢測。一些併網協定不允許分散式電源向主網負荷供電，此時併網保護中需要配置功率方向元件，檢測公共耦合點處的反向潮流。

併網保護的基本配置

併網保護的配置需要考慮分散式電源類型、配電網接地方式、併網規程等多種因素。右圖給出了小電流接地配電網中，同步電機型分散式電源的一種併網保護配置方案。

併網保護的常規配置方案

併網保護的相間故障檢測可以採用過電流保護、低電壓起動的過電流保護或者阻抗保護實現。而接地故障的檢測與配電網接地方式有關標準中明確規定分散式電源的接地方式應和電網側的接地方式保持一致。當配電網為大電流接地方式時，分散式電源不僅會通過故障相提供接地短路電流，還可能存在通過非故障相交換的故障電流，可採用定時限接地過電流保護和方向過電流保護進行故障檢測；而在小電流接地方式配電網中，分散式電源不會產生接地故障的饋入電流，此時應配置接地過電壓保護。

目前已提出的孤島檢測方法按照信號來源、是否有主動激勵可分為被動檢測法、主動檢測法和聯跳。聯跳方案可以最大程度消除孤島檢測盲區並提高檢測速度。但是，由於並非配電網中所有的保護動作或開關變位都會導致孤島，所以該方案需進行實時拓撲分析，並在併網保護與斷路器之間建立多對多的通信連線。如果考慮到配電網重構，聯跳的實現會變得更為複雜且不經濟。考慮到這些，被動檢測依然是重要的孤島檢測方案。該方案一般配置過/欠電壓保護和過/欠頻率保護，還可以配置頻率變化率保護、相位偏移保護。

併網保護的性能要求

繼電保護應滿足“四性”要求，併網保護當然也不例外。下面主要從可靠性和速動性2個方面分析併網保護的性能要求。其中可靠性包括可信賴性(即不拒動)和安全性(即不誤動)等2個方面。

故障保護功能

（1）可靠性要求

與饋線保護不同的是，根據標準IEEE 1547.2併網保護所反映的故障範圍應是整個配電網。但在實際情況中，故障點可能距離公共耦合點較遠，且公共耦合點內的分散式電源可能以非同步電機型為主，這會導致分散式電源所能提供的故障電流較小。此時，如果片面追求併網保護的可信賴性，會很容易失去其安全性。當配電網中分散式電源滲透率較高或分散式電源容量較大時，併網保護安全性的不足，會導致系統擾動時大量分散式電源脫網，從而嚴重影響配電網的穩定運行。

由上可見，基於常規保護判據的併網保護難以兼顧可信賴性與安全性。目前可以採用2種解決方法。一種方法是改進併網保護原理，如綜合採用電壓、頻率等多種判據；另一種方法是改造配電網保護，如按雙側電源要求完善饋線保護配置，並對配電變電站或開關站的母線保護進行校驗，若不滿足要求則配置快速母線保護。這樣配電網的故障可由饋線保護或母線保護快速切除，從而縮小併網保護所需反映的故障區域。但是，由於傳統配電網保護按照單向潮流配置，上述改造需要很大的建設與運維投入，需進行技術與經濟的比較。

（2）速動性要求

配電網發生故障時，為減少不利影響，併網保護應立刻動作切除分散式電源。

隨著分散式電源在配電網中滲透率的提高，分散式電源應在系統擾動時提供支撐作用。很多國家開始要求分散式電源應具備故障穿越能力，主要指低電壓穿越（LVRT）。LVRT能力的要求主要影響了併網保護故障檢測中電壓的整定值，以使在配電網發生故障或擾動後，公共耦合點處電壓在跌落到一定的範圍和時間間隔內，分散式電源可以不脫網。我國在新的併網規則中已經規定光伏發電站、風電場併網應具備LVRT功能，並在LVRT期間，應具有有功功率恢復和動態無功支撐能力。

綜合以上要求可見，併網保護的動作時間存在上下限約束。其動作時間下限取決於LVRT要求以及饋線保護和斷路器的動作時間，而動作時間上限取決於饋線重合閘時間。

防孤島保護功能

（1）可靠性

在實際套用中，需要根據分散式電源滲透率的不同，在防孤島保護的可信賴性與安全性之間做出折衷。例如，當分散式電源容量較小或分散式電源滲透率較低時，可以適當降低對安全性的要求，而將可信賴性放在首位，以確保人員、設備安全。反之，則要對防孤島保護的安全性提出更高的要求，防止因孤島檢測過於靈敏而導致大量分散式電源脫網，損害系統安全性。現有的被動或主動孤島檢測方案都存在缺陷，目前還不存在獲得世界各國廣泛認可的方案。

（2）速動性

當配電網的功率不平衡度很低時，孤島特徵不明顯，需要較長的檢測時間。我國標準要求最長的孤島檢測時間為2s。但是，孤島檢測時間的增加勢必會延長配電網重合閘的時間設定。如果經過校驗發現孤島檢測時間不能滿足重合閘要求，則應考慮配置聯跳方案，或者為配電網饋線重合閘增配檢同期功能，以作為孤島檢測失效的後備。

併網保護研究方向

決定併網保護的功能與性能要求的因素，首先是併網標準。所以，與併網保護相關的研究課題，首先來自於併網標準，其次才是保護原理的研究。

與併網標準相關的研究課題

由於IEEE1547標準制定時分散式電源滲透率較低，因此不鼓勵分散式電源參與電網的頻率和電壓調節。而隨著可再生能源的快速發展，分散式電源在配電網中的作用正從被動轉向主動，即從電網故障後被要求迅速退出運行，逐漸變為向電網提供輔助服務和動態支撐能力。反映在近幾年的併網標準的變化上，值得特別關注的問題主要是低壓穿越和計畫孤島。

1)兼顧系統和保護需要的低電壓穿越策略。

目前各國的併網標準中制定了各種各樣的LVRT曲線。LVRT曲線中的關鍵參數為電壓閾值。從對電網的動態無功支撐角度，該電壓閾值設定越低，分散式電源對系統的支撐作用越強。但從對配電網保護的影響角度，該電壓閾值的影響是非單調的。一般而言，加快故障饋線上併網保護的動作速度，減少對該饋線保護的“禁止效應”，有利於提高配電網保護的靈敏性。但是，如果進一步提高該電壓閾值，會使得健全饋線上接入的分散式電源快速脫網，流過故障饋線的短路電流反而由大變小。所以，如何根據不同配電網的實際情況，兼顧系統和保護兩方面的需求來最佳化LVRT曲線，是一個重要的研究課題。

2)適應計畫孤島的自適應保護與控制策略。

雖然現有標準都不允許分散式電源孤島運行，但隨著分散式電源容量的增加和微電網技術的發展，為了有效利用分散式電源的電源支撐作用，提高供電可靠性，很多國家開始重視對計畫孤島的研究。IEEE 1547.4中將計畫孤島稱為分散式電源孤島系統，即微電網，其對分散式電源孤島運行模式的設計、運行方面做出了較詳細的規定。

當允許計畫孤島時，分散式電源自身的防孤島保護可能會破壞孤島系統的穩定運行(尤其是孤島剛形成時)。對此，一種可行的解決方案是，當併網保護檢測到孤島，並判斷當前微電網具備孤島運行條件時，立刻閉鎖分散式電源自身的防孤島保護。另外，當發生聯網/孤島運行方式切換時，某些分散式電源單元需要迅速切換控制模式；同時，由於在孤島和聯網條件下，微電網內短路電流水平變化很大，保護定值也需做自適應調整。此時，併網保護的孤島檢測功能可以為上述控制模式和保護整定值的自適應切換提供信號。由以上分析可見，併網保護作為一種接口保護，不但具備故障保護功能，還可以在保證分散式電源孤島系統的安全穩定運行中發揮重要作用。

與保護原理相關的研究課題

（1）併網保護實現中的突出問題

目前，併網保護基於常規保護原理實現，在套用中存在如下突出問題。

1)故障檢測問題。分散式電源的大規模接入和變流器型分散式電源容量的不斷增加，使得配電網的故障特徵發生了很大變化，主要表現在：a)故障電流較小。例如變流器型分散式電源所提供的故障電流一般不超過1.5倍額定電流；b)在故障期間，變流器型分散式電源呈現電流源特徵，與傳統同步發電機的電壓源特徵相差很大；c)故障特徵還與變流器的控制策略(如是否考慮負序電流控制)存在很大關聯。以上這些，使得在併網保護的故障檢測方法中，不能完全複製基於同步電機理論得到的故障特徵。

2)孤島檢測問題。雖然已經提出了被動檢測、主動檢測和聯跳等方案，但目前還不存在獲得廣泛認可的方案。無源和無通道是繼電保護追求的重要目標，因為這可以將保護的問題限制在保護裝置自身。從這個意義上，被動孤島檢測原理應持續受到重視。但當功率不平衡度較低時，現有被動孤島檢測存在較大的檢測盲區，這函需得到改進。

3)整定計算問題。併網保護屬於多功能保護，實現中需要用到較多的保護元件。複雜的保護配置不但提高了裝置的成本，而且增大了整定計算的工作量。更為困難的是，由於分散式電源出力的隨機性和波動性，以及分散式電源類型、容量、併網變壓器接線方式、功率不平衡度以及配電網保護的配置等諸多因素都會影響到孤島檢測和故障判別，使得這些保護元件的定值難以整定。

基於機器學習的智慧型併網保護方案

常規保護元件僅利用一、二個特徵進行決策，從機器學習角度，可將其視為最為簡單的線性分類器(如電流、電壓、頻率繼電器)或非線性分類器(如距離繼電器)。但這種基於少特徵的保護原理難以應對併網保護的上述問題。

近年來，研究者越來越重視機器學習在保護領域的套用價值。與常規保護原理相比，基於機器學習的智慧型保護方案具有如下優勢：}突破了常規保護中單一繼電器的概念，能夠組合多個特徵進行模式識別；能夠從大量特徵中優選出最為有效的關鍵特徵組合；能夠從訓練樣本中自動找出最優定值。以上特點有助於同時改善保護的安全性與可信賴性，同時減輕了需要對常規保護中大量元件進行整定計算的壓力。

在完成特徵選擇後，需要選擇合適的分類算法。智慧型保護中常用的機器學習方法包括人工神經網路、決策樹和支持向量機等。但每種分類算法都存在歸納偏置現象，使得單一分類器存在精度和適應性瓶頸。

結論

為使大量分散式電源能夠友好地接入配電網，IEEE,CIGRE等國際組織和歐美國家都在積極制訂併網標準。在公共耦合點處配置併網保護是使分散式電源滿足併網標準的重要繼電保護措施。併網保護的功能主要包括故障保護、防孤島保護以及檢同期重合閘等。

併網保護既不同於分散式電源的發電機保護，也不同於配電網饋線保護，本質上是一種接口保護。所以，併網保護不僅要考慮保護設備和人員安全，還要充分考慮與配電網保護、重合閘以及分散式電源發電機保護的配合關係。而隨著分散式電源大規模的接入，併網保護還需計及配電網擾動時分散式電源對系統的支撐作用。

隨著分散式電源滲透率的不斷提高，人們對於分散式電源在未來智慧型電網中的作用的認識不斷加強。這也使得迄今為止，國內外對於併網保護的功能與性能的要求仍在變化且並不統一；分散式電源類型的多樣性和故障特徵的特殊性，使得基於常規原理構成的併網保護難以滿足可靠性與速動性的要求。以上說明，無論在併網標準還是保護原理方面，併網保護作為一種新型的繼電保護措施，都還需要投入大量研究。