太阳能直流微电网的基于IEC 61850的自适应保护

《Electric Power Systems Research》：Adaptive IEC 61850-based protection for solar-powered DC microgrids

　　•用于太阳能直流微电网的自适应过电流保护，基于IEC 61850 GOOSE通信。
•继电器整定组根据电网状态和相邻继电器动作情况实时调整。
•可在部分通信覆盖条件下运行，降低基础设施成本。
•通过RT-Lab/Simulink仿真及OPAL-RT硬件在环测试，并采用Zenon软件进行验证。
•相比标准反时限过电流保护，在继电器故障情况下仍能实现更快、更具选择性的故障清除。

引言

过电流（OC）保护在直流微电网中至关重要，但直流微电网独特的故障特性——包括快速上升时间和高幅值——对传统保护方案构成重大挑战[1,2]。具体而言，基于太阳能的直流微电网面临特殊困难：逆变器加剧了故障电流的快速上升[3]，而分布式电源（DER）有限的故障电流注入能力使得快速故障检测变得困难[4,5]。

过电流保护需要高速动作和精细配合，以确保选择性和最小化停电范围（图1）。然而，直流系统对快速故障清除的迫切需求使得维持配合关系变得具有挑战性。选择性配合的最小时间间隔（Δt），如式(1)所示并在图2中说明，约为29毫秒[6]。在基于太阳能的直流微电网中，峰值故障电流可在仅2毫秒的极短时间内出现。因此，直流微电网中的传统配合方法在平衡快速保护动作需求与配合要求方面面临挑战。

现有的直流微电网保护方案通常存在局限性，例如仅适用于辐射状拓扑[7]、依赖专用硬件或故障电流限制整流器[8,9]，或在高阻抗故障方面存在困难[10,11]。虽然已有自适应过电流方法被提出[12,13]，但通常存在缺陷，包括硬件需求增加[14]、依赖SCADA基础设施[15,16]、通信系统成本高[13]，或对采样值报文和全面实时断路器状态的关键依赖[6]。这些问题凸显了对一种鲁棒、自适应且实用的保护方案的需求，该方案能够在动态直流微电网中利用部分通信基础设施高效运行[6,17]。表1提供了全面的文献综述。

Δt_min = t_TR + t_CBop + t_Arc + t_reset

为解决这些挑战，本文提出了一种利用IEC 61850协议进行通信辅助继电器配合的自适应过电流方案。该方案根据实时电网状态和相邻继电器动作情况动态调整继电器整定值。其关键贡献在于能够在部分通信网络覆盖下有效运行，仅需主继电器与相邻继电器之间的通信链路。这简化了基础设施，并在无法实现全面通信的情况下增强了微电网的整体韧性。

本文的主要贡献包括：
•实际实现：本文提出了太阳能直流微电网中自适应保护的实际实现方案，解决了直流系统特有的挑战，如故障电流快速上升时间和保护配合问题。
•自适应保护方案的集成：本文将自适应过电流保护集成到直流微电网中，根据实时电网和故障条件动态调整继电器整定值。
•下游继电器保护失效时的运行：本文引入了一种通过分析相邻和下游继电器运行状态来检测保护失效的方法，通过防止保护失效时的误跳闸确保可靠性。
•IEC 61850协议的应用：通过利用IEC 61850协议，本文实现了通信辅助的继电器配合，提高了故障检测和清除效率。
•通信网络要求的灵活性：通过仅需主继电器与相邻保护继电器之间的通信链路，可在部分通信网络覆盖下有效运行。
•通过仿真和实验验证：通过使用RT-Lab和MATLAB/Simulink的仿真，以及使用OPAL-RT实时仿真器和Zenon软件的实验测试，本文验证了所提集成方法的实际可行性。

所提方法在互联直流微电网中实现，该微电网由用户、光伏分布式电源和储能装置组成。所研究的电网如图3所示。该电网是基于IEEE 14母线基准网络[11,18]改进而成的。进行了实验测试以评估所提方法的有效性，结果与仿真结果一并呈现。

所提出的自适应保护采用基于分类的方法，为每个过电流继电器预先定义多个整定组。这些组的数量和参数由直流微电网拓扑结构和预期故障条件确定。继电器活动整定组的选择通过通信层面的实时信息交换动态进行。当检测到故障时，每个启动的过电流继电器分析其他继电器的运行状态，以决定是发出瞬时跳闸命令还是在配合延时后跳闸，如式(1)所规定。该决策过程整合了两类关键信息：直流微电网开关状态和相邻过电流继电器的运行状态。

电网运行条件涵盖多种因素，如拓扑结构、负荷和发电机状态、储能状态、断路器与隔离开关位置、系统接地方式和线路阻抗。这些条件深刻影响故障电流特性，需要自适应保护。

所提方法通过将最小故障电流差异小于10%的运行条件归为一组，对这些不同运行条件进行分类。这一经广泛仿真验证的经验阈值确保了鲁棒而细粒度的适应性。为演示目的，我们采用图3所示的基于太阳能的直流微电网，它是IEEE 14母线基准[11,18]的改进版本，具体参数详见表2，包括多电压等级和光伏装置。

所研究的直流微电网电压为±750 VDC（除母线B7和B8外），符合EU LVDC6002/95/EC指南[19]。对于B7和B8，电压等级为380 VDC，这是最常见的直流电压等级之一[20]。该电网在B1和B8两个点与交流系统连接。B1为平衡节点，容量为1.5 MVA，B8连接一台300 kVA同步发电机。B1处的电压源变流器控制直流电网电压水平，并以单位功率因数运行。所研究电网中的其他电源为太阳能光伏发电，分别位于B6、B3和B2，容量分别为500 kW、400 kW和300 kW。太阳能光伏电站通过DC/DC升压变流器连接到电网。太阳能电源包括光伏阵列，每串由二十个串联连接的模块组成。并联串数与电源容量相关。每个模块的最大功率为200 W，最大功率点电压为29 V。所研究直流微电网的接地系统为TN-S，与大多数指南推荐的接地方案相同[11]。

过电流方案是非单元式保护；因此，它没有明确规定的动作区。然而，为获得最佳选择性，继电器应以隔离故障区间并最小化停电范围的方式工作。因此，每个继电器的主保护区通常与上游或下游继电器的主保护区有少量重叠。例如，继电器R12、R23、R24和R25的选择性主保护区如图4所示，而每个过电流继电器的后备区与其下游继电器的主保护区相同。例如，R12的后备区与R23、R24和R25的主保护区相同。

根据R12的保护范围，最小故障电流将出现在主保护范围末端且距离R12继电器最远处。为考虑图3中直流微电网所有可能的开关状态条件，通过在MATLAB/Simulink中建模并仿真各种条件获得最小故障电流值，如表2所示。仿真中的逆变器由晶闸管D桥和晶闸管Y桥连接而成。逆变器配备内部直流故障保护和低压交流电压保护。表3还考虑了线路停运和电源停运的双重故障情况。

在图5和表3中，所有最小故障电流值被分类为不同的组，称为整定组。最小故障电流是指故障电流峰值。在传统过电流继电器方案中，仅取最小故障电流值作为继电器整定的主要参数之一。在传统方案中，该值为表3中所有值的最小值。

然而，在所提出的自适应方法中，定义了所需整定组的数量而非单一值。每个整定组代表差异小于10%的最小故障电流。这是一种公认的实践做法，即确保整定组内相邻故障电流值之间的差异保持在合理范围内，以维持保护方案的可靠性和有效性。选择10%的阈值来定义整定组是基于本研究中进行的仿真所获得的经验观察和见解。因此，根据表3和图5，为R12定义了七个整定组。最高最小故障电流为881 A。相邻组中两个最小故障电流之间的差异不应超过10%；因此，每个整定组的宽度定义为85 A。该整定组宽度导致定义如图5所示的七个整定组。

根据电网运行条件，继电器中任意时刻只有一个整定组处于激活状态。例如，第一个整定组在以下任一条件下激活：
•线路L15停运且所有电源运行，
•线路L25停运且S8断开，
•线路L25停运且S1断开，
•线路L23停运且S8断开，
•线路L23停运且S3断开。

在所提出的快速且选择性动作方法中，不是以确定时间配合继电器，而是每个过电流继电器利用其他继电器的动作信息做出决策。对于方向相同的继电器，下游继电器将其动作信息与上游继电器共享。对于方向相反的继电器，每个继电器将其动作信息与所有继电器共享，并利用下游继电器的信息。它同时利用相反方向相邻继电器及其上游继电器的动作信息。例如，考虑图3，继电器R12利用R23、R24和R25作为其下游继电器的动作信息。动作信息在故障发生前和发生期间连续共享，包括这些继电器的启动和返回状态。此外，R12将利用继电器R21作为相反方向相邻继电器的动作信息，以及继电器R32、R42和R52作为R21上游继电器的动作信息。根据图6，如果每个继电器被启动且相反方向相邻继电器被启动，则发出瞬时跳闸指令。所提方法适用于辐射状和网状微电网。图6为简化的辐射状拓扑，用于展示R1可能检测到的故障。

一般而言，在所提方法中，每个被启动的继电器按以下指令工作：
1.如果相反方向相邻继电器被启动，则发出瞬时跳闸指令。这种情况如图6(a)所示。
2.如果下游同方向继电器和下游反方向继电器被启动，则在式(1)规定的时间Δt后发出跳闸指令。这种情况如图6(b)和6(c)所示。
3.其他可能情况将被视为其他继电器的保护失效，并发出瞬时跳闸指令。例如，如果所有下游反方向继电器均未启动，则检测到保护失效。

所提方法的流程图如图7所示。开始时，过电流继电器通过GOOSE报文将其状态发送到通信网络，并接收其他过电流继电器的状态和直流微电网的运行条件。然后，根据接收到的信息选择整定组。之后，继电器利用测量电流判断其是否大于整定组阈值。如果该条件满足且相反方向相邻继电器被启动，则过程进入下一步。在下一步中，如果下游同方向继电器被启动，则发出瞬时跳闸指令。

然而，只有当反向继电器动作时，跳闸命令才会延迟发送。所提出的方法通过分析微电网中相邻和下游继电器的运行状态来检测这些继电器的动作故障。每个过电流继电器利用其附近其他过电流继电器的运行信息进行实时决策。如果上述状态1或2中的任一状态发生，表明保护系统故障，主继电器立即发出瞬时跳闸命令。例如，如果其中一个下游反向继电器动作，但相关的下游同向继电器未动作，主继电器将因检测到保护故障而发送瞬时跳闸信号。这种创新方法通过及时识别保护系统未按预期运行的情况，提高了电网可靠性，从而促进快速故障隔离并最大限度减少电网停机时间。GOOSE和采样值（SV）消息是IEC 61850中定义的两个主要特定通信服务映射。SV消息用于获取由互感器、传感器或测量单元测量的原始值。该服务将数字化的瞬态量传输为多播以太网帧，如一次电流和电压[21,22]。GOOSE消息是单向的、时间关键的，并且采用多播方式。多播消息特性使所有智能电子设备（IED）能够发送GOOSE消息，该消息可以携带二进制和模拟值，尽管它们主要用于指示参数状态的变化，如断路器状态。考虑到VLAN优先级，这些消息用于IED之间快速保护和控制信息交换。GOOSE服务适用于时间关键型应用，如保护功能。在所提出的GOOSE消息传输方法中，通信配置显示在图9中。高速运行要求促使所提出的方法利用高速通信基础设施。考虑到直流微电网的线路长度较短，光纤是通信网络的常见选择。提出的最低速率为100 Mbps，这在使用光纤有源设备（如网络交换机、路由器、同步数字体系（SDH）和准同步数字体系（PDH））时相当容易实现。考虑到100 Mbps的通信网络，GOOSE消息传输延迟可短至0.066 ms。然而，考虑到所选的安全算法，该延迟可能高达1.8 ms[21]。根据IEC 61850标准，应用安全算法不是强制性的。所提出的方法中的通信层与外部通信网络隔离。因此，为了提高通信速度，未在GOOSE数据包上实施安全算法（图8）。实验结果：采用OPAL-RT OP1400实时仿真器、RT-Lab和MATLAB/Simulink进行实时仿真，评估所提出方法的效率。为了仿真GOOSE消息的传输，即与相邻过电流继电器和电网运行状态相关的消息，使用了Zenon自动化软件。实验结果的测试平台配置显示在图9中，实施装置的实物照片显示在图10中。实时仿真的测试电网显示在结论：本文提出了一种创新且实用的自适应过电流（OC）保护方案，适用于基于太阳能的直流微电网，专门解决其独特的挑战，如故障电流快速上升。通过利用通信辅助的继电器协调、故障电流聚类进行动态设置组选择以及IEC 61850集成，所提出的方法显著提高了保护速度、选择性和整体故障管理。实时仿真证明了其CRediT作者贡献声明：Saeed Sanati：撰写-审阅与编辑，撰写-原稿，可视化，验证，软件，资源，项目管理，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。Maher Azzouz：撰写-审阅与编辑，验证，监督，方法论，资金获取。Ahmed S. A. Awad：撰写-审阅与编辑，验证，监督。Saeed Sanati（IEEE高级会员）是IEC TC95成员，加拿大安大略省专业工程师，加拿大魁北克城拉瓦尔大学兼职教授，以及加拿大安大略省马克哈姆GE Vernova公司首席架构与设计工程师。他于2013年获得伊朗沙赫尔罗德理工大学电气工程学士学位，2016年获得伊朗科学技术大学电气工程硕士学位，并获得电气工程博士学位。Saeed Sanati | Maher Azzouz | Ahmed S. A. Awad