《Energies》：A Fuzzy Coordination Method for Ground-Fault Protection Settings in LVDC Microgrids Under Grid-Connected and Islanded Operating Modes
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为解决传统反时限保护在并网与孤岛两种运行模式下的低电压直流（LVDC）微电网中适应性不足、快速性与选择性难以同时实现的问题，研究人员研究了一种TN-S接地单极性LVDC微电网。建立了两种运行模式下接地故障的统一数学模型，推导了接地故障电流及其变化率绝对值的解析
为解决传统反时限保护在并网与孤岛两种运行模式下的低电压直流（LVDC）微电网中适应性不足、快速性与选择性难以同时实现的问题，研究人员研究了一种TN-S接地单极性LVDC微电网。建立了两种运行模式下接地故障的统一数学模型，推导了接地故障电流及其变化率绝对值的解析表达式。基于推导的故障特性，选取故障电流变化率（FCRC）的绝对值作为保护特征量，并提出了一种引入模糊加速因子的反时限保护整定方法。通过采用模糊控制算法，该方法自适应调整保护动作特性，实现了并网与孤岛两种运行模式下保护参数的统一整定。仿真结果表明，所提方法能在不同运行模式下快速、可靠地清除接地故障。与传统反时限保护相比，该方法显著缩短了保护动作时间，提高了对馈线末端故障的灵敏度，并增强了保护方案对运行条件变化的适应性。
低电压直流（LVDC）微电网因其高效率、高质量供电及便于分布式能源接入等优势，在工业园、数据中心等领域得到广泛应用。该类微电网通常支持并网和孤岛两种运行模式，但接地故障是常见故障类型。由于直流系统无自然过零点，故障电弧难以熄灭，且直流母线滤波电容瞬时放电导致故障电流快速上升，对保护装置提出极高要求。传统反时限过电流保护在并网模式下故障电流大，孤岛模式下故障电流小，采用固定电流阈值难以同时满足两种模式下的快速性和选择性。此外，基于故障电流幅值的保护方案对故障位置变化适应性差，远端故障灵敏度不足。因此，研究人员亟需开发一种自适应接地故障保护方法，以统一整定参数并兼顾模式切换和故障位置变化。
针对上述问题，研究人员以TN-S接地单极性LVDC微电网为研究对象，开展了系统的接地故障保护整定方法研究。首先分析了微电网拓扑结构，并理论推导了接地故障电流及其变化率（FCRC）的解析表达式。研究表明，与故障电流幅值在不同运行模式下差异显著（并网峰值约4kA，孤岛约2kA）不同，FCRC的绝对值变化范围相对较小（并网峰值约4kA/ms，孤岛约3kA/ms），且具有更好的稳定性和一致性。因此，研究人员选取FCRC绝对值作为保护特征量，构建了反时限保护动作方程。为进一步提升适应性，引入模糊控制算法，设计了以FCRC绝对值为输入、模糊加速因子为输出的单输入单输出模糊控制器，动态调整反时限保护动作时间。该模糊控制器采用高斯隶属函数，将输入和输出分为四个模糊子集，制定了相应的模糊规则，实现了对不同故障严重程度的自适应响应。该研究发表在《Energies》。
在技术方法上，研究人员主要采用以下关键步骤：（1）基于电路理论建立故障等效模型，推导出快速和慢速放电分量的解析表达式；（2）设计模糊控制器，通过模糊化、模糊推理和解模糊得到模糊加速因子；（3）在MATLAB/Simulink中搭建LVDC微电网仿真模型，系统参数设定：额定电压750V，光伏（PV）单元额定功率5.3kW，储能系统（ESS）3kW，馈线长度30m（PV）和70m（ESS），导体截面积4mm
2，电阻率0.0172Ω/m，孤岛运行时储能负端经0.25Ω电阻接地。仿真设置金属性接地故障（电阻0.01Ω）于馈线远端（F1）、中点（F2）和近端（F3）三个位置，故障发生在1.2s，持续0.15s。在并网和孤岛两种模式下，对比所提模糊整定保护与传统基于固定加速因子的反时限保护的动作性能。此外，还验证了不同故障电阻（1Ω、100Ω、1kΩ）、不同馈线长度（50m、75m、100m）以及不同光伏容量（5kW~20kW）下的适应性。
研究结果部分详细展示了各类工况下的仿真对比结论：
4.4.1 不同运行模式下的保护整定结果
通过仿真对比，在并网模式下，对于远端故障F1，所提保护动作时间为0.835ms，较传统保护的1.181ms降低了29.3%；对于中点F2，动作时间0.816ms，降低29.9%；对于近端F3，动作时间0.782ms，降低31.0%。在孤岛模式下，F1动作时间从1.014ms降至0.659ms（降低35.0%），F2从0.949ms降至0.584ms（降低38.5%），F3从0.793ms降至0.385ms（降低51.4%）。结果表明，所提模糊保护显著缩短动作时间，且在孤岛模式下改善更明显，证明模糊加速因子能根据故障严重程度动态调整，特别增强了弱故障（孤岛、远端）下的灵敏度。
4.4.2 保护投入时的动态响应分析
在并网和孤岛模式下，对F1、F2、F3故障进行动态仿真，结果显示所提保护能在故障初期快速识别并隔离故障，限制故障电流峰值和能量积累，故障电流在动作后迅速衰减或出现短暂恢复（孤岛模式下电机回馈）。与传统保护相比，所提保护动作更快，故障持续时间更短。
4.4.3 后备保护性能与选择性验证
在主保护拒动情况下，比较所提方案与传统方案的后备保护动作。并网模式下，后备保护动作时间分别为F1:2.835ms、F2:2.816ms、F3:2.782ms，均严格大于主保护动作时间，且协调时间间隔保持2ms，满足选择性。孤岛模式下类似，确保主保护优先动作，后备保护仅在主保护失效时延迟动作，无越级跳闸。
4.4.4 不同接地电阻下的验证
在F1处设置1Ω、100Ω、1kΩ故障电阻，并网模式下FCRC峰值从877.88×10
-3kA/ms降至1.48×10
-3kA/ms，所提保护动作时间分别为2.588ms、4.092ms、4.166ms，比传统保护减少17.3%~18.4%；孤岛模式下，FCRC峰值从828.76×10
-3kA/ms降至1.49×10
-3kA/ms，动作时间分别为1.324ms、1.813ms、3.413ms，减少13.5%~22.1%。模糊加速因子在高阻故障时仍保持较高值（约12.15），有效补偿了弱故障特征。
4.4.5 不同馈线长度下的验证
馈线长度50m、75m、100m时，并网模式下所提保护动作时间从0.835ms增至1.104ms，而传统保护更长；孤岛模式下，50m时动作时间0.659ms（降低35.0%），100m时0.917ms（降低27.0%）。模糊加速因子随馈线长度增加自适应降低，维持了较好的快速性。
4.4.6 不同光伏容量下的验证
光伏输出从5kW增至20kW，并网模式下FCRC峰值略有上升（4.014至4.152kA/ms），动作时间从0.835ms降至0.735ms；孤岛模式下FCRC峰值从2.937升至3.624kA/ms（增加23.4%），动作时间从0.659ms降至0.626ms。模糊控制器根据FCRC调整加速因子，在低PV输出时仍保持高加速因子，确保快速动作。
在讨论部分，研究人员指出所提方案通过模糊加速因子动态调节，克服了传统固定参数保护在模式切换和弱故障条件下的局限，实现了快速性与选择性的协调优化。研究结论翻译如下：“本文针对并网与孤岛运行模式下LVDC微电网中传统反时限保护面临的挑战，特别是适应性有限以及快速性与选择性难以同时实现的问题，以TN-S接地单极性LVDC微电网为研究对象，系统开展了接地故障保护整定方法研究。提出了一种引入模糊加速因子的改进反时限保护方案，并通过理论分析和仿真研究验证了其有效性。首先分析了LVDC微电网的基本架构，然后理论研究了接地故障特性。基于推导的故障特征，开发了以FCRC绝对值为保护特征量的反时限保护方案，通过模糊控制算法根据FCRC大小自适应调整模糊加速因子，从而提升保护动作速度。仿真结果表明，所提保护方案能在并网与孤岛两种运行模式下快速且有选择性地隔离接地故障。本文仿真中保护动作时间仅包含核心反时限保护决策时间，未来工作将进一步量化并优化固态断路器开断时间、保护算法执行时间以及主后备保护协调时间间隔，以缩短总故障清除时间。当前阶段所提自适应模糊反时限保护算法已通过仿真验证，未来将建立基于智能断路器的LVDC微电网接地故障保护硬件实验平台，开展各种运行条件下的实验研究，进一步完善总故障清除时间的评估，并推动所提保护算法从仿真验证向实际工程应用过渡。”
