《Scientific African》：Protection techniques in AC microgrids under DGER penetration : A comprehensive review and future directions
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随着可再生能源驱动的分布式发电(DG)的快速集成，传统电气网络正转变为去中心化的交流微电网。尽管这些系统提供了增强的灵活性，但逆变器主导资源的高渗透引入了显著的保护挑战。传统方案设计用于单向潮流和高故障电流，在微电网中往往因双向功率流动以及并网和孤岛模式下电力
随着可再生能源驱动的分布式发电(DG)的快速集成，传统电气网络正转变为去中心化的交流微电网。尽管这些系统提供了增强的灵活性，但逆变器主导资源的高渗透引入了显著的保护挑战。传统方案设计用于单向潮流和高故障电流，在微电网中往往因双向功率流动以及并网和孤岛模式下电力电子接口的有限故障电流容量而失效。文献中已提出众多策略来应对这些挑战。本文对近期交流微电网保护技术进行了全面综述，包括传统方法和基于自适应的方法。比较分析突显了每种方法在不同微电网运行条件下的优势、局限性和适用性。基于此分析，提出了关键见解和建议，以支持微电网保护系统的未来进展。
**Protection techniques**
**引言**
开关设备、电缆、变压器、架空线路及其他电气设备需要保护措施以避免在故障情况下遭受任何损害。故障的快速消除可防止设备达到临界水平。保护的目的不仅在于避免故障本身，更在于检测到故障后立即启动响应。一旦保护装置检测到网络中的故障点，便在不影响电网稳定性的前提下快速隔离故障。因此，可靠的保护方案在任何电气系统中都是必需的，无论何种情况，设计该方案的首要因素都是电网的架构和类型。
**交流微电网中的挑战**
在传统配电系统中，功率流为单向的，从发电厂流向用户。在这些配置中，采用过流保护装置来确保安全，因为故障位置与短路电流的幅值相关。近年来，由于基于可再生能源的分布式发电单元的集成，无源配电系统已转变为有源网络。这直接通过电流变化，间接通过系统频率和电压波形的不稳定性，影响了整个保护方案。
**对保护方案的直接影响**
• 断路器误跳闸：两个不同的故障案例说明了这一现象。在案例1中，馈线A的故障电流IF1等于IA加IDG，断路器CB4动作以隔离故障。而在案例2中，馈线B的故障电流IF2等于IG加IDG′，由于来自DG单元的反向电流(IDG′)，若DG单元注入的电流超过相应保护装置中的过流整定值，断路器CB2将动作。此问题被称为保护装置的误跳闸。
• 保护继电器遮蔽问题：故障电流(IF)由DG单元和电网共同馈入，等于IG + IDG1 + IDG2 - IB。由于DG单元的高渗透，电网电流(IG)无法达到相应继电器中的过流整定值，导致断路器CB1不动作以隔离故障区段。
• 选择性与线路保护：传统保护方案按区域运行以确保选择性，仅隔离故障区段而不干扰网络。这被称为“保护装置的保护区域”，基于线路阻抗识别。但有DG存在时，DG单元在母线B注入电流IDG，继电器R1测量的故障阻抗将高于无DG单元时的情况，这可能误导保护装置认为故障位于其覆盖保护区域之外。从继电器位置来看，故障被推离其实际位置，这导致了欠范围(under-reach)问题。
• 变流器控制的故障电流：由于电力电子变流器，特别是半导体器件对电气参数(电压和电流)的敏感性，无法承受高于额定值的数值，故障电流受到控制和整形以保护电力电子器件。因此，DG单元注入的电流被限制为：电网跟随(grid following)逆变器为1.2 pu，电网构成(grid forming)逆变器为4 pu，相较于额定功率，传统保护装置可能无法检测或难以检测。
**对保护方案的间接影响**
• 通信：研究人员提出了不同形式的通信解决方案，如多代理系统和中央通信。微电网各部分之间，特别是保护装置、DG和公共耦合点(PCC)之间的通信，使保护装置在不同场景下具有更大的灵活性和适应性。然而，这些优势取决于通信链路的质量。这引入了新的挑战和复杂性：通信延迟、同步、重新调整时间、网络安全问题、虚假数据注入、通信中断以及升级现有设备的成本挑战。
• 故障穿越：也称为低电压穿越，是故障情况(低电压情况)下电网稳定性的重要特性，要求有功发电机必须保持连接和稳定。该特性防止发电机瞬时断开，维持电网稳定性。对于电网跟随(GFL)逆变器，该特性难以响应，逆变器可能突然断开，对其它保护装置造成困惑，导致因继电器整定值未调整而误动作。
• 电压和频率平衡：系统频率和微电网每一条母线的电压值在保护继电器计算和测量中发挥重要作用。DG集成后面临更多挑战，例如孤岛模式(IM)下负荷变化时的电压-频率不稳定，功率需求突然增加或因DG单元间歇性导致的发电量下降会引起电压-频率急剧下降，相反情况下则会出现过电压-频率。此外，在含多个DG单元的IM微电网中，由于逆变器间在电压-频率控制中的协调不当或失步，可能导致电压-频率振荡。这给传统保护方案带来误操作的高风险。另一方面，并网模式(GCM)下这些因电网持续控制和双向功率流动而不存在。
**现有技术与解决方案**
一个有效的微电网保护方案必须能够在尽可能少的干扰下清除故障并隔离故障，确保系统在存在扰动时仍保持稳定性和可靠性。近年来，为满足日益复杂和可再生能源丰富的微电网需求，提出了广泛的保护和控制策略，包括先进的过流保护方案、增强的线路和纵联保护技术，以及协调的电压和频率调节方法。表1、表2和表3对比较了所提出方案的目标、方法、优势和局限性，涉及模式适用性(MA)、测量类型(MT)、通信需求(CR)、同步需求(Sync)、逆变器类型(IT)、检测时间(DT)、故障类型(FT)、过渡保护(TP)、通信故障恢复力(CFR)、低故障电流检测(LFCD)等特性。
**Comparative analysis and future directions for microgrid protection**
**引言**
基于可再生能源的电力电子接口分布式发电的快速集成已从根本上改变了电力系统的理念，特别是大规模风电和光伏逆变器资源，表现出低故障电流水平、双向功率流动、高谐波污染和高度非线性运行条件(电压-频率变化和外部扰动)。这些特性挑战了为传统电力系统设计的传统保护方案的有效性。因此，大量研究工作致力于开发先进的保护和智能控制方法，以确保系统在上述条件下的可靠性、稳定性和弹性。保护方案必须准确检测和隔离故障，尤其是在存在扰动的情况下，这对保护继电器提出了高度复杂性和难度。这些解决方案在方法论原理、通信链路要求、计算复杂度和实际适用性方面存在显著差异。
**过流和接地故障保护**
表1中的研究解决了逆变器资源(IBR)集成对保护方案的挑战，探索了创新解决方案，如基于状态观测器的滤波器(粒子和无迹卡尔曼滤波器)、机器学习模型(支持向量机和递归神经网络)、用于暂态分析的高散小波变换(DWT)，以及利用边缘计算的多代理系统，以确保在不同运行状态下的快速、灵敏和选择性故障检测。按关键优先级分类分析如下：
• 检测和动作时间：分为超高速、标准速度和重延迟三类。基于TKEO的方案在故障检测中最快，为0.1 ms至0.3 ms；NSSIA技术次之，小于1 ms；DRMF为4.5至5 ms；UKF为5.1至6.9 ms；DWT差动为1.1至6 ms。这些类别最大动作时间在半周期内，适用于低故障电流耐受能力的逆变器主导微电网。在第三类(超过半周期)中，边缘计算方案因通信和同步报告最差延迟为37 ms；多代理系统动作时间为14 ms至840 ms。
• 高阻抗故障(HIF)和低故障电流灵敏度：边缘计算-时域能量方法可成功检测高达10 Ω的故障，对HIF极为敏感。中等灵敏度方面，DPSAA的ROC达800 Ω，DWT达300 Ω，UKF和PF+RNN分别限于200 Ω和80 Ω。低灵敏度方面，MAS限于1 Ω，对HIF故障不具鲁棒性。
• 通信依赖：TKEO方法不依赖通信，仅基于本地测量，适合远程系统。DRMF、UKF和PF+RNN方法基于三个相邻继电器之间的本地化通信。而SVM和MAS完全依赖通信协议，通过中央控制器单元实现全系统数据交换。
• 复杂度和计算负担：轻量级方法最快(TKEO/NASSIA)，中量级为标淮速度方法(DRMF/DWT/UKF)，高量级方法(SVM/PF+RNN)因神经网络训练和复杂状态观测需要高性能控制器单元而动作时间较长。
• 扰动恢复力：PF+RNN和UKF专门设计用于滤除测量噪声，DWT对CT饱和更具鲁棒性。MAS方法对拓扑变化和微电网可扩展性最有效，利用叠加原理自适应计算不同拓扑下的启动电流整定值。所有智能方法通过谐波或序分量处理，对IBR限流故障电流具有鲁棒性。
**距离保护**
表2中的工作解决了IBR对距离保护的影响，探索了多种弹性和自适应保护策略，如基于交互功率的时域方法以区分内部和外部故障，形态相似度距离用于量化波形模式，集成智能方法实现快速故障检测/定位。按约束分类分析：
• 检测和动作时间：交互功率差方法最大检测时间15.8 ms，EMD-GAF和ANN约4至5 ms，小波方案17.7 ms，MSD纵联12至24.4 ms，协作广域共识25 ms，动态频率估计184.5 ms，控制协调最慢为354 ms。
• HIF和低故障电流灵敏度：戴维南补偿在HIF条件下正确运行至500 Ω，灵敏度最高；交互功率差和MSD纵联达300 Ω；其余方法(EMD-GAF/ANN、小波、QCOIS)限于10 Ω。
• 通信依赖：戴维南补偿、EMD-GAF/ANN、动态频率估计和QCOIS为纯单端，无需通信链路。交互功率差和闭锁式距离方法低依赖，仅传输二进制方向结果。协作广域共识、MSD纵联和小波方法需要高带宽点对点或中央通信交换实时数据。
• 复杂度和计算负担：时间/闭锁协调最简单，利用现有继电器；MSD以1.2 kHz低采样频率保持中等复杂度。EMD-GAF/ANN因二维视觉编码和大量离线训练负担极高；MUSIC算法涉及密集奇异值分解(SVD)和Toeplitz矩阵构造；交互功率需要求解高阶方程建立解析模型。
• 扰动恢复力：MUSIC算法对频率偏移(35-65 Hz，典型DFIG撬棒激活)具有独特鲁棒性；MSD因依赖形态波形形状而非峰值基波幅值，对CT饱和和噪声高度弹性；EMD-GAF和ANN在20 dB SNR噪声环境下保持99.5%精度。
**电压-频率影响**
表3比较了高IBR注入下故障期间电压和频率控制的关键性能。按关键性能分类：
• 检测和动作时间：带虚拟复阻抗的改进下垂和更高阶滑模控制响应最快。改进下垂在小于1 ms内实现电压再同步，HOSM控制在60 ms内恢复额定电压。分布式随机深度强化学习(DSDRL)在170 ms内实现，智能PSO-Fuzzy/INN在180 ms内实现。DNN软切换需100 ms恢复额定波形。
• HIF和低故障电流灵敏度：瞬时电流限制器检测到限流控制降低故障电流贡献，可能影响传统过流保护运行，尤其在HIF场景；同步参考系对峰值电流抑制最有效。PSO-Fuzzy/INN和去中心化修正下垂函数利用储能系统在低电流情况下提供缓冲，维持检测的系统弹性。序分解限流控制专门设计用于在严重扰动期间最大化正序电压。
• 通信依赖：去中心化MDF、HOSM控制、改进下垂和瞬时电流限制器仅依赖本地测量。DNN软切换、自适应多代理共识、DSDRL和动态功率补偿完全依赖通信链路。
• 复杂度和计算负担：DNN软切换、DSDRL、PSO-Fuzzy/INN、动态功率补偿和自适应多代理共识需要大量离线训练或高维优化，计算密集。去中心化MDF、HOSM控制、改进下垂和瞬时电流限制器使用基本数学运算，适合低成本硬件。
• 扰动恢复力：故障穿越方面，序分解和瞬时电流限制器确保故障后稳定再同步。DSDRL和DNN软切换对通信噪声和随机时间延迟最具弹性。多变量PI控制器消除2.2%输入电流变化引起的扰动。PSO-Fuzzy/INN和去中心化MDF关注太阳能/风能源的随机性和负荷突变。
**结论**
微电网技术是实现可持续和弹性能源未来的可靠解决方案。本文全面审视了微电网技术，涵盖基于可再生能源的DG对保护方案的挑战及解决方案。IBR表现出低馈入特性并引入非线性参数，传统过流和距离继电器无法完全满足现代微电网需求。通过集成从初级下垂策略到二次恢复的分层控制结构，结合先进信号处理和机器学习，现代系统可以在准确识别和清除故障的同时维持关键电压和频率稳定性。然而，这些方法并未覆盖所有关键性能指标，如随机时间延迟和信号噪声可能降低系统性能。深度强化学习在自适应恢复中的应用和大规模系统中深度神经网络用于更精确延迟估计的研究正在进行，但需要更多研究以获得稳健结果。此外，电网构成(Grid-Forming)逆变器的发展要求开发更复杂的限流和故障穿越能力，以在低惯量场景中保护电力电子器件并维持稳定性。
