汪海寧，葉小凡，張長志，李浩然，張 健

（1.合肥工業(yè)大學電氣與自動化工程學院，合肥 230009；2.國網天津市電力公司電力科學研究院，天津 300384）

分布式電源DG（distributed generation）是有效使用清潔能源的重要方式，微網是分布式電源接入配電網的典型應用[1]。但是DG的接入改變了傳統電網的單輻射結構[2]，同時DG的控制類型多變、并網位置不確定以及容量較小等因素對傳統依賴過電流限時三段式保護的技術有較大影響[3-4]。

對于微網保護的研究，近年來國內外學者提出了很多保護改進的方法。文獻[5-7]從保護可靠性、諧波約束和保護間配合約束等角度，對DG在配電網中的接入位置和準入容量進行了分析，并給出約束條件及最優(yōu)配置，但是考慮因素不夠全面，得到的優(yōu)化或限制結果有一定局限性；文獻[8-9]根據實時測取的故障類型和相電流值，實現在線保護整定值的自適應修改，能在一定程度上適應網絡變化和DG運行方式的變化；文獻[10-11]借助線路上的保護裝置和廣泛的通信網絡，建立了中央保護單元，以實現全微網的故障監(jiān)測與保護，該類集中式保護適應性和全面性強，但經濟性較低，且保護的可靠性會隨著處理信息數量的增加而下降，同時保護的快速性對通信網絡的要求嚴格；文獻[12]針對低壓穿越時PQ的控制的分布式電源，提出基于電流正序故障分量幅值與相位的微網保護。

微網中所含的DG可能包括PQ控制的光伏變流器[13]或電流下垂控制的儲能變流器[14]。目前的微網保護多集中于對PQ控制的研究，下垂控制的故障特性研究較少。文獻[15]詳細分析了下垂控制的DG在故障時的故障特性，指出其故障特征的復雜性；文獻[16]分析了其故障時所造成的功角失穩(wěn)現象帶來的影響；文獻[17]提出了一種基于滯環(huán)控制的電流下垂低壓穿越方法，可以在電網故障時保持變流器的功角穩(wěn)定，并同時提供一定的無功支撐能力。

針對文獻[17]所提的滯環(huán)電流下垂控制，本文分析了含分布式光伏和儲能變流器的微網在其內部故障時的故障特征，提出了相應的故障診斷判據，基于所需采集的故障分量以及保護對數據同步的要求，結合EtherCAT工業(yè)以太網的數據同步采樣，提出了系統保護具體方案，并通過仿真及實驗證明了所提方案的可行性。

1 分布式電源的故障特性

以圖1所示微網模型進行故障特性分析，圖中DG1為電流下垂控制的儲能變流器，DG2為PQ控制的光伏變流器，A1～A4、B1～B3、C1～C3 分別為母線A、B、C的分支饋線開關；F1～F3為不同饋線上發(fā)生的故障。

1.1 電流下垂控制及其功角失穩(wěn)現象

圖1中的DG1為電流下垂控制，其輸出電流與電壓的關系為

式中：E1為DG1的等效輸出電壓；UB為母線B的電壓；δ為二者角度差，可定義為逆變器的虛擬功角；ZB2∠φ為DG1的輸出阻抗與線路B2阻抗之和，ZB2∠φ=R+jX； I˙1為 DG1 的輸出電流；Id1和 Iq1分別為其有功和無功分量，則

當輸出阻抗X遠大于R時，式（2）可簡化為

由式（3）得，通過調節(jié)頻率可以控制相角差δ，進而控制DG1有功電流輸出；而無功電流的調節(jié)可以通過DG1與公共連接點PCC（point of common coupling）處的電壓差完成，因此電流下垂控制的表達式為

式中：f*和E*分別為下垂輸出頻率與電壓幅值；f0和E0分別為額定頻率與額定電壓；m和n分別為有功電流-頻率和無功電流-電壓下垂系數；Id0和Iq0分別為額定有功電流和額定無功電流。

并網運行時，逆變器的額定頻率f0為電網頻率，逆變器與電網的角頻率差 Δω=2π（f*-f0），根據式（4）可得，DG1的虛擬功角δ可以表示為

對于功率下垂控制，由于逆變器的電流限幅作用，電流在飽和與未飽和時的功角表達式呈對偶關系，在電網故障時，有可能產生功角失穩(wěn)的現象[16]。而電流下垂控制中，功角反映了其輸出電流的大小，并通過檢測輸出電流來控制其有功電流與無功電流，且電網電壓前饋使得變流器輸出端電壓與電網電壓保持同步，因此在電網故障時，基于內電勢定向的d軸電流跟隨電網電壓同比例變化，導致控制器內部計算的電流指令跌落，從而使變流器輸出電流發(fā)生跌落，不會出現電流飽和現象，使得故障后的功角曲線與正常工作時的功角表達式相似，但是在電壓跌落幅度過大時，存在功角失穩(wěn)的問題。根據式（5）可得變流器正常運行以及PCC處電壓跌落時的功角曲線，即

式中：Uf為PCC處故障電壓；Idmax為DG1輸出的最大故障有功電流。

根據式（6）和式（7）可以得到如圖2所示的功角特性曲線。正常狀態(tài)下，DG1的輸出有功電流與功角曲線在[0，π]中存在2個交點A和B，其中A為穩(wěn)定平衡點，B為不穩(wěn)定平衡點，DG1正常運行于A。而當PCC處電壓跌落幅度較小，如圖2（a），Id0＜Idmax，故障后的功角曲線在[0，π]中存在 2 個平衡點C和D，在故障瞬間，DG運行狀態(tài)由A點突變到 A'點，由于 Id0＞Id，在控制算法調節(jié)下，DG1 運行點將沿著故障功角曲線由A'點運行到C，并達到平衡。當PCC處電壓跌幅過大導致Id0＞Idmax，如圖2（b），故障后的功角曲線與Id0沒有交點，在電壓跌落瞬間，DG運行點從A突變到A"點，隨后DG1將沿著故障功角曲線運行到坐標軸上π點，導致功角失穩(wěn)。由上述分析可知，電流下垂控制的變流器的虛擬功角狀態(tài)同時受到電流指令值、故障電壓跌落深度以及故障發(fā)生時長的影響。但是，故障電流不會出現過流情況，其最大值為下垂指令值。而較小的故障電流與較大的相角變化幅度都給故障保護帶來了困難。

1.2 基于滯環(huán)控制的故障穿越優(yōu)化策略及故障特征

為防止功角失穩(wěn)，文獻[17]提出了如圖3所示的基于功角滯環(huán)的故障穿越控制。在PCC處電壓跌落時將開關K切換到2上，通過滯環(huán)控制器將功角限制在[δ0-Δδ，δ0+Δδ]，δ0為故障前功角，Δδ為功角變化限幅值。其電流環(huán)采用正序電流控制，并通過將負序電流參考值設置為0，抑制不平衡故障時所產生的負序電流。

該控制方式下，故障時變流器功角變化范圍很小，結合式（3）可得，故障有功電流僅與電壓跌落深度有關，同時考慮到并網要求在故障時輸出無功電流來支撐電壓，故障無功電流Iq.f參照光伏發(fā)電站接入電力系統技術規(guī)定GB/T19964-2012所提出的要求，則電流下垂控制的DG1故障電流無功分量Iq1.f、有功分量Id1.f及幅值Iamp1.f可分別表示為

式中：k為無功支撐比例系數；U+G為正序故障電壓標幺值；Imax為變流器輸出電流限幅值。

考慮故障穿越能力，圖1中PQ控制的DG2故障電流無功分量Iq2.f、有功分量Id2.f及幅值Iamp2.f可分別表示為

根據式（8）和式（9）可得，輸出電流相量分別如圖 4（a）和（b）所示。 圖中，U1.0和 UB.0分別為故障前DG1輸出電壓與母線B電壓，二者相位差為δ，由于采用了滯環(huán)控制，U1.f與UB.f之間的功角限制在 [δ-Δδ，δ+Δδ]，Δδ較小，為方便分析，以 δ代替；由于 PQ控制定向于母線電壓，因此以UC.0表示DG2的端口電壓；Id1.0和Id2.0分別為故障前DG1和DG2的輸出電流，一般情況下只輸出有功電流；U1.f和UB.f分別為故障后DG1輸出電壓與PCC點電壓，θ為故障電壓滯后角；I1.f和I2.f分別為故障后變流器輸出電流，其變化范圍被限制在淺色虛線所圍成的扇形區(qū)域，半徑為Imax，淺色箭頭ΔI1和ΔI2為故障分量。

根據圖4（a），當電壓跌落深度較小時，電流下垂控制的有功電流減少且輸出無功電流不大，此時ΔI1與UB.0的相位差值接近180°；當電壓跌落深度增大時，有功電流繼續(xù)減小且無功電流增大，ΔI1與UB.0的相位差值減小但不超過90°，考慮到功角δ的存在，ΔI1與 Upcc.0的夾角被限制在（90°-δ，180°-δ]。根據圖4（b）的角度關系以及式（9）可以得出，PQ控制的DG在電網電壓跌落較小時，為了維持恒功率輸出，有功電流將增大，同時因為低電壓穿越特性，無功電流也將增大，此時ΔI2與UC.0的夾角小于90°；當電壓跌落深度較大時，輸出的無功電流很大，有功電流受到無功電流與限幅值的同時限制，此時 ΔI2與UC.0的夾角將大于90°且小于135°，ΔI2與 UC.0的夾角的變化范圍可以表示為[θ，135°+θ]。

2 微網各處故障特征分析

2.1 F1處故障

圖5為圖1所示微網模型在F1故障時的正序附加網絡，ZS和ZL1～ZL3分別為系統和負載的等效正序阻抗；ZF為故障點過渡阻抗；ZAF、ZBF和 ZAC分別為線路阻抗；ΔIA1～ΔIA4，ΔIB1～ΔIB3，ΔIC1～ΔIC3分別為各饋線上的故障電流分量；ΔI1和ΔI2為DG輸出等效附加正序電流。ΔUB為母線B上電壓故障分量，電壓分量ΔUB與故障前電壓UB,0的相位接近180°。已知DG1為電流下垂控制，則UB.0和ΔI1的夾角屬于（90°-δ，180°-δ]，且 ZL1為感性，因此 ΔIB2=-ΔIDG1，ΔIB3=ΔUB/ZL1，ΔIB1=-（ΔIB2+ΔIB3）。一般情況下母線B上的正序故障分量矢量如圖6（a）所示，故障分量相位差可表示為

由于DG1功角和母線故障電壓滯后角都很小，在母線電壓跌落接近低壓穿越臨界值時，DG1出現僅有功電流跌落而無功電流很小的情況，可能導致 ΔUB與 ΔIB2的夾角小于 0，如圖 6（b）所示。

母線C所接的 DG2為 PQ控制，ΔUC,0和 ΔI2的夾角屬于[θC,135°+θC]，θC為母線 C 電壓滯后角。則 ΔIC2=-ΔIDG2，ΔIC3=ΔUC/ZL2，ΔIC1=-（ΔIC2+ΔIC3），母線C上的正序故障分量相位差如圖6（c）所示，可表示為

對于母線 A，ZS與 ZL3表現為感性，ΔIA1=-（ΔIA2+ΔIA3+ΔIA4），ΔIA2=-ΔIC1，ΔIA3=ΔUA/Z3，ΔIA4=ΔUA/ZS，可以得到如圖6（d）所示的故障分量矢量，其故障分量相位差可表示為

2.2 F2與F3處故障

F2處故障時，母線A、C與F1故障時相似，對于母線 B，ΔIB1=-ΔIA1，ΔIB3=ΔUB/ZL1，ΔIB2=-（ΔIB1+ΔIB3），可得到如圖7（a）所示的故障分量矢量，故障分量相位差可表示為

F3發(fā)生在負荷支路饋線上，母線A、C與F1故障時相似，對于母線 B，ΔIB1=-ΔIA1，ΔIB2=-ΔIDG1，ΔIB3=ΔIB1+ΔIB3，其故障分量矢量見圖 7（b），故障分量相位差可表示為

然而和圖6（b）相似，也有可能出現ΔUB與ΔIB2的夾角小于0的情況。

3 基于正序故障分量的集中式保護方案

3.1 基于故障分量的保護判據

由第 2 節(jié)分析可得，取 φij=arg（ΔUi）-arg（ΔIij），（i為母線編號，j為饋線編號）。當故障發(fā)生在饋線保護正方向時，φij的值屬于（-180°，0°）；當故障發(fā)生在饋線保護反方向時，φij的值屬于（0°，180°）。 定義故障方向因子Sij為

根據式（15）可以判斷：當分支饋線上出現Sij=1，即可判斷饋線上發(fā)生故障；而對于母線聯絡饋線，則需要該饋線兩端所計算的方向因子同時為1才可判斷出該饋線內部發(fā)生故障。而當圖6（b）的情況發(fā)生時，會同時出現SB1和SB2均為1的情況，對電流下垂控制的DG所連接的饋線增加輔助判據，定義輔助判斷因子tij

當電流下垂控制的DG所屬的分支饋線（如圖1中B2）僅有SB2=1且tB2=1，才可以判斷故障位于饋線正方向，否則故障位于反方向?；谑剑?5）和式（16）的判據，需要采樣母線電壓以及母線所連接饋線上的電流故障分量，同時對數據采集的同步性也有所要求，為達到所述要求，本文將采用高速工業(yè)以太網EtherCAT的方案來實現同步，達成微網保護。

3.2 EtherCAT數據同步方案

EtherCAT是由德國倍福公司研發(fā)的一種實時工業(yè)以太網。它以主從模式工作，主站可以激活從站ESC芯片中的分布時鐘DC模塊為所有從站對時，使整個系統工作在統一參考時間下，其時鐘同步機制參考IEEE1588標準。EtherCAT同步采樣方案及集中式保護配置如圖8所示。

（1）同步采樣方案：以DSP28335為例，該芯片通常被用作變流器的主控芯片，它通過載波過零點產生SOC信號觸發(fā)采樣，只要每個DSP中的載波同步就能同時觸發(fā)采樣信號。同步采樣方案見圖8（a），每個保護裝置中都配有EtherCAT從站，主站周期性的對每個從站對時，以確保整個系統都工作在同一參考時間下；然后主站命令從站在同一時間向變流器DSP的載波同步輸入引腳（EPWMxSYNCI）發(fā)出同步脈沖Sync，使所有DSP同時開始采樣。為消除時鐘偏移，從站每1 ms進行一次載波同步。

（2）數據同步修正：上位機通過EtherCAT采集DSP所傳來的帶有時間戳的N個數據流，并將其存放于緩存數組Dn[N]中。首先，選取各個緩存數組的第1個數據Dn[0]中時間戳最大的1個當作修正參考，記Ref[0]；然后，遍歷比較其他設備上傳來的數據流，認為時間戳與Ref[0]的時間間隔小于0.5個采樣周期的采樣數據與修正參考數據“同一時刻”。一般僅在系統初始過程中對每臺設備進行1次數據同步修正，當檢測到微網系統中有新的設備加入并啟動時，需要對每個設備重新做如上同步修正處理。

（3）故障分量提取：在EtherCAT時鐘同步的前提下，提取故障分量的方法可表示為

3.3 集中式保護方案配置

（1）通訊網絡以及保護配置：適用于該保護方案的通訊網絡配置如圖8（b）所示。3個嵌入式EtherCAT主站 CX5130（EPC1、EPC2、EPC3）充當中間層微網控制器，并與底層設備通信配置成環(huán)網冗余結構；能量管理層的工控機C6640（IPC）作為整個系統的大腦，通過交換機配置成星型結構與中間層以及系統中各個網關通信，實時監(jiān)控微網控制層的運行狀態(tài)，收集各個網關的采樣信息；A1～A4、B1～B3、C1～C3為智能網關，主要由接觸器、斷路器和液晶等組成，其控制芯片為Arm407，并配有EtherCAT從站。

（2）保護流程：如圖9所示，保護判據動作的前提為母線電壓跌落，因此需電壓啟用判據，上位機時刻監(jiān)視母線電壓，當電壓跌落大于等于10%時，啟動保護單元；提取該保護區(qū)間內的母線正序電壓故障分量、母線連接的所有饋線的正序電流故障分量以及相位差，并計算所有饋線所屬的故障方向判斷因子Sij；找出Sij=1的所屬饋線并判斷其類型，若該饋線為儲能變流器所屬分支饋線，則計算輔助判斷因子tij；若tij=1，則故障定位于該條分支饋線，動作保護，若tij=0，則該饋線無故障，繼續(xù)監(jiān)測；若該饋線是其他類型的分支饋線，則故障定位于該饋線，該條饋線的保護動作；若該饋線為母線聯絡饋線，則判斷該母線聯絡饋線另一端的故障方向判斷因子是否也為1，若是，則故障點定位于該條饋線上，保護動作；否則，該饋線無故障，繼續(xù)監(jiān)測。

4 實驗部分

4.1 算例仿真

根據圖1所示微網模型在Matlab/Simulink環(huán)境中搭建仿真模型，微網電壓等級為0.38 kV，頻率50 Hz，DG1采用基于滯環(huán)控制的電流下垂控制，DG2采用PQ控制，容量均為50 kW，輸出最大電流均為 1.5 IN；負載 1～3 分別設置為（40+j5）kVA、（40+j5）kVA 和（20+j5）kVA。 線路單位正序阻抗為0.336+j0.008 Ω/km，長度均為0.1 km。三相短路時，電壓d軸分量跌落幅值較大，因此仿真主要以三相短路故障為例進行驗證。

4.1.1 F1處故障

F1故障，設置過渡阻抗為0.2 Ω，DG1與DG2的輸出波形見圖10。母線B電壓跌落深度較大，跌幅約為40%，DG1有功輸出跌落，同時無功輸出增大；而母線C電壓跌落深度較B小，DG2輸出電流增大，但是未到電流限幅值，故其輸出有功功率不變，而因低壓穿越要求，輸出無功功率增大。

微網各位置的相位信息見表1。根據動作流程：各支路饋線計算所得的Sij值均為0，排除故障在分支饋線上的可能；相鄰的聯絡饋線中僅有SA1和SB1同時為1，因此可以判斷出故障點在A1B1聯絡饋線上，智能網關A1和B1動作切斷線路。

F1處將過渡阻抗改為2 Ω，其他條件不變再次進行仿真，微網各位置的相位信息見表2。此時得到的結果與表1相似，按照保護流程仍可以判斷出故障發(fā)生位置。

表2 F1點過渡阻抗為2 Ω故障時的相位信息Tab.2 Phase information under fault F1 with transition resistance 2 Ω

4.1.2 F2及F3處故障

F2故障，設置過渡阻抗為0.2 Ω，DG1和DG2輸出與F1故障時相似。母線A和C的相位信息與F1故障時相似，母線B的相位信息見表3，其中分支饋線B2上的SB2=1，該饋線所連接的是電流下垂控制的DG，因此判斷tB2，由于母線B上僅有1個SBj=1，tB2=1，故可判斷出饋線B2出現故障。

表3 F2故障時的相位信息（母線B）Tab.3 Phase information under fault F2（bus B）

在F3處設置故障并增大短路過渡阻抗的值到3 Ω，使母線跌幅約為10%，DG1和DG2的輸出波形見圖11，由于電壓跌落較小，且有功電流輸出同時跌落，導致DG1有功功率輸出跌落超過10%，而輸出無功功率較小，接近于0；DG2的輸出與F1相似，輸出無功功率上升幅度較小。母線B的相位信息如表4所示，此時饋線B2的故障電流分量相位較小，出現了SB2和SB3均為1的情況，因此判斷tB2=0，則故障位于饋線B3。

表4 F3故障時的相位信息（母線B）Tab.4 Phase information under fault F3（bus B）

以上仿真結果表明，微網各處故障相位信息與第2節(jié)分析一致，可以利用第3節(jié)所提出的保護方案實現微網保護。

4.2 同步采樣實驗

基于EtherCAT平臺，驗證同步采樣方案。實驗平臺中，主站包含PLC控制器CX5130，2個從站內均包含倍福公司生產的EtherCAT芯片和TI公司生產的DSP28335。

圖12（a）為DG運行時自身配備的DSP芯片所接受的由2個從站發(fā)送來的載波同步觸發(fā)信號Sync，主站每隔1 ms同時命令從站下發(fā)信號，以保證所有 DG 的載波同步；圖 12（b）是圖 12（a）中 2個信號的脈沖上升沿放大圖，2個信號被同時觸發(fā)，跟隨性良好；圖12（c）為2個DSP芯片的載波周期信號從不同步到同步的波形。同步信號到達后，兩載波一致性好，同步誤差控制小于0.5 μs，滿足同步采樣精度要求?；趫D12所示的高精度載波同步，可以實現同步采樣。結合基于EtherCAT的數據時間校正，可以在不同采樣點同時獲得整個系統的當前數據，為保護方案的實施奠定了基礎。

5 結論

本文基于PQ控制的光伏變流器以及功角滯環(huán)優(yōu)化的電流下垂控制的儲能變流器的故障穿越特征，分析了包含這2種控制的變流器的微網在不同位置發(fā)生故障時的故障電流分量相角特性，并結合母線故障電壓分量，提出微網保護判據。針對判據所需提取的故障分量及其對數據同步性的要求，提出基于EtherCAT工業(yè)以太網的同步采樣的微網集中式保護方案，分析與實驗結果表明：

（1）考慮低壓穿越特性，含PQ控制的光伏變流器及基于功角滯環(huán)的改進電流下垂控制的儲能變流器的微網內部發(fā)生短路故障時，可利用母線正序電壓故障分量與正序電流故障分量的相位差來判斷故障發(fā)生的方向，其中含儲能變流器的支路在電壓跌落剛過低壓穿越臨界值時會對相位差判據造成干擾，通過定義輔助判斷因子進行綜合判定。

（2）基于EtherCAT的同步采樣以及數據修正可在上位機中實現對整個微網正序故障分量的同步、快速提取，根據對所提取的正序故障分量提出的集中式保護方案可實現全微網的集中式故障定位與保護。

（3）本文分析了考慮低壓穿越特性下的微網故障特征，但是在電壓壓降較小未達到低壓穿越臨界值時，微網故障特征與考慮低壓穿越的故障特征有所不同，需要在將來的研究中深入考慮；同時，本文所提出的集中式保護方案，沒有進一步研究故障的處理，為減少故障損失并維持負荷供電，需要提出適當的故障隔離策略。