保护未来分布式能源资源一体化电网：针对交流/直流微电网的保护策略的全面综述

《Energy Conversion and Management-X》：Safeguarding the future distributed energy resources integrated grid: A comprehensive review of protection strategies for AC/DC microgrids

　　阿努拉格·蒂瓦里（Anurag Tiwari）| 乌梅什·乔杜里（Umesh Chaudhary）| 穆克什·库马尔（Mukesh Kumar）| 拉贾尼坎塔·萨霍（Rajanikanta Sahoo）| 穆罕默德·阿米尔（Mohammad Amir）| 穆萨·巴希尔（Musa Bashir）
印度查普拉（Chapra）841301，洛克奈亚克贾伊普拉卡什理工学院（Loknayak Jaiprakash Institute of Technology）电气与电子工程系

**摘要**
微电网是构建智能电网的重要组成部分。它可以提高配电网络的可靠性、成本和覆盖范围。然而，当使用与微电网相连的双向或可变功率流以及分布式能源系统渗透率上升时，保护系统会受到负面影响。因此，需要一个周密的保护策略来降低微电网的复杂性。本文回顾了有关混合交流/直流微电网发电系统持续运行的最新文献。本研究的主要目的是全面改进微电网的保护和安全机制，同时也探讨了当前研究现状以及微电网系统在各种运行条件下顺利运行所面临的主要障碍。此外，本文还研究了能够改变现有保护方案的智能设备和方法。

**1. 引言**
几十年来，分布式资源的电力需求一直非常高。根据这些需求，清洁、可靠且电能质量更高的电力对于敏感负载至关重要。此外，由于电力需求的增加，分布式资源可以降低现代系统的资本成本。除了传统的同步分布式发电（DGs）之外，还有许多其他分布式资源技术。DGs通常需要电力电子设备才能与公用电网互连[1],[2]。此外，整合大量分布式发电资源的主要途径是通过微电网。微电网的特点是位于客户所在地并且处于操作框架内（通常是低压网络）[3]。微电网可以包含分布式能源资源（DERs）。电力存储系统（ESS）作为微电网的关键组成部分，能够为微电网内的本地负载提供可靠且稳定的电力供应。微电网中经常使用一种或多种类型的ESS。图1显示了全球投资微电网的现象，并预计其收入将大幅增长。

微电网作为更大电网的一部分具有多重优势，包括提高系统可靠性、降低成本、改善电能质量以及提升系统效率。然而，尽管作为一种满足日益增长的环保电力需求的技术，微电网的实施、运行、控制尤其是保护方面仍面临许多挑战[6],[7]。微电网可以在孤岛模式下运行，也可以与主电网连接运行，本质上是一个与大型电网进行电力交易的“电力岛”[8],[9]。它为本地负载提供必要的电力，并将多余的电力输出到主电网。这种基于需求的电力交换不仅需要实时负载管理，还使得智能电网中的电力流动具有双向特性[10]。需要注意的是，传统电网由辐射状配电网络、长距离网状输电线路和集中式发电系统组成，而智能电网是由多个电力岛组成的双向网络，利用分布式发电来满足本地需求[11],[12]。微电网的主要优势在于，在发生重大干扰时，它可以通过与系统的隔离为顾客提供更可靠的电力供应[13],[14]。然而，在孤岛模式下确保保护是一个重大挑战。双向电力流动使设计用于辐射式电力系统的传统电流保护方案失效；此外，来自分布式发电机（DGs）的故障电流会导致电流保护设备的行为不可预测，从而影响保护系统之间的协调[15]。

**2. 研究空白与讨论**
以往的研究虽然提到了微电网的诸多好处，但忽略了一些关键方面，例如逆变器接口对微电网架构的影响。分布式发电对保护系统的影响因故障电流较低而显著。作者们也未考虑微电网在孤岛模式和连接模式下的保护机制。自适应保护方案的技术挑战包括需要更新、可靠且快速的通信链路，但这通常成本较高。此外，在瞬态条件下，当分布式发电处于孤岛模式或连接模式且系统不平衡时，保护系统面临特殊挑战。最紧迫的问题是故障检测和跳闸动作必须迅速发生以防止设备损坏。当使用序列组件和信号处理方法时，这种情况更加复杂，因为信号在决定跳闸区域之前需要经过多个处理阶段。

通过深入研究文献，本文描述了未来的微电网保护方法。未来的微电网保护方案应具备以下特征：
- 克服大量设备导致的串联保护装置协调问题；
- 减轻计算和通信系统的负担；
- 考虑微电网的两种运行模式（孤岛模式和连接模式）；
- 在高容量逆变器整合的情况下识别和检测故障微电网；
- 设计能够处理辐射式和网状配置的保护机制，同时无需更换保护装置。

**3. 微电网的多种结构**
微电网是当前集中式电力系统的缩小版，用于管理和分配电力给用户。与传统系统不同，微电网通常在本地进行管理。单个受控单元可以被视为电力系统内的单一聚合负载[34]。
“微电网”是指一种现代概念，描述了一个紧凑且自给自足的电力网络，该网络整合了多个协同工作的分布式发电源，并配备有效的能量管理系统、保护和控制装置（如FACTS、断路器、继电器、电压调节器、功率流控制器以及相关软件，以确保稳定高效的运行[35],[36]。微电网必须具备两个基本属性：
- 对等互操作（PtP）：意味着微电网的运行不受特定组件（如主控制器或中央存储系统）的影响；
- 即插即用（PaP）：表示分布式发电源可以集成到微电网中。

**3.1. 微电网的运行模式**
微电网有两种运行模式：连接模式和孤岛模式。每种模式都有不同的运行要求：
- **连接模式**：此模式下微电网平稳运行，不会对主电网的电能质量产生负面影响。本地负载依赖总发电量，微电网既能向主电网输入电力也能输出电力，满足所有本地需求，实现双向电力交换。
- **孤岛模式**：当主电网出现故障或电能质量问题时，微电网会自动断开连接并独立运行。在主电网断电的情况下，微电网继续提供稳定高质量的电力，确保用户供应不间断。微电网可以轻松从主电网分离，成为独立运行的“电力岛”[37],[38],[39]（如图2所示）。

**3.2. 微电网的重要性**
微电网具有多个重要优势：
- 促进分布式发电（DG）和可再生能源的集成；
- 通过优化能源管理、保护和控制装置（如FACTS）提升电能质量；
- 由于广泛集成可再生能源，减少碳排放；
- 由于利用可再生分布式能源，降低实现成本和基础设施需求[40],[41]；
- 在自然灾害、停电等情况下维持标准电力供应；
- 减少电力系统中的传输和分配损耗；
- 通过环保发电方式减少二氧化碳排放；
- 当微电网产生多余电力时，可向主电网供电；
- 提高地方经济活力，吸引小型企业，创造更多本地就业机会[38],[42]。

随着微电网技术的发展，出现了多种微电网架构。

**3.3. 交流微电网**
交流微电网的核心要素包括有功功率、无功功率、不平衡成分和谐波。交流微电网的架构如图3所示。DC/AC逆变器用于将光伏（PV）系统产生的直流电转换为交流电，然后再进行连接。整流器则将交流电（AC）转换为直流电（DC），以供直流负载使用。交流负载直接从交流母线供电，无需任何转换。转换器作为交流母线和风能发电系统之间的接口，控制有功功率和无功功率的流动。由于只需要在交流微电网和主电网之间实现相位同步，因此连接到主电网变得更容易。不同微电网的优点如下：下载：下载高分辨率图片（359KB）下载：下载全尺寸图片 图3. 交流微电网架构。3.3.1. 优点 (i) 高效变压器的运用是交流微电网的主要优势。通过变压器，可以升高或降低交流微电网的电压，以满足配电需求和相邻本地负载的需求。(ii) 交流电路中定期的零电压交叉点使保护策略更加有效，因为断路器可以在这些零电压交叉点精确地熄灭故障电流。(iii) 通过独立调节无功功率，可以获得稳定的电压。(iv) 在并网模式下，交流微电网在发生任何故障条件时将自动断开连接。由交流微电网直接供电的交流负载不会受到主电网干扰的影响。3.3.2. 交流微电网的缺点 交流微电网的缺点如下：(i) 有时需要将交流电（AC）转换为直流电（DC）用于电池充电、笔记本电脑和直流荧光灯等应用，这会降低效率。(ii) 由于使用了电力电子转换器，主电网会受到谐波的影响。(iii) 将直流可再生能源连接到电网存在挑战，因为它们的直流输出需要通过逆变器转换为交流电 [43]，[44]。3.4. 直流微电网 为了减少电力电子转换器的成本并提高效率，各种直流负载可以直接连接到直流母线而无需任何转换。DC/AC逆变器对于连接交流负载至关重要。直流可再生能源的扩展加速了直流微电网的研究，其架构如图4所示。下载：下载高分辨率图片（313KB）下载：下载全尺寸图片 图4. 直流微电网架构。3.4.1. 交流母线与直流母线及发电机的互连 下面展示了带有发电机的交流母线与直流母线互连系统：(1) 风力涡轮机系统：该系统产生的交流电通过交流/直流转换器传输到直流微电网。(2) 光伏阵列系统：为了将光伏阵列系统与直流微电网集成，需要使用直流/直流升压转换器。该转换器的主要目标是跟踪最大功率点。3.4.2. 优点 (i) 可以直接集成电池单元作为备用电源。当需求最高或没有分布式发电机时，电源将来自备用存储系统。(ii) 直接连接可以提高系统效率，减少多次电力转换。(iii) 可以轻松连接可再生能源。(iv) 在交流主电网发生故障时，直流微电网的电池存储将持续为负载供电。(v) 由于只需要连接到一个简单的逆变器单元到交流主电网，因此可以最小化直流系统的功率转换损耗和运行成本。3.4.3. 直流微电网的缺点 (i) 现有电力系统中的主要负载单元使用交流电。因此，完全依赖直流配电网络是不切实际的。(ii) 与交流系统相比，直流系统中的电压转换不够系统化。(iii) 为了集成交流发电机，需要使用整流器将交流电转换为直流电 [28]，[45]。根据文献评估，不同的直流或交流微电网为了连接可再生能源和不同负载需要多次转换 [46]，[47]。这些多次转换使得整个电力系统更加复杂和浪费。使用交流/直流、直流/交流和直流/直流转换器会增加设备成本。建议采用混合式交流/直流微电网 [33]。在混合式交流/直流微电网中，可以减少多次转换 [48]。3.5. 混合式交流/直流微电网 混合式交流/直流微电网通过整合不同的直流和交流微电网架构形成。因此，混合式交流/直流微电网结合了直流和交流微电网的优点 [49]。图5展示了真正的混合式交流/直流微电网架构。交流微电网和直流微电网可以通过双向交流/直流转换器互连。Loh和Kamalasadan [19]，[50] 指出，直流/直流升压转换器有助于将燃料电池（FC）和光伏太阳能板等直流电源连接到直流微电网。直流微电网通过直流/直流降压转换器为荧光灯和电动汽车等直流负载供电。Wang等人 [51] 强调，能量存储系统（ESS）也通过双向直流/直流转换器集成到直流微电网中。下载：下载高分辨率图片（627KB）下载：下载全尺寸图片 图5. 混合式交流/直流微电网架构。当交流微电网过载时，电力将从直流微电网传输到交流微电网 [31]。在此过程中，主转换器将充当逆变器。当直流微电网过载时，电力将从交流微电网流向直流微电网，连接的转换器将充当整流器 [52]，[53]，[54]。双向交流/直流转换器的主要目的是控制直流微电网和交流微电网之间的功率流动，同时稳定直流微电网的直流母线电压和交流微电网的交流母线电压及频率 [30]，[55]，[56]。3.6. 优点 (i) 这种类型的微电网减少了纯交流或直流系统所需的电力转换次数，同时为各种类型的负载提供可靠、高质量的电力。此外，它还减少了连续转换过程中的转换损耗 [29]，[57]。(ii) 混合式架构可以降低设备成本，同时消除许多转换过程，减少频率转换器的使用，从而提高整个系统的效率和可靠性。除了支持本地负载外，还有助于防止停电 [58]，[59]。(iii) 混合式交流/直流微电网由两个独立的电网组成，每个电网都有不同的特性，可以独立运行。(iv) 使用电力电子元件（如逆变器、双向转换器和升压转换器）来连接多个系统组件，但它们会向电网引入不同阶数的谐波。这些谐波可以通过各种滤波技术得到缓解。(v) 不需要安装额外的逆变器或整流器，从而降低总体成本。(vi) 在混合式交流/直流微电网中，大多数发电单元无污染。此外，还有助于减少温室效应 [60]，[61]。3.7. 缺点 (i) 交流和直流微电网的各种特性相互作用使得系统更加复杂，并面临许多重大的运行挑战。(ii) 主要挑战是减少功率损失，可以通过限制交流微电网和直流微电网之间的功率传输量来实现。(iii) 当有两个独立的子电网时，集成分散的发电单元是一个挑战 [32]，[62]。4. 交流微电网的保护问题 微电网保护系统的架构必须精确、可靠，并且运行速度快且成本低廉。微电网保护协议必须包括图6所示的步骤，从故障开始到恢复正常电力系统运行结束。以下部分总结了交流微电网面临的主要保护挑战及其潜在解决方案：下载：下载高分辨率图片（545KB）下载：下载全尺寸图片 图6. 微电网故障保护过程。• 交流微电网在并网模式下的问题 – 微电网保护方面的主要挑战包括：1. 保护设备的正确选择。2. 分布式能源资源（DER）对保护设备（PDs）的影响。3. 标准化的适当性。4. 同步。5. 同步跳闸。6. 动态拓扑。7. 并网模式下的故障发生。8. 主电源丢失。9. 失效保护。10. 距离继电器的作用范围减小。11. 选择合适的变压器配置。12. 故障电流大小和方向的变化。13. 符合电网规范。14. 过流继电器的选择性和灵敏度。15. 继电器互操作性。16. 反向功率流动。17. 高阻抗故障的识别。18. 虚拟惯性低。– 独立模式下的问题 – 微电网保护方面的主要挑战包括：1. 短路水平的变化。2. 功率不匹配。3. 保护继电器的协调问题。– 微电网双向功率流动的问题。– 网格配置拓扑的问题。– DERs能力有限的问题。• 保护解决方案：已经开发并采用了一种全面系统的分类框架。保护技术现在根据其工作原理分为三个主要类别，如图7所示。下载：下载高分辨率图片（523KB）下载：下载全尺寸图片 图7. 保护技术的层次分类。4.1. 微电网中的不同保护问题 在传统的配电系统中，电力在大型发电厂和用户之间单向流动。这些系统中使用保护设备是因为故障位置和短路电流大小之间的关系。微电网配电系统的出现使得原来的被动网络变成了主动网络。因此，传统的基于过流的保护方法不再适用于这些现代配置 [63]。在独立模式下发生故障时，保护设备可能运行缓慢或完全失效。此外，并网模式和独立模式下的短路电流水平存在显著差异。典型的单设定过流继电器无法保护处于双模式运行的微电网 [64]。因此，传统的过流保护装置不适合交流微电网的保护 [65]。表1. 不同自适应保护方案概述。方法 描述 方法论 备注 自适应过流方案 [69] • 微电网中央控制器（MGCC）：数据以事件表、故障电流表和动作表的形式收集。• 事件表：记录每个包含分布式发电源的微电网的可行配置。• 故障电流表：列出每个继电器根据配置当前编程要启动的故障位置。• 根据表格中的信息，中央保护单元定期向适当的继电器发送跳闸信号。如果继电器失效，上游或下游继电器提供备用保护。• 这是一种结合离线自适应保护系统和传统实时保护解决方案的混合技术。前者持续监控数据并采取必要的预防措施。然而，它基于离线预测数据进行计算。• 环形网络拓扑和放射形网络拓扑都使得分析故障电流变得困难。• 使用了方向敏感的多功能继电器代替保险丝。• 高速远距离通信需要基础设施。• 实际实施分布式能源管理系统（DEMS）具有挑战性。• 投资和收益的比较。自适应定向过流（ADOC）继电器方案 [70] • ADOCR在确定最佳设置时没有考虑分布式发电机（DGs）的大小、类型和位置。• 对于由许多DG组成的大规模配电网络，ADOCR方案能够与其他数字继电器有效协调。• 中央保护单元定期向适当的继电器发送跳闸信号。如果继电器失效，上游或下游继电器提供备用保护。• 它结合了离线自适应保护系统和传统实时保护系统。• 分布式网络的复杂性增加了继电器的运行时间。• 该方案需要复杂的通信系统。4.2. 并网模式下的问题 微电网可以在并网和独立模式下继续运行。以下是并网模式下的几个相关问题：(i) 选择合适的保护设备：影响最佳保护设备选择的关键因素包括故障电流水平、电压幅度和操作速度范围。此外，负载类型也会显著影响事件的响应速度。(ii) DER对PDs的影响：DER集成到微电网架构中可能会改变故障电流的方向和强度，从而影响保护设备。保护设备的操作受两个因素显著影响。(a.) 保护设备故障：在此过程中，保护设备无法正常工作。随后，短路故障电流通过馈线流动，然后同时受到分布式发电和公共电网的影响。当分布式发电机的容量大于公共电网的电流时，它也会对故障电流贡献更多。当公共电网的电流较低时，保护装置可能不会动作，因此可能不会跳闸。(b.)错误跳闸：当相邻馈线中的分布式发电机产生的故障电流使馈线电流升高时会发生这种情况。由于附近馈线的问题，系统的健康部分可能会变得不活跃。在这种情况下，附近馈线的保护机制可能会断开电路。(iii)再同步：在没有分布式发电机的情况下，瞬态故障通过重合器断开其下游部分来清除。当分布式发电机（DG）运行时，电力由网络和DG共同提供。当网络被重合器断开时，故障电流仍然由DG提供，直到它导致重合器断开网络，此时临时故障变为永久故障。重合器过程将连接两个不同步的网络，这会对系统的电压和电流值、DG运行以及其他参数产生额外影响。在连接活跃网络和被动网络时可以使用传统的重合器。然而，活跃网络在两侧都是可访问的（即公共电网和微电网之间的连接），但微电网需要一个性能良好的重合器。(iv)并网模式下发生故障：当公共电网侧发生故障时，保护装置会在正常工作条件下跳闸。首先在共同连接点处的保护机制跳闸，然后是各个分布式能源资源的跳闸。在微电网发生故障时，保护装置会迅速隔离故障部分，而系统的其余部分继续运行。一些低电压和电压不平衡情况可能会损坏敏感设备，并且难以检测。(v)主电源断开：主电源丢失表示公共电网和微电网之间缺乏连接。然而，负载和微电网仍然保持连接。这个问题是由于断路器故障和公共电网侧发生故障引起的。在这种情况下，部分网络继续运行而未意识到已经发生孤岛现象。这种情况对处理故障的人员构成严重的安全风险。此外，如果在重新连接两个通电系统时没有正确维护同步，可能会导致敏感设备和分布式发电机受到严重损坏。(vi)故障电流水平的变化：当一个独立的活跃网络（例如，DG、微电网等）连接到电力系统时，故障电流水平会波动。这种现象主要受网络类型、电网连接类型、运行模式（即孤岛模式或并网模式）、DG安装位置、DG类型、连接到DG的各种电源转换器（如DC/AC或AC/DC）、整体规模和电网阻抗的影响。同步发电机产生的故障电流最大，而基于逆变器的DG贡献的故障电流较小。然而，故障电流的快速上升会干扰所有保护装置。因此，系统将经历两个重要后果，例如各种保护机制之间的相互作用受到干扰。电网系统的短路容量是在设计过程中设定的。因此，短路容量决定了所使用的保护装置类型。当故障电流的上升超过了短路容量的限制时，也会损坏保护装置 [68]。(vii)距离继电器的误操作：距离继电器在定义的最大范围内工作，并仅用于纠正故障。最大阻抗确定了从故障位置到继电器的距离。在没有分布式发电的情况下，计算出的阻抗值通常小于故障条件下的规定值。(viii)符合电网规范：电网规范是一个技术标准，它协调了将辅助网络或资源添加到现有电网中的多个方面，以扩展传输系统。这也满足了客户的需求，同时确保经济性、安全性和可靠性。由于分布式能源资源的快速渗透，必须及时更新电网规范。电网规范更新的主要目标是提高电网的整体稳定性。4.3. 孤岛模式下的问题下面列出了与孤岛模式相关的几个问题：(i)短路水平的变化：这是微电网在孤岛模式下成功设计保护策略的一个重大障碍。这个问题主要是由于故障电流水平之间的巨大差异造成的。(ii)电力不匹配：当从并网模式切换到孤岛模式时，会出现电力差异的问题。在微电网向公共电网供电之前，需要电池储能设备来保持电力平衡。如果从孤岛模式切换到并网模式，即当系统重新连接到公共电网时，两个系统必须精确同步。(iii)保护继电器的误操作：在孤岛运行期间，不同保护装置之间缺乏适当的协调成为一个主要问题。这个问题主要源于当附近馈线发生故障时电力流动和故障电流的双向性质。5. 交流微电网保护问题的解决方案文献提出了多种解决方法。用于解决交流微电网问题的几种技术如表1、表2、表3、表4、表5、表6、表7、表8所示。•不同的自适应保护方案：自适应保护方案（APS）可以根据电力系统运行条件的变化实时动态改变继电器设置，尤其是在可再生能源渗透率高的微电网中。与传统固定参数保护相比，APS即使在面对双向电力、负载流变化和孤岛情况时也能保证速度、灵敏度和选择性。通过使用复杂的算法、广域测量和基于通信的协调，自适应保护可以减少误跳闸，提高系统可靠性，并确保供电连续性，如表1所示。•不同的现有交流微电网保护方案：在交流微电网中，传统的保护方法（包括过流保护、差动保护和距离保护）由于来自基于逆变器的资源的故障电流减少和双向电力流动而遇到困难。为了解决这些问题，现代解决方案包括基于通信的继电器、故障电流限制器、自适应继电器配置以及馈线的差动保护。此外，单元保护技术（如差动保护）提供选择性隔离，而非单元方法（包括距离保护和方向保护）也经常用于馈线和线路保护，如表2所示。•选定的差动保护方案：差动保护方法在微电网中得到广泛应用，因为它们具有精度和选择性。它们通过比较进入和离开保护区域的电流来工作，只有在出现显著差异时才隔离故障。这些方案对于馈线、母线和变压器非常有效，因为它们不受外部系统变量的影响。然而，其实施需要快速通信和同步，这可能会增加成本和复杂性，特别是在远程和孤岛微电网环境中，如表5所示。•选定的距离保护方案：距离保护技术通过测量继电器和故障点之间的阻抗来确定故障位置。由于它们具有快速的故障检测能力和在系统条件波动下的问题识别能力，因此对于交流微电网的传输和配电线路非常有用。然而，由于来自基于逆变器的分布式发电的故障电流减少，可能会影响其性能，需要适应性调整以获得最佳效果。正在研究具有自适应设置或通信功能的先进距离继电器，用于微电网应用，如表6所示。•选定的基于谐波电流的保护方案：基于谐波电流的保护方案利用故障电流中的谐波成分，特别是在以逆变器为主导的微电网中。鉴于基于逆变器的电源在故障期间会产生大量谐波，检查谐波失真有助于识别传统保护系统可能忽略的异常情况。这些方法经济、简单，并且擅长识别高阻抗故障和与逆变器相关的异常；然而，它们需要强大的滤波方法来防止典型的电力电子设备环境中的故障，如表7所示。•选定的基于人工神经网络（ANN）的保护方案：基于人工神经网络（ANN）的保护方法是保护交流微电网的一种现代且复杂的方法。人工神经网络（ANN）系统可以通过训练故障特征、谐波、电压和电流数据，在复杂操作场景中有效地区分故障和非故障事件。这些系统提供了灵活性、快速的故障识别和比传统继电器更高的精度 [69] [70]。尽管需要大量的计算资源和大量的训练数据，但基于ANN的保护方案对未来的智能微电网应用具有很大潜力，如表8所示。表2. 不同现有交流微电网保护方案的总结。方法描述方法论备注基于序列电流的自适应定向过流继电器方法[71]• 正序和负序电流为基础的DCR可在不同的系统模式下整合。• 通过使用存储的传统设置调整每个DER模式的继电器设置来进行保护协调。• 基于负序过流的备用DCR可以改善协调性。• 事件期间电压下降；PDs调整故障和过载的时电流特性。• 两阶段方法：(i) 通过模糊决策确定最佳浮动电流，(ii) 通过优化确定最佳浮动时间。• 在dSPACE处理器上实现，并使用实时数字模拟器进行硬件在环。每个故障点都有一个主要继电器；如果主要继电器在设定时间内失效，则备用继电器接管。基于正序分量的APS [72]• 基于MBR、PMUs和数字通信系统。• 保护径向和网状微电网拓扑结构。• 根据微电网中的任何结构变化调整提取设置。• 使用MBR、PMUs和数字通信进行保护。• 支持单相跳闸和各种故障保护。• 每条线路末端的PMUs从交流采样中提取电压/电流相位。• 数据通过数字通信传输到MBR。高PMU成本降低了可负担性。表3. 选定的APS保护方案的总结。方法描述方法论备注基于正交和零序电流分量的APS [73]• 鉴于无DG的并网模式的重要性，提出了一种基于正交和零序故障电流分量的新APS。• 通过检查DG沿上述电流分量的X/R比率，系统能够识别DER拓扑、故障位置和故障类型。• 实验中考虑了一个基于单个DG的测试系统。• 需要进一步研究当前系数和稳定性分析以重新验证。与APS结合的电压基故障检测[74]• 小型微电网可能会受益于使用电压控制过流装置，这些装置允许使用较低的电流阈值。• 通过比较两种事件期间的电压下降，PDs可以确定短路和过载如何影响它们的时电流特性。• 使定义PD额定值变得困难的因素包括系统接地和PE设备的现有限制。基于零序电流分量的APS [75]• 它可以在离网或并网模式下使用。• 该方案的主要优点是不依赖于通信基础设施。• 该方案在微电网的三个方面运行：模式检测、不同模式下的故障检测和保护协调。• 确定ZSCC基继电器的正确阈值相当困难。• 由于缺乏通信网络，操作可能会变慢。基于对称和差动电流分量的APS [76]• 用于识别和隔离孤岛MG中的LG和2L故障，它使用零序和负序电流分量。• 操作需要通信链路。• LG和LL故障分别使用零序和正序电流找到并隔离。• 该方法的缺点包括在操作期间需要先进的通信通道以及从性能评估中排除HIFs。表4. 不同现有交流微电网保护方案的总结。方法描述方法论备注与系统参数无关的APS [77]• 在分布式发电机渗透率较高的系统中，它解决了继电器协调问题。• 中央计算机系统（CPU）和PDs相互通信以运行该方案。• 为了定位故障，网络中的每个源都通过Thevenin等效电路表示。检测缺陷所需的信息，包括其类型、位置以及必须触发的控制装置以完成故障清除。• 所提出的方法在进行短路分析时假设故障电阻为零，这在电阻性故障的情况下可能会导致错误检测。基于APS [78] 的数字继电器和重合器• 无论故障类型如何，该方案都能够保证重合器与熔断器之间的适当协调。• 继电器存储重合器和熔断器的特性。• 通过数据采集系统收集重合器和熔断器的电流数据。• 当IR/IF比率低于1时，在这种情况下，由于分布式发电机的融入，重合器的故障电流小于故障电流。• 每个分布式发电机处的继电器由一个算法驱动，该算法接收来自每个电位器位置的测量电流值。• 当分布式发电机的渗透率较高时，这种方法会变得无效。• 该策略的经济效益极低。表5. 选定的差动保护方案总结。方法描述方法论备注基于数据挖掘方法 [79]• 在数据挖掘策略中利用继电器通信。通过使用差动保护策略和序列分量，提高了基于逆变器的分布式发电机（IBDGs）的效率。• 所提出方法的主要优势在于它能够自动识别用于微电网保护的最佳属性和阈值。• 作为分布式统计分类器，保护继电器被使用。每个继电器分别测量和处理本地（在继电器位置）和远程（从其他保护设备传输）的系统参数。• 实施了一种使用随机森林技术来发现和隔离缺陷的统计分类器。• 在独立微电网中的计算速度是可以接受的，但在并网模式下则不然。• 由于如果应用于大型网络，光电式测量单元（PMU）的局限性可能会显现出来，因此成本效益较低。• 由于计算复杂性高，这一过程比较繁琐。基于差动相位角的方法 [80]• 所提出的方法侧重于使用差动相位角标准进行微电网保护中的故障检测。• 使用RSCAD实现基于差动相位角的故障检测方法。• 所有网络活动由分布在多个地点的互连PMU网络持续记录。• 因此，PMU的位置用于确定静态开关与靠近故障部分的母线之间的电压相位角差异。• 在用于大型网络时，这种方法可能会显示出其局限性。• 由于使用了PMU，因此经济性较差。基于时频变换的差动系统• 在并网和孤立模式下，可以根据不同的故障情况建立差动能量阈值来发出跳闸信号。• 该建议的解决方案在微电网的可比故障场景中进行了评估，提供了可靠的安全预防措施。• 推荐的方法可以用于具有多种分布式发电机渗透水平的大型电力分配网络，因为它可以有效防止并联故障。• 推荐的方法使用相关母线端的故障电流的差动能量来记录故障模式并生成可靠的微电网保护跳闸信号。• 为了创建时频轮廓，获取匹配的母线电流并对其进行S变换。• 在故障发生后的四个周期内，可以通过设置差动能量阈值来发出跳闸信号。• 所提出技术与标准继电器的关键区别在于它使用故障电流的时频轮廓来计算差动能量，同时利用了时间和频率信息，而不仅仅是时间或频率中的一个。• 由于该过程计算复杂性高，因此耗时较长。基于希尔伯特空间功率理论 [81]• 基于希尔伯特空间功率（HSBP）理论的差动继电器提供了最快的初级保护。• 系统在干扰发生后的两个周期内工作，并使用HSBP理论检测独立于阈值的错误。• 初级输入电压的任何变化都会表现为“p?q”值的变化。• 可以使用受干扰的“p?q”值来检索表示电压输入网络偏差的干扰信号。• 在大型网络中应用后，其缺点可能会显现出来。• 安装成本较高。表6. 选定的距离保护方案总结。方法描述方法论备注多功能距离保护IED [82]• 根据IEC 61850标准，多功能距离保护继电器包括非保护功能，如电压和电流测量、控制、监控、诊断、记录和分析所有变电站事件。• 该模型还必须考虑多个模拟输入的可用性，例如在双断路器、一分半断路器或环形母线配置中，适用于高压和超高压传输级别的距离保护继电器。• 保护功能和非保护功能是它的两个主要类别。• 保护功能进一步分为三类：初级保护、备用保护和与保护相关的功能。当然，距离保护是距离继电器的主要保护功能。• 以下类别最能描述非保护功能：测量、控制、诊断、记录和分析。• 建议进行实时部署并进行分析成本效益。• 对于短线路来说，确定阻抗可能比较困难。使用来自实时数据的事件表协调的自适应距离保护 [83]• 与自适应过电流保护和差动保护相比，自适应距离保护方法的成本大致相同。• 它在实时高分辨率监控和系统范围内控制方面具有改进的能力。• 在这项研究中，为微电网中的分布网络开发了一种基于相位的距离保护技术。此外，还使用了转移跳闸机制来加速继电器对弱线路的跳闸速度。• 由于PMU的成本较高，投资成本较高，因此经济性较低。• 继电器测量的不正确阻抗水平可能导致错误。• 由于功率振荡和双向功率流的影响，整体性能降低。基于通信的馈入矫正方法用于距离保护 [84]• 该方案可用于并网和孤立模式，适用于不同级别的分布式发电机发电，并且不受分布式发电机单元提供的源阻抗或电流变化的影响。• 改进了对高负载和故障条件的区分能力。• 继电器操作的选择性有所提高。• 分布式发电机单元断开不会导致越区问题。• 在微电网的两种操作模式下，都可以使用基于通信的矫正算法和实时电流幅值知识来确定准确的故障位置。无需使用在线模式来更改设置。• 该方法利用网络中不同点的电流幅值知识来纠正馈入对距离保护的影响。• 距离保护比传统的过电流保护更复杂和昂贵。• 将这种方法纳入环网较为困难。保护装置与侧向保护之间的协调没有问题。• 增加更多设备（可能包括变压器）会提高系统成本，并增加某些系统组件故障的可能性。表7. 选定的基于谐波电流的保护方案总结。方法描述方法论备注考虑逆变器输出电压的谐波含量 [85]• 在并网模式下：逆变器端子的分布电压较低。• 在孤立模式下，阻抗较高，因此电压谐波幅度增加。• 需要通信链路来测量总谐波失真（THD）值。• 可以使用继电器来确定每个基于逆变器的分布式发电机单元的总谐波失真。• 如果THD超过预定阈值，则继电器会触发局部断路器跳闸。• 无法识别高阻抗下的缺陷。• 存在时间延迟。• 在早期阶段，没有考虑配电变压器的影响。基于谐波分析 [86]• 使用零序电流来检测故障。• 仅能检测LG故障。• 通过第五谐波的零序电流与正序电流的一部分来确定故障位置。• 无法识别所有类型的微电网故障。基于低谐波分量 [87]• 它不依赖于具有较高值的故障电流。• 使用数字继电器的低谐波分量进行故障检测。• 基于对低谐波分量的检查，一种保护技术。所有逆变器都经过编程，在短路条件下限制输出电流，通过注入特定量的第五谐波。• 在低阶谐波谱中，第五谐波的幅度增加到7.7%。• 该计划不受大故障电流的影响。基于谐波过流继电器 [86], [87], [88]• 需要较少的通信通道，计算时间也更短。• 关于故障瞬态时间，有明确的说明。• 时间延迟的计算使用粒子群优化。• 第二谐波分量用于定位故障，而孤立模式由第五谐波分量确定。基于小波变换的方案 [89], [90]• 通过从网络干扰中得到的瞬态分量来确定故障位置。• 系统结构不受短暂中断连接的组件的影响。两种不同的瞬态分量配置：(i) 非故障类型：系统受重新组织的频率分量影响。(ii) 使用从网络畸变中得到的瞬态分量来确定故障位置。• 分解瞬态分量会产生每个小波分量的时域信号。• 它包含一个具有复杂数据的专用频率带 [89]。• 分支：表示信号的行为方式。故障类型由决策点 [90] 确定。• 电流或电压信号中的过多噪声会妨碍性能。• 计算负载较高。基于行波的方案 [91]• 使用电流转换器来测量线中的行波。• 适用于定位输电线路故障。• 利用小波多分辨率方法可以分解行波信号。• 通过比较母线电压和行波电流来确定故障位置 [91]。• 在微电网中精确定位故障需要更高的采样率和更高的分辨率。• 需要选择理想的提取方法。• 需要低带宽通信架构以加快操作速度。广域监控和保护系统（WAMPS）[92], [93], [94]• 需要快速操作和艰难的决策。• 利用邻近智能网络收集与电气参数相关的所有数据。• 使用结合GPS的样本时钟可以借助SCADA接口更快地做出紧急决策。• 在面对负载削减、电压不一致、发电机或负载故障等常规事件时提供可靠的性能。• 为了保持各级单元之间的同步，连接GPS的PMU测量不同的电气参数。• 在微电网和传输框架的共同连接点之间安装微型PMU以解决配电和传输问题。• 使用微型PMU需要收集足够的间接证据。• 应用成本较高。• 需要通信基础设施以实现及时数据同步。表8. 选定的基于ANN的保护方案总结。方法描述方法论备注基于数据挖掘的智能差动MPS [95]• 在最大1.5个周期的继电速度下提供99%的性能精度。• 用于数据挖掘、智能建模和实时差动分析。利用希尔伯特变换和机器学习方法进行微电网故障检测 [96]• MG开发和实施的全面通信和测量系统使MPS能够智能地调整继电器设置。实验的结果：
• 使用希尔伯特变换提取瞬时特征，并应用机器学习分类器实时准确地检测和分类故障。
• 通过结合基于希尔伯特变换的特征提取和机器学习技术，提高了微电网故障检测的准确性和实时响应能力。

针对微电网的自适应过流保护 [97]：
实验结果表明，所提出的方法可以在一个周期内完全保护微电网。
• 使用人工神经网络（ANN）模型来检测和定位微电网中的故障，以实时自适应地优化过流继电器的设置。
• 这种自适应保护策略提高了故障检测的准确性和继电器的协调性。

结合机器学习的自适应保护 [98]：
该策略通过智能调整拓扑结构和运行状态等设置进行了验证。
• 混合ANN-SVM模型能够根据实时数据识别微电网的运行状态。
• 基于机器学习的自适应保护机制增强了微电网故障检测的准确性和可靠性。

基于模块化ANN的微电网保护系统 [99]：
试验结果表明，所提出的方法仅在一个周期内就能完全保护微电网。
• 通过同步电压和电流，利用ANN检测和分类故障。
• 基于ANN的保护方案实现了准确、可靠且实时的故障检测。

6. 保护配置中的工业特性
当前交流微电网的运行主要依赖于智能能力，包括对整体性能的监测和测量。现代微电网架构包括分布式发电资源、电网监控系统、变电站、智能电子设备以及消费者需求组件。为了确保系统的最佳性能，这些元素必须通过安全可靠的通信网络相互连接。
实施广域监控和保护应用需要比传统SCADA系统更快的操作速度。为满足这些高速要求，未来的系统将采用基于光纤和WiMAX技术的广域网络概念。为了提高现代保护设备的效率，使用了固态变压器。表9显示了不同交流微电网系统的规格。对混合交流/直流微电网进行全面评估的一个基本要求是包含一个结构化的比较框架，如表10所示。此外，表11深入评估了面向机器学习的保护挑战，从而加强了关于实际保护需求及其与现实世界微电网实现相关性的讨论。表12题为“基于性能标准的微电网保护方案比较分析”，系统地对比了主要的保护策略。

表9. 交流微电网推荐的核心标准：
| 编号 | 标准 | 详情 |
| --- | --- | --- |
| 1 | IEEE 1547–2018 | 分布式能源资源（DERs）与电力系统接口的标准，用于互连和运行 |
| 2 | IEEE 1547a-2020 | 使系统在异常工作性能下更加灵活 |
| 3 | IEEE 519–2014 | 电力系统的谐波控制要求和推荐实践 |
| 4 | IEEE 2030–2011 | 能源与信息技术操作与电力系统的智能互操作性 |
| 5 | IEEE 2030.7 | 描述微电网控制特性的标准 |
| 6 | IEEE 2030.9-2019 | 微电网规划和设计的标准 |
| 7 | IEEE P2030.12 | 微电网保护系统的设计指南 |
| 8 | IEC 61400（系列） | 风能发电系统的标准 |
| 9 | IEC 60364（系列） | 低压电力系统安装的标准 |
| 10 | IEC 61850 & 61499 | 微电网的监控和控制标准 |
| 11 | IEC 61970 & 61968 | 能源和配电管理的通用信息模型（CIM） |
| 12 | IEC TR 62357 | 服务导向架构 |
| 13 | IEC 62351 | 安全性 |
| 14 | IEC 62056 | 电表数据交换 |
| 15 | IEC 61508 | 功能安全 |

研究发现总结了关键挑战和微电网保护策略的进步。此外，还包含了一个名为“微电网保护方法的关键比较”的新表格，根据可靠性、响应时间、复杂性和对不同运行模式的适应性等标准系统地评估了各种保护技术（见表13）。

表10. 交流与直流保护理念的比较分析：
| 平面 | 交流微电网保护 | 直流微电网保护 |
| --- | --- | --- |
| 故障电流行为 | 正弦波，受阻抗限制 | 快速上升，低阻抗 |
| 中断机制 | 自然电流零点 | 需要人工零点 |
| 保护设备 | 传统继电器、断路器 | 固态/混合断路器 |
| 协调策略 | 时间-电流分级 | 超快，基于通信 |

表11. 保护相关的机器学习问题及其缓解策略：
| 问题 | 对保护的影响 | 缓解策略 |
| 类别不平衡（故障与正常） | 偏置模型；故障检测不足（假阴性） | 过采样（SMOTE），欠采样，成本敏感的学习，使用召回率/F1分数 |
| 延迟 | 故障检测延迟；继电器操作缓慢 | 轻量模型，特征 reduction，边缘/FPGA 实现 |
| 招错风险（假阳性） | 不必要的跳闸；系统可靠性降低 | 阈值调整，混合机器学习 + 基于规则的方案，基于置信度的决策 |
| 泛化问题 | 在未见情况下表现不佳 | 使用多样化数据集训练，交叉验证，在线学习 |

表12. 基于性能标准的微电网保护方案比较分析：
| 保护方法 | 检测速度 | 选择性 | 可扩展性 | 可靠性 |
| 自适应 | 中等–高 | 高 | 中等 | 高 |
| 差分保护 | 非常高 | 非常高 | 高 | 低 |
| 基于谐波的保护 | 中等 | 中等 | 低 | 高 |
| 基于小波的保护 | 高 | 高 | 中等 | 高 |
| 基于ANN的保护 | 高 | a | 中等 | 高 |
| a | a | a | 变化 |

表13. 微电网保护方法的关键比较：
| 保护方法 | 性能 | 优势 | 局限 | 适用性 |
| 过流保护 | 检测速度中等；在微电网中选择性有限 | 简单，成本低，易于实施 | 在双向流中协调性差；受低故障电流影响 |
| 差分保护 | 非常高的速度和选择性 | 准确的故障隔离；独立于系统条件 | 需要高速通信；基础设施昂贵 |
| 距离保护 | 高速度；中等选择性 | 适合线路保护；适用于大型系统 | 受故障电阻和变化故障电流影响 |
| 自适应保护 | 在动态条件下性能高 | 灵活；实时调整继电器设置 | 复杂设计；依赖通信 |
| 基于谐波的保护 | 中等速度；中等准确性 | 对逆变器故障检测有效 | 对噪声和谐波敏感 |
| 基于小波的保护 | 高检测速度，适用于瞬态故障 | 良好的时频分析；准确的故障检测 | 计算复杂度高 |
| 基于ANN的保护 | 高速度和准确性 | 学习非线性模式；具有适应性和可扩展性 | 需要大量训练数据；存在误分类风险 |

7. 以分布式能源资源（DERs）为主导的微电网中的故障电流特性
研究故障电流行为对于设计混合交流/直流微电网的保护系统至关重要。与主要基于同步发电机的传统电力网络不同，现代微电网越来越多地引入了基于逆变器的资源（IBRs）。这种转变显著改变了故障电流的特性，从而影响了保护机制的可靠性、灵敏度和协调性。在传统电力系统中，同步发电机能够提供较高的故障电流（通常为5至8 pu），这归因于它们的低次暂态电抗和储存的旋转能量。然而，IBRs通过电力电子转换器连接到电网，提供的故障电流通常较低，大约在1.1至2 pu之间。这种限制主要是由于半导体设备的操作限制以及为保护转换器组件而设计的电流限制控制技术。在以IBRs为主的系统中，故障电流的幅度较低且受控，给保护方案带来了若干挑战。例如，依赖于足够高故障电流的过流继电器可能会无法动作或反应延迟，导致保护失效。此外，网格连接模式和孤岛模式之间的故障电流水平变化可能会导致继电器之间的协调问题。距离保护也会受到影响，因为表观阻抗的变化可能导致保护不足或过度保护的问题。这些问题与之前关于分布式能源资源对保护性能影响的报告一致。

总体而言，IBRs的故障电流贡献有限，加上它们对控制策略和运行条件的依赖性，给传统保护方法带来了重大挑战。故障电流水平的降低降低了过流保护的有效性，而IBRs的动态响应复杂性增加了保护设备之间的协调难度（见表14）。此外，双向功率流动和故障电流方向的变化要求采用方向性和通信辅助的保护技术。图8进一步展示了故障电流的不同动态特性：同步发电机产生的初始次暂态电流较大，逐渐呈指数级下降，而基于逆变器的资源（IBRs）的故障电流响应受到调控且受限。

表14. 以分布式能源资源（DERs）为主导的微电网中故障电流特性的比较分析：
| 参数 | 同步发电机 | 基于逆变器的资源 |
| ----------------:| ---------------------------: | ------------------------: |
| 故障电流幅度 | 高（5–8 pu） | 低（1.1–2 pu） |
| 过流继电器的敏感性 | 在IBR系统中降低 | |
| 故障电流持续时间 | 由于旋转惯性而持续 | 时间短，控制迅速 |
| 电流波形 | 正弦波且可预测 | 非正弦波，由转换器控制 |
| 挑战 | 传统继电器算法中的挑战 | |
| 贡献来源 | 电磁能量（转子） | 电力电子转换器 |
| 故障电流控制 | 有限（自然响应） | 高度控制（电流限制控制） |
| 改变继电器观察到的故障特征 | |
| X/R比率 | 高 | 低 | |
| 故障电平变异性 | 相对稳定 | 高度依赖于运行模式 |
| 导致继电器协调问题 | |

图9比较了基于逆变器的资源（IBRs）降低的故障电流贡献对继电器性能的影响。结果表明，同步发电机产生的故障电流远高于继电器的检测阈值，从而确保了过流保护的可靠运行。然而，IBRs提供的故障电流通常接近或低于检测阈值，可能导致继电器操作失败或延迟跳闸。这种情况常被称为“保护盲视”，凸显了传统过流保护方法在以逆变器发电为主导的微电网中的显著缺点。

图8. 同步发电机和基于逆变器的资源（IBRs）的故障电流波形比较。
图10中的时间-电流特性（TCC）曲线进一步展示了基于逆变器的资源引起的协调问题。曲线表明，同步发电机产生的故障电流位于过流继电器快速响应的范围内，导致跳闸时间较短；而IBRs提供的故障电流较低，可能导致较长的操作时间或完全不触发跳闸。这种继电器效能的下降影响了保护的速度和选择性。

图9显示了故障条件下距离继电器测量的阻抗路径。在以同步发电为主导的系统中，故障轨迹通常进入指定的保护区域，使继电器能够准确响应。相反，在以基于逆变器的资源为主的系统中，较低的故障电流改变了继电器看到的表观阻抗，导致轨迹可能位于保护区域之外，从而引起保护不足和故障检测失败的风险增加。

图11中的R-X图显示了在以逆变器资源（IBRs）主导的系统中，距离继电器的阻抗路径。

8. 未来方向和问题
本研究的深入分析表明，规划成功的保护策略需要考虑多种因素：
1. 基于逆变器的DERs提供的故障电流贡献有限，使得故障检测困难。
2. 由于特征弱和噪声敏感，难以可靠检测高阻抗故障（HIFs）。
3. 在具有不同系统特性的混合交流/直流微电网中，保护协调存在困难。
4. 网格连接模式和孤岛模式之间的动态拓扑变化带来的问题。
5. 通信约束，包括延迟、可靠性和通信辅助保护方案中的网络安全漏洞。
6. 专注于鲁棒性、可解释性和实时实现的AI/ML基自适应保护系统。
7. 结合传统继电器和智能算法的混合保护方案，以提高选择性和鲁棒性。
8. 应用边缘计算以减少延迟并实现实时保护。
9. 使用同步测量（PMUs）的广域监控和保护（WAMPAC）进行协调保护。
10. 开发快速可靠的直流和混合微电网保护技术。
11. 设计具有弹性和网络安全性的保护系统，以抵御通信故障和网络威胁。
12. 速度、可靠性和通信依赖性之间的权衡。
13. 大规模微电网系统中的可扩展性挑战。
14. 在未见或变化的操作条件下，基于ANN的方法的局限性。

未来的研究应集中解决上述问题，以提高交流微电网保护系统在所有操作场景下的有效性。

9. 结论
保护电力系统是至关重要的。首要问题是确保不间断和高质量的电力供应。主要目标是保证系统的安全性、可靠性和安全性。主要目标是开发一种混合微电网架构，以应对全球变暖和温室效应问题。这一研究领域虽然尚处于起步阶段，但前景看好。本文全面分析了混合微电网保护相关的问题、挑战、特点以及多种保护措施，重点关注保护策略、设备、标准以及未来改进的空间。此外，某些分布式发电机的动态电力行为、系统不平衡、故障检测与定位、高阻抗故障等因素给系统保护带来了重大挑战。目前的主要研究方向是建立一种能够在混合微电网运行条件下无缝工作的继电系统。研究得出的重要结论如下：

1. 综述了多篇与本工作直接或间接相关的文献，并对其结果进行了深入分析。
2. 本文简要介绍了当前的混合微电网安全问题及其传统解决方案。
3. 最后，本文强调了人工智能和计算智能在混合微电网安全性方面的作用，这一话题最近受到了广泛关注。实施人工智能需要基于关键数据分析的完善保护方案和算法，以便将新设备集成到现有系统中。此外，还面临着许多涉及开放研究领域的重大挑战。本研究通过文献综述帮助学者们更深入地理解这一主题。

**作者贡献声明**：
- Anurag Tiwari：负责撰写原始稿件、方法论部分和形式化分析。
- Umesh Chaudhary：负责撰写原始稿件、软件开发及形式化分析。
- Mukesh Kumar：负责撰写原始稿件、软件开发、方法论部分和概念化工作。
- Rajanikanta Sahoo：负责审阅与编辑、方法论部分及概念化工作。
- Mohammad Amir：负责整体指导、方法论制定及概念化工作。
- Musa Bashir：负责审阅与编辑、项目管理工作、方法论制定及资金筹措。

**未引用的参考文献**：
[66], [67]