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1、智能配电网保护控制系统的设计与研究李斌1，薄志谦2（1. 天津大学电力系统仿真控制教育部重点实验室，天津 300072；2. 英国AREVA输配电自动化公司，斯塔福德郡，ST17 4LX，英国）DESIGN AND RESEARCH ON PROTECTION AND CONTROL OF SMART DISTRIBUTION GRID LI Bin1，BO Zhi-qian2(1. Key Laboratory of Power System Simulation and Control of Ministry of Education, Tianjin University, Tianji
2、n 300072, China; 2. AREVA T &D, Stafford, ST17 4LX, UK)- 6 -ABSTRACT: With the increasing in power demand, complexity of network structure and renewable source penetration, the smart distribution grid with the self-healing ability has become the certain trend of development. The paper introduces the
3、 technical contents and points out the characteristics of the smart distribution grid. Based on the protection and control requirements, the paper proposes the scheme design of the protection and control system for the smart distribution grid. Taking the recent developments in communication technolo
4、gy and the exisitng infrastructures in distribution grid into consideration, the paper analyzes some technical issues of protection and control and discusses its implementation in smart distribution grid. KEY WORD: smart distribution grid; micro-grid; protection and control摘要：面对配电网供电需求的增大、配电网连接复杂度的增
5、高、以及可再生能源接入等问题，研究和发展突出自愈功能的智能配电网成为电力系统发展的必然选择和趋势。本文介绍了智能电网的技术内涵，探讨了智能配电网自身的特点及其对保护控制系统的要求。面向智能配电网保护控制的自愈能力，本文给出了保护控制系统设计方案。兼顾通信技术的发展与现有配电网的技术基础，本文分别对智能配电网保护控制体系结构、微电网的失步解列、以及无通道保护等在智能配电网内的研究与应用进行了分析。关键词：智能配电网；微电网；保护与控制1引言电力行业是关系国计民生的基础性行业。随着全球资源环境压力的不断增大、电力市场化进程的不断深入，可再生能源等分布式发电单元的数量不断增加，用户对电能质量要求的不
6、断提升，传统网络已经难以满足社会发展需求，建设更加安全、可靠、环保、经济的现代电网成为全球电力行业的共同目标。现代电网的内涵包括实现以抵御事故扰动为主的安全稳定运行，降低大规模停运风险；使分布式电源得到有效的利用；提高用户用电的效率和电能质量；提高电网资产的利用率等等。其中，突出自愈功能的智能电网研究与发展被认为是当今世界电力系统发展变革的最新动向，是21世纪电力系统的重大科技创新和发展趋势1-6。近年来，分布式发电供能系统得到快速发展，由于分布式发电采用就地能源，可以实现分区分片灵活供电，通过合理的规划设计，在灾难性事件发生导致大电网瓦解的情况下，可以保证对配电网内重要负荷的供电，并有助于大
7、电网快速恢复供电，降低大电网停电造成的社会经济损失。另外，分布式发电供能系统与大电网并网运行，有助于克服一些分布式电源的间歇性给用户负荷造成的影响，提高系统供电的电能质量7。因此，具有自愈能力、兼容多种发电资源、具有自愈能力的智能配电网研究将有助于分布式发电技术的推广应用，也有助于防止大面积停电，提高电力系统的安全性和可靠性，增强电网抵御自然灾害的能力。传统的电力系统由发电、输电、配电系统组成。据统计，8090以上的重要用户停电是由城市配电系统故障引起的。配电网结构复杂、电压等级多样、且配电系统投资巨大。因此，在建设坚强国家电网骨干网架的同时，把握当前城市配电网大规模建设的良好时机，及时地解决
8、好分布式发电供能系统接入配电网的关键技术问题，为实现健壮的智能配电网奠定坚实的理论基础，无疑具有重大的社会效益和经济价值。本文概述了智能电网的技术内涵，重点指出智能配电网所面临的技术难点与发展需求，对智能配电网保护控制系统提出了设计思路，并探讨了该领域的相关研究课题。2智能电网的技术内涵智能电网涵盖了电力系统所有的领域，是一项长期、庞大的科研课题与工程实践。它以智能一次设备和二次设备为基础，并集合了通信、计算机、电力电子技术的发展。从技术层面讲，未来的智能电网和目前电网的主要区别体现在电力市场化、新能源发电与储能技术、电能质量、以及电网自愈能力等各个方面。以电网结构及运行特征来分，智能电网的研
9、究与实施主要包括以下内容，如图1所示。由于电力系统的运行、控制以及管理是依靠跨越各个分布系统或终端的信息交换来实现的。因此，智能电网的实施必然是建立在电力系统与通信系统高度集成和发展的基础上形成的智能电网体系。由图1可知，智能电网主要包含智能输电网和智能配电网两大组成部分。而智能变电站则是实现电网智能化运行与控制的关键组成部分。在此基础上，智能化电力调度的目标则包括建立一个基于同步信息的广域保护和紧急控制一体化理论与技术，协调电力系统元件保护和控制、区域稳定控制系统、紧急控制系统、解列控制系统和恢复控制系统等具有多道安全防线的综合防御体系。与此同时，智能电力交易及价格形成机制也是电力市场化的关
10、键技术。鉴于电力系统具有广域动态的特征，智能电网的保护控制必然要进一步在数据信息交换的基础上，解决全局与局部的功能协调和速度协调，实现广域控制与分布保护控制的协调性。图1智能电网的技术内涵Fig.1 Technical content of smart grid3智能配电网的特点随着城市工业与社会生活的不断发展与需求，构建安全、稳定的城市电网是未来电网发展中至关重要的基础环节之一。而城市电网所涉及的内容正是智能配电网所面临的课题与发展方向。未来智能配电网结构应该是现有系统结构和功能的自然扩展，从功能上必须能够支持现有结构所不能支持的两个基本要求2：（1）支持综合考虑终端用户和总体配电系统控制，
11、以达到系统性能的优化、期望的安全稳定性与期望的电能质量。（2）支持高比重的分布式能源接入电网，以提高系统的整体性、效率和灵活性。例如：通过协同的、分布式的控制，可以利用分布式能源来优化系统性能，并且在发生重大系统故障时利用分布式电源进行局部控制（微型电网、cell电网）。城市工业体系中数字化产业比重逐渐增大，对电能质量要求苛刻。为保证供电的连续性与可靠性，国外较为成功的配电网结构中实现了多分段、多连接的供电模式。甚至为了个别重要的用电负荷，局部配电网从辐射状网络向闭环环网的运行模式转变。而在这个发展变化的过程中，传统的保护配置方式及原理显然不能适应这种变化，进而形成了一些应用上的障碍。随着分布
12、式发电资源以及微电网技术的发展，城市配电网受端系统出现发电单元并且其发电能力得到不断提升。因此智能配电网内的电力供应模式将发生改变，即从单一的由大型注入点单向供电的模式，向大量使用受端分布式发电设备的多源多向模块化模式转变。在微电网概念引入之前，世界各国一般均不允许分布式电源孤岛运行，采用系统故障时主动将分布式电源退出的保护控制方案。但随着微网技术的发展，在未来智能配电网中，微电网与配电网的协调运行以及其孤岛运行能力无疑是提高供电可靠性的有效措施之一8, 9。因此，智能配电网需具备分层分块结构，使每个微型电网模块具备孤岛运行能力，从而提高城市电网的健壮性、运行的灵活性。如图2所示的微电网典型结
13、构。图2典型的微电网拓扑结构（来源：IEEE P1547.4）Fig.2 Typical micro-grid topologies根据微电网的结构、特征及其应用和负荷特征，微电网包括与配电网直接相连的微电网，以及面向工商业或居民供电的小型微电网等。不同的微电网特性不同、归属权不同，因此其运行方式灵活多变，相应的保护控制方式应根据这些一般特征有所侧重。4智能配电网的保护控制系统4.1 智能配电网的保护控制系统设计基于智能配电网结构的特点以及其所要实现的运行目标，智能配电网的保护控制应具有突出的自愈能力10, 11。所谓自愈，是指自我预防和自我恢复的能力，体现在以下两方面：（1）预防控制为主要的
14、控制手段，及时发现、诊断和消除故障隐患；（2）具有故障情况下维持系统连续运行的能力，不造成系统的运行损失，并且通过自治修复功能从故障中尽可能恢复供电。自愈是智能配电网最突出的特点，一般智能配电网也往往被称为自愈电网。显然，智能配电网的自愈能力必须依靠可靠、协调的保护控制方案来支撑。根据前文中对智能配电网特点及其对保护控制系统的要求，本文提出的保护控制系统设计方案如图3所示。就电网结构看，图中包括与配电网直接相连的微电网系统（微电网-1），以及面向工商业或居民供电的小型微电网系统（微电网-2）。对于含微网的智能配电网来说，各分布式电源均有各自的控制器，尤其是逆变型电源的电力电子接口可以使分布式电
15、源的运行更加智能化。它可以利用本地信息对其输出电压和频率进行控制，这对提高微电网自身的供电质量起到了重要的支撑作用（如微电网-2所示）。另一方面，对于微电网来说，同样需要保护控制系统以实现对各分布式电源有功和无功出力的监测，并要求实现对分布式电源及负荷的投切控制，从而达到最优的微电网与配电网的并网运行模式或孤岛运行模式（如微电网-1所示）。其中还包括孤岛运行方式下微电网与配电网的同步运行控制以及并网技术等等。图3所示的保护控制系统设计主要包括以下几部分：（1）面向电子式互感器、光互感器以及数字量输入的合并单元，可实现面向变电站或本地的多信息采集。（2）冗余的通信网络体系结构。这两部分是数据采集
16、和分散控制的设备基础。同时，GPS信息的引入，不仅为基于本地信息的传统保护控制方案提供参考时标，更为面向区域或广域信息的控制策略提供了必要的技术基础12。（3）面向智能配电网的保护控制系统，该部分不仅包括配电网的保护控制方案，更应考虑微电网引入后的保护控制策略（图3的设计中侧重了微网引入后配网的保护控制）。其中，分别包括微电网1、2的保护控制方案及其相互关系，最终通过通信网络实现对分布式电源及负荷的分散控制。设计方案中通过通信网关与其他非本地的保护控制单元进行通信将实现更高层次的优化控制。正如前文所述，随着通信技术的成熟与设备的逐渐完善，在智能配电网内实现区域集中控制策略与本地保护控制的相互协
17、调将得到深入的发展。图3智能配电网保护控制系统设计Fig.3 Design of protection and control system of smart distribution grid4.2 智能配电网保护控制的研究从面向智能配电网区域保护控制的角度出发，由图3所示的智能配电网保护控制单元设计可以看出，各保护控制单元具有通信能力和智能判断能力，这符合人工智能领域的多代理系统（MAS）结构13。保护控制单元采用多代理智能体结构（如慎思型的理性智能体（BDI）结构），各保护代理间实现信息交换和协调配合（如采用知识提取及操控语言KQML），使含微网配电系统保护控制具备分布式控制和分布计算的
18、能力。目前国内外在微电网控制模式方面的研究主要包括三种：对等控制模式、主从控制模式和基于多代理系统的分层控制模式。而后者更符合未来微电网的发展，但在实现上具有一定难度，属于当前微电网控制方案研究的热点之一14。另外，采用MAS技术的保护控制系统与智能电网分层控制体系相吻合，有望实现保护控制对配电网拓扑结构变化灵活的适应能力，可以根据配网重构特征对保护定值等属性进行调整。含微电网的配电系统在遭受干扰后可能出现振荡现象。若扰动后不能再建立稳态运行状态，将引起微网与配网主系统之间发生失步。传统基于测量阻抗变化轨迹的失步保护判据存在一定局限性。失步情况复杂，以往的研究常常假设发电机的励磁系统能保证发电
19、机的暂态电势E保持恒定，而这种假设显然在小容量的分布式电源上是不成立的。因此，实现微电网的失步解列保护也是必须重点研究解决的问题之一。目前本文工作当中正在开展的研究思路有两点：第一，基于同步相量的失步解列方案，该方法利用同步测量技术，可以实测或计算配电网主系统与微电网之间的功角及其变化率15，计及同步测量数据传输的时滞影响，可考虑建立功角动态变化的自回归模型，进而对功角变化做出预测，能够真正在失步发生之前做出失步解列的判断，是微电网与配电网的协调运行具有一定的自我防御能力。第二，基于本地多信息量的失步保护方案，综合分布式电源的有功、无功出力，以及线路侧及其变化率等多因素，利用数学方法（如模糊数
20、学）对各失步判定方法进行加权判断，从而实现可靠的失步解列方案。智能配电网的保护控制系统应是面向区域信息的集成保护控制方案与面向元件的局部快速保护控制的有机协调与统一。因此，正如图3所示，传统的保护单元仍是配电网内保护控制系统的主要组成部分，尤其是面向电力设备的快速主保护。快速切除故障有利于系统稳定、减小对分布式电源的影响16，是实现电网自愈的重要指标之一。对于城市配电网，由于负荷密度大，短线路多（12 km甚至几百米），且分布式电源大量接入，使得传统电流保护、距离保护等不能满足含分布式电源配电系统的安全可靠运行。尽管高性能的电流差动保护方案可以实现配电线路故障的快速切除，但在配电网内往往无法获
21、取通信通道。为此，国内外专家学者研究的无通道保护技术更适合解决该问题17, 18。无通道保护方案中，保护通过本地信息检测并判断对侧断路器开断状态判断是否为区内故障，从而决定是否加速跳闸。在低成本条件下实现了配电网馈线的快速主保护，该技术具有广阔的应用前景。众所周知，低压配电网内大量采用重合器与分段器配合的供电系统，如图2所示。传统配电网采用辐射状网络，重合器与分段器的配合方式容易实现，而随着小型分布式电源在低压配电网中的引入，该问题必须引起重视。本文建议在低压配电网的主干供电线路中，可根据短路容量的变化考虑对重合器升级为断路器。在分支供电线路中，为加快故障切除速度，可考虑采用具有一定断弧能力的
22、重合器，以减小分支供电线路对主干配电馈线的影响。同时，改进重合器自身的重合功能也是提高馈线供电可靠性的有效措施之一。在对智能配电网保护控制系统进行设计的基础上，以上内容仅是本文在智能配电网领域开展的相关保护控制的研究概述。目前保护控制系统的研究，逐渐从单元式保护控制方案到集中决策式区域保护控制方案方向发展，随着智能配电网技术及其发展战略的推进，相关研究成果必将为智能配电网的发展与应用提供更加可靠完善的技术支撑手段。5结论智能电网的研究方兴未艾，其涉及广度包含了电力系统的各个领域，被认为是未来电力系统发展的最新动向。其中，研究突出自愈功能的自适应保护与控制技术则是实现智能电网的基础性技术支撑。本
23、文在对智能电网介绍的基础上，提出了含微电网的智能配电网保护控制系统设计方案，并对本文正在开展的一些保护控制技术研究工作进行了原理性阐述与介绍，相关研究成果将对未来智能配电网的安全可靠运行提供更加灵活与可靠的保障能力。参 考 文 献 1 S. Massoud Amin, Bruce F. Wollenberg. Toward s Smart Grid. IEEE Power & Energy Magnizine, 3(5): 34-41, September/October 2005.2 余贻鑫. 面向21世纪的智能配电网. 南方电力技术研究, Vol.2, No.6, pp.14-16, 20
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