主動配電網保護控制的設計與研究

李斌，張慧穎，何佳偉(智能電網教育部重點實驗室(天津大學)，天津市300072)

主動配電網保護控制的設計與研究

李斌，張慧穎，何佳偉
(智能電網教育部重點實驗室(天津大學)，天津市300072)

主動配電網是智能配電網發展的高級技術階段，是具備組合控制各種分布式電源、儲能、可控負荷以及具備需求側響應能力的配電網絡。該文對主動配電網的構成進行了簡要介紹，探討了主動配電網自身的特點及其對保護控制系統的要求，在此基礎上提出了面向主動配電網的控制保護系統的整體架構，并對主動配電網保護控制中的關鍵技術即運行控制技術、并網點與配電網相結合的保護技術以及直流配電網保護技術進行了闡述。

主動配電網;微電網;保護;控制

0 引言

從哲學層面、經濟學層面、技術層面出發，謀求能源高效利用和可持續發展的能源互聯網已成為能源領域的主導發展方向之一［1］。能源互聯網是以互聯網理念構建的新型信息能源融合“廣域網”，它以電網為“主干網”，以分布式電網為“局域網”，以開放對等的信息能源一體化架構真正實現能源的雙向按需傳輸和動態平衡使用。事實上不難發現，這一發展思路與未來智能配電網的構想是不謀而合的。當前盡管世界上不同國家針對本國的能源和電網現狀制定了不同的智能電網發展目標，但智能配電系統是幾乎所有國家發展智能電網的重點所在。

電力需求的持續增長、傳統能源的短缺以及電力市場的開放催生了分布式發電技術的快速發展。但是，基于可再生能源的分布式發電技術面臨著電源單機接入成本高，功率輸出具有隨機性和波動性等問題［2］。將可再生能源、儲能單元以及本地負荷有機融合形成微電網接入配電網，是發揮分布式發電系統效能的最有效方式［3］。與此同時，我們也需要注意到，受大容量儲能和控制方式可行性的限制，當前微電網理論研究與工程實踐往往集中于并網容量有限的400V低壓配電網。因此，配電網必須從微電網和規模化分布式電源集中式并入中壓配電網兩方面雙管齊下，最大限度地提升電網消納可再生能源的能力。結合配電網需求側響應和智能用電技術的發展，可以預見，智能配電網的發展路線必然是將一個集中、單向、生產者控制的配電網，轉變成更加分布、更多消費者互動的主動配電網。

主動配電網是智能配電網發展的高級技術階段，是具備組合控制各種分布式能源(分布式電源、儲能、可控負荷、需求側響應)能力的配電網絡，旨在加大配電網對可再生能源的接納能力，提升配電網資產的利用率以及提高用戶用電質量和供電可靠性［4-5］。分布式發電已在世界范圍內得到廣泛認同。因此分布式發電接入電網所面臨的制度化束縛與技術瓶頸將必然被突破。國家電網公司已宣布容量小于6 MW的分布式發電系統將無障礙接入10 kV配電網。可見，發展主動配電網的政策條件和技術背景正在日益完善。

本文對主動配電網的構成與特征進行了介紹，并提出了面向主動配電網的保護控制系統設計方案，并對相關保護控制技術進行了具體介紹。

1 主動配電網的構成與特征

未來的主動配電網絡將包含大量自治運行區域，中壓網可以劃分為多個獨立運行單元控制區域(Cell)，低壓網將形成大量由分布式電源和負荷構成的微電網。這些自治區域可以采取不同運行拓撲(輻射狀、環狀等)，不同供電方式(常規交流、多端柔性直流)。自治區域將具備獨立運行能力，緊急情況下又能相互支持。主動配電網具有以下重要特征。

(1)具有多源屬性的主動配電網絡:大量分布式電源和儲能系統在配電系統的接入，使得配電系統出現了類似傳統輸電系統的多源供電、雙向潮流等特性。分布式電源的間歇性特性和負荷的需求側響應等產生的動態不可測潮流會顯著增加;電壓電流波動及線路、變壓器等設備越限可能性也會增加。同時，分布式電源接入對配電網拓撲、故障電流水平的影響都使得主動配電網絡的保護原理及措施需要重新審視和考慮。

(2)現有被動網絡管理模式將被主動網絡管理模式所替代:現有配電網只能采取就地消納和局部控制相結合的方式被動接納分布式電源。這不但影響了分布式電源的滲透率，造成可再生能源開發困難，同時由于相關設備效能未能充分發揮，大大增加了配電網投資運行成本。因此對配電系統進行主動控制和網絡管理是主動配電網的核心內容，由此帶來的對于配電網保護的適應性及新型保護系統設計問題是必須要解決的問題。

(3)控制手段將更加多樣化與精細化:分布式電源接入及電力電子設備的使用極大提高了配電系統的可控性。自動故障定位、自動供電恢復、自動保護整定、自動電壓控制、網絡再組合等技術的應用將使得配電系統的自愈能力顯著改善。但實現多樣化、精細化、概率化和預測性的配電系統運行控制、網絡重構和保護再整定技術則需要進行更深入的配電系統分析工作。

(4)信息交互能力將明顯加強:先進的通信網絡將使得配電網具備強大的雙向信息交互能力;但這種信息感知與交互也將顯著增加海量數據信息處理的難度，這就對發展分布式協同控制技術提供了機遇與挑戰。

(5)源-網-荷的互動方式更加復雜化:為提高終端能源的利用效率，用戶端將會大量采用智能設備，同時由于用戶需求側響應等影響，將會使得配電系統的動/靜態行為更加復雜化。配電網一次系統與二次系統交互影響、二次系統中控制保護技術與方案的相互影響和協調都給智能配電網的保護原理和方案帶來了巨大的挑戰。

2 主動配電網控制保護系統

分布式電源的控制特性使微電網及其所接入的配網具有復雜的非線性特征［6］。適用于線性系統的對稱分類法等故障分析手段不能客觀反映含分布式電源接入的主動配電網故障暫態特性［7-8］。分布式電源高滲透率接入條件下的保護可以從“并網點保護、配電網保護”兩個角度、“點、線、面”三個層次進行研究。對其繼電保護原理與技術的要求除傳統四性要求之外，基于本地信息量的并網點保護應滿足微電網分布式自治、與配電網靈活互動的要求。基于信息交互的配電網系統級保護應滿足允許分布式電源靈活接入、足夠靈敏地反映分布式電源故障出力等要求。

2.1 主動配電網運行控制研究

主動配電系統互動可控的運行控制系統充分利用配電系統的結構特點，將配電網絡分層分區加以劃分，形成不同電壓等級、不同地區分布的控制區域。在合理考慮臨近控制區影響的條件下，每個控制區主要實施區域局部控制。以實現主動配電網絡靈活運行為目標，從配電網自身、分布式電源接入以及可調負荷參與的順序和角度探索主動配電網的協同控制方法。具體包括以一次網絡重構及二次保護自適應協調為思路的配電網自調節能力;考慮多類型負荷變化特性以及可調負荷資源參與的多目標協同控制;基于下垂控制的微電網無縫模式切換控制等。在控制手段上依賴新型電力電子控制技術，以能量路由器為功率傳輸中繼，配備與配電網的高壓接口連接以及和分布式電源連接的低電壓交直流接口。能量路由器需對連接至其智能功率傳輸模塊接口的所有裝置進行識別和管理，包括狀態監控，數據收集和控制基準。對于可控負荷，控制基準可能包括開機、關機指令，功率和電壓調節指令等;而對于儲能裝置而言，控制基準則可能是充、放電速率、深度等。基于能量路由器的分布式智能控制系統分布于所有的能量路由器，并利用通信網絡來與其他能量路由器協調配電網的運行控制。以軟常開點為配電網功率傳輸分配的關鍵技術手段，實現主動配電網的動態網絡重構和優化運行。基于分布式控制區域的概念，將發展協同決策算法，以便協調各種控制功能，避免多種控制功能獨立實施可能造成的系統運行混亂。圖1所示即為互動可控的主動配電網運行控制框圖及關鍵控制技術的示意圖。

2.2 主動配電網保護技術研究

隨著數字化變電站、光纖以太網等一系列新技術的發展與應用，面向電網主設備以及網絡拓撲的集成保護成為可能。集成保護系統應是面向配電網區域的集成網絡保護與面向單一元件設備的局部快速集成保護的有機協調與統一。面向單一元件設備如母線、線路等的本地集成保護單元，能夠實現具有針對性的快速保護;而面向整體區域電網的集成網絡保護，借助以太網等通信網絡實現對區域的集中保護決策，為區域配電網提供后備保護。兩者層次分明，分工明確，相互協調，共同實現主動配電網可靠而又快速的集成保護，如圖2所示。

圖1 主動配電網運行控制框架及關鍵控制技術Fig.1 Active distribution network operational control framework and key control technology

圖2 主動配電網集成保護示意圖Fig.2 Integration protection of active distribution network

多饋入電源主動配電網自適應保護技術包含“點、線、面”這3個保護層次。

所謂“點”，是從分布式保護思想出發，應保證分布式電源或微電網并網的公共耦合點處具備集孤島檢測保護為核心、具有并網狀態、孤島狀態及狀態切換控制的保護功能。并且主動式檢測方法應不影響并網運行時配電網的供電電能質量。在微電網概念引入之前，世界各國一般均不允許分布式電源孤島運行，采用系統故障時主動將分布式電源退出的保護控制方案。但隨著微電網技術的發展，在主動配電網中，微電網與配電網的協調運行以及其孤島運行能力無疑是提高供電可靠性的有效措施之一。為此，微電網的孤島檢測及保護控制就顯得尤為重要［9］。傳統基于電壓、頻率幅值特征的孤島保護無法滿足系統對孤島檢測的靈敏性和速動性要求。采用基于擴展卡爾曼的測頻算法，依據頻率動態變化率、方差等判定條件，采用模糊數學邏輯實現快速高靈敏度被動式孤島檢測，同時基于諧波畸變率突變或頻率突變啟動主動式孤島檢測的方法，不僅降低了孤島檢測對微網正常運行的影響，也滿足了微網并網/孤網模式切換控制的要求［10］。所謂“線”是指主動配電網內供電支路的保護。盡管分布式電源在配電網的接入改變了配電系統功率單一流向的基本屬性，使得配電系統成為有源網絡。但由于分布式電源容量與系統容量相差懸殊，且逆變型分布式電源供給短路電流的能力非常有限。因此，配電系統的保護既不能忽略分布式電源的影響，又不能將分布式電源做與電網類似的等效。因此，傳統基于工頻量的保護原理雖可以實現故障的檢測，但在故障定位和故障隔離方面難以達到系統要求［11］。基于暫態量信息的主動配電網保護原理利用小波變換提取故障暫態高頻分量，通過線路兩端暫態高頻分量的極性比較來對故障進行定位，克服了由于系統與分布式電源之間供流能力差別大等原因造成的傳統保護選擇性、靈敏性差的缺點。暫態極性比較保護具體原理如下:

故障發生時，暫態電流分量由故障點向線路的兩端開始傳播，如果假設線路兩端的保護的正方向均為母線指向線路，那么當故障發生在區內時，到達線路兩端母線處的暫態電流極性相同。相反，如果故障發生在線路保護的區外時，到達線路兩端母線處的暫態電流極性相反。圖3所示為三相短路故障分別發生在區內和區外時的暫態高頻分量波形，iT-B和iT-D分別表示利用小波變換提取的線路兩端暫態高頻電流。

圖3 線路區內區外三相短路故障暫態高頻分量Fig.3 Transient high frequency component waveforms in the cases of internal and external symmetrical faults

暫態電流信號高頻分量極性借鑒信號處理中的互相關函數的概念來對2個暫態信號的相似程度進行描述。當線路兩端暫態高頻分量的互相關系數接近1時，即可判定為兩信號暫態極性相同，從而判定為線路區內故障;當互相關系數接近1時，2個信號暫態極性相反，即可判定為線路區外故障。基于暫態信息的暫態極性比較保護新方案可以覆蓋所有故障類型，并且可以適用于線路故障和母線故障。

所謂“面”是從配電網分區的角度實現區域保護。主動配電網保護是基于暫態極性比較保護原理，對配電網進行分區，構建區域集中綜合控制與本地保護控制系統相結合的保護系統。采用母線線路集成保護的思路，在配電網母線處設立一個集成保護單元，基于本地信息以及相鄰保護單元的故障信息實現對本地單一電氣設備母線和線路的保護。與此同時，利用分布式布局的能量路由器作為集成網絡保護單元獲取配電網多點信息，根據不同的情況綜合多點的信息完成基于多點信息的保護控制功能，從而完成故障快速定位以及后備保護的功能，實現配電網絡保護及自動化。主動配電網的集成保護系統應是面向配電網整體區域的集成網絡保護與面向單一元件設備的局部快速集成保護的有機協調與統一。面向單一元件設備如母線、線路等的本地集成保護單元，能夠實現具有針對性的快速保護;而面向整體配電網保護區域的集成網絡保護，借助以太網等通信網絡實現對區域的集中保護決策，為整個保護區域提供后備保護。兩者層次分明，分工明確，相互協調，共同實現主動配電網可靠而又快速的集成保護。根據保護配合關系確定集成方式，以保證區域保護原理具有較強的可操作性。考慮到信息量影響到保護的判定速度和可靠性，因此從信息量上，能量路由器對于信息的采集具有選擇性，不能采用全部區域信息，而是根據保護配合關系確定集成方式，以保證區域保護原理具有較強的可操作性。

2.3 直流配電保護控制的研究

目前，由于分布式發電的不斷發展以及直流負荷的不斷增加，適用于分布式電源和直流負荷就地接入的多端直流配電網將成為配電網發展的一大趨勢。直流配電網可能是輻射型拓撲結構，這種拓撲結構使得控制策略、保護方案的設計較為簡單，但是供電可靠性低。直流配電網也可以形成環網型結構，如圖4所示。環型結構供電可靠性高，但是相應的控制策略和保護方案則較為復雜。在工程應用中，需結合實際的負荷等級、投資成本等因素確定具體拓撲結構。

圖4 環型多端直流配電網Fig.4 Multi-terminal DC ring distribution network

直流配電網的控制與保護是直流配電網發展的關鍵技術。

其中，直流配電網控制的關鍵主要在于直流配電網的母線電壓控制以及系統潮流控制［12］。母線電壓控制主要可以分為主從控制和無主從控制。主從控制又稱為帶通信的控制，這種方法簡單方便，但卻對各端換流站之間的通信提出了很高的要求。無主從控制不需要依賴于通信，主要包括直流電壓偏差控制和直流電壓斜率控制。同時，與傳統的交流配電網相比，多端環狀直流配電網中還存在系統潮流不可控的問題，這也是目前研究的一大熱點。

由于直流配電網直流線路阻尼低，故障電流上升速度快，因此，與傳統交流系統不同，直流配電網要求直流保護方案能夠快速動作，并且要求直流斷路器能夠在幾個ms之內迅速切除故障線路。但是，由于直流故障電流不存在自然過零點，因此高壓大容量的直流斷路器技術尚不成熟［13］。因此，目前有大量的學者致力于研究基于換流器動作的直流故障切除方案，如基于鉗位雙子模塊的模塊化多電平換流器等。

除此以外，在多端直流配電網中，直流側任何位置發生故障整個系統都將出現降壓、過流現象，因此給故障線路的識別帶來了很大的困難［14］。而且，直流配電網線路較短，傳統直流輸電網中的故障識別方案并不能適用于直流配電網。因此，直流配電網故障的準確識別尚需要進行深入的研究。

3 結論

主動配電網的保護控制技術是實現主動配電網的重要技術支撐。本文首先介紹了主動配電網的主體架構，對主動配電網的重要特征進行了總結。并在此基礎上提出了面向主動配電網的保護控制系統設計方案，并對相關保護控制原理與技術的研究包括互動可控的主動配電系統運行控制系統、多饋入電源的主動配電網保護方案、多端直流配電網保護控制的關鍵技術難點進行了原理性闡述與介紹，相關研究成果將對未來智能配電網的安全可靠運行提供更加靈活與可靠的保障能力。

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(編輯:張媛媛)

Design and Research on Protection and Control of Active Distribution Network

LI Bin，ZHANG Huiying，HE Jiawei
(Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education(Tianjin University)，Tianjin 300072，China)

Active distribution network(ADN)is the advanced technology stage of the smart distribution grid development，which takes the ability of combining and controlling a variety of distributed energy(distributed generation，energy storage，controllable load and demand response)．A brief introduction was given on the constitution of the active distribution network，and its own characteristics and the requirements to the protection and control system were discussed．The active distribution network protection and control system design was proposed．The key technologies of the system such as control technologies，the protection technologies based on the combination of point of common coupling protection and distributed network protection and the DC distributed network protection were specifically introduced．

active distribution network(ADN);micro-grid;protection;control

TM 77

A

1000-7229(2015)01-0091-06

10.3969/j．issn.1000-7229.2015.01.014

2014-10-25

2014-11-25

李斌(1976)，男，教授，主要研究方向為電力系統保護與控制;

張慧穎(1989)，女，碩士研究生，通信作者，主要研究方向為電力系統保護與控制;

何佳偉(1991)，男，碩士研究生，主要研究方向為直流配電保護控制。

國家優秀青年科學基金項目(51422703)。