主動配電網保護研究綜述

彭春華，張艷偉

（華東交通大學電氣與電子工程學院，江西 南昌330013）

主動配電網保護研究綜述

彭春華，張艷偉

（華東交通大學電氣與電子工程學院，江西 南昌330013）

考慮到主動配電網控制方式靈活、復雜、分布式電源滲透率較高、潮流雙向流動等特性，依據主動配電網保護研究現有成果，對主動配電網保護技術做了綜述，結合主動配電網的結構特征，提出對主動配電網保護的基本要求，討論分布式電源和儲能設備、故障時的隔離策略、控制方式、運行方式對主動配電網保護的影響。并分析主動配電網保護的關鍵問題和研究現狀。

主動配電網；分布式電源；繼電保護；孤島

化石燃料的日益枯竭和環境問題的逐年惡化促進了對新能源的開發、利用，以減輕對化石能源的過度依賴。近年來，得益于電力電子技術的發展和政策的扶持，新能源的開發利用取得了較大進展，裝機容量快速增長，但是現有電網對新能源的接納能力有限，經常存在較為嚴重的棄風現象，造成新能源裝機容量的巨大浪費，電力裝備不能充分利用，這些問題亟待解決，發展主動配電網由此成為必然趨勢。國家電網公司已決定在10 kV配電網中無障礙接入容量小于6 MW的分布式發電系統，發展主動配電網正面臨著巨大的機遇和挑戰。

國內外已經有很多學者在可行性［1］、規劃［2］、控制［3］、運行［4-5］、保護［6］、調度［7］等方面對主動配電網做了一些深入的研究，美國、歐洲、日本、中國都建立了主動配電網示范工程項目［8］。其中，最具有代表性的是基于配電網主動管理概念而建立的歐盟ADINE示范工程項目。

本文以主動配電網的結構和對主動配電網保護的要求為基礎，分析了影響主動配電網保護的關鍵因素，歸納出當前主動配電網保護技術在國內外的研究成果并對比分析各種保護技術的優缺點，展望主動配電網保護未來的發展方向，為主動配電網保護技術的發展提供參考。

1　主動配電網保護

區別于微電網和常規配電網，主動配電網是由供電企業管理的公共配電網，常態方式下并不采用孤島運行方式，分布式電源的存在使配電網可以在緊急情況下通過系統解列點的合理配置，使主動配電網的局部作為微電網而以非常態方式孤島運行［9］。

1.1主動配電網基本結構與特征

國際大電網會議配電與分布式發電專委會CIGRE C6于上世紀90年代后期開展了 “分散發電對電力系統的影響”的研究，中國對主動配電網（也譯作“有源配電網”）研究開展較早并取得了一些成果。2004年，英國有學者發表了題為“含DG配電網的主動管理和保護”的文章，這是學術界最早發表的針對主動配電網的論文，2006年國際大電網會議CIGRE成立C6.11工作組，專門研究含分布式電源的配電網絡問題。2008年國際大電網會議第一次提出了主動配電網（active distribution network，ADN）的概念：通過使用靈活的網絡拓撲結構來管理潮流，以便對局部的分布式能源進行主動控制和主動管理的配電系統［2］。

分布式能源的基本構成是：分布式發電（distributed generation，DG）、分布式儲能、可控負荷等。其中分布式電源主要指可再生能源，包括風力發電、光伏電池、燃料電池等；需求側管理環節的可控負荷主要包括響應負荷、電動汽車等，響應負荷同時具有發電和消費雙重身份。

主動配電網是智能電網技術發展到高級階段的產物。相比較傳統的配電網，主動配電網主要具備下列顯著特征：首先要有一定比例的可控分布式資源，包括可控負荷和分布式儲能；其次網絡拓撲靈活、便于調節；最后要有完備的調節、控制方法和建有集量測、控制與保護系統于一身的可以實現協調優化管理的管控中心［10－11］。

1.2主動配電網保護的基本要求

主動配電網屬于第三代電網［12］，其保護問題與傳統配電網保護有著明顯的區別，主要表現在以下幾個方面。

1）主動配電網存在分布式電源并網和孤島兩種運行方式，兩種運行方式下的配電網網絡拓撲不一樣，短路電流方向、大小不同且差異明顯。

2）主動配電網的主動控制、主動管理、分布式電源主動參與、需求側管理等特點使主動配電網網絡具有規模龐大、分層分區域結構復雜、分布式電源的接入點分散且可控性弱、終端用戶的行為模式豐富但與系統的交互隨機性強的特點。主動配電網中的可中斷負荷實行主動響應，且儲能設備的使用使得短路電流和傳統配電網差別較大。

3）分布式電源接入配電網后，配電網由原來的輻射狀單端供電網絡變成多端供電網絡，潮流的雙向流動對電網保護的故障方向判斷和保護定值的整定提出了新的要求。

4）發生故障后，分布式電源和儲能設備與配電網的不同隔離策略直接影響配電網保護，這是主動配電網保護的關鍵問題。

在主動配電網與DG隔離策略和配電網運行方式不同的前提下，研究一種適應主動配電網保護要求的新方法，使得保護無論是在DG并網運行模式還是在孤島運行情況下，都具備高度適應性的故障識別處理能力、能快速并準確感知配電網內外部故障，同時保證具備良好的選擇性、快速性、靈敏性和可靠性，是對主動配電網保護的基本要求。

2　主動配電網保護的影響因素

2.1分布式電源和儲能設備對主動配電網保護的影響

分布式電源和儲能設備的接入改變了原有配電網的拓撲結構，加上分布式電源出力的波動性和隨機性［13］，使故障電流的方向和幅值發生變化，引起保護的誤動作、拒動作、故障水平變化以及非同期重合閘。當配電網中分布式電源的滲透率較大時，這些問題更加突出，儲能設備接入配電網后具有負荷和電源的雙重性質，但由于容量的限制，儲能設備對配電網影響較小。現有中壓配電網的故障處理方法一般是在沒有考慮分布式電源和儲能設備接入的情況下設計的，主要涉及故障段自動隔離、自動重合閘、潮流轉移等基本操作，而分布式電源的接入會影響這些操作的安全、可靠。在饋線故障且具有分布式電源的情況下，非同步的自動重合可能會損壞分布式電源并可能引起供電系統出現震蕩。在潮流轉移時，分布式電源的接入可能使饋線的短路電流水平超過限值。在瞬時故障后分布式電源未斷開的情況下，重合閘操作有可能導致大電流以及逆變器跳閘的出現。所以，分布式電源的并網地點、并網容量和儲能設備的運行狀態都將影響主動配電網的保護。

2.2故障時不同隔離策略對主動配電網保護的影響

分布式電源與公用電網的隔離策略指的是當故障發生在不同位置時，分布式電源與配電網的連接點PCC點動作的最優化策略。傳統配電網出現故障時分布式電源退出運行；如果配電網側故障時，分布式電源并網點PCC點不動作，分布式電源在主動配電網中運行于故障穿越狀態，由于配電網原有的保護裝置并不具有方向識別能力，可能出現故障長時間存在并導致更嚴重的故障發生。而在主動配電網中，當配電網故障時，視具體的故障情況，允許在主動配電網的管理系統協調控制下，給非故障區域的重要負荷繼續供電。所以不同的隔離策略直接影響相應的分布式的電源并網與否即影響配電網的拓撲結構，從而對配電網保護產生影響。

2.3主動配電網不同控制方式對保護的影響

在主動配電網中，分布式電源、負荷、儲能設備和其他電器設備的配合使用、協調控制有利于提高配電網供電可靠性和配電網對新能源的吸納能力。主動配電網通常設置集中式、分散式及混合分層式3種控制方式［14］。

在集中式控制方式下，各測量點將電氣量上傳至配電網中央控制器，中央控制器向配電區域內的電源、負荷、儲能和其他中間設備發送控制指令以維持配電網正常運行，這類控制方式的可靠性較差，當中央處理器出現故障時，整個系統將會崩潰，保護信號不能可靠地在系統內傳輸。

分散式控制方式對配網結構適應性較強，結合配電網中電源及負荷本身分散性，配電網中的設備規模可以不受限制，本地控制器通過對本地采集的數據與相鄰設備送來的信息的分析發出控制指令。

混合分層式管理是一種最有發展前景的配電網管理方式，該方法具備多層式結構，包含了集中式和分散式框架的共同特點，其中位于最上層的是能量優化管理層，中間層依據能量優化管理層發送的命令，計算出最優的保護、控制參數并發送至底層控制器，底層控制器利用該類數據控制配電網中的具體設備，實現對配電網的管理和控制功能。

在3種不同的控制方式下，保護信號的傳遞方式不同，抗干擾能力不同，保護系統的可靠性也不同。

2.4不同運行方式對主動配電網保護的影響

主動配電網可以在分布式電源聯網和孤島運行兩種狀態下運行，其中孤島又分為計劃孤島和非計劃孤島兩種。

配電網孤島運行時，若內部出現接地短路故障，附近的DG所含逆變器的保護將會啟動，限定了DG所提供的短路電流。并網運行時，故障點的短路電流由DG和公用電網提供，因此并網模式下，配電網可以向故障點提供故障電流，所以故障特性與正常運行的配電網差別不大，而在孤島模式下，對于逆變型電源，由于控制方法的差異，逆變器會產生限流作用，使得故障電流數值增加不多，約為額定電流的1.2～2倍。對于這種情況，反應于電流幅值的變化而動作的過電流保護很難準確可靠地動作。

總之，針對主動配電網中接入的分布式電源特性的不同以及接入點的不同，設計主動配電網保護時應盡可能使其不受潮流的影響。

3　主動配電網保護在國內外的研究現狀

依據實現保護的思路可以把國內外關于主動配電網的保護方法分為以下5類，即：①對配電網中DG的并網位置和容量做適當限制；②通過故障電流限制器限制DG注入的故障電流；③配電網故障時快速切除DG；④對配電網原有保護方案做相應修改；⑤基于人工智能算法的保護方案。

3.1限制配電網中DG接入位置和接入容量

文獻［15］在保證繼電保護具有較高可靠性的前提下，分析了分布式電源并網容量、并網位置、電源組合方式和導線參數等多因素對其準入容量的影響。結果表明，當不改變配電網原有保護配置時DG的準入容量將會受到較大限制。這種方法不需要對原有保護進行修改，但是DG的接入容量受到很大制約，這與在配電網中接入DG以實現開發利用清潔能源、減少輸電成本、提高供電可靠性的目的相悖。文獻［15］提出適當選取DG接入點、在配電網關鍵處引入電壓量，以判別故障方向的方法。該方案需要對配電網原有保護進行修改，同時，考慮DG接入后，保護整定工作量較大，其次該方案需要利用電壓信息來判斷方向，而配電網為節省成本一般不提供電壓信息。因此，如果有可以不需電壓信息的方向元件，將降低為主動配電網提供保護的難度。

3.2限制DG接入點故障電流

文獻［16-18］提出使用故障電流限制器，以限制分布式電源在故障情況下對故障電流的影響，在DG并網點裝設故障限流器（FCL），限制DG提供的助增故障電流。FCL主要通過兩大類方面的技術予以實現：一類采用功率電子器件；另一類利用具有特殊性質的新材料，如超導材料。兩者原理都是保證FCL呈現出類似分裂繞組變壓器的性質，即在正常負載時呈現低阻抗，在故障時呈現高阻抗以達到限制故障電流的目的，圖1為在DG并網點裝設FCL的示意圖，通過對DG的串聯阻抗X1，X2的調節，實現以上目的。這種方案和在故障時切除DG的方法有一定的相似性，都是在不改變原有保護配置的情況下通過減小故障電流以確保原有保護能正確動作，為了保證在不同故障地點、DG不同運行狀態下，都能把故障電流限制在能保證配電網保護可靠動作的范圍內，對FCL或DG自身變流器的適應能力及調控能力都提出了較高要求，由于故障電流限制器的反應較慢，不能快速對故障做出反應。

3.3配電網故障時退出DG單元

配電網出現故障時，快速切除DG單元，由此可以保持原有配電網的結構及短路電流分布情況不變，從而消除分布式電源對繼電保護的影響［19］。如圖2中f1處故障后，斷路器4快速跳閘，保護和重合閘都可以按照傳統配電網三段式電流保護方案整定，待故障消除后，重新將DG同期并網。

圖1　DG串聯故障限流器示意圖Fig.1　Diagram of DG with FCL

圖2　故障時切除DG示意圖Fig.2　Diagram of DG removing in fault

但是該方法主要存在以下問題：在故障發生時，DG單元需要在接收到故障信號之后才能退出，這要求配電網具備較高的故障檢測能力；配電網在DG退出之后才恢復原有拓撲，需要DG退出時間及保護動作時間的精確配合。發生故障時，線路電壓降低，電能質量和供電可靠性都會變差，系統要求處于運行狀態的DG做低電壓穿越運行，以提高系統的穩定性并改善電能質量。按照該保護方案，DG在故障時提前退出，就不能實現這些功能；配網系統中的故障多為瞬時性故障，若DG在瞬時性故障時頻繁投切，會加劇開關觸頭的老化，降低開關壽命，同時會增加DG重新并網同期檢測的工作量。

3.4改變配電網原有保護方案

這類保護通過改變原有的三段式電流保護方案，引入保護的方向啟動判據，采用差動保護或故障序電流保護等其他用于輸電網的保護，保證DG在不受并網位置，并網容量，運行方式影響的情況下，保護都能夠快速可靠動作，是目前的研究熱點。這種方案對原有保護的改動較大，同時，固定設置的保護方案也很難適應DG在不同運行方式下配電網發生故障的情況。

文獻［19］提出了一種網絡化自適應保護方案，該方案能適應分布式電源運行情況、主動管理控制方法而自動調整過電流保護定值。該保護方案在保護結構上由四層結構構成：一次系統層、執行系統層、協調控制層和能量管理層。

文獻［20］基于通信技術提出了一種新的反時限過電流保護方案，該保護方案將DG支路的助增故障電流數據發送至上級線路保護，并在動作方程中引入了低壓加速因子構成低壓加速反時限過電流保護，該保護方案對通信信道的要求較高。

文獻［21-23］介紹了歐盟FP6主動配電網示范工程項目ADINE的基本情況，ADINE采用差動保護和距離保護的主動配電網保護設計方案，但是采用的差動保護對通訊通道和數據同步要求較高。

文獻［24］提出了一種新型的自適應保護方案，方案采用諾頓定理根據配電網的運行方式和配電網的拓撲結構，做出保護背側網絡的等值電路，并建立支路貢獻因子矩陣，消除DG產生的電流對保護的影響，該方案對網絡結構的自適應能力不夠。

文獻［25］借鑒反時限過電流保護的思想提出了一種基于負荷阻抗的反時限低阻抗保護，對保護的原理、動作特性、整定方法進行了研究，分析了過渡電阻對反時限低阻抗保護的影響，并提出低電壓加速和配合加速2種改進方法。

文獻［26］提出將電流正序故障分量差動保護引入有源配電網，針對不同的配電網結構，給出了適應性差動保護動作判據整定原則。該方案對通信技術要求較高。

文獻［27］提出一種基于網絡化的四層結構保護方案，不同數據在不同的結構層間交換，可以保證保護信號在通信故障的情況下仍然能準確傳輸，不足之處在于該方案對硬件要求較高。

文獻［28］提出分別對保護進行分布式電源聯網和分布式電源被切除狀以后的兩套設定方案，但該方案需要時刻監控網絡拓撲結構以進行保護定值的調整。

文獻［29］在配電網拓撲結構已知的情況下，提出一種分級分層的保護方案，不足之處在于該方案不具備普遍性，只是針對特定的電網結構有效。

3.5基于人工智能算法的保護方案

繼電器的反時限動作特性是指保護動作時間能夠隨著故障電流的大小而變化，利用繼電器的反時限動作特性可以構成反時限過電流保護，對于不同的故障電流就有不同的保護動作時間，具有對故障的自適應能力，目前反時限過電流保護已經大量用于中低壓配電網線路部分的保護。

文獻［30］提出了一種基于改進粒子群算法的方向性反時限過電流保護配合方案，選取使系統中保護的動作時間最小為目標函數，通過對時間整定系數和起動電流參數的優化取值，實現目標函數的最小化，但是該方案在實現過程中首先把非線性問題簡化為線性問題，其次是在粒子群算法本身上，由于其容易陷入局部最優，在具體的保護過程中保護可靠性無法保證。

文獻［31］分析了傳統的反時限過電流保護的配合特性受逆變型分布式電源的影響，對含分布式電源的配電網設計了一種依托故障電流限制器的保護方法，但是在配電網保護設置上沒有考慮暫態過程中網絡拓撲結構的變化。

上述方案中，方案①～方案②從減少DG注入故障電流的角度出發，對原有保護的改動較少，較為經濟，三者中方案③效果相對較好，但三種方案都不能能徹底地解決主動配電網可能出現的保護誤動、拒動問題。方案④從改變保護原理角度出發，利用主動配電網和輸電網在網絡拓撲結構上的相似性，引入輸電網的保護方法到配電網中，保護整體效果較好，但需要對原有保護做較大改動，經濟性較差。方案⑤依托人工智能算法和反時限過電流保護相結合，依據不同的故障電流，對保護的起動電流和動作時間整定系數進行優化，以實現在最短的時間內保護動作，該保護方案的可靠性在一定程度上取決于算法的可靠性，要求算法具備抗早熟和陷入局部最優的能力。

現有的大部分保護研究結果仍處于理論研究階段，尚未進入工程應用領域，因此各類方法在生產一線的實際效果尚未可知。目前的研究成果在理論角度的不足有：1）在自適應保護方面。自適應保護在復雜多變的電力系統中能有效克服傳統保護“事前整定，故障動作”的缺點，有著廣闊的應用前景。但是現有的自適應保護需要安裝、或者升級現有保護裝置；靈活性不足：對網絡拓撲的自適應性不強，不支持“即插即用”；對通信要求較高：需要快速通信系統的技術支持。2）在電流差動保護方面。差動保護時刻都有通信系統故障的風險，所以必須考慮設置后備保護系統，快速通信網的成本較高；面對配電網常見的三相不平衡問題，電流差動保護性能可能會有所降低；投入/切除DG的暫態過程可能會造成電流差動保護誤動。3）在阻抗保護方面。諧波及暫態過程干擾，可能會影響到阻抗保護的準確性；保護性能受過渡電阻影響且不適用于線路較短的情況。

4　研究與展望

主動配電網保護技術為發展、推廣主動配電網技術提供了重要的技術支撐。本文首先介紹了主動配電網的基本結構，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基本要求，探討了相關因素對主動配電網保護的影響。總結了現階段主動配電網保護領域研究現狀。在已有成果的基礎上，還需要在以下幾個方面對主動配電網的繼電保護進行更深入、系統的研究：

1）主動配電網的保護問題必須結合其主動控制的特征，在主動配電網的主動運行、主動管理方法以及儲能設備、逆變型電源、可控負荷對故障的響應特性的基礎上，從并網點保護、配電網保護兩個角度出發，“點、線、面”三個層次進行研究，降低誤動作概率。

2）SCADA系統的應用使主動配電網系統成為一個大數據系統，高效利用電網數據實現主動配電網的網絡化、自適應保護，必須在眾多的信號中，選取有效的信號，快速、可靠地實現保護功能。

3）基于信息交換的配電網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，基于本地信息的并網點保護應滿足主動配電網分布式自治、與配電網靈活互動的要求；

4）從主動配電網的故障特征著手，以主動配電網的有限廣域通信為基礎，與主動配電網的控制功能相結合，實現集成化保護將是主動配電網保護技術的主要研究方向。

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（責任編輯姜紅貴李萍）

Research Review on Protection of Active Distribution Networks

Peng Chunhua，ZhangYanwei，
（School of Electrical and Electronic Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

In light of the new fault characteristics of AND（active distribution networks），such as flexible control method，bidirectional power flow，small fault current under fault condition，this paper reviews the ADN protection technologies.According to the existing researches，the basic requirements of ADN protection are proposed by combining the structure and fault characteristics of ADN protection.The effects of DG and controllable load，different isolation strategies，different control systems，different operation modes on ADN protection are then discussed.It summarizes the latest technology progress，the research objective and research direction.

active distribution networks；distributed generation；relay protection；islanding

TM771

A

1005-0523（2016）04-0136-07

2015－10－28

國家自然科學基金項目（51567007）；江西省科技支撐計劃項目（20142BBE50001）；江西省自然科學基金項目（20152ACB20017，20151BAB216020）

彭春華（1973—），男，教授，博士生導師，研究方向為智能電網調度、配網優化運行與規劃。

張艷偉（1988—），男，碩士研究生，研究方向為電力系統繼電保護、分布式發比技術。