微電網(wǎng)安全保護(hù)的技術(shù)分析

劉華 吉荔

摘 要：電網(wǎng)中潮流的變化使傳統(tǒng)電網(wǎng)保護(hù)定值與方法并不適用于新的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)分布式電源的并網(wǎng)運(yùn)行也可能引起電網(wǎng)電壓偏移、波動(dòng)、閃邊、頻率變化等諸多問(wèn)題，給電能質(zhì)量和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)許多隱患。微電網(wǎng)安全保護(hù)是微電網(wǎng)發(fā)展所必需的保障性技術(shù)，其直接關(guān)系到微電網(wǎng)的電能質(zhì)量和穩(wěn)定運(yùn)行情況，與傳統(tǒng)電網(wǎng)的安全保護(hù)理論相比，微電網(wǎng)保護(hù)對(duì)于智能化、快速響應(yīng)的需求更高。本文主要針對(duì)微電網(wǎng)安全保護(hù)的技術(shù)發(fā)展路線，通過(guò)檢索、統(tǒng)計(jì)、分析了微電網(wǎng)安全保護(hù)的專(zhuān)利申請(qǐng)，重點(diǎn)梳理了重要申請(qǐng)人、技術(shù)分布等狀況等信息，同時(shí)闡述了重點(diǎn)專(zhuān)利的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)。

關(guān)鍵詞：微電網(wǎng)；安全保護(hù)；技術(shù)演進(jìn)；專(zhuān)利分析

一、前言

近年來(lái)，隨著電網(wǎng)規(guī)模的日益擴(kuò)大，微電網(wǎng)成為國(guó)家倡導(dǎo)的新能源發(fā)展路徑，逐漸在多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突圍。無(wú)論是在離岸的海島、偏遠(yuǎn)的邊疆無(wú)人地區(qū)，還是在人群密集的都市樓宇、社區(qū)、工廠，人們?cè)絹?lái)越多的看到微電網(wǎng)應(yīng)用的場(chǎng)景。在我國(guó)，微電網(wǎng)的發(fā)展尚處于起始階段，但微電網(wǎng)的特點(diǎn)吻合我國(guó)電力發(fā)展的需求和方向。

微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展歷史較短，很多技術(shù)正處于研究的關(guān)鍵階段。從微電網(wǎng)研究和實(shí)踐結(jié)果來(lái)看，其技術(shù)研究主要包括分布式電源發(fā)電技術(shù)、電網(wǎng)控制及運(yùn)行技術(shù)、電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)、電網(wǎng)監(jiān)控與能量管理、電網(wǎng)通信技術(shù)、電網(wǎng)接地技術(shù)、電網(wǎng)諧波治理以及電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)制定八個(gè)方面。其中，安全保護(hù)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)功能的關(guān)鍵。微電網(wǎng)線路保護(hù)方法研究主要有兩類(lèi)：（1）以通信技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)量和電氣量的共享；（2）以傳統(tǒng)電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)微電網(wǎng)故障特征對(duì)原判據(jù)進(jìn)行改進(jìn)，以滿足微電網(wǎng)保護(hù)的要求。

1 微電網(wǎng)線路保護(hù)方法

1.1以通信技術(shù)為基礎(chǔ)的保護(hù)方法

借助通信技術(shù)，微電網(wǎng)保護(hù)可以獲得微電網(wǎng)中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和各測(cè)量點(diǎn)的開(kāi)關(guān)量和電氣量信息，能實(shí)時(shí)根據(jù)微電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整動(dòng)作特性，提高保護(hù)的靈敏度和可靠性。以通信技術(shù)為基礎(chǔ)的微電網(wǎng)保護(hù)可分為兩種類(lèi)型：基于全網(wǎng)信息交互的保護(hù)和基于相鄰信息交互的保護(hù)。

目前，基于全網(wǎng)信息交互的保護(hù)的研究主要有兩種：一是實(shí)時(shí)采集與結(jié)構(gòu)變化相關(guān)的電氣量及開(kāi)關(guān)量信息，由中央單元根據(jù)微電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)計(jì)算出各終端保護(hù)的整定值。二是充分利用信息采集系統(tǒng)獲取全網(wǎng)故障信息，由中央單元保護(hù)模塊通過(guò)矩陣算法、遺傳算法、模糊理論等算法或理論確定故障點(diǎn)，再向與故障點(diǎn)相連的斷路器對(duì)應(yīng)的中斷單元發(fā)送跳閘指令，從而實(shí)現(xiàn)故障隔離。

基于相鄰信息交互的保護(hù)的研究成果目前還尚未達(dá)到配電網(wǎng)線路保護(hù)的水平，目前主要是通過(guò)通信方式獲取相鄰故障點(diǎn)信息，就地判斷是否動(dòng)作的隔離故障保護(hù)方法，以彌補(bǔ)基于全網(wǎng)信息交互保護(hù)存在的不足，滿足快速性的要求。

1.2以傳統(tǒng)電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)為基礎(chǔ)的保護(hù)方法

傳統(tǒng)電網(wǎng)保護(hù)方法主要有：三段式電流保護(hù)、反時(shí)限過(guò)流保護(hù)、低電壓保護(hù)。在微電網(wǎng)中，可以根據(jù)微電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況對(duì)傳統(tǒng)電網(wǎng)保護(hù)方法從電流、電壓、距離三個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

將低電壓、序分量、故障分量以及阻抗等故障特征量引入微電網(wǎng)保護(hù)中：根據(jù)故障后距離故障位置越近的節(jié)點(diǎn)電壓幅值越低這一原理，提出加權(quán)邊長(zhǎng)以及邊電壓的概念，進(jìn)一步提出基于邊電壓的微電網(wǎng)保護(hù)方案，即將測(cè)量阻抗和本線路阻抗構(gòu)成加權(quán)邊長(zhǎng)用于基于邊電壓的反時(shí)限保護(hù)；將低電壓因子加入電網(wǎng)中常見(jiàn)的反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)電流，利用故障后保護(hù)安裝處電壓與故障的關(guān)系，提高傳統(tǒng)反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)的動(dòng)作速度。

除對(duì)電網(wǎng)保護(hù)改進(jìn)外，還可通過(guò)限制接入的分布式電源容量或增加限流電抗器限制微電網(wǎng)中短路電流，達(dá)到不改變?cè)斜Ｗo(hù)配置或保護(hù)定值的目的。這類(lèi)保護(hù)方案衍生于傳統(tǒng)電網(wǎng)保護(hù)，在一定程度上避免了微電網(wǎng)靈活運(yùn)行的影響，但是從目前的改進(jìn)方案來(lái)看，仍受傳統(tǒng)保護(hù)思路的影響，可靠性和選擇性都存在不足。

2 專(zhuān)利分布

針對(duì)微電網(wǎng)安全保護(hù)技術(shù)，作者對(duì)全球范圍內(nèi)及的專(zhuān)利申請(qǐng)進(jìn)行了檢索。對(duì)該領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)分別從申請(qǐng)量年度分布、等角度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2.1申請(qǐng)量年度分布

專(zhuān)利年度申請(qǐng)量趨勢(shì)能夠在一定程度上反映技術(shù)受關(guān)注的程度和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，從2007到2011之間微電網(wǎng)安全保護(hù)方面的專(zhuān)利申請(qǐng)量增長(zhǎng)緩慢，尤其是2009年以前相關(guān)的專(zhuān)利申請(qǐng)量極少，微電網(wǎng)安全保護(hù)技術(shù)并沒(méi)有得到人們的重視。但是從2011年開(kāi)始至2016年微電網(wǎng)安全保護(hù)技術(shù)方面的專(zhuān)利申請(qǐng)量成直線式的快速上升，2016年微電網(wǎng)安全保護(hù)方面的專(zhuān)利申請(qǐng)量達(dá)到頂峰為432件。其中，相關(guān)專(zhuān)利申請(qǐng)快速增長(zhǎng)的原因之一，國(guó)家電網(wǎng)在微電網(wǎng)方面投入了大量的研究，加速了微電網(wǎng)安全保護(hù)的發(fā)展，并積極進(jìn)行了專(zhuān)利布局；原因之二，2011年8月，國(guó)網(wǎng)電科院微電網(wǎng)技術(shù)體系研究項(xiàng)目通過(guò)驗(yàn)收，該項(xiàng)目首次提出了中國(guó)微電網(wǎng)技術(shù)體系，對(duì)我國(guó)微電網(wǎng)不同發(fā)展階段提出了積極的意見(jiàn)和建議，推動(dòng)了微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。

2.2申請(qǐng)區(qū)域分布

微電網(wǎng)安全保護(hù)領(lǐng)域的專(zhuān)利申請(qǐng)區(qū)域主要為北京、江蘇、廣東、山東、上海、天津、浙江、湖南等地區(qū)。其中，北京向國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局提交的專(zhuān)利申請(qǐng)量最多，共計(jì)383篇，江蘇的專(zhuān)利申請(qǐng)量為214篇，廣東的專(zhuān)利申請(qǐng)量為157篇，山東的專(zhuān)利申請(qǐng)量為117篇，上海的專(zhuān)利申請(qǐng)量為106篇，天津的專(zhuān)利申請(qǐng)量為91篇，浙江的專(zhuān)利申請(qǐng)量為84篇，湖南的專(zhuān)利申請(qǐng)量為59篇。可以看出，北京向國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局提交的專(zhuān)利申請(qǐng)量最多，這是由于北京聚集了我國(guó)各大企事業(yè)單位總部、大學(xué)、研究所，科研資源豐富，研究團(tuán)隊(duì)強(qiáng)大，所以北京地區(qū)的申請(qǐng)量自然也為全國(guó)最高。

2.3國(guó)內(nèi)重要申請(qǐng)人分析

微電網(wǎng)安全保護(hù)領(lǐng)域的主要申請(qǐng)人有：國(guó)家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)、天津大學(xué)、華北電大、許繼集團(tuán)、華南理工、湖南大學(xué)、東南大學(xué)、山東大學(xué)、中國(guó)能源建設(shè)等。其中，國(guó)家電網(wǎng)的申請(qǐng)量最大，遠(yuǎn)超過(guò)其他申請(qǐng)人的申請(qǐng)量，基本與其他各申請(qǐng)人申請(qǐng)量的總和持平，顯示出國(guó)家電網(wǎng)對(duì)微電網(wǎng)保護(hù)領(lǐng)域?qū)＠季值闹匾暋Ｔ?010年之后，國(guó)家電網(wǎng)每一年的申請(qǐng)量也是最多的，2015年達(dá)到公開(kāi)量的頂峰，2016年的公開(kāi)量有半數(shù)的衰減。而對(duì)于其他的企業(yè)，例如南方電網(wǎng)、天津大學(xué)、華北電大和許繼電氣等企業(yè)，其專(zhuān)利申請(qǐng)量相差不大，在2010年以后其專(zhuān)利申請(qǐng)量與國(guó)家電網(wǎng)的申請(qǐng)量相比逐漸拉開(kāi)了較大的距離。微電網(wǎng)安全保護(hù)專(zhuān)利布局近些年總體來(lái)說(shuō)比較穩(wěn)定，專(zhuān)利布局已經(jīng)過(guò)了鼎盛期，總體有衰減的跡象。

3 趨勢(shì)預(yù)測(cè)

微電網(wǎng)的安全保護(hù)作為微電網(wǎng)發(fā)展所必需的保障性技術(shù)，其快速發(fā)展的勢(shì)頭在未來(lái)仍將保持，與傳統(tǒng)電網(wǎng)的安全保護(hù)理論相比，微電網(wǎng)的保護(hù)對(duì)于智能化的需求更高，因而智能化是微電網(wǎng)的安全保護(hù)發(fā)展的必由之路，與此同時(shí)，隨著智能化的發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)在微電網(wǎng)的安全保護(hù)中的應(yīng)用也是必不可少，但完全依賴通信網(wǎng)絡(luò)會(huì)使得微電網(wǎng)中海量信息的處理會(huì)影響保護(hù)的快速性進(jìn)而影響大電網(wǎng)的穩(wěn)定性，因而基于分層或分區(qū)的理念而得到的部分依賴通信手段的微電網(wǎng)的保護(hù)方式將會(huì)是重要的發(fā)展趨勢(shì)，而基于此方式如何設(shè)計(jì)出有效的控制算法或是硬件設(shè)備提升并離網(wǎng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性以及保護(hù)的快速靈活性將會(huì)是未來(lái)的研究重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]《智能微電網(wǎng)控制技術(shù)》，李一龍，北京：北京郵電大學(xué)出版社，2017年10月。

[2]微電網(wǎng)運(yùn)行控制與保護(hù)技術(shù)》，黃偉，張建華，北京：中國(guó)電力出版社，2010年7月。