（电力系统及其自动化专业论文）分布式保护的iec61850技术研究.pdf

东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es h o r t a g eo f t r a d i t i o n a le n e r g ym a k e st h er e s e a r c ho f r e n e w a b l ee n e r g yb e c 咄h o t s p o ti n m a n yf i e l d s a sa l le x a m p l ei nn e we l l e l g yd e v e l o p m e n t , t h ea p p l i c a t i o no fi x ；( d i s p e r s e d o e n e m m oh a sv e r yg o o dp r o s p e c ti np o w e rg e n e r a t i o n b u tt h ec o n n e c t i o no fd g st d 鲥dh a s g r e a ti n f l u e n c e0 1 1t r a d i t i o n a lt e l a yp r o t e c t i e na sw e l l p r e v i o u sr e s e a r c h e sh a v es h o w e dt h a ti ti s d i f f i c u l tt or e a l i z et h es e l e c t i v i t yo fp r o t e c t i o ns i m p l yb yl o c a le l e c t r i ci n f o r m a t i o n t h u s ，i nt h i s p a p e r , t h er e s e a r c ho f d i s t r i b u t e dp r o t e e t i o nw i l lb eb a s e do nw i d ea r e an e t w o r k t h ec o n n e c t i o no f d g st og r i da l s oc h a n g e sl a r g e l yt h es 咖d ：f eo f n e t w o r k s o t h es t r u c t u r e o fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r kh a sb e c o m et h ek e yf a c t o ri nt h es u c c e s so fp r o t e c t i o ne n dc o n t r o lo f t h ew i d ea r e an e t w o r k i nt h ep a p e r , ad i s t r i b u t e dp r o l e e t i e ns y s t e m , w h i c hm e e t st h er e q u i r e m e n t s o fp r o t e c t i o na n dc o n t r o lo fw i d ea r e an e t w o r k , i sp r o p o s e db yt h ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no f t h r e et y p e so fc o m m u n i c a t i o ns t r u c t u r e t h e r ea 糟s on - “m yb u sn o d e si nd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n s y s t e m , s ot h ep r o b a b i l i t yo f n l ”i sc o m p a r a t i v e l yh i g h e rt h a ni nc o n v e n t i o n a lp m t e e t i o n s y s t e m s c o u n t e r m e a s u r e sf o rt h e mi nv a r i o u sk i n d so f e l e m e n tf a u l ta mg i v e ni nt h i sp a p e rt o o t h ep a p e ru s e st h a t $ o m eb u sn o d e sc a nj u d g ef a u l td i r e c t i o nw i t h o u tv o l t a g em e a s u r e m e n t , a n dp r o p o s e san e wm e t h o do f d i s t r i b u t e dp r o t e c t i o n , w h i c hi sb a s e do na d a p t i v ed i v i d i n go f f a u l t r e l a t e da r e a , t or e a l i z et h es e l e c t i v i t yo fp r o t e c t i o n i t sa d v a n t a g eh a sb e e np r o v e db yt e a lc a s 嚣 a n a l y s i sa n ds t u d y a si e c6 1 8 5 0h a st h ec h a r a c t e ro fs e a m l e s sc o n n e c t i o n , i ti ss i g n i f i c a n ti ne n g i n e e r i n gt o a p p l yi tt ot h ep r o t e c t i o na n dc o n t r o lo fd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o ns y s t e m , i nw h i c hh e t e r o g e n e o u s n e t w o r ks t r u c t u r ei s p r e d o m i n a n t c o m b i n e dw i t ht h ec o m m u n i c a t i o ns t r u c t u r ea d o p t e di n t h e p a p t h ei n f o r m a t i o nm o d e l so fp r o t e c t i o nd e v i c e sa ”d i s c u s s e d t h ep r o c e s so fs e a m l e s s c o n n e c t i o nb e t w e e nh e t e r o g e n e o u ss y s t e m si sa n a l y z e d w i t hi t sp r o v e n lt e e h n o l n l g ya n dl o wc o s t , e t h e r n e th a st h ee n g i n e e r i n gv a l u ei nc o m b i n a t i o n w i t hc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ko fd i s t r i b u t e dp r o t e c t i o ns y s t e m t h eb o t t l e n e c ko fe t h e m a t , t h a ti s t i m ed e l a y , i sd i s c u s s e di nt h i sp a p e r , a n das i m p l em a t hm o d e li sg i v e i le x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o w e dt h a tt h ee t h e m e t - b a s e dd i s t r i b u t e dp r o t e c t i o na l g o r i t h mh a sg o o dp e r f o r m a n c ei nb o t h r a p i d i t ya n ds e l e c t i v i t y k e y w o r d ：d i s t r i b u t e dp r o t e c t i o n ；r e l e v a n tf a u l t a r e a ；f a u l td i r e c t i o n ：i e c 6 1 8 5 0 ；d g ；e t h e m e t ； 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：毯圭孟：日期：2 竺! 呈：圣：z 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：銎盔叁导师签名： 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 进入二十一世纪，一次能源的价格不断飞涨，生态环境的破坏也日益严重，国内外都不 同程度的面l 临着能源枯竭的局面。面对这一全球性的问题，国内外的专家学者展开了多学科 的研究。针对于电力系统，分布式发电成为解决这一问题的主流趋势，诸如太阳能发电，风 力发电等新能源形式以其清洁、可再生等优势已经逐渐成为一种电网中重要的电源形式。在 欧洲有些国家，如丹麦、荷兰等，其分布式发电( d i s p e r s e dg e n e r a t o r s ，d g ) 的装机容量已 经占该国电网总装机容量的四分之一以上。在我国西部地区，由于其风力资源极其丰富，在 有些地区分布式发电已经进入实用化阶段i i 叫。 2 0 0 8 年初，中国的南方地区的部分省份发生了多年不遇的冰冻灾害。由于长时间的雨雪 天气造成了高压电网的导线表面覆冰现象严重，倒塔，断线以及短路等等重大事故频发，最 终的结果就是全省大面积的停电，至今主干电网仍在恢复当中。试想如果在这些地区有部分 d g 的存在的话，那么在主网瘫痪的条件下，这些通过配电网接入的d g 是可以在很大程度上 解决基本居民生活用电问题的。所以实践证明，无论从能源的可再生角度还是电网的可靠性 上考虑，在我们国家发展i x 是有着很现实的意义。 大量的分布式发电装置接入电网，使得电网运行的灵活性大大的增加，同时这对电网的 安全稳定运行提出了新的要求和挑战，在分布式发电条件下保证电网安全稳定的运行，需要 在系统规划、电网建设、运行调度、备用容量、继电保护和安全自动控制、紧急控制等多个 方面进行深入研究，提出合理解决方案。其中做好系统规划、加强电网建设和增大备用容量 等属于系统侧措施，加强继电保护、安全自动控制和紧急控制是二次侧可采取的措施。国内 外多年的电网运行经验表明：快速、可靠的继电保护措施，准确、及时的安全控制和紧急控 制措施以及安全稳定防御措施是确保电网安全稳定运行的重要保障1 5 4 ) 。 大量d g 接入电网可以提高可再生资源的利用率，缓解能源紧张的局势，有着巨大的经 济和社会效益。但是当d g 在电网中的比例超过一定数量以后，如何在这样有着“蜘蛛网” 形状的电网里避免因为故障而相互影响导致严重后果，并且在故障发生后保证d g 和电网运 行的经济性，成为一个重要的问题。为了适应电力系统的发展，解决分布式发电保护、控制 系统存在的问题。一种基于网络通信、多点信息综合比较判断的广域保护系统( w i d ea r e a p r o t e c t i o ns y s t e m ) 近年来受到国内外学者的广泛关注。而广域保护的研究刚开始不久，对其 理解也各不相同，因此，出现多种形式和功能的广域保护系统。将广域的概念引入分布式发 电系统中，可以满足分布式发电系统的保护与控制的需要。 1 2 课题研究的背景 继电保护在电力系统中的地位非常重要，在分布式发电系统中也不例外。目前，国外现 行的d g 并网运行规程大都是考虑了d g 并网不影响原有的配电网保护控制系统正常工作的 原则提出的，这些规程虽然最大限度地保证了电力系统的安全性，却在一定程度上限制甚至 破坏了d g 的正常运行，损害t d g 发电商的利益，不利于分布式发电技术的发展陟“1 。因此， 必须深入研究分布式发电条件下全新的保护控制方式，充分发挥d g 的积极作用，尽量避免 d g 对电力系统稳定和安全的不利影响，使电力系统高效可靠的运行d g 由于其容量较小， 一般通过配电网与系统相连，而其在地理上非常分散。又数量众多由于这些现实的因素存 东南大学硕士学位论文 在使得存在的一些问题得不到解决： ( 1 ) 配电网的一次系统中很多线路上没有阿可供使用，这就使得保护的原理中没有电压 量可供参与运算，在这种情况下，要想在分布式发电系统这样的多电源区域实现保护的选择 性，依靠传统的保护原理难度较大。 ( 2 ) 接入多d g 后的配电网的运行方式灵活多变，如线路经常操作、d g 经常投入和退出 运行等，保护的自适应性要强；在网络的结构拓扑经常变化的条件下，单单依靠保护装置来 判断故障区域难度很大，这就需要各个分布式单元之间的协调。 ( 3 ) 配电网的通信系统由于经济成本等原因不可能像高压网络那样信道专用，因而分布 式发电系统的通信网络需要考虑异步传输的问题。 “) 由于分布式系统中节点众多，使得单个分布式单元发生故障的概率大大增加对保 护的容错性要求较高，必须要有相应的措旖应对各种情况下的“n - i ”的故障情况。 ( 5 ) 多方面的因素决定了在分布式发电系统中，同步信号的使用在短时间内是无法全面 的应用在d g 系统的，这就决定了保护装置中所用的数据误差有所增大。对保护的容错性能 的要求有所增加。 ( 6 ) 继电保护系统以切除系统故障为目标，对故障切除以后系统的运行情况不予反映， 无法起到保护故障后电力系统的作用，甚至可能会出现因为继电保护装置正确动作切除故障 元件而造成其它元件的工作异常，并被保护装置正确动作连锁切除而使得系统瓦解的情况。 美加政府联合组成的“8 1 4 ”事故调查组在2 0 0 4 年3 月3 1 日出台的最终事故调查报告中指出： “输电线路由于故障被切除导致相邻线路过负荷运行，但线路配置的距离i 段保护由于整定 原则的原因，使得过负荷运行时的测量阻抗进入到距离段保护的动作圆之内，又因为距离 m 段保护的动作延时较小、与安全自动控制装置没有配合，造成距离段保护( 和某些整定 原则类似的距离i i 段保护) 误动作切除处于过负荷状态的线路。虽然保护装置的动作不当不 是导致本次事故的主要原因，但毫无疑问，距离i 段和某些距离i i 段保护的误动作在客观上 加速了这次事故的扩展”【l “。这虽然是输电网系统里的重大事故，但是对分布式发电系统 的保护仍有借鉴意义。 在分布式发电系统中开展基于广域信息的继电保护算法、策略和系统的研究是解决上述 问题的有效途径之一，获得广域信息的保护装置将能够实时了解系统的运行状况，各保护之 间以及保护与安全稳定控制装置之间配合、协调的难题将有望得到解决。而近年来计算机和 通信技术的快速发展使得这种基于广域信息的分布式保护系统的实现成为可能。 对于分布式发电系统继电保护而言，如何充分有效的利用保护信息成为关键之所在。信 息太多影响快速性，信息太少又不足以正确选择故障元件。另外，以对于控制系统来说，通 过获得广域信息有助于实现更优化的控制措施，各种控制措施之间能有机的协调配合，能最 大限度的减小扰动带来的影响和损失 现有保护运行规程要求保护功能不依赖于通信( 纵联差动保护除外) ，这主要是出于对 通信系统不可靠等因素的考虑。随着通信技术的迅猛发展，近几年电力系统有关通信方面的 规约相继出台，i e c 6 1 8 5 0 就是在这样的背景下推出的。i e c 6 1 8 5 0 具有三项基本目标：真 正意义上的互操作；功能自由分布；良好的扩展性以适应自动化和通信技术的发展 。而正由于分布式发电形式的多种多样，造成了其保护与控制单元的开发不可能是基于 同一平台研发的，这就造成了在分布式保护系统中分布式单元之间星现出很强的异构性，而 i e c6 1 8 5 0 j e 是这样- - 个可以实现跨平台无缝连接的通信体系。上述三点基本目标也正是分 布式保护与控制系统所面i 临需要解决的问题因此，：将i e c6 1 8 5 0 技术应用到分布式发电的 保护与控制系统中就有了很强的现实意义。 2 第一章绪论 1 3i e c6 1 8 5 0 和分布式保护的研究现状 当前，有关= f i e c6 1 8 5 0 在电力系统中应用的文章在国内外已经发表的文献已经较为常 见。无论是高校、科研院所还是企业都投入了相当的人力物力进行研究。有关于分布式发电 系统的保护与控制在国外，尤其是欧洲已经研究的比较多，在国内部分高校也已陆续展开 下面，就笔者所见到的当前i e c6 1 8 5 0 以及分布式保护的研究现状简单阐述。 1 3 1i e c6 1 8 5 0 的研究现状 1 3 1 1 国外的研究现状 国外对i e c6 1 8 5 0 研究的文献主要是国际大电网会议( o g r e ) 、i e e ep e s 和i e ct c 5 7 等会议上的报告和发表的论文，内容主要关于i e c6 1 8 5 0 的技术特征、对s a s ( s u b s t a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e m ) 的影响、建设思路和发展动态等，但一般不涉及具体实现细节。由于多 数报告人直接参与制订标准，这些文献对i e c6 1 8 5 0 的研究产生了广泛影响，引用率很高 j 4 - 2 2 1 。 制订1 e c6 1 8 5 0 的主要目的是实现互操作，以达到通信体系的无缝连接的目的。因此， 实践工作集中在互操作实验及标准功能的验证上。为此，国外主要的一些大的电气设备制造 厂商( 如a b b 、s i e m e n s 和a l s t o m ) 对i e c6 1 8 5 0 进行工程化尝试和互操作实验，以确 保i e c6 1 8 5 0 在实际应用中的可行性。主要实验包括田j ： ( 1 ) 变电站开放式通信( o p e n c o m m u n i c a t i o n i n s u b s t a t i o n s ，o c i s ) 项目，1 9 9 8 年1 月至 2 0 0 0 年1 1 月在德国进行，参与者有a b b 、s i e m e n s 和a l s t o m 。项目目的主要包括：促进 i e c6 1 8 5 0 成为世界标准，协调i e c6 1 8 5 0 和u c a2 0 ，从可行性、适用性和效率3 个方面对 i e c 6 1 8 5 0 和u c a2 0 进行测试和比较，测试i e c6 1 8 5 0 应用与通信协议栈的独立性。测试i e c 6 1 8 5 0 的互操作性。 ( 2 ) 问隔层设备之问的互操作。2 0 0 1 年，a b b 和s i e m e n s 的保护装置、a b b 的开关模拟 器之间通过g o o s e 报文实现了开入信息的识别、跳闸和重合闸功能，同时验证了使用s c l 配置来自不同厂商设备的g o o s e 的能力。此次在美国u c a 用户协会会议上进行的演示活动 被认为是i e c6 1 8 5 0 成为全球标准过程中的里程碑。 ( 3 ) 采样值传输。2 0 0 2 年1 月，s i e m e n s 的合并单元按照1 e c6 1 8 5 0 - 9 - l 规范向a b b 和 s i e m e n s 的保护装置、s i e m e n s 的电能表传输采样值，演示了e c t e v t ( 包括合并单元) 、 保护装置和电能表之间的互操作，验证了按照i e c 6 1 8 5 0 - 9 - 1 以点对点方式传输采样值的可行 性。 ( 4 ) 过程层通信。2 0 0 2 年9 月。a b b 和s i e m e n s 的保护装置、a b b 的合并单元、开关模 拟器之间通过过程网络传输采样值和g o o s e 报文实现了从采样值报文判断短路电流、到跳 闸、变位事件和重合闸的完整过程。 ( 5 ) 互操作的深入。2 0 0 2 年至今，在先前实验的基础上，a b b 、s i e m e n s 和a l s t o m 对 间隔层设备之间的闭锁，间隔层设备与变电站层设备之间的配置数据处理、系统启动、时间 同步、总召唤、报告遥测、选择控翻和直接控制，客户机服务器机制和通过s c l 配置文 件实现互联等进行了实验。进一步验证了i e c6 1 8 5 0 的可行性，并使各厂商基于i e c6 1 8 5 0 的 产品和系统达到了可商业应用的水平。 1 3 1 2 国内的研究现状 关于i e c6 1 8 5 0 的文献主要集中在以下几个方面”目：i e c6 1 8 5 0 标准的制订情况、内 容、特点和与其它通信标准比较等综述性的文献；m c6 1 8 5 0 标准分析。侧重从计算机学 科领域对i e c6 1 8 5 0 的结构化模型、语义约定和自动机理论等进行研究； i e c 6 1 8 5 0 在故障 3 - 东南大学硕士学位论文 信息处理系统中的专门应用。提出了较为详细的实现方案。基于i e c6 1 8 5 0 的保护装置建 模。建立了保护装置的i e c6 1 8 5 0 信息模型，但对如何实现模型未作更深层次的探讨。基 于i e c6 1 8 5 0 的自动化装置设计。通信服务及映射实现的研究与分析。包括采样值、基于 t c p i p 的m m s 等。s c l 配置文件的研究。目前，此类研究还比较简单，具体实现机制还 需深入研究。互操作的研究。主要是通过对国外互操作实验的介绍，提出国内进行互操作 实验的建议和对i e c6 1 8 5 0 的互操作性进行理论分析。 到2 0 0 6 年底为止，在国家电网调度中心的组织下，在国内共进行了6 次互操作实验 ( 1 ) 2 0 0 5 年5 月，国内大的电气厂商，包括国电南自、南瑞继保、南瑞科技等，对i e c 6 1 8 5 0 理解的一致性和设备之间基本的互操作的能力两方面进行了实验。多数厂商还不能提供实际 装置，而是采用软件模拟的方法。 ( 2 ) 2 0 0 5 年l o 月，这些大的电气厂商主要就遥控、数据集和报告等具体通信服务功能进 行了测试。 0 ) 2 0 0 6 年1 月，参与者与前两次基本相同。实验采取各厂商设备互联测试的方式，即彼 此都用客户端( 后台程序) 与对方服务器( 实际装置或软件模拟器) 连接，按照测试项目进 行测试。 ( 4 ) 2 0 0 6 年4 月，参与者与前三次基本相同。各厂商携带各自的保护测控装置，使用 g o o s e 及传输功能完成测控装置的逻辑闭锁功能；使用配置器验证i c d 文件的一致性；同时 测试变电站的“四遥”功能。 ( 5 ) 2 0 0 6 年8 月，参与者与前四次基本相同。各厂商在第四次试验的基础上，进一步测试 这些装置的同一类功能。 ( 6 ) 2 0 0 6 年1 2 月，在前面厂家的基础上增加了深圳南瑞，a b b 、s i e m e n s 等5 家公司。 同样的对g o o s e 传输、i c d 功能的一致性等功能进行了试验；实验过程中采用分组方式，实 验内容相同，各组同步，然后交叉轮换。 总的来说，i e c6 1 8 5 0 的应用价值已在国内取得普遍共识。但由于i e c6 1 8 5 0 体系较为 复杂、涉及面较广，受到技术、工具和测试手段等的限制，国内对标准的研究和应用水平整 体上与国外有一定差距。多数文献仍停留在对标准的认识和理解层面上，能够直接指导工程 实践的不多；已进行的几次实验主要集中在间隔层设备与变电站层之间特定应用功能的实现 上，对i e c6 1 8 5 0 整体的把握。通过配置文件实现设备与系统的融合以及过程层通信等关键 问题的实践还需要深入开展。 1 3 2 分布式保护的现状 目前，针对于分布式发电系统的继电保护的研究尚处于探索阶段，就笔者所看到的有关 文献，相关的研究主要集中在以下几个方面。 1 3 2 1 通过限制d g 容量来保证保护的可靠动作 目前在公开发表的文献中，关于d g 容量对继电保护系统的影响分析可以参见参考文献 3 ，在该文献中详细的分析了不同的d g 容量在电力系统发生故障时对继电保护灵敏度的 影响程度。这些影响包括对传统的熔断器之间配合的影响，对熔断器和重合闸之间配合的影 响，以及对配电网故障水平的影响。最后在该文献中通过明确的仿真验证，分析了d g 容量 对电力系统继电保护的影响程度，最终得出了如下的结论： ( 1 ) 若d g 容量在一定范围内，则采用反时限过流保护基本能够解决1 3 ( 3 接入电网后的 保护配合性问题。 ( 2 ) 从仿真结果可以看出，正常运行时，d g 容量变化对工作电流基本没有影响。i x ；下 游故障时，d g 容量越大，相邻保护的动作时间间隔越小，当d g 容量超过一定值时，相邻 保护的动作时间间隔小于o 3 s ，保护可能会误动，这时候传统保护不再适用。d g 上游故障 4 第一章绪论 时，若d g 容量很小，保护会拒动 此外，d g 容量对相邻保护的配合性也有很大影响。 ( 3 ) d g 下游故障时，由于d g 故障电流的助增，保护灵敏度提高；d g 上游故障时，由 于i x 贡献的故障电流的影响，系统侧的故障电流降低。 ( 4 ) 方向保护能够解决由于d g 接入电网所带来的保护配合性问题，但是传统的继电保 护理论已经非常成熟，完全摈弃原有的保护装置代价昂贵。 1 3 2 2 通过在i x 3 的出处接人故障限流器来保证传统保护的选择性 在文献【3 9 】和【4 0 】中提出了在d g 出口处接入故障限流器，以保证在故障状态下，传统的 继电保护装置可以按照传统的保护原理正确动作。在该篇论文中作者通过原理证明以及模拟 仿真，最终得出结论该方法在理论上可以满足传统继电保护的需要，通过理论分析得出：合 理地选取限流阻抗值不仅可以有效地限制d g 助增电流，降低故障电流大小，而且以此为参 数修改得到的保护定值在考虑系统和1 3 ( 3 运行方式变化的前提下，很好地保证了保护的选择 性、灵敏性。同时，提出了一套完整的选取限流阻抗及修改保护定值的方案。并通过实例分 析证明了方案的可行性。在该文章的最后得出了如下的结论： ( 1 ) 由于d g 接入容量和位置的不同以及助增电流方向的不同，在故障发生时对于配电 网保护灵敏性和选择性影响也不同，因此对于d g 的接入需要具体问题具体分析。而为d g 安装f c l 合理的选取限流阻抗值不仅可以有效的限制d g 助增电流，降低故障电流大小， 而且以此为参数修改得到的保护定值在考虑系统和d g 运行方式变化的前提下，很好的保证 了保护的选择性、灵敏性。 ( 2 ) 通过对各种故障限流器性能的比较可以看出：各种故障限流器都有各自的优点，但 都不能完全满足在分布式发电系统中提出的故障限流器的应用要求。 ( 3 ) 提出了相对理想的限流器模型，并将其接入分布式发电系统，发现其满足各项性能 要求，适用于分布式发电系统。 1 3 2 3 基于多用于分布式网络的的多a g e n t 理论的分布式保护的研究 就作者目前所见的有关于多a g e n t 理论在分布式发电系统中的应用的文章来讲，首次将 两者结合的应用出现在香港科技大学的h w a n 博士在2 0 0 5 年所写的( a nm u l t i - a g e n t a p p r o a c ht op r n t e g t i o nr e l a yc o o r d i n a t i o nw i t hd i s t r i b u t e d g e n e r a t o r si ni n d u s t r i a lp o w e r d i s t r i b u t i o ns y s t e m 一文中a g e n t 是自治的、能相互作用或协作的软件，具有网络通信能 力。自治是指在一定环境中的独立行为能力数字保护继电器就是一个自治的元件，也被认 为是智能电子装置l e d - - i n t e l l i g e n te l e c t r o n i cd e v i c e 。她所提到的a g e n t 通常指那些具有学习 能力的a g e n t ，运用了诸如人工神经网络、模糊逻辑等人工智能技术。如果个体a g e n t 具有智 能，当a g e r n 以系统形式协作工作时a g e n t 系统便体现出分布智能的特征。基于多a g e n t 系 统的广域分布式发电保护系统如图1 1 所示，它相当于在传统的保护装置基础上增加了网络 通信、同步相量测量、广域后备保护算法等功能构成的智能体，通过网络获取其它a g e n t 的 信息进行故障判断和决策 在文献 4 q 和【4 2 】中，h w a n 博士提出了在分布式发电的保护控制系统中，将其分为 d i s t r i b u t e dg e n e r a t o ra g e n t , r e l a ya g e n t , e q u i p m e n ta g e m 的多种智能体的通信系统。并且 阐释了这些a g e r n 的功能作用，通过r e l a y a g e r n 之间，以及与其他类型的a g e i i t 之间的协调， 最终在理论上给出了一种解决目前分布式发电系统中不能很好的保证保护的选择性的问题， 并且不改变电网一次系统得格局。最终在w a n t s 士的这两篇文献中通过在j a v aa g e n t d e v e l o p m e n tf r a m e w o r k 这一开发平台进行了仿真验证。 5 东南大学硕士学位论文 d a g ：d ga g e n t r a g ；r e l a ya g e n te a g ：e q u i p m e n ta g e n t _ c o m m u n i c a t i o n 1 4 本文的主要工作 田1 1 基于多a g e n t 的分布式保护结构 本文在配电网接入多个的d g 的基础上，结合分布式发电系统的继电保护要进一步发展 所面l 临的现实问题提出了满足d g 系统保护与控制要求的分布式广域保护系统。借助实际 的配电同自动化通信系统。以i e c6 1 8 5 0 中的g o o s e 快速报文的通信信息模型为基础，在配 电网的通信网络构架不能像高压电网那样信道独享的不利条件下。通过提高每次通信进程的 有用数据的含量，强调保护装置需要得到与故障点强相关的几个节点的数据，以快速消除扰 动带来的影响、保证电网运行的安全性和稳定性、防止发生大规模连锁跳闸和系统崩溃等恶 性事故为控制目标。同时广域信息的引入可以构成新的性能优越的保护和控制判据，解决当 前分布式保护与控制系统存在的问题。在此基础上本论文的主要内容包括： 第二章分布式保护与控制系统的功能与结构研究：提出并分析了分布式保护可采取的 三种分布式网络结构。在分布式系统中要想实现保护的快速性，单靠保护装置来判断故障区 域是不现实的，需要各个分布式单元之间的协调。但是分布式单元之间如果权重完全相等， 保护的算法则显得过于复杂，而配电网的保护方案应该是越简单越好，所以通过对比三种分 布式网络的方案，选择集中分布式网络结构。 第三章基于故障相关区域自适应划分的分布式保护新原理研究：传统保护体系已不再 适用于分布式发电系统，文章提出了与故障点联系比较紧的故障强相关区域的自适应搜索的 分布式算法。在各个分布式单元之间协调的搜索故障强相关区域，建立了数学模型。结合实 际d g 系统进行了算例演示借鉴电力系统分析中的“n - i ”概念。提出了分布式保护系统中 各种“m l ”运行状况的相应对策。 第四章基于i e c6 1 8 5 0 的分布式保护网络研究：研究分析t i e c6 1 8 5 0 的无缝连接的特 点，这对解决异构性很强的分布式保护系统的通信，有着很强的实际意义。分析y i e c6 1 8 5 0 中的快速传输报文g o o s e 和g s s e 的模型，提出了应用于分布式保护系统的通信信息模型 第五章基于以太网的分布式保护网络性能分析及试验：提出在分布式发电系统中采用 以太网担任广域保护系统的通信任务，分析并建立了以太网的传输时间延迟的数学模型，结 合第三章算法的基础上进行了实际的实验验证，实验结果表明基于以太网的本文的算法可以 6 第一章绪论 满足保护快速性的需求。 第六章结论与展望：对本文所做的工作进行了总结，并对今后课题可能的后续工作予 以展望。 7 东南大学硕士学位论文 第二章分布式保护与控制系统的功能与结构研究 2 1 引言 分布式发电系统一般都是建立在配电网的网络架构的基础上发展而来的。配电网的运行 方式灵活多变，而接入多个d g 后的分布式发电系统，其运行方式将更加的复杂。要想在这 种。蜘蛛网”结构的电网里实现保护的选择性等性能，单由本地的电气量是不够的，尤其在 分布式发电系统中要受到一次系统的制约( 诸如没有p t 、短路电阻不确定等) ，因此保护 正确动作需要多点数据。有鉴于此，这种基于广域的分布式保护的功能与结构就有了研究的 价值”j 。另外，在分布式发电系统中，由于广域信息的收集使得将保护动作后的分布式发电 系统的控制与恢复也纳入这种基于广域的分布式保护系统中来成为可能。所以研究基于广域 的分布式保护系统有着重要的意义。 2 2 分布式发电对电网保护功能的要求 在2 0 0 1 年1 月1 日颁布实施的电力系统安全稳定控制技术导则中指出了电力系统中应 该有“三道防线”来防止电力系统中发生大面积停电的事故的产生。其中指出：为保证电力 系统的安全稳定运行，一次系统应建立合理的电网结构、配备完善的电力设旌、安捧合理的， 运行方式，二次系统应配备性能完善的继电保护系统和适当的安全稳定控制措施，组成一个 完备的防御系统。通常分为三道防线，第一道应由一次系统设施、继电保护、以及安全稳定 预防性控制等，组成保证电力系统安全稳定的第一道防线，为预防性控制。第二道为应由防 止稳定破坏和参数严重越限的紧急控制等，实现保证电力系统安全稳定的第二道防线，为紧 急性控制。应避免线路和机组保护在系统振荡时误动作，纺止线路及机组连锁跳闸，以实现 保证电力系统安全稳定的第三道防线”j 。 就目前已经发表的文献当中，大都是“三道防线”在高压电网中的应用研究 6 4 1 ，在分 布式发电系统的保护与控制中应用的文献较少看见，但是将三道防线的概念应用到分布式发 电的保护与控制中也有着较为实际的意义，因为分布式发电系统受自然条件的影响下，遭遇 故障扰动、系统解列、形成孤岛、低周减载等情况较高压网络更为经常见到。因此将分布式 发电系统的控制功能纳入这种基于广域信息收集的分布式保护系统中来，有着较强的工程应 用价值 2 2 1 分布式系统的保护功能 作为保证电力系统安全运行的第一道屏障，继电保护的功能和作用是显而易见的，那就 是故障发生状态下。及时的、有选择的切除故障。作为分布式发电的保护系统，也是应该有 着同样的功能，要分为两个层次：主保护和后备保护。主保护的功能为：在故障发生后的第 一时间内启动相应的保护算法，与故障强相关的分布式单元在收集到足够的故障数据后将该 数据传输给保护装置，由保护装置做出判断后，将跳闸指令下达给故障线路两侧的断路器， 从而隔离故障区域。在这种广域条件下。将变电站引出的某一条出线上所有的被保护线路， 其故障隔离的指令都有保护装置来下达，即由该保护装置控制的区域内的所有断路器的跳闸 命令都有该保护装置发出，具体见下图2 1 所示。 8 田2 1 分布式保护示意围 而后备保护是指当因为各种原因不能跳开相应的故障线路两侧的断路器，要由相应的后 备保护策略来完成但是这种后备保护的实现与传统保护相比较而言有一定的区别。主要表现 在这种基于广域信息的分布式保护的后备可以不通过时间上的配合来实现，即基于广域信息 的，利用电网上与故障强相关的几个母线节点的电流数据的对比来找出故障区域，从而实现 保护的后备。从而达到了缩小后备保护动作时间，减小后备保护切除的故障区域范围。但是 影响后备保护正确动作的因素较多，诸如通信网络发生故障各l e d 发生故障等，因此要有 充分的后备策略来实现后备保护。有关分布式保护系统中后备保护的问题，后文会有专门的 论述。 2 2 2 分布式系统的控制功能 分布式保护系统在一定的保护策略条件下，通过通信网络收集到了与故障点强相关的几 个节点的故障电流信息，最终经过判断实现了保护出口。而这些节点的故障电流信息很有可 能也是电力系统中自动装置所需要的，因此在这种基于网络的保护系统中，可以将控制功能 融入进去。这种基于广域的分布式控制系统的当前的自动装置相比较而言，其优点可以总结 为以下三点： ( 1 ) 这种基于网络的分布式保护与控制系统可以较好的协调各个自动装置之间的动作行 为。当前各种控制原理、各种控制策略的自动装置在超高压电网上已经逐步进入实用化阶段， 但是这些不同控制策略的自动装置在分散的系统里难以做到协调动作，尚处于各自为政的状 态。尤其是和保护的配合，如果和保护装置配合不当，就可能使得事故的范围扩大，美加大 停电就是典型的例子嗍。在分布式发电系统中，由于d g 的经常投入和退出运行、发生故障 的几率增大等因素的影响，自动装置需要与保护装置协调动作的次数大大增加，这种分布式 系统的优势将明显的得到体现。 ( 2 ) 可以与保护系统协同工作，以提高系统的暂态稳定性。当前的自动装置中，诸如低 频减载，故障切机等装置都是在故障特征明显呈现以后，自动装置才动作从而采取相应的措 施来使整个系统恢复到正常运行的水平。而这种基于网络的分布式系统可以在保护装置判断 出故障区域的同对。就可以启动相应的控制策略来保证电气特征量不偏离正常运行值，做到 “防患于未然”。 ( 3 ) 可以完成控制策略的优化，以提高整个系统运行的经济性。网络化的自动控制系统 在获知故障区域以后，就能以当前系统的实际运行状态来根据相应的控制策略使系统稳定在 9 东南大学硕士学位论文 一个正常的运行水平上。例如，在分布式发电系统中，与系统解列后产生的孤岛控制方案， 不可能完全都是按照预先设定好的计划孤岛来划分，如果非计划孤岛产生后。该孤岛要如何 控制，这种情况下，得到与故障相关性比较强的故障电流数据，就对非计划孤岛的划分起到 了决定性的作用。另外由于利用在线数据来实现孤岛划分，有利于实现故障后的优化控制。 综上所述，这种基于故障强相关数据收集的分布式系统，无论是对继电保护还是对自动 控制都有着其明显的优势。 2 3 建立在配电网基础上的分布式发电系统 关于分布式发电的推广和应用，是一个循序渐进的过程，作为它的“大脑”的分布式保 护与控制系统也要遵循这么一个过程。依照当前国外分布式发电发展比较迅速的国家的作法 都是先把d g 通过配电网接入电网，然后逐步壮大后，从而可以形成独立的分布式发电系统， 因此有必要对当前的配电网的结构作一简单的介绍【4 】。 2 3 1 典型的配电网接线方式 配电网的接线方式大致可以归纳为两种基本形式：放射式接线和环网接线。传统的中压 配电网往往采用放射式供电模式。放射式接线具有接线简单、实用、投资低和建设周期短( 图 2 2 ( a ) ) 。缺点是供电可靠性差，当线路或开关故障时，将使整条线路停电。为了提高供 电可靠性可采用在主干线装设分段开关进行分段，以减少事故和检修时的影响范围。同时为 了保证对重要用户供电，采用双回路甚至三回路供电方式，这样必然增加变电站1 0 k v 配电 线路的回数，通常采用建立开关站( 开闭所) 来扩展1 0 k v 馈线。传统的供电方式是从变电站 一开关站一用户。 “手拉手”环网接线方式则是近年来在我国配电网中广泛采用的一种接线方式( 图2 2 ( b ) ) 。实际上是将以往的放射状接线改成双电源供电，中间以联络开关将两段线路连接起 来。正常运行情况下联络开关打开，以减少短路电流和出现的环流，当线路失去一端电源时。 可以合上联络开关，从另一端对失去电源线路上的柱上变压器和高压用户供电。线路主干线 的分段取决于对供电可靠性要求的选择。理论上讲分段越多，停电故障影响范围越小，但是 实现配电自动化的方案也越复杂。 环网柜环形接线方式( 图2 2 ( c ) ) 在国外城网中早已应用，正常时开环运行，一侧电源 或线路故障时自动切换，一般用于比较重要的负荷密集区。环网柜的设置可以与电力用户相 结合，按照用户分布来配置。满足同样的供电可靠率，环形接线方式比双回路供电在经济上 有较大的优势。环网柜内的开关设备可以选用负荷开关，也可以选断路器。 变电站 变电站1 “) 放射状接线 变电站2 ( ”手拉手接线 1 0 第二章分布式保护与控制系统的功能与结构研究 c ，环罔接线 i i 正常运行时闭合口正常运行时断开 田2 2 典型的配电同接线方式 上述三种接线方式是配电网中最典型的三种接线方式，可以根据不同的需求来选择不同 的模式，其它过于简单或复杂的接线方式可以逐步改造成基本模式。 2 3 2 典型的d g 接入方式 d g 接入配电网的电压