智能配电网保护控制系统的设计与研究.doc

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 Tianjin 300072 China 2 AREVA T 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 80 90 以上的重要用户停 2 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 智智能能电电网网 智智能能输输电电网网 在在线线安安全全稳稳定定分分析析 防防御御系系统统 EMS可可视视化化 SCADA WAMPCS 在在线线电电网网资资产产管管理理系系统统 智智能能电电力力电电子子控控制制系系统统 HVDC FACTS SVC 智智能能配配电电网网 含含微微网网的的配配电电网网运运行行管管理理系系统统 负负荷荷分分配配 资资产产管管理理 含含微微网网的的配配电电网网自自动动量量测测和和保保 护护控控制制系系统统 分分布布式式发发电电的的协协调调运运行行 微微 网网分分布布式式控控制制 含含微微网网的的配配电电网网快快速速仿仿真真与与模模 拟拟系系统统 智智能能变变电电站站 变变电电站站自自适适应应保保护护控控制制系系统统 快快速速单单元元件件保保护护与与站站内内集集中中 决决策策的的集集成成保保护护控控制制系系统统 现现代代化化的的通通讯讯和和量量测测技技术术系系统统 同同步步测测量量技技术术 广广域域信信息息 数数据据通通信信接接口口 智智能能电电力力调调度度 广广域域全全景景分分布布式式一一体体化化 的的电电网网调调度度技技术术 电电力力价价格格形形成成机机制制及及供供需需管管理理 系系统统 负负荷荷预预测测 机机组组组组合合和和 经经济济分分配配 广广域域保保护护和和紧紧急急控控制制一一体体化化 解解列列与与自自恢恢复复控控制制系系统统 状态识别 决策支持系统 包含公共信息交换模型的系统框架结构 安全 可靠的数据通信体系 现代化的量测技术及可视化技术 图图 1 1 智能电网的技术内涵智能电网的技术内涵 Fig 1 Technical content of smart grid 3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 3 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 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构 L L LL 变变电电站站 馈馈线线 降降压压变变 压压器器 母母线线 开开关关 变变电电站站 解解列列 变变电电站站母母线线 解解列列 馈馈线线解解列列 相相邻邻回回路路 相相邻邻回回路路 解解列列时时重重 合合器器 解解列列点点 单单一一功功能能微微电电网网 住住宅宅 商商业业建建筑筑 多多功功能能微微电电网网 工工业业 商商业业 汇汇合合型型负负荷荷 公公共共微微电电网网 变变电电站站 馈馈线线 负负荷荷 分分布布式式 电电源源 重重合合器器 断断路路器器 L 图图 2 2 典型的微电网拓扑结构 来源 典型的微电网拓扑结构 来源 IEEEIEEE P1547 4P1547 4 Fig 2Fig 2 TypicalTypical micro gridmicro grid topologiestopologies 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 4 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 保护控制的相互协调将得到深入的发展 Load Load Ring Ethernet Ethernet Switcher Communication gateway Remote relays GPS Merging Unit Central Controller AC 10kV MicroGrid 1 Rectifier Filter DC Voltage Regulator Utility System 132kV Distribution Transformer CTCB Micro Turbine FuseSVC DC 400V MicroGrid 2 Interface Unit DC Level Converter Inverter Photovoltaic Fuel Cell Energy Storage communication Distribution Transformer Wind Current Voltage inputs Control Signal D De ec ci is si io on n M Ma ak ki in ng g U Un ni it t Inputs Output to local remote units Comm interface V Vo ol lt ta ag ge e F Fr re eq qu ue en nc cy y D Di is st ta an nc ce e O OC C A AO OC C M MG G C Ce en nt tr ra al l C Co on nt tr ro ol ll le er r Distribution Management System Protection Control MG 1 MG 2 图图 3 3 智能配电网保护控制系统设计智能配电网保护控制系统设计 Fig 3Fig 3 DesignDesign ofof protectionprotection andand controlcontrol systemsystem ofof smartsmart distributiondistribution gridgrid 4 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 算的能力 目前国内外在微电网控制模式方面 5 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 cosU 变化率等多因素 利用数学方法 如模糊数学 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 1 2 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 6 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 2006 YU Yixin Intelli D Grid for the 21st century Southern Power System Technology Research 2006 2 6 14 16 3 U S Department of Energy Smart grid system report Available http www oe energy gov DocumentsandMedia SGSRMain 0907 07 lowres pdf 4 陈树勇 宋书芳 李兰欣 等 智能电网技术综述 电网技术 2009 33 8 CHEN Shuyong SONG Shufang LI Lanxin et al Survey on smart grid technology Power system technology 2009 33 8 5 李斌 薄志谦 面向智能电网的保护控制系统 电力系统自动 化 已录用 LI Bin BO Zhiqian Investigation on protection and control of smart grid Automation of Electric Power System Accepted 6 J Giri D Sun R Avila Rosales Wanted A More Intelligent Grid IEEE Power Energy 7 2 March April 2009 7 王成山 王守相 分布式发电供能系统若干问题研究 电力系 统自动化 2008 32 20 1 4 31 WANG Chengshan WANG Shouxiang Study on some key problems related to distributed generation systems Automation of Electric Power Systems 2008 32 20 1 4 31 8 王成山 肖朝霞 王守相 微网综合控制与分析 电力系统自 动化 2008 32 7 98 103 WANG Chengshan XIAO Zhaoxia WANG Shouxiang Synthetical control and analysis of Micro Grid Automation of Electric Power Systems 2008 32 7 98 103 9 丁明 张颖媛 茆美琴 微网研究中的关键技术 电网技术 2009 33 11 DING Ming ZHANG Yingyuan MAO Meiqin Key technologies for microgrids being researched Power system technology 2009 33 11 10 王明俊 自愈电网与分布能源 电网技术 2007 31 6 1 7 WANG Ming jun Self healing grid and distributed energy resource Power System Technology 2007 31 6 1 7 11 郭志忠 电网自愈控制方案 电力系统自动化 2005 29 10 85 91 GUO Zhi zhong Scheme of self healing control frame of power grid Automation of Electric Power System 2005 29 10 85 91 12 Damir Novosek Vahid Madani Bharat Bhargava Khoi Yu Jim Cole Dawn of the Grid Synchronization IEEE Power Energy Magnizine 6 1 49 60 January February 2008 13 陈振宇 王钢 李海峰 何晓峰 基于智能多代理技术的广域 电网协调保护系统 电网技术 2008 32 5 42 45 CHEN Zhenyu WANG Gang LI Haifeng HE Xiaofeng A MAS Based Coord