微電網(wǎng)的基本概念

1、 微電網(wǎng)的基本概念 1引言電力行業(yè)是關(guān)系國計民生的基礎(chǔ)性行業(yè)。隨著全球資源環(huán)境壓力的不斷增大、電力市場化進程的不斷深入，可再生能源等分布式發(fā)電單元的數(shù)量不斷增加，用戶對電能質(zhì)量要求的不斷提升，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)難以滿足社會發(fā)展需求，建設(shè)更加安全、可靠、環(huán)保、經(jīng)濟的現(xiàn)代電網(wǎng)成為全球電力行業(yè)的共同目標?，F(xiàn)代電網(wǎng)的內(nèi)涵包括實現(xiàn)以抵御事故擾動為主的安全穩(wěn)定運行，降低大規(guī)模停運風(fēng)險；使分布式電源得到有效的利用；提高用戶用電的效率和電能質(zhì)量；提高電網(wǎng)資產(chǎn)的利用率等等。其中，突出自愈功能的智能電網(wǎng)研究與發(fā)展被認為是當(dāng)今世界電力系統(tǒng)發(fā)展變革的最新動向，是21世紀電力系統(tǒng)的重大科技創(chuàng)新和發(fā)展趨勢1-6。近年來，分布式

2、發(fā)電供能系統(tǒng)得到快速發(fā)展，由于分布式發(fā)電采用就地能源，可以實現(xiàn)分區(qū)分片靈活供電，通過合理的規(guī)劃設(shè)計，在災(zāi)難性事件發(fā)生導(dǎo)致大電網(wǎng)瓦解的情況下，可以保證對配電網(wǎng)內(nèi)重要負荷的供電，并有助于大電網(wǎng)快速恢復(fù)供電，降低大電網(wǎng)停電造成的社會經(jīng)濟損失。另外，分布式發(fā)電供能系統(tǒng)與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行，有助于克服一些分布式電源的間歇性給用戶負荷造成的影響，提高系統(tǒng)供電的電能質(zhì)量7。因此，具有自愈能力、兼容多種發(fā)電資源、具有自愈能力的智能配電網(wǎng)研究將有助于分布式發(fā)電技術(shù)的推廣應(yīng)用，也有助于防止大面積停電，提高電力系統(tǒng)的安全性和可靠性，增強電網(wǎng)抵御自然災(zāi)害的能力。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)由發(fā)電、輸電、配電系統(tǒng)組成。據(jù)統(tǒng)計，8090以

3、上的重要用戶停電是由城市配電系統(tǒng)故障引起的。配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)量不斷增加，用戶對電能質(zhì)量要求的不斷提升，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)難以滿足社會發(fā)展需求，建設(shè)更加安全、可靠、環(huán)保、經(jīng)濟的現(xiàn)代電網(wǎng)成為全球電力行業(yè)的共同目標。現(xiàn)代電網(wǎng)的內(nèi)涵包括實現(xiàn)以抵御事故擾動為主的安全穩(wěn)定運行，降低大規(guī)模停運風(fēng)險；使分布式電源得到有效的利用；提高用戶用電的效率和電能質(zhì)量；提高電網(wǎng)資產(chǎn)的利用率等等。其中，突出自愈功能的智能電網(wǎng)研究與發(fā)展被認為是當(dāng)今世界電力系統(tǒng)發(fā)展變革的最新動向，是21世紀電力系統(tǒng)的重大科技創(chuàng)新和發(fā)展趨勢1-6。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)由發(fā)電、輸電、配電系統(tǒng)組成。據(jù)統(tǒng)計，8090以上的重要用戶停電是由城市配電系統(tǒng)故障引起的

4、。配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電壓等級多樣、且配電系統(tǒng)投資巨大。因此，在建設(shè)堅強國家電網(wǎng)骨干網(wǎng)架的同時，把握當(dāng)前城市配電網(wǎng)大規(guī)模建設(shè)的良好時機，及時地解決好分布式發(fā)電供能系統(tǒng)接入配電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)問題，為實現(xiàn)健壯的智能配電網(wǎng)奠定堅實的理論基礎(chǔ)，無疑具有重大的社會效益和經(jīng)濟價值。本文概述了智能電網(wǎng)的技術(shù)內(nèi)涵，重點指出智能配電網(wǎng)所面臨的技術(shù)難點與發(fā)展需求，對智能配電網(wǎng)保護控制系統(tǒng)提出了設(shè)計思路，并探討了該領(lǐng)域的相關(guān)研究課題。2智能電網(wǎng)的技術(shù)內(nèi)涵智能電網(wǎng)涵蓋了電力系統(tǒng)所有的領(lǐng)域，是一項長期、龐大的科研課題與工程實踐。它以智能一次設(shè)備和二次設(shè)備為基礎(chǔ)，并集合了通信、計算機、電力電子技術(shù)的發(fā)展。從技術(shù)層面講，未來的智

5、能電網(wǎng)和目前電網(wǎng)的主要區(qū)別體現(xiàn)在電力市場化、新能源發(fā)電與儲能技術(shù)、電能質(zhì)量、以及電網(wǎng)自愈能力等各個方面。以電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及運行特征來分，智能電網(wǎng)的研究與實施主要包括以下內(nèi)容，如圖1所示。由于電力系統(tǒng)的運行、控制以及管理是依靠跨越各個分布系統(tǒng)或終端的信息交換來實現(xiàn)的。因此，智能電網(wǎng)的實施必然是建立在電力系統(tǒng)與通信系統(tǒng)高度集成和發(fā)展的基礎(chǔ)上形成的智能電網(wǎng)體系。由圖1可知，智能電網(wǎng)主要包含智能輸電網(wǎng)和智能 配電網(wǎng)兩大組成部分。而智能變電站則是實現(xiàn)電網(wǎng)智能化運行與控制的關(guān)鍵組成部分。在此基礎(chǔ)上，智能化電力調(diào)度的目標則包括建立一個基于同步信息的廣域保護和緊急控制一體化理論與技術(shù)，協(xié)調(diào)電力系統(tǒng)元件保護和控制、區(qū)

6、域穩(wěn)定控制系統(tǒng)、緊急控制系統(tǒng)、解列控制系統(tǒng)和恢復(fù)控制系統(tǒng)等具有多道安全防線的綜合防御體系。與此同時，智能電力交易及價格形成機制也是電力市場化的關(guān)鍵技術(shù)?。鑒于電力系統(tǒng)具有廣域動態(tài)的特征，智能電網(wǎng)的保護控制必然要進一步在數(shù)據(jù)信息交換的基礎(chǔ)上，解決全局與局部的功能協(xié)調(diào)和速度協(xié)調(diào)，實現(xiàn)廣域控制與分布保護控制的協(xié)調(diào)性。圖1智能電網(wǎng)的技術(shù)內(nèi)涵Fig.1 Technical content of smart grid3智能配電網(wǎng)的特點隨著城市工業(yè)與社會生活的不斷發(fā)展與需求，構(gòu)建安全、穩(wěn)定的城市電網(wǎng)是未來電網(wǎng)發(fā)展中至關(guān)重要的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)之一。而城市電網(wǎng)所涉及的內(nèi)容正是智能配電網(wǎng)所面臨的課題與發(fā)展方功能的自然擴展

7、，從功能上必須能夠支持現(xiàn)有結(jié)構(gòu)所不能支持的兩個基本要求2：（1）支持綜合考慮終端用戶和總體配電系統(tǒng)控制，以達到系統(tǒng)性能的優(yōu)化、期望的安全穩(wěn)定性與向。未來智能配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)應(yīng)該是現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和期望的電能質(zhì)量。（2）支持高比重的分布式能源接入電網(wǎng)，以提高系統(tǒng)的整體性、效率和靈活性。例如：通過協(xié)同的、分布式的控制，可以利用分布式能源來優(yōu)化系統(tǒng)性能，并且在發(fā)生重大系統(tǒng)故障時利用分布式電源進行局部控制（微型電網(wǎng)、cell電網(wǎng)）。城市工業(yè)體系中數(shù)字化產(chǎn)業(yè)比重逐漸增大，對電能質(zhì)量要求苛刻。為保證供電的連續(xù)性與可靠性，國外較為成功的配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)了多分段、多連接的供電模式。甚至為了個別重要的用電負荷，局部配電網(wǎng)

8、從輻射狀網(wǎng)絡(luò)向閉環(huán)環(huán)網(wǎng)的運行模式轉(zhuǎn)變。而在這個發(fā)展變化的過程中，傳統(tǒng)的保護配置方式及原理顯然不能適應(yīng)這種變化，進而形成了一些應(yīng)用上的障礙。隨著分布式發(fā)電資源以及微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，城市配電網(wǎng)受端系統(tǒng)出現(xiàn)發(fā)電單元并且其發(fā)電能力得到不斷提升。因此智能配電網(wǎng)內(nèi)的電力供應(yīng)模式將發(fā)生改變，即從單一的由大型注入點單向供電的模式，向大量使用受端分布式發(fā)電設(shè)備的多源多向模塊化模式轉(zhuǎn)變。在微電網(wǎng)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(tǒng)故障時主動將分布式電源退出的保護控制方案。但隨著微網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，在未來智能配電網(wǎng)中，微電網(wǎng)與配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)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

9、8, 9。因此，智能配電網(wǎng)需具備分層分塊結(jié)構(gòu)，使每個微型電網(wǎng)模塊具備孤島運行能力，從而提高城市電網(wǎng)的健壯性、運行的靈活性。如圖2所示的微電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)。圖2典型的微電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)（來源：IEEE P1547.4）Fig.2 Typical micro-grid topologies根據(jù)微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、特征及其應(yīng)用和負荷特征，微電網(wǎng)包括與配電網(wǎng)直接相連的微電網(wǎng)，以及面向工商業(yè)或居民供電的小型微電網(wǎng)等。不同的微電網(wǎng)特性不同、歸屬權(quán)不同，因此其運行方式靈活多變，相應(yīng)的保護控制方式應(yīng)根據(jù)這些一般特征有所側(cè)重。4智能配電網(wǎng)的保護控制系統(tǒng)4.1 智能配電網(wǎng)的保護控制系統(tǒng)設(shè)計基于智能配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的特點以及其所要實現(xiàn)

10、的運行目標，智能配電網(wǎng)的保護控制應(yīng)具有突出的自愈能力10, 11。所謂自愈，是指自我預(yù)防和自我恢復(fù)的能力，體現(xiàn)在以下兩方面：（1）預(yù)防控制為主要的控制手段，及時發(fā)現(xiàn)、診斷和消除故障隱患；（2）具有故障情況下維持系統(tǒng)連續(xù)運行的能力，不造成系統(tǒng)的運行損失，并且通過自治修復(fù)功能從故障中盡可能恢復(fù)供電。自愈是智能配電網(wǎng)最突出的特點，一般智能配電網(wǎng)也往往被稱為自愈電網(wǎng)。顯然，智能配電網(wǎng)的自愈能力必須依靠可靠、協(xié)調(diào)的保護控制方案來支撐。根據(jù)前文中對智能配電網(wǎng)特點及其對保護控制系統(tǒng)的要求，本文提出的保護控制系統(tǒng)設(shè)計方案如圖3所示。就電網(wǎng)結(jié)構(gòu)看，圖中包括與配電網(wǎng)直接相連的微電網(wǎng)系統(tǒng)（微電網(wǎng)-1），以及面向工商

11、業(yè)或居民供電的小型微電網(wǎng)系統(tǒng)（微電網(wǎng)-2）。對于含微網(wǎng)的智能配電網(wǎng)來說，各分布式電源均有各自的控制器，尤其是逆變型電源的電力電子接口可以使分布式電源的運行更加智能化。它可以利用本地信息對其輸出電壓和頻率進行控制，這對提高微電網(wǎng)自身的供電質(zhì)量起到了重要的支撐作用（如微電網(wǎng)-2所示）。另一方面，對于微電網(wǎng)來說，同樣需要保護控制系統(tǒng)以實現(xiàn)對各分布式電源有功和無功出力的監(jiān)測，并要求實現(xiàn)對分布式電源及負荷的投切控制，從而達到最優(yōu)的微電網(wǎng)與配電網(wǎng)的并網(wǎng)運行模式或孤島運行模式（如微電網(wǎng)-1所示）。其中還包括孤島運行方式下微電網(wǎng)與配電網(wǎng)的同步運行控制以及并網(wǎng)技術(shù)等等。圖3所示的保護控制系統(tǒng)設(shè)計主要包括以下幾部

12、分：（1）面向電子式互感器、光互感器以及數(shù)字量輸入的合并單元，可實現(xiàn)面向變電站或本地的多信息采集。（2）冗余的通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。這兩部分是數(shù)據(jù)采集和分散控制的設(shè)備基礎(chǔ)。同時，GPS信息的引入，不僅為基于本地信息的傳統(tǒng)保護控制方案提供參考時標，更為面向區(qū)域或廣域信息的控制策略提供了必要的技術(shù)基礎(chǔ)12。（3）面向智能配電網(wǎng)的保護控制系統(tǒng)，該部分不僅包括配電網(wǎng)的保護控制方案，更應(yīng)考慮微電網(wǎng)引入后的保護控制策略（圖3的設(shè)計中側(cè)重了微網(wǎng)引入后配網(wǎng)的保護控制）。其中，分別包括微電網(wǎng)1、2的保護控制方案及其相互關(guān)系，最終通過通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對分布式電源及負荷的分散控制。設(shè)計方案中通過通信網(wǎng)關(guān)與其他非本地的保護控

13、制單元進行通信將實現(xiàn)更高層次的優(yōu)化控制。正如前文所述，隨著通信技術(shù)的成熟與設(shè)備的逐漸完善，在智能配電網(wǎng)內(nèi)實現(xiàn)區(qū)域集中控制策略與本地保護控制的相互協(xié)調(diào)將得到深入的發(fā)展。圖3智能配電網(wǎng)保護控制系統(tǒng)設(shè)計Fig.3 Design of protection and control system of smart distribution grid4.2 智能配電網(wǎng)保護控制的研究從面向智能配電網(wǎng)區(qū)域保護控制的角度出發(fā)，由圖3所示的智能配電網(wǎng)保護控制單元設(shè)計可以看出，各保護控制單元具有通信能力和智能判斷能力，這符合人工智能領(lǐng)域的多代理系統(tǒng)（MAS）結(jié)構(gòu)13。保護控制單元采用多代理智能體結(jié)構(gòu)（如慎思型的理性

14、智能體（BDI）結(jié)構(gòu)），各保護代理間實現(xiàn)信息交換和協(xié)調(diào)配合（如采用知識提取及操控語言KQML），使含微網(wǎng)配電系統(tǒng)保護控制具備分布式控制和分布計算的能力。目前國內(nèi)外在微電網(wǎng)控制模式方面的研究主要包括三種：對等控制模式、主從控制模式和基于多代理系統(tǒng)的分層控制模式。而后者更符合未來微電網(wǎng)的發(fā)展，但在實現(xiàn)上具有一定難度，屬于當(dāng)前微電網(wǎng)控制方案研究的熱點之一14。另外，采用MAS技術(shù)的保護控制系統(tǒng)與智能電網(wǎng)分層控制體系相吻合，有望實現(xiàn)保護控制對配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)變化靈活的適應(yīng)能力，可以根據(jù)配網(wǎng)重構(gòu)特征對保護定值等屬性進行調(diào)整。含微電網(wǎng)的配電系統(tǒng)在遭受干擾后可能出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象。若擾動后不能再建立穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)，將

15、引起微網(wǎng)與配網(wǎng)主系統(tǒng)之間發(fā)生失步。傳統(tǒng)基于測量阻抗變化軌跡的失步保護判據(jù)存在一定局限性。失步情況復(fù)雜，以往的研究常常假設(shè)發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)能保證發(fā)電機的暫態(tài)電勢E保持恒定，而這種假設(shè)顯然在小容量的分布式電源上是不成立的。因此，實現(xiàn)微電網(wǎng)的失步解列保護也是必須重點研究解決的問題之一。目前本文工作當(dāng)中正在開展的研究思路有兩點：第一，基于同步相量的失步解列方案，該方法利用同步測量技術(shù)，可以實測或計算配電網(wǎng)主系統(tǒng)與微電網(wǎng)之間的功角及其變化率15，計及同步測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r滯影響，可考慮建立功角動態(tài)變化的自回歸模型，進而對功角變化做出預(yù)測，能夠真正在失步發(fā)生之前做出失步解列的判斷，是微電網(wǎng)與配電網(wǎng)的協(xié)調(diào)運行

16、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護方案，綜合分布式電源的有功、無功出力，以及線路側(cè)及其變化率等多因素，利用數(shù)學(xué)方法（如模糊數(shù)學(xué)）對各失步判定方法進行加權(quán)判斷，從而實現(xiàn)可靠的失步解列方案。智能配電網(wǎng)的保護控制系統(tǒng)應(yīng)是面向區(qū)域信息的集成保護控制方案與面向元件的局部快速保護控制的有機協(xié)調(diào)與統(tǒng)一。因此，正如圖3所示，傳統(tǒng)的保護單元仍是配電網(wǎng)內(nèi)保護控制系統(tǒng)的主要組成部分，尤其是面向電力設(shè)備的快速主保護。快速切除故障有利于系統(tǒng)穩(wěn)定、減小對分布式電源的影響16，是實現(xiàn)電網(wǎng)自愈的重要指標之一。對于城市配電網(wǎng)，由于負荷密度大，短線路多（12 km甚至幾百米），且分布式電源大量接入，使得傳統(tǒng)

17、電流保護、距離保護等不能滿足含分布式電源配電系統(tǒng)的安全可靠運行。盡管高性能的電流差動保護方案可以實現(xiàn)配電線路故障的快速切除，但在配電網(wǎng)內(nèi)往往無法獲取通信通道。為此，國內(nèi)外專家學(xué)者研究的無通道保護技術(shù)更適合解決該問題17, 18。無通道保護方案中，保護通過本地信息檢測并判斷對側(cè)斷路器開斷狀態(tài)判斷是否為區(qū)內(nèi)故障，從而決定是否加速跳閘。在低成本條件下實現(xiàn)了配電網(wǎng)饋線的快速主保護，該技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。眾所周知，低壓配電網(wǎng)內(nèi)大量采用重合器與分段器配合的供電系統(tǒng)，如圖2所示。傳統(tǒng)配電網(wǎng)采用輻射狀網(wǎng)絡(luò)，重合器與分段器的配合方式容易實現(xiàn)，而隨著小型分布式電源在低壓配電網(wǎng)中的引入，該問題必須引起重視。本文建議在低壓配電網(wǎng)的主干供電線路中，可根據(jù)短路容量的變化考慮對重合器升級為斷路器。在分支供電線路中，為加快故障切除速度，可考慮采用具有一定斷弧能力的重合器，以減小分支供電線路對主干配電饋線的影響。同時，改進重合器自身的重合功能也是提高饋線供電可靠性的有效措施之一。在對智能配電網(wǎng)保護控制系統(tǒng)進行設(shè)計的基礎(chǔ)上，以上內(nèi)容僅是本文在智能配電網(wǎng)領(lǐng)域開展的相關(guān)保護控制的研究概述。目前保護控制系統(tǒng)的研究，逐漸從單元式保護控制方案到集中決策式區(qū)域保護控制方案方向發(fā)展，隨著智能配電網(wǎng)