1、微電網(wǎng)的基本概念1引言電力行業(yè)是關(guān)系國計(jì)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(jìn)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(jì)的現(xiàn)代電網(wǎng)成為全球電力行業(yè)的共同目標(biāo)?，F(xiàn)代電網(wǎng)的內(nèi)涵包括實(shí)現(xiàn)以抵御事故擾動為主的安全穩(wěn)定運(yùn)行，降低大規(guī)模停運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)；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(rèn)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(jì)電力系統(tǒng)的重大科技創(chuàng)新和發(fā)展趨勢1-6。近年來，分布式發(fā)電

2、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(shí)現(xiàn)分區(qū)分片靈活供電，通過合理的規(guī)劃設(shè)計(jì)，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(fù)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(jì)損失。另外，分布式發(fā)電供能系統(tǒng)與大電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，有助于克服一些分布式電源的間歇性給用戶負(fù)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(qiáng)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(jì)，80%90%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(jì)的現(xiàn)代電網(wǎng)成為全球電力行業(yè)的共同目標(biāo)。現(xiàn)代電網(wǎng)的內(nèi)涵包括實(shí)現(xiàn)以抵御事故擾動為主的安全穩(wěn)定運(yùn)行，降低大規(guī)模停運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)；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(rèn)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(jì)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(jì)，80%90%以上的重要用戶停電是由城市配電系統(tǒng)故障引

4、起的。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(jiān)強(qiáng)國家電網(wǎng)骨干網(wǎng)架的同時(shí)，把握當(dāng)前城市配電網(wǎng)大規(guī)模建設(shè)的良好時(shí)機(jī)，及時(shí)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(shí)現(xiàn)健壯的智能配電網(wǎng)奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，無疑具有重大的社會效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。本文概述了智能電網(wǎng)的技術(shù)內(nèi)涵，重點(diǎn)指出智能配電網(wǎng)所面臨的技術(shù)難點(diǎn)與發(fā)展需求，對智能配電網(wǎng)保護(hù)控制系統(tǒng)提出了設(shè)計(jì)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(xiàng)長期、龐大的科研課題與工程實(shí)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(jì)算機(jī)、電力電子技術(shù)的發(fā)展。從技術(shù)層面講，未來

5、的智能電網(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(gè)方面。以電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行特征來分，智能電網(wǎng)的研究與實(shí)施主要包括以下內(nèi)容，如圖1所示。由于電力系統(tǒng)的運(yùn)行、控制以及管理是依靠跨越各個(gè)分布系統(tǒng)或終端的信息交換來實(shí)現(xiàn)的。因此，智能電網(wǎng)的實(shí)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(shí)現(xiàn)電網(wǎng)智能化運(yùn)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(biāo)則包括建立一個(gè)基于同步信息的廣域保護(hù)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(hù)和控制、

6、區(qū)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(shí)，智能電力交易及價(jià)格形成機(jī)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)r智能電網(wǎng)的保護(hù)控制必然要進(jìn)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(shí)現(xiàn)廣域控制與分布保護(hù)控制的協(xié)調(diào)性。?狀態(tài)識別、決策支持系統(tǒng)?包含公共信息交換模型的系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)?安全、可靠的數(shù)據(jù)通信體系?現(xiàn)代化的量測技術(shù)及可視化技術(shù)智能電力調(diào)度智能輸電網(wǎng)廣域全景分布式工體化（的電網(wǎng)調(diào)度技夕在線安全穩(wěn)翻御系統(tǒng)EMS視化CADAWAMFPCS智能變電站域保護(hù)和緊急控區(qū)體化;解列與自恢復(fù)控制

7、系統(tǒng)在線電網(wǎng)資產(chǎn)管理系統(tǒng)號J,現(xiàn)代化的通訊和量句技術(shù)聚（同步測量技術(shù)、廣力數(shù)據(jù)通信接口）<J爭理系統(tǒng)測和保冉卮、M行、微1真與模制系統(tǒng)變電站自適應(yīng)保護(hù)控決策的集成保護(hù)控制屋統(tǒng)）1（快速單元件保護(hù)與站智能電力電子控制系統(tǒng)HVDC,FACTS）SVC,.意力價(jià)格形成機(jī)制）限院!管理系統(tǒng)（負(fù)荷預(yù)測、機(jī)也組合和經(jīng)濟(jì)分配、智能電網(wǎng)的技術(shù)內(nèi)涵Fig.1 Technicalcontentofsmartgrid3智能配電網(wǎng)的特點(diǎn)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(kuò)2:（

8、1）支持綜合考慮終端用戶和總O未來智能配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)應(yīng)該是現(xiàn)有，以提高系統(tǒng)的整體性、效率和展，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(gè)基本要求體配電系統(tǒng)控制，以達(dá)到系統(tǒng)性能的優(yōu)化、期望的安全穩(wěn)定性與向系統(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),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(shí)利用分布式電源進(jìn)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(shí)現(xiàn)了多分段、多連接的供電模式。甚至為了個(gè)別重要的用電負(fù)荷，局部配電網(wǎng)從

9、輻射狀網(wǎng)絡(luò)向閉環(huán)環(huán)網(wǎng)的運(yùn)行模式轉(zhuǎn)變。而在這個(gè)發(fā)展變化的過程中，傳統(tǒng)的保護(hù)配置方式及原理顯然不能適應(yīng)這種變化，進(jìn)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(diǎn)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(yùn)行，采用系統(tǒng)故障時(shí)主動將分布式電源退出的保護(hù)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(yùn)行以及其孤島運(yùn)行能力無疑是提高供電可靠性的有效措施之一8

10、,9。因此，智能配電網(wǎng)需具備分層分塊結(jié)構(gòu)，使每個(gè)微型電網(wǎng)模塊具備孤島運(yùn)行能力，從而提高城市電網(wǎng)的健壯性、運(yùn)行的靈活性。如圖2所示的微電網(wǎng)典型結(jié)構(gòu)。?公共微電網(wǎng)變電站/饋線母線開關(guān)電源?多功能微電網(wǎng)工重合器斷路器?單一功能微電網(wǎng)住宅/商業(yè)建筑典型的微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（來源：IEEEP1547.4）Fig.2 Typicalmicro-gridtopologies根據(jù)微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、特征及其應(yīng)用和負(fù)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(yùn)行方式靈活多變，相應(yīng)的保護(hù)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(hù)

11、控制系統(tǒng)4.1 智能配電網(wǎng)的保護(hù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于智能配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)以及其所要實(shí)現(xiàn)的運(yùn)行目標(biāo)，智能配電網(wǎng)的保護(hù)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(shí)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(yùn)行的能力，不造成系統(tǒng)的運(yùn)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(diǎn)，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(hù)控制方案來支撐。根據(jù)前文中對智能配電網(wǎng)特點(diǎn)及其對保護(hù)控制系統(tǒng)的要求，本文提出的保護(hù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖3所示

12、。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(yùn)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(jìn)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(hù)控制系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)對各分布式電源有功和無功出力的監(jiān)測，并要求實(shí)現(xiàn)對分布式電源及負(fù)荷的投切控制，從而達(dá)到最優(yōu)的微電網(wǎng)與配電網(wǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行模式或孤島運(yùn)行模式（如微電網(wǎng)-1所示）。其中還包括孤島運(yùn)行方式下微電網(wǎng)與

13、配電網(wǎng)的同步運(yùn)行控制以及并網(wǎng)技術(shù)等等。圖3所示的保護(hù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括以下幾部分：（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(shí)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(shí)，GPS信息的引入，不僅為基于本地信息的傳統(tǒng)保護(hù)控制方案提供參考時(shí)標(biāo)，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(hù)控制系統(tǒng)，該部分不僅包括配電網(wǎng)的保護(hù)控制方案，更應(yīng)考慮微電網(wǎng)引入后的保護(hù)控制策略（圖3的設(shè)計(jì)中側(cè)重了微網(wǎng)引入后配網(wǎng)的保護(hù)控制）。其中，分別包括微電網(wǎng)1、2的保護(hù)控制方案及其相互關(guān)系，最終通過通信

14、網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對分布式電源及負(fù)荷的分散控制。設(shè)計(jì)方案中通過通信網(wǎng)關(guān)與其他非本地的保護(hù)控制單元進(jìn)行通信將實(shí)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(shí)現(xiàn)區(qū)域集中控制策略與本地保護(hù)控制的相互協(xié)調(diào)將得到深入的發(fā)展。DistributionTransformerwMicroTurbineLoad囂黑胭DCLeConveGPommunicCurrentVoltageEthernSwitchMerginUnitl”atnor-InterfaDistributioTransfoProtectioDistancOC&AControDistribuManagemen

15、tSystemContolSignalCommetinputerRemoterelays圖3智能配電網(wǎng)保護(hù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)Fig.3DesignofprotectionandcontrolsystemofsmartdistributiongridVoltaceB2Frequency"MGCentralController_J»IDecisionMakingU.interface-1nitInputs&Outputtolocal/remoteunitsCentralControlleration4.2 智能配電網(wǎng)保護(hù)控制的研究從面向智能配電網(wǎng)區(qū)域保護(hù)控制的角度出發(fā)，由圖3

16、所示的智能配電網(wǎng)保護(hù)控制單元設(shè)計(jì)可以看出，各保護(hù)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(hù)控制單元采用多代理智能體結(jié)構(gòu)（如慎思型的理性智能體（BDI）結(jié)構(gòu)），各保護(hù)代理間實(shí)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(hù)控制具備分布式控制和分布計(jì)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(shí)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(diǎn)之一14。另外，采用MAS技術(shù)的保護(hù)控制系統(tǒng)與智能電網(wǎng)分層控制體系相吻合，有

17、望實(shí)現(xiàn)保護(hù)控制對配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(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(hù)定值等屬性進(jìn)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(yùn)行狀態(tài)，將引起微網(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(hù)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(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)能保證發(fā)電機(jī)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(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的失步解列保護(hù)也是必須重點(diǎn)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(diǎn)：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(shí)測或計(jì)算配電網(wǎng)主系統(tǒng)與微電

18、網(wǎng)之間的功角及其變化率15,計(jì)及同步測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)滯影響，可考慮建立功角動態(tài)變化的自回歸模型，進(jìn)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(yùn)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護(hù)方案，綜合分布式電源的有功、無功出力，以及線路側(cè)UCOS中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(jìn)行加權(quán)判斷，從而實(shí)現(xiàn)可靠的失步解列方案。智能配電網(wǎng)的保護(hù)控制系統(tǒng)應(yīng)是面向區(qū)域信息的集成保護(hù)控制方案與面向元件的局部快速保護(hù)控制的有機(jī)協(xié)調(diào)與統(tǒng)一。因此，正如圖3所示，傳統(tǒng)的保護(hù)單元仍是配電網(wǎng)內(nèi)保護(hù)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(hù)?？焖偾谐收嫌欣谙到y(tǒng)穩(wěn)定、減小對分布式電源的影響16,是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)自愈的重要指標(biāo)之一。對于城市配電網(wǎng)，由于負(fù)荷密度大，短線路多（12km甚至幾百米），且分布式電源大量接入，使得傳統(tǒng)電流保護(hù)、距離保護(hù)等不能滿足含分布式電源配電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。盡管高性能的電流差動保護(hù)方案可以實(shí)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(hù)技術(shù)更適合解決該問題17,18。無通道保護(hù)方案中，保護(hù)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