微电网的基本概念

1、微电网的根本概念1引言电力行业是关系国计民生的根底性行业.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开展需求,建设更加平安、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平安稳定运行,降低大规模停运风险；使分布式电源得到有效的利用；提升用户用电的效率和电能质量；提升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开展被认为是当今世界电力系统开展变革的最新动向,是21世纪电力系统的重大科技创新和开展趋势1-6.近年来,分布式发电

2、供能系统得到快速开展,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,提升系统供电的电能质量7.因此,具有自愈水平、兼容多种发电资源、具有自愈水平的智能配电网研究将有助于分布式发电技术的推广应用,也有助于预防大面积停电,提升电力系统的平安性和可靠性,增强电网抵御自然灾害的水平.传统的电力系统由发电、输电、配电系统组成.据统计,80%90%以

3、上的重要用户停电是由城市配电系统故障引起的.配电网结构复杂、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开展需求,建设更加平安、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平安稳定运行,降低大规模停运风险；使分布式电源得到有效的利用；提升用户用电的效率和电能质量；提升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开展被认为是当今世界电力系统开展变革的最新动向,是21世纪电力系统的重大科技创新和开展趋势1-6.传统的电力系统由发电、输电、配电系统组成.据统计,80%90%以上的重要用户停电是由城市配电系统故障引

4、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根底,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开展需求,对智能配电网保护限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根底,并集合了通信、计算机、电力电子技术的开展.从技术层面讲,未来

5、的智能电网和目前电网的主要区别表达在电力市场化、新能源发电与储能技术、电能质量、以及电网自愈水平等各个方面.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、限制以及治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开展的根底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局部.而智能变电站那么是实现电网智能化运行与限制的关键组成局部.在此根底上,智能化电力调度的目标那么包括建立一个基于同步信息的广域保护和紧急限制一体化理论与技术,协调电力系统元件保护和限

6、制、区域稳定限制系统、紧急限制系统、解列限制系统和恢复限制系统等具有多道平安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,智能电网的保护限制必然要进一步在数据信息交换的根底上,解决全局与局部的功能协调和速度协调,实现广域限制与分布保护限制的协调性./?状态识别、决策支持系统智能电网?包含公共信息交换模型的系统框架结构I?平安、可靠的数据通信体系?现代化的量测技术及可视化技术智能电力调度智能输电网智能配电网广域全景分布式、体化的电网调度技术在线平安稳独御旗统EMS视化CADAWAMPCS体化;解列与自恢复控训系统智能电力电子限制

7、系统HVDC,FACTSSVC,.电力价格形成机制及供需治理系统负荷预测、机叁组合和经济分配、在线电网资产治理系统J智能变电站现代化的通讯和量测技术事优同步测量技术、.数据通信接口变电站自适应保审限制系统方真与模快速单元件保护与玷内集训决策的集成保护塔制系统J含微网的配电网快速彳拟系统智能电网的技术内涵Fig.1Technicalcontentofsmartgrid3智能配电网的特点随着城市工业与社会生活的不断开展与需求,构建平安、稳定的城市电网是未来电网开展中至关重要的根底环节之一.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开展方功能的自然扩展,从功能上必须能够支持现有结构所不能支持

8、的两个根本要求2：1支持综合考虑终端用户和总体配电系统限制,以到达系统性能的优化、期望的平安稳定性与向.未来智能配电网结构应该是现有系统结构和期望的电能质量.2支持高比重的分布式能源接入电网,以提升系统的整体性、效率和灵活性.例如：通过协同的、分布式的限制,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限制微型电网、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.而在这个开展变

9、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开展,城市配电网受端系统出现发电单元并且其发电水平得到不断提升.因此智能配电网内的电力供给模式将发生改变,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限制方案.但随着微网技术的开展,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水平无疑是提升供电可靠性的有效举措之一8,9.因此,智能配电网需具备分层分块结构,使每个微

10、型电网模块具备孤岛运行水平,从而提升城市电网的健壮性、运行的灵活性.如图2所示的微电网典型结构.?公共微电网变电站/馈线母线开关?多功能微电网工业/商业集合型负荷解列点巴负荷变专转件线廨列d馈线解列-3二T秣!相邻回路;解列时重合器相邻回路?单一功能微电网住宅/商业建筑电源工重合器断路器典型的微电网拓扑结构来源：IEEEP1547.4Fig.2Typicalmicro-gridtopologies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,相应的保护限制方式应根据

11、这些一般特征有所侧重.4智能配电网的保护限制系统4.1 智能配电网的保护限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,智能配电网的保护限制应具有突出的自愈水平10,11.所谓自愈,是指自我预防和自我恢复的水平,表达在以下两方面：1预防限制为主要的限制手段,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水平,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,智能配电网的自愈水平必须依靠可靠、协调的保护限制方案来支撑.根据前文中对智能配电网特点及其对保护限制系统的要求,本文提出

12、的保护限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限制器,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率进行限制,这对提升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,同样需要保护限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限制,从而到达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

13、行方式下微电网与配电网的同步运行限制以及并网技术等等.图3所示的保护限制系统设计主要包括以下几局部：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.这两局部是数据采集和分散限制的设备根底.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限制策略提供了必要的技术根底12.3面向智能配电网的保护限制系统,该局部不仅包括配电网的保护限制方案,更应考虑微电网引入后的保护限制策略图3的设计中侧重了微网引入后配网的保护限制.其中,分别包括微电网1、2的保护限制方案及其相互关系,最终通过通信

14、网络实现对分布式电源及负荷的分散限制.设计方案中通过通信网关与其他非本地的保护限制单元进行通信将实现更高层次的优化限制.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限制策略与本地保护限制的相互协调将得到深入的开展.DistributionTransformerCBCTLjFuseSVMicroTurbineProtectioCurrentVoltageQentsIP-alControlnitCerface"ManagenSystemDecisionMakingUAzEthernSwitchetinputerommunicMnorIntDi

15、stributionSignalMerginDistributiTransformVJid-1'UnitDistarOC&二一二一1ControlrInvertererfaWindVoltacelFrequenlMGCehtCo：trol|eInputs&Outputtolocal/remoteunitsCentralControllerationRemoterelays图3智能配电网保护限制系统设计Fig.3Designofprotectionandcontrolsystemofsmartdistributiongrid4.2 智能配电网保护限制的研究从面向智能配电网

16、区域保护限制的角度出发,由图3所示的智能配电网保护限制单元设计可以看出,各保护限制单元具有通信水平和智能判断水平,这符合人工智能领域的多代理系统MAS结构13.保护限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限制具备分布式限制和分布计算的水平.目前国内外在微电网限制模式方面的研究主要包括三种：对等限制模式、主从限制模式和基于多代理系统的分层限制模式.而后者更符合未来微电网的开展,但在实现上具有一定难度,属于当前微电网限制方案研究的热点之一14.另外,采用MAS技术的保护限制系统与智能电网分层

17、限制体系相吻合,有望实现保护限制对配电网拓扑结构变化灵活的适应水平,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.假设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

18、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水平.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Ucos及其变化率等多因素,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.智能配电网的保护限制系统应是面向区域信息的集成保护限制方案与面向元件的局部快速保护限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限制系统的主要组成局部,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12km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平安可靠运行.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