主動(dòng)配電網(wǎng)保護(hù)控制的設(shè)計(jì)與研究

李斌，張慧穎，何佳偉(智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué))，天津市300072)

主動(dòng)配電網(wǎng)保護(hù)控制的設(shè)計(jì)與研究

李斌，張慧穎，何佳偉
(智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(天津大學(xué))，天津市300072)

主動(dòng)配電網(wǎng)是智能配電網(wǎng)發(fā)展的高級(jí)技術(shù)階段，是具備組合控制各種分布式電源、儲(chǔ)能、可控負(fù)荷以及具備需求側(cè)響應(yīng)能力的配電網(wǎng)絡(luò)。該文對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)的構(gòu)成進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，探討了主動(dòng)配電網(wǎng)自身的特點(diǎn)及其對(duì)保護(hù)控制系統(tǒng)的要求，在此基礎(chǔ)上提出了面向主動(dòng)配電網(wǎng)的控制保護(hù)系統(tǒng)的整體架構(gòu)，并對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)保護(hù)控制中的關(guān)鍵技術(shù)即運(yùn)行控制技術(shù)、并網(wǎng)點(diǎn)與配電網(wǎng)相結(jié)合的保護(hù)技術(shù)以及直流配電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)進(jìn)行了闡述。

主動(dòng)配電網(wǎng);微電網(wǎng);保護(hù);控制

0 引言

從哲學(xué)層面、經(jīng)濟(jì)學(xué)層面、技術(shù)層面出發(fā)，謀求能源高效利用和可持續(xù)發(fā)展的能源互聯(lián)網(wǎng)已成為能源領(lǐng)域的主導(dǎo)發(fā)展方向之一［1］。能源互聯(lián)網(wǎng)是以互聯(lián)網(wǎng)理念構(gòu)建的新型信息能源融合“廣域網(wǎng)”，它以電網(wǎng)為“主干網(wǎng)”，以分布式電網(wǎng)為“局域網(wǎng)”，以開放對(duì)等的信息能源一體化架構(gòu)真正實(shí)現(xiàn)能源的雙向按需傳輸和動(dòng)態(tài)平衡使用。事實(shí)上不難發(fā)現(xiàn)，這一發(fā)展思路與未來(lái)智能配電網(wǎng)的構(gòu)想是不謀而合的。當(dāng)前盡管世界上不同國(guó)家針對(duì)本國(guó)的能源和電網(wǎng)現(xiàn)狀制定了不同的智能電網(wǎng)發(fā)展目標(biāo)，但智能配電系統(tǒng)是幾乎所有國(guó)家發(fā)展智能電網(wǎng)的重點(diǎn)所在。

電力需求的持續(xù)增長(zhǎng)、傳統(tǒng)能源的短缺以及電力市場(chǎng)的開放催生了分布式發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展。但是，基于可再生能源的分布式發(fā)電技術(shù)面臨著電源單機(jī)接入成本高，功率輸出具有隨機(jī)性和波動(dòng)性等問(wèn)題［2］。將可再生能源、儲(chǔ)能單元以及本地負(fù)荷有機(jī)融合形成微電網(wǎng)接入配電網(wǎng)，是發(fā)揮分布式發(fā)電系統(tǒng)效能的最有效方式［3］。與此同時(shí)，我們也需要注意到，受大容量?jī)?chǔ)能和控制方式可行性的限制，當(dāng)前微電網(wǎng)理論研究與工程實(shí)踐往往集中于并網(wǎng)容量有限的400V低壓配電網(wǎng)。因此，配電網(wǎng)必須從微電網(wǎng)和規(guī)?；植际诫娫醇惺讲⑷胫袎号潆娋W(wǎng)兩方面雙管齊下，最大限度地提升電網(wǎng)消納可再生能源的能力。結(jié)合配電網(wǎng)需求側(cè)響應(yīng)和智能用電技術(shù)的發(fā)展，可以預(yù)見，智能配電網(wǎng)的發(fā)展路線必然是將一個(gè)集中、單向、生產(chǎn)者控制的配電網(wǎng)，轉(zhuǎn)變成更加分布、更多消費(fèi)者互動(dòng)的主動(dòng)配電網(wǎng)。

主動(dòng)配電網(wǎng)是智能配電網(wǎng)發(fā)展的高級(jí)技術(shù)階段，是具備組合控制各種分布式能源(分布式電源、儲(chǔ)能、可控負(fù)荷、需求側(cè)響應(yīng))能力的配電網(wǎng)絡(luò)，旨在加大配電網(wǎng)對(duì)可再生能源的接納能力，提升配電網(wǎng)資產(chǎn)的利用率以及提高用戶用電質(zhì)量和供電可靠性［4-5］。分布式發(fā)電已在世界范圍內(nèi)得到廣泛認(rèn)同。因此分布式發(fā)電接入電網(wǎng)所面臨的制度化束縛與技術(shù)瓶頸將必然被突破。國(guó)家電網(wǎng)公司已宣布容量小于6 MW的分布式發(fā)電系統(tǒng)將無(wú)障礙接入10 kV配電網(wǎng)?？梢?，發(fā)展主動(dòng)配電網(wǎng)的政策條件和技術(shù)背景正在日益完善。

本文對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)的構(gòu)成與特征進(jìn)行了介紹，并提出了面向主動(dòng)配電網(wǎng)的保護(hù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)相關(guān)保護(hù)控制技術(shù)進(jìn)行了具體介紹。

1 主動(dòng)配電網(wǎng)的構(gòu)成與特征

未來(lái)的主動(dòng)配電網(wǎng)絡(luò)將包含大量自治運(yùn)行區(qū)域，中壓網(wǎng)可以劃分為多個(gè)獨(dú)立運(yùn)行單元控制區(qū)域(Cell)，低壓網(wǎng)將形成大量由分布式電源和負(fù)荷構(gòu)成的微電網(wǎng)。這些自治區(qū)域可以采取不同運(yùn)行拓?fù)?輻射狀、環(huán)狀等)，不同供電方式(常規(guī)交流、多端柔性直流)。自治區(qū)域?qū)⒕邆洫?dú)立運(yùn)行能力，緊急情況下又能相互支持。主動(dòng)配電網(wǎng)具有以下重要特征。

(1)具有多源屬性的主動(dòng)配電網(wǎng)絡(luò):大量分布式電源和儲(chǔ)能系統(tǒng)在配電系統(tǒng)的接入，使得配電系統(tǒng)出現(xiàn)了類似傳統(tǒng)輸電系統(tǒng)的多源供電、雙向潮流等特性。分布式電源的間歇性特性和負(fù)荷的需求側(cè)響應(yīng)等產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)不可測(cè)潮流會(huì)顯著增加;電壓電流波動(dòng)及線路、變壓器等設(shè)備越限可能性也會(huì)增加。同時(shí)，分布式電源接入對(duì)配電網(wǎng)拓?fù)?、故障電流水平的影響都使得主?dòng)配電網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)原理及措施需要重新審視和考慮。

(2)現(xiàn)有被動(dòng)網(wǎng)絡(luò)管理模式將被主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)管理模式所替代:現(xiàn)有配電網(wǎng)只能采取就地消納和局部控制相結(jié)合的方式被動(dòng)接納分布式電源。這不但影響了分布式電源的滲透率，造成可再生能源開發(fā)困難，同時(shí)由于相關(guān)設(shè)備效能未能充分發(fā)揮，大大增加了配電網(wǎng)投資運(yùn)行成本。因此對(duì)配電系統(tǒng)進(jìn)行主動(dòng)控制和網(wǎng)絡(luò)管理是主動(dòng)配電網(wǎng)的核心內(nèi)容，由此帶來(lái)的對(duì)于配電網(wǎng)保護(hù)的適應(yīng)性及新型保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題是必須要解決的問(wèn)題。

(3)控制手段將更加多樣化與精細(xì)化:分布式電源接入及電力電子設(shè)備的使用極大提高了配電系統(tǒng)的可控性。自動(dòng)故障定位、自動(dòng)供電恢復(fù)、自動(dòng)保護(hù)整定、自動(dòng)電壓控制、網(wǎng)絡(luò)再組合等技術(shù)的應(yīng)用將使得配電系統(tǒng)的自愈能力顯著改善。但實(shí)現(xiàn)多樣化、精細(xì)化、概率化和預(yù)測(cè)性的配電系統(tǒng)運(yùn)行控制、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)和保護(hù)再整定技術(shù)則需要進(jìn)行更深入的配電系統(tǒng)分析工作。

(4)信息交互能力將明顯加強(qiáng):先進(jìn)的通信網(wǎng)絡(luò)將使得配電網(wǎng)具備強(qiáng)大的雙向信息交互能力;但這種信息感知與交互也將顯著增加海量數(shù)據(jù)信息處理的難度，這就對(duì)發(fā)展分布式協(xié)同控制技術(shù)提供了機(jī)遇與挑戰(zhàn)。

(5)源-網(wǎng)-荷的互動(dòng)方式更加復(fù)雜化:為提高終端能源的利用效率，用戶端將會(huì)大量采用智能設(shè)備，同時(shí)由于用戶需求側(cè)響應(yīng)等影響，將會(huì)使得配電系統(tǒng)的動(dòng)/靜態(tài)行為更加復(fù)雜化。配電網(wǎng)一次系統(tǒng)與二次系統(tǒng)交互影響、二次系統(tǒng)中控制保護(hù)技術(shù)與方案的相互影響和協(xié)調(diào)都給智能配電網(wǎng)的保護(hù)原理和方案帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。

2 主動(dòng)配電網(wǎng)控制保護(hù)系統(tǒng)

分布式電源的控制特性使微電網(wǎng)及其所接入的配網(wǎng)具有復(fù)雜的非線性特征［6］。適用于線性系統(tǒng)的對(duì)稱分類法等故障分析手段不能客觀反映含分布式電源接入的主動(dòng)配電網(wǎng)故障暫態(tài)特性［7-8］。分布式電源高滲透率接入條件下的保護(hù)可以從“并網(wǎng)點(diǎn)保護(hù)、配電網(wǎng)保護(hù)”兩個(gè)角度、“點(diǎn)、線、面”三個(gè)層次進(jìn)行研究。對(duì)其繼電保護(hù)原理與技術(shù)的要求除傳統(tǒng)四性要求之外，基于本地信息量的并網(wǎng)點(diǎn)保護(hù)應(yīng)滿足微電網(wǎng)分布式自治、與配電網(wǎng)靈活互動(dòng)的要求?；谛畔⒔换サ呐潆娋W(wǎng)系統(tǒng)級(jí)保護(hù)應(yīng)滿足允許分布式電源靈活接入、足夠靈敏地反映分布式電源故障出力等要求。

2.1 主動(dòng)配電網(wǎng)運(yùn)行控制研究

主動(dòng)配電系統(tǒng)互動(dòng)可控的運(yùn)行控制系統(tǒng)充分利用配電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將配電網(wǎng)絡(luò)分層分區(qū)加以劃分，形成不同電壓等級(jí)、不同地區(qū)分布的控制區(qū)域。在合理考慮臨近控制區(qū)影響的條件下，每個(gè)控制區(qū)主要實(shí)施區(qū)域局部控制。以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)配電網(wǎng)絡(luò)靈活運(yùn)行為目標(biāo)，從配電網(wǎng)自身、分布式電源接入以及可調(diào)負(fù)荷參與的順序和角度探索主動(dòng)配電網(wǎng)的協(xié)同控制方法。具體包括以一次網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)及二次保護(hù)自適應(yīng)協(xié)調(diào)為思路的配電網(wǎng)自調(diào)節(jié)能力;考慮多類型負(fù)荷變化特性以及可調(diào)負(fù)荷資源參與的多目標(biāo)協(xié)同控制;基于下垂控制的微電網(wǎng)無(wú)縫模式切換控制等。在控制手段上依賴新型電力電子控制技術(shù)，以能量路由器為功率傳輸中繼，配備與配電網(wǎng)的高壓接口連接以及和分布式電源連接的低電壓交直流接口。能量路由器需對(duì)連接至其智能功率傳輸模塊接口的所有裝置進(jìn)行識(shí)別和管理，包括狀態(tài)監(jiān)控，數(shù)據(jù)收集和控制基準(zhǔn)。對(duì)于可控負(fù)荷，控制基準(zhǔn)可能包括開機(jī)、關(guān)機(jī)指令，功率和電壓調(diào)節(jié)指令等;而對(duì)于儲(chǔ)能裝置而言，控制基準(zhǔn)則可能是充、放電速率、深度等?；谀芰柯酚善鞯姆植际街悄芸刂葡到y(tǒng)分布于所有的能量路由器，并利用通信網(wǎng)絡(luò)來(lái)與其他能量路由器協(xié)調(diào)配電網(wǎng)的運(yùn)行控制。以軟常開點(diǎn)為配電網(wǎng)功率傳輸分配的關(guān)鍵技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)配電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)和優(yōu)化運(yùn)行。基于分布式控制區(qū)域的概念，將發(fā)展協(xié)同決策算法，以便協(xié)調(diào)各種控制功能，避免多種控制功能獨(dú)立實(shí)施可能造成的系統(tǒng)運(yùn)行混亂。圖1所示即為互動(dòng)可控的主動(dòng)配電網(wǎng)運(yùn)行控制框圖及關(guān)鍵控制技術(shù)的示意圖。

2.2 主動(dòng)配電網(wǎng)保護(hù)技術(shù)研究

隨著數(shù)字化變電站、光纖以太網(wǎng)等一系列新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，面向電網(wǎng)主設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞募杀Ｗo(hù)成為可能。集成保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)是面向配電網(wǎng)區(qū)域的集成網(wǎng)絡(luò)保護(hù)與面向單一元件設(shè)備的局部快速集成保護(hù)的有機(jī)協(xié)調(diào)與統(tǒng)一。面向單一元件設(shè)備如母線、線路等的本地集成保護(hù)單元，能夠?qū)崿F(xiàn)具有針對(duì)性的快速保護(hù);而面向整體區(qū)域電網(wǎng)的集成網(wǎng)絡(luò)保護(hù)，借助以太網(wǎng)等通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域的集中保護(hù)決策，為區(qū)域配電網(wǎng)提供后備保護(hù)。兩者層次分明，分工明確，相互協(xié)調(diào)，共同實(shí)現(xiàn)主動(dòng)配電網(wǎng)可靠而又快速的集成保護(hù)，如圖2所示。

圖1 主動(dòng)配電網(wǎng)運(yùn)行控制框架及關(guān)鍵控制技術(shù)Fig.1 Active distribution network operational control framework and key control technology

圖2 主動(dòng)配電網(wǎng)集成保護(hù)示意圖Fig.2 Integration protection of active distribution network

多饋入電源主動(dòng)配電網(wǎng)自適應(yīng)保護(hù)技術(shù)包含“點(diǎn)、線、面”這3個(gè)保護(hù)層次。

所謂“點(diǎn)”，是從分布式保護(hù)思想出發(fā)，應(yīng)保證分布式電源或微電網(wǎng)并網(wǎng)的公共耦合點(diǎn)處具備集孤島檢測(cè)保護(hù)為核心、具有并網(wǎng)狀態(tài)、孤島狀態(tài)及狀態(tài)切換控制的保護(hù)功能。并且主動(dòng)式檢測(cè)方法應(yīng)不影響并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)配電網(wǎng)的供電電能質(zhì)量。在微電網(wǎng)概念引入之前，世界各國(guó)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(dòng)將分布式電源退出的保護(hù)控制方案。但隨著微電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，在主動(dòng)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(wú)疑是提高供電可靠性的有效措施之一。為此，微電網(wǎng)的孤島檢測(cè)及保護(hù)控制就顯得尤為重要［9］。傳統(tǒng)基于電壓、頻率幅值特征的孤島保護(hù)無(wú)法滿足系統(tǒng)對(duì)孤島檢測(cè)的靈敏性和速動(dòng)性要求。采用基于擴(kuò)展卡爾曼的測(cè)頻算法，依據(jù)頻率動(dòng)態(tài)變化率、方差等判定條件，采用模糊數(shù)學(xué)邏輯實(shí)現(xiàn)快速高靈敏度被動(dòng)式孤島檢測(cè)，同時(shí)基于諧波畸變率突變或頻率突變啟動(dòng)主動(dòng)式孤島檢測(cè)的方法，不僅降低了孤島檢測(cè)對(duì)微網(wǎng)正常運(yùn)行的影響，也滿足了微網(wǎng)并網(wǎng)/孤網(wǎng)模式切換控制的要求［10］。所謂“線”是指主動(dòng)配電網(wǎng)內(nèi)供電支路的保護(hù)。盡管分布式電源在配電網(wǎng)的接入改變了配電系統(tǒng)功率單一流向的基本屬性，使得配電系統(tǒng)成為有源網(wǎng)絡(luò)。但由于分布式電源容量與系統(tǒng)容量相差懸殊，且逆變型分布式電源供給短路電流的能力非常有限。因此，配電系統(tǒng)的保護(hù)既不能忽略分布式電源的影響，又不能將分布式電源做與電網(wǎng)類似的等效。因此，傳統(tǒng)基于工頻量的保護(hù)原理雖可以實(shí)現(xiàn)故障的檢測(cè)，但在故障定位和故障隔離方面難以達(dá)到系統(tǒng)要求［11］?；跁簯B(tài)量信息的主動(dòng)配電網(wǎng)保護(hù)原理利用小波變換提取故障暫態(tài)高頻分量，通過(guò)線路兩端暫態(tài)高頻分量的極性比較來(lái)對(duì)故障進(jìn)行定位，克服了由于系統(tǒng)與分布式電源之間供流能力差別大等原因造成的傳統(tǒng)保護(hù)選擇性、靈敏性差的缺點(diǎn)。暫態(tài)極性比較保護(hù)具體原理如下:

故障發(fā)生時(shí)，暫態(tài)電流分量由故障點(diǎn)向線路的兩端開始傳播，如果假設(shè)線路兩端的保護(hù)的正方向均為母線指向線路，那么當(dāng)故障發(fā)生在區(qū)內(nèi)時(shí)，到達(dá)線路兩端母線處的暫態(tài)電流極性相同。相反，如果故障發(fā)生在線路保護(hù)的區(qū)外時(shí)，到達(dá)線路兩端母線處的暫態(tài)電流極性相反。圖3所示為三相短路故障分別發(fā)生在區(qū)內(nèi)和區(qū)外時(shí)的暫態(tài)高頻分量波形，iT-B和iT-D分別表示利用小波變換提取的線路兩端暫態(tài)高頻電流。

圖3 線路區(qū)內(nèi)區(qū)外三相短路故障暫態(tài)高頻分量Fig.3 Transient high frequency component waveforms in the cases of internal and external symmetrical faults

暫態(tài)電流信號(hào)高頻分量極性借鑒信號(hào)處理中的互相關(guān)函數(shù)的概念來(lái)對(duì)2個(gè)暫態(tài)信號(hào)的相似程度進(jìn)行描述。當(dāng)線路兩端暫態(tài)高頻分量的互相關(guān)系數(shù)接近1時(shí)，即可判定為兩信號(hào)暫態(tài)極性相同，從而判定為線路區(qū)內(nèi)故障;當(dāng)互相關(guān)系數(shù)接近1時(shí)，2個(gè)信號(hào)暫態(tài)極性相反，即可判定為線路區(qū)外故障。基于暫態(tài)信息的暫態(tài)極性比較保護(hù)新方案可以覆蓋所有故障類型，并且可以適用于線路故障和母線故障。

所謂“面”是從配電網(wǎng)分區(qū)的角度實(shí)現(xiàn)區(qū)域保護(hù)。主動(dòng)配電網(wǎng)保護(hù)是基于暫態(tài)極性比較保護(hù)原理，對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行分區(qū)，構(gòu)建區(qū)域集中綜合控制與本地保護(hù)控制系統(tǒng)相結(jié)合的保護(hù)系統(tǒng)。采用母線線路集成保護(hù)的思路，在配電網(wǎng)母線處設(shè)立一個(gè)集成保護(hù)單元，基于本地信息以及相鄰保護(hù)單元的故障信息實(shí)現(xiàn)對(duì)本地單一電氣設(shè)備母線和線路的保護(hù)。與此同時(shí)，利用分布式布局的能量路由器作為集成網(wǎng)絡(luò)保護(hù)單元獲取配電網(wǎng)多點(diǎn)信息，根據(jù)不同的情況綜合多點(diǎn)的信息完成基于多點(diǎn)信息的保護(hù)控制功能，從而完成故障快速定位以及后備保護(hù)的功能，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)保護(hù)及自動(dòng)化。主動(dòng)配電網(wǎng)的集成保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)是面向配電網(wǎng)整體區(qū)域的集成網(wǎng)絡(luò)保護(hù)與面向單一元件設(shè)備的局部快速集成保護(hù)的有機(jī)協(xié)調(diào)與統(tǒng)一。面向單一元件設(shè)備如母線、線路等的本地集成保護(hù)單元，能夠?qū)崿F(xiàn)具有針對(duì)性的快速保護(hù);而面向整體配電網(wǎng)保護(hù)區(qū)域的集成網(wǎng)絡(luò)保護(hù)，借助以太網(wǎng)等通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)域的集中保護(hù)決策，為整個(gè)保護(hù)區(qū)域提供后備保護(hù)。兩者層次分明，分工明確，相互協(xié)調(diào)，共同實(shí)現(xiàn)主動(dòng)配電網(wǎng)可靠而又快速的集成保護(hù)。根據(jù)保護(hù)配合關(guān)系確定集成方式，以保證區(qū)域保護(hù)原理具有較強(qiáng)的可操作性。考慮到信息量影響到保護(hù)的判定速度和可靠性，因此從信息量上，能量路由器對(duì)于信息的采集具有選擇性，不能采用全部區(qū)域信息，而是根據(jù)保護(hù)配合關(guān)系確定集成方式，以保證區(qū)域保護(hù)原理具有較強(qiáng)的可操作性。

2.3 直流配電保護(hù)控制的研究

目前，由于分布式發(fā)電的不斷發(fā)展以及直流負(fù)荷的不斷增加，適用于分布式電源和直流負(fù)荷就地接入的多端直流配電網(wǎng)將成為配電網(wǎng)發(fā)展的一大趨勢(shì)。直流配電網(wǎng)可能是輻射型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得控制策略、保護(hù)方案的設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，但是供電可靠性低。直流配電網(wǎng)也可以形成環(huán)網(wǎng)型結(jié)構(gòu)，如圖4所示。環(huán)型結(jié)構(gòu)供電可靠性高，但是相應(yīng)的控制策略和保護(hù)方案則較為復(fù)雜。在工程應(yīng)用中，需結(jié)合實(shí)際的負(fù)荷等級(jí)、投資成本等因素確定具體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖4 環(huán)型多端直流配電網(wǎng)Fig.4 Multi-terminal DC ring distribution network

直流配電網(wǎng)的控制與保護(hù)是直流配電網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

其中，直流配電網(wǎng)控制的關(guān)鍵主要在于直流配電網(wǎng)的母線電壓控制以及系統(tǒng)潮流控制［12］。母線電壓控制主要可以分為主從控制和無(wú)主從控制。主從控制又稱為帶通信的控制，這種方法簡(jiǎn)單方便，但卻對(duì)各端換流站之間的通信提出了很高的要求。無(wú)主從控制不需要依賴于通信，主要包括直流電壓偏差控制和直流電壓斜率控制。同時(shí)，與傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)相比，多端環(huán)狀直流配電網(wǎng)中還存在系統(tǒng)潮流不可控的問(wèn)題，這也是目前研究的一大熱點(diǎn)。

由于直流配電網(wǎng)直流線路阻尼低，故障電流上升速度快，因此，與傳統(tǒng)交流系統(tǒng)不同，直流配電網(wǎng)要求直流保護(hù)方案能夠快速動(dòng)作，并且要求直流斷路器能夠在幾個(gè)ms之內(nèi)迅速切除故障線路。但是，由于直流故障電流不存在自然過(guò)零點(diǎn)，因此高壓大容量的直流斷路器技術(shù)尚不成熟［13］。因此，目前有大量的學(xué)者致力于研究基于換流器動(dòng)作的直流故障切除方案，如基于鉗位雙子模塊的模塊化多電平換流器等。

除此以外，在多端直流配電網(wǎng)中，直流側(cè)任何位置發(fā)生故障整個(gè)系統(tǒng)都將出現(xiàn)降壓、過(guò)流現(xiàn)象，因此給故障線路的識(shí)別帶來(lái)了很大的困難［14］。而且，直流配電網(wǎng)線路較短，傳統(tǒng)直流輸電網(wǎng)中的故障識(shí)別方案并不能適用于直流配電網(wǎng)。因此，直流配電網(wǎng)故障的準(zhǔn)確識(shí)別尚需要進(jìn)行深入的研究。

3 結(jié)論

主動(dòng)配電網(wǎng)的保護(hù)控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)主動(dòng)配電網(wǎng)的重要技術(shù)支撐。本文首先介紹了主動(dòng)配電網(wǎng)的主體架構(gòu)，對(duì)主動(dòng)配電網(wǎng)的重要特征進(jìn)行了總結(jié)。并在此基礎(chǔ)上提出了面向主動(dòng)配電網(wǎng)的保護(hù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并對(duì)相關(guān)保護(hù)控制原理與技術(shù)的研究包括互動(dòng)可控的主動(dòng)配電系統(tǒng)運(yùn)行控制系統(tǒng)、多饋入電源的主動(dòng)配電網(wǎng)保護(hù)方案、多端直流配電網(wǎng)保護(hù)控制的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了原理性闡述與介紹，相關(guān)研究成果將對(duì)未來(lái)智能配電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行提供更加靈活與可靠的保障能力。

［1］Huang A Q，Crow M L，Heydt G T，et al．The future renewable electric energy delivery and management system:the energy internet［J］．Proceedings of the IEEE，2011，99(1):133-148．

［2］Walling R A，Saint R，Dugan R C，et al．Summary of distributed resources impact on power delivery systems［J］．IEEE Transactions on Pow er Delivery，2008，23(3):1636-1644．

［3］王成山，李鵬．分布式發(fā)電、微網(wǎng)與智能配電網(wǎng)的發(fā)展與挑戰(zhàn)［J］．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34(2):10-14．Wang Chengshan，Li Peng．Development and challenges of distributed generation，the micro-grid and smart distribution system［J］．Automation of Electric Power Systems，2010，34(2):10-14．

［4］趙波，王財(cái)勝，周金輝，等．主動(dòng)配電網(wǎng)現(xiàn)狀與未來(lái)發(fā)展［J］．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2014，38(15):125-135．Zhao Bo，Wang Caisheng，Zhou Jinhui，et al．Present and future development trend of active distribution network［J］．Automation of Electric Pow er Systems，2014，38(18):125-135．

［5］范明天，張祖平，蘇傲雪，等．主動(dòng)配電系統(tǒng)可行技術(shù)的研究［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，36(22):12-18．Fan Mingtian，Zhang Zuping，Su Aoxue，et al．Enabling technologies for active distribution systems［J］．Proceedings of the CSEE，2013，36(22):12-18．

［6］Haj-ahmed M A，Illindala M S．The influence of inverter-based DGs and their controllers on distribution network protection［J］．IEEE Transactions on Industry Applications，2014，50(4):2928-2937．

［7］Abdel-Khalik A，Elserougi A，Massoud A，et al．Fault current contribution of medium voltage inverter and doubly-fed induction machine-based flywheel energy storage system［J］．IEEE Transactions on Sustainable Energy，2013，4(1):58-67．

［8］Nimpitiwan N，Heydt G，Ayyanar R，et al．Fault currentcontribution from synchronous machine and inverter based distributed generators［J］．IEEE Transactions on Power Delivery，2007，22 (1):634-641．

［9］Ye Zhihong，Kolw alkar A，Zhang Yu，et al．Evaluation of antiislanding sehemes based on nondetection zone concept［J］．IEEE Transactions on Pow er Electronics，2004，19(5):1171-1176．

［10］Li Bin，Wang Jingpeng，Bao Hailong，etal．Islanding detection for microgrid based on frequency tracking using extended Kalman filter algorithm［J］．Journal of Applied Mathematics，2014．

［11］Zamani M A，Sidhu T S，Yazdani A．A protection strategy and microprocessor-based relay for low-voltage microgrids［J］．IEEE Transactions on Power Delivery，2011，26(3):1873-1883．

［12］宋強(qiáng)，趙彪，劉文華，等．智能直流配電網(wǎng)研究綜述［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(25):9-19．Song Qiang，Zhao Biao，Liu Wenhua，et al．An Overiew of research on smart DC distribution power netw ork［J］．Proceedings of the CSEE，2013，33(25):9-19．

［13］劉路輝，莊勁武，江壯賢，等．混合型直流真空斷路器觸頭技術(shù)［J］．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34(21):3504-3511． Liu Luhui，Zhuang Jinwu，Jiang Zhuangxian，et al．Present situation and prospect of qontacts of hybrid DC racunm circuit breakers［J］．Proceedings of the CSEE，2014，34(21): 3504-3511．

［14］Yang Jin，F(xiàn)letcher J E，O’Reilly J，etal．Short-circuitand ground fault analyses and location in VSC-Based dc network cables［J］．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2012，59(10): 3827-3837．

(編輯:張媛媛)

Design and Research on Protection and Control of Active Distribution Network

LI Bin，ZHANG Huiying，HE Jiawei
(Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education(Tianjin University)，Tianjin 300072，China)

Active distribution network(ADN)is the advanced technology stage of the smart distribution grid development，which takes the ability of combining and controlling a variety of distributed energy(distributed generation，energy storage，controllable load and demand response)．A brief introduction was given on the constitution of the active distribution network，and its own characteristics and the requirements to the protection and control system were discussed．The active distribution network protection and control system design was proposed．The key technologies of the system such as control technologies，the protection technologies based on the combination of point of common coupling protection and distributed network protection and the DC distributed network protection were specifically introduced．

active distribution network(ADN);micro-grid;protection;control

TM 77

A

1000-7229(2015)01-0091-06

10.3969/j．issn.1000-7229.2015.01.014

2014-10-25

2014-11-25

李斌(1976)，男，教授，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制;

張慧穎(1989)，女，碩士研究生，通信作者，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制;

何佳偉(1991)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹绷髋潆姳Ｗo(hù)控制。

國(guó)家優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51422703)。