含分布式電源配電網(wǎng)故障時空特征及保護新原理研究項目摘要

近年來，可再生能源分布式發(fā)電技術在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應用。但是，隨著分布式電源(DG)大量接入配電網(wǎng)，傳統(tǒng)的以單電源輻射狀為主要特征的配電系統(tǒng)將變成一個具有分散多電源非線性耦合的復雜電力系統(tǒng)，基于傳統(tǒng)配電網(wǎng)故障特征的繼電保護原理在DG大量接入的新環(huán)境下顯然已不再適用。為此，本項目擬在建立不同控制策略DG非線性模型的基礎上，建立含不同控制策略DG配電網(wǎng)的時空關聯(lián)分析模型，基于時空多尺度分析方法，揭示其不同尺度下的時空關聯(lián)故障特征,提出實用的故障分析方法；基于自適應理論和系統(tǒng)控制理論，提出適應于DG靈活接入的配電網(wǎng)全線速動自適應縱聯(lián)保護、自適應距離保護和自適應區(qū)域保護新原理和配置方案，利用自主研發(fā)的保護控制平臺和實時數(shù)字仿真系統(tǒng)（RTDS）實現(xiàn)保護新原理的閉環(huán)測試。上述研究將突破現(xiàn)有含DG配電網(wǎng)的故障分析與繼電保護的局限性，為含DG配電網(wǎng)繼電保護技術的發(fā)展和工程應用奠定重要的理論基礎。

隨著分布式電源(DG)的大量接入，以單電源輻射狀為主要特征的傳統(tǒng)配電系統(tǒng)變成了一個具有分散多電源非線性耦合的復雜電力系統(tǒng)。基于傳統(tǒng)配電網(wǎng)故障特征的繼電保護原理在DG大量接入的新環(huán)境下顯然已不再適用。因此，本項目圍繞含分布式電源配電網(wǎng)的故障等值建模、故障分析方法、保護原理以及保護方案涉及的IEC61850網(wǎng)絡安全性等科學技術問題，開展了廣泛系統(tǒng)的探索性研究工作，主要貢獻如下： 1、建立了v/f控制和PQ控制策略的逆變型分布式電源（IIDG）多時間尺度故障等值模型；提出了計及IIDG控制策略的配電網(wǎng)相間故障分析方法、接地故障分析方法以及微電網(wǎng)在孤島運行方式下的故障分析方法；提出了IIDG輸出電流實時估算方法。所提故障分析方法適用于含不同控制策略IIDG配電網(wǎng)的故障分析計算和在線故障電流估算，具有計算精度高和計算速度快等特點，具有工程實用價值。 2、提出了含DGs配電網(wǎng)自適應電流保護原理、自適應零序電流保護原理、虛擬多端電流差動保護原理、基于正序電壓差的縱聯(lián)保護原理以及基于負序電流的縱聯(lián)保護原理；提出了含多T接逆變型分布式電源配電網(wǎng)的故障定位方法。所提保護原理能夠適應于不同控制策略多DG靈活接入的配電網(wǎng)，形成了具有全線速動能力的主保護和基于電流/零序電流的后備保護等功能的一套完整的保護方案。基于自主研發(fā)的保護測試系統(tǒng)軟硬件平臺和電力系統(tǒng)實時仿真系統(tǒng)（RTDS），對所提保護方案的性能指標進行了閉環(huán)測試，表明了研究成果具有很好的工程應用前景。 3、建立了適用于所提保護新原理的遠動通信IEC61850模型；提出了基于HMAC的GOOSE報文改進認證方法、高效的GOOSE報文完整性認證方法、基于域含義的GOOSE報文加解密方法以及IEC61850密鑰管理方法。測試結(jié)果表明，所提認證方法和加解密方法等計算速度快，適用于所提依賴于網(wǎng)絡通信的保護方案。

決定并網(wǎng)保護的功能與性能要求的因素，首先是并網(wǎng)標準。所以，與并網(wǎng)保護相關的研究課題，首先來自于并網(wǎng)標準，其次才是保護原理的研究 。

分布式電源并網(wǎng)保護與并網(wǎng)標準相關的研究課題

由于IEEE1547標準制定時分布式電源滲透率較低，因此不鼓勵分布式電源參與電網(wǎng)的頻率和電壓調(diào)節(jié)。而隨著可再生能源的快速發(fā)展，分布式電源在配電網(wǎng)中的作用正從被動轉(zhuǎn)向主動，即從電網(wǎng)故障后被要求迅速退出運行，逐漸變?yōu)橄螂娋W(wǎng)提供輔助服務和動態(tài)支撐能力。反映在近幾年的并網(wǎng)標準的變化上，值得特別關注的問題主要是低壓穿越和計劃孤島。

1)兼顧系統(tǒng)和保護需要的低電壓穿越策略。

目前各國的并網(wǎng)標準中制定了各種各樣的LVRT曲線。LVRT曲線中的關鍵參數(shù)為電壓閾值。從對電網(wǎng)的動態(tài)無功支撐角度，該電壓閾值設置越低，分布式電源對系統(tǒng)的支撐作用越強。但從對配電網(wǎng)保護的影響角度，該電壓閾值的影響是非單調(diào)的。一般而言，加快故障饋線上并網(wǎng)保護的動作速度，減少對該饋線保護的“屏蔽效應”，有利于提高配電網(wǎng)保護的靈敏性。但是，如果進一步提高該電壓閾值，會使得健全饋線上接入的分布式電源快速脫網(wǎng)，流過故障饋線的短路電流反而由大變小。所以，如何根據(jù)不同配電網(wǎng)的實際情況，兼顧系統(tǒng)和保護兩方面的需求來優(yōu)化LVRT曲線，是一個重要的研究課題。

2)適應計劃孤島的自適應保護與控制策略。

雖然現(xiàn)有標準都不允許分布式電源孤島運行，但隨著分布式電源容量的增加和微電網(wǎng)技術的發(fā)展，為了有效利用分布式電源的電源支撐作用，提高供電可靠性，很多國家開始重視對計劃孤島的研究。IEEE 1547.4中將計劃孤島稱為分布式電源孤島系統(tǒng)，即微電網(wǎng)，其對分布式電源孤島運行模式的設計、運行方面做出了較詳細的規(guī)定。

當允許計劃孤島時，分布式電源自身的防孤島保護可能會破壞孤島系統(tǒng)的穩(wěn)定運行(尤其是孤島剛形成時)。對此，一種可行的解決方案是，當并網(wǎng)保護檢測到孤島，并判斷當前微電網(wǎng)具備孤島運行條件時，立刻閉鎖分布式電源自身的防孤島保護。另外，當發(fā)生聯(lián)網(wǎng)/孤島運行方式切換時，某些分布式電源單元需要迅速切換控制模式；同時，由于在孤島和聯(lián)網(wǎng)條件下，微電網(wǎng)內(nèi)短路電流水平變化很大，保護定值也需做自適應調(diào)整。此時，并網(wǎng)保護的孤島檢測功能可以為上述控制模式和保護整定值的自適應切換提供信號。由以上分析可見，并網(wǎng)保護作為一種接口保護，不但具備故障保護功能，還可以在保證分布式電源孤島系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行中發(fā)揮重要作用。

分布式電源并網(wǎng)保護與保護原理相關的研究課題

（1）并網(wǎng)保護實現(xiàn)中的突出問題

目前，并網(wǎng)保護基于常規(guī)保護原理實現(xiàn)，在應用中存在如下突出問題。

1)故障檢測問題。分布式電源的大規(guī)模接入和變流器型分布式電源容量的不斷增加，使得配電網(wǎng)的故障特征發(fā)生了很大變化，主要表現(xiàn)在：a)故障電流較小。例如變流器型分布式電源所提供的故障電流一般不超過1.5倍額定電流；b)在故障期間，變流器型分布式電源呈現(xiàn)電流源特征，與傳統(tǒng)同步發(fā)電機的電壓源特征相差很大；c)故障特征還與變流器的控制策略(如是否考慮負序電流控制)存在很大關聯(lián)。以上這些，使得在并網(wǎng)保護的故障檢測方法中，不能完全復制基于同步電機理論得到的故障特征。

2)孤島檢測問題。雖然已經(jīng)提出了被動檢測、主動檢測和聯(lián)跳等方案，但目前還不存在獲得廣泛認可的方案。無源和無通道是繼電保護追求的重要目標，因為這可以將保護的問題限制在保護裝置自身。從這個意義上，被動孤島檢測原理應持續(xù)受到重視。但當功率不平衡度較低時，現(xiàn)有被動孤島檢測存在較大的檢測盲區(qū)，這函需得到改進。

3)整定計算問題。并網(wǎng)保護屬于多功能保護，實現(xiàn)中需要用到較多的保護元件。復雜的保護配置不但提高了裝置的成本，而且增大了整定計算的工作量。更為困難的是，由于分布式電源出力的隨機性和波動性，以及分布式電源類型、容量、并網(wǎng)變壓器接線方式、功率不平衡度以及配電網(wǎng)保護的配置等諸多因素都會影響到孤島檢測和故障判別，使得這些保護元件的定值難以整定。

分布式電源并網(wǎng)保護基于機器學習的智能并網(wǎng)保護方案

常規(guī)保護元件僅利用一、二個特征進行決策，從機器學習角度，可將其視為最為簡單的線性分類器(如電流、電壓、頻率繼電器)或非線性分類器(如距離繼電器)。但這種基于少特征的保護原理難以應對并網(wǎng)保護的上述問題。

近年來，研究者越來越重視機器學習在保護領域的應用價值。與常規(guī)保護原理相比，基于機器學習的智能保護方案具有如下優(yōu)勢：}突破了常規(guī)保護中單一繼電器的概念，能夠組合多個特征進行模式識別；能夠從大量特征中優(yōu)選出最為有效的關鍵特征組合；能夠從訓練樣本中自動找出最優(yōu)定值。以上特點有助于同時改善保護的安全性與可信賴性，同時減輕了需要對常規(guī)保護中大量元件進行整定計算的壓力。

在完成特征選擇后，需要選擇合適的分類算法。智能保護中常用的機器學習方法包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡、決策樹和支持向量機等。但每種分類算法都存在歸納偏置現(xiàn)象，使得單一分類器存在精度和適應性瓶頸。

第1章 計算機繼電保護綜述

1.1 繼電保護的發(fā)展概況

1.2 微機斷電保護裝置的基本構成

1.3 微機保護的常用算法

1.4 微機繼電保護硬件系統(tǒng)的發(fā)展趨勢

1.5 微機繼電保護裝置的電磁兼容問題

第2章 電網(wǎng)保護及自動裝置整定計算的探討

2.1 通用整定原則

2.2 200KV及以上電壓系統(tǒng)繼電保護整定的特殊問題

第3章 微機保護的新原理和新技術

3.1 微機繼電保護原理和技術的新進展

3.2 自適應控制原理在微機保護中的應用

3.3 智能控制理論在微機保護中的應用

3.4 現(xiàn)代數(shù)字信息處理技術在微機保護中的應用

3.5 基于新原理、新技術的微機保護裝置舉例

第4章 變電站監(jiān)控系統(tǒng)概述

4.1 引言

4.2 變電站自動化系統(tǒng)典型結(jié)構、特點及其設計

4.3 變電站自動化系統(tǒng)的基本功能和配置方式

4.4 變電站自動化系統(tǒng)的通信結(jié)構

4.5 變電站自動化技術的現(xiàn)狀及發(fā)展方向

第5章 監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構與功能分析

5.1 監(jiān)控系統(tǒng)的設計目標與要求

5.2 監(jiān)控主站的功能模塊設計

5.3 實用多任務的管理

5.4 實時數(shù)據(jù)庫的設計與應用

5.5 現(xiàn)場總線網(wǎng)絡的特點

5.6 通信方式和通信規(guī)約

第6章 變電站的微機控制裝

6.1 微機電壓無功功率綜合控制

6.2 變電站中性點接地方式綜術

6.3 小電流接地選線的原理研究

6.4 電能質(zhì)量檢測的原理算法和裝置實現(xiàn)

6.5 備用電源自動投入裝置

第7章 廣域后備保護

7.1 概述

7.2 傳統(tǒng)后備保護的局限性

7.3 廣域后備保護簡介

參考文獻2100433B

分布式電源并網(wǎng)保護并網(wǎng)保護的定義

分布式電源并網(wǎng)保護定義為 ：安裝于公共耦合點處的繼電保護措施，能夠檢測到主電網(wǎng)側(cè)(系統(tǒng)側(cè))和分布式電源側(cè)發(fā)生的故障和其他各種異常情況，并及時將分布式電源與主電網(wǎng)隔離，避免危及主電網(wǎng)的正常運行或者損壞分布式電源裝置。并網(wǎng)保護包括防孤島保護、故障保護以及其他異常保護。

1)對于直接接入到110kV及以上輸電網(wǎng)絡中的分布式電源，其并網(wǎng)聯(lián)絡線已配置了完善的保護系統(tǒng)，不需要專門的并網(wǎng)保護。因此上述并網(wǎng)保護主要針對接入35kV及以下電壓等級的分布式電源。

2)并網(wǎng)保護既不同于分布式電源的發(fā)電機保護，也不同于配電網(wǎng)饋線保護，本質(zhì)上是一種接口保護。上述3類保護的關系可見圖1。

其中包括斷路器A-D，并網(wǎng)保護安裝于公共耦合點的電網(wǎng)側(cè)，一般在并網(wǎng)變壓器的高壓側(cè)。

當分布式電源單獨接入系統(tǒng)時，并網(wǎng)保護功能可與分布式電源的發(fā)電機保護功能集成在同一套保護裝置中。隨著并網(wǎng)容量的增加，分布式電源通常以集群或微電網(wǎng)的方式接入配電網(wǎng)，且常包含嵌入負荷，此時則要求在公共耦合點處配置獨立的并網(wǎng)保護。這樣，電網(wǎng)公司可以無需關注分布式電源自身的保護配置，只對并網(wǎng)保護提出要求，從而簡化保護配合，適應今后大量分布式電源在多種層級的接入要求。

3)在標準IEEE 1547中，從反映系統(tǒng)側(cè)故障、防孤島以及電能質(zhì)量等3個方面，給出了并網(wǎng)保護的核心功能要求。顯然上述要求都是站在電網(wǎng)的角度考慮并網(wǎng)保護的功能。而在標準IEEE 1547中，則要求并網(wǎng)保護在反映系統(tǒng)側(cè)故障的同時，還能兼顧分布式電源側(cè)故障。在實踐中，為分布式電源單元配置哪些保護功能主要由IPP根據(jù)自身要求決定，故并網(wǎng)保護依舊應以反映系統(tǒng)側(cè)擾動為主。

分布式電源并網(wǎng)保護并網(wǎng)保護的功能

（1）故障保護

配電網(wǎng)發(fā)生故障時，分布式電源持續(xù)向故障點提供短路電流，這會給配電網(wǎng)一次設備、保護和重合閘帶來諸多不利影響 。

首先，分布式電源的接入改變了配電網(wǎng)的短路電流幅值和分布特征。兩個典型的影響是，如果分布式電源的公共耦合點位于饋線保護與故障點之間，那么該分布式電源的“屏蔽效應”會使流過饋線保護的短路電流變小，從而可能導致饋線保護拒動;而如果分布式電源的公共耦合點位于非故障饋線，則可能導致該饋線保護誤動。為了減少對配電網(wǎng)保護的影響，要求并網(wǎng)保護在配電網(wǎng)發(fā)生故障時能夠快速動作以切除分布式電源。

其次，架空線路故障主要為瞬時性故障，提高重合閘的成功率能夠顯著提高供電可靠性。但是，當配電網(wǎng)故障時，分布式電源的持續(xù)供電會使變電站或饋線重合閘的檢無壓重合失??；即使?jié)M足檢無壓重合條件，分布式電源持續(xù)提供的短路電流還會阻礙故障點滅弧而導致重合失敗，使瞬時故障變?yōu)橛谰霉收?；即使能夠重合，但由于分布式電源已與主電網(wǎng)失去同步，非同期合閘也會對斷路器、分布式電源以及負荷帶來很大沖擊。所以，并網(wǎng)保護必需在饋線重合閘動作之前及時退出分布式電源，一旦配合失敗則會導致嚴重后果。

除以上影響外，分布式電源的接入還會導致配電網(wǎng)設備損壞并產(chǎn)生過電壓，提供的故障電流會使饋線熔斷器過早熔斷。

（2）防孤島保護

當分布式電源與公共電網(wǎng)失去電氣連接時，出于系統(tǒng)運行、人員設備安全以及電能質(zhì)量等考慮，目前世界各國的并網(wǎng)標準都要求分布式電源立即退出運行。導致孤島的原因有2類：一類因故障跳閘；另一類因非故障開關操作，包含人為誤操作。

這里需要說明公共耦合點處的防孤島保護與分布式電源自身防孤島保護的關系。不同類型的分布式電源，其防孤島保護的配置要求有所不同。對于變流器型分布式電源，標準明確規(guī)定其控制器中需具備孤島檢測能力；對于不具有自勵磁能力的感應電機型分布式電源，其不具備孤島運行能力；而同步電機型分布式電源本身已配置有電壓/頻率保護，當孤島內(nèi)有功、無功不能平衡時，機組會自動退出運行。因此同步電機和感應電機型分布式電源不要求設置防孤島保護。

這樣看來，似乎僅需為變流器型分布式電源配置防孤島保護。但是，電網(wǎng)運行人員仍希望在公共耦合點配置專門的防孤島保護。這是因為，在同一PCC下面可能包含多個類型的分布式電源單元，分別采用了不同的孤島檢測方法。例如，變流器型分布式電源多采用主動式孤島檢測，但是此方法在多變流器并網(wǎng)條件下，注入電網(wǎng)的擾動可能互相干擾而產(chǎn)生稀釋效應，使得檢測性能明顯下降;對于同步電機型分布式電源，在其出力和本地負荷基本匹配時，其自身的電壓/頻率保護有較大的檢測盲區(qū)。由于存在這些問題，在實踐中應評估分布式電源單元自身孤島檢測機制失效的概率和風險。在公共耦合點配置專門的防孤島保護，有利于提供更為完善的防孤島保護方案并方便校核，減少因分布式電源自身防孤島保護失效所帶來的安全隱患。

（3）其他功能

1)檢同期。當配電網(wǎng)故障切除、饋線重新供電后，分布式電源可以重新并入電網(wǎng)。但非同期重合會給電網(wǎng)設備和分布式電源造成很大的沖擊，因此并網(wǎng)保護必須配置檢同期繼電器，以確保線路不帶電。在允許計劃性孤島的情況下，分布式電源的重合情況有如下2種，否則只有第2種重合情況。

a)分布式電源與本地負荷功率匹配。當配電網(wǎng)F處發(fā)生故障時，饋線保護A動作切除系統(tǒng)電源，并網(wǎng)保護動作跳開斷路器B，分布式電源與本地負荷形成孤島。故障消除后，系統(tǒng)側(cè)A處重合閘先檢無壓重合。如果A重合成功，則并網(wǎng)保護進行同期并列，恢復聯(lián)網(wǎng)運行；否則，并網(wǎng)保護不響應。

b)分布式電源與本地負荷功率不匹配。F故障且饋線保護A動作后，并網(wǎng)保護動作跳開C、D，退出分布式電源，饋線重新供電后，并網(wǎng)保護通過分布式電源出口處的同期檢定即可并入分布式電源。

2)不平衡狀態(tài)檢測。當配電網(wǎng)中發(fā)生不對稱故障時，負序電流可能損壞同步電機型分布式電源，為此并網(wǎng)保護應配備負序過電流保護。

3)逆功率檢測。一些并網(wǎng)協(xié)議不允許分布式電源向主網(wǎng)負荷供電，此時并網(wǎng)保護中需要配置功率方向元件，檢測公共耦合點處的反向潮流。

分布式電源并網(wǎng)保護并網(wǎng)保護的基本配置

并網(wǎng)保護的配置需要考慮分布式電源類型、配電網(wǎng)接地方式、并網(wǎng)規(guī)程等多種因素。圖2給出了小電流接地配電網(wǎng)中，同步電機型分布式電源的一種并網(wǎng)保護配置方案。

并網(wǎng)保護的相間故障檢測可以采用過電流保護、低電壓起動的過電流保護或者阻抗保護實現(xiàn)。而接地故障的檢測與配電網(wǎng)接地方式有關標準中明確規(guī)定分布式電源的接地方式應和電網(wǎng)側(cè)的接地方式保持一致。當配電網(wǎng)為大電流接地方式時，分布式電源不僅會通過故障相提供接地短路電流，還可能存在通過非故障相交換的故障電流，可采用定時限接地過電流保護和方向過電流保護進行故障檢測；而在小電流接地方式配電網(wǎng)中，分布式電源不會產(chǎn)生接地故障的饋入電流，此時應配置接地過電壓保護。

目前已提出的孤島檢測方法按照信號來源、是否有主動激勵可分為被動檢測法、主動檢測法和聯(lián)跳。聯(lián)跳方案可以最大程度消除孤島檢測盲區(qū)并提高檢測速度。但是，由于并非配電網(wǎng)中所有的保護動作或開關變位都會導致孤島，所以該方案需進行實時拓撲分析，并在并網(wǎng)保護與斷路器之間建立多對多的通信連接。如果考慮到配電網(wǎng)重構，聯(lián)跳的實現(xiàn)會變得更為復雜且不經(jīng)濟?？紤]到這些，被動檢測依然是重要的孤島檢測方案。該方案一般配置過/欠電壓保護和過/欠頻率保護，還可以配置頻率變化率保護、相位偏移保護。