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中压微网


多源接入的中压微网内部故障定位与隔离关键技术的研究
Study on key techniques for internal fault location and isolation in medium voltage Micro-grid with multi Distributed Generations

报告正文 (一)立项依据与研究内容(4

000-8000 字) : 1. 项目的立项依据 (研究意义、 国内外研究现状及发展动态分析, 需结合科学研究发展趋势来论述科学意义; 或结合国民经济和 社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。 附主要参考文献目录) ;
随着全球能源领域竞争的加剧, 基于新能源发电的分布式发电供能技术的研 究日益受到各国关注。迄今为止,分布式发电技术的潜力尚未得到充分发挥,其 原因不仅在于分布式发电本身的技术障碍, 还在于现有的电网技术不能完全适应 各种分布式发电的接入要求。 为使分布式发电得到充分利用,学术界提出了微型 电网(简称微网)的概念。 微网是指由分布式电源、储能装置、能量变换装置、相关负荷和监控、保护 等装置汇集而成的发配电系统, 是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系 统,既可以与大电网并网运行,也可以孤立运行。现有研究和实践表明,将分布 式发电供能系统以微网的形式接入大电网并网运行,与大电网互为支撑,是发挥 分布式发电供能系统效能的最有效方式。 目前微网的研究主要集中于微网内部运行机制, 集中在微网内频率电压的调 节和电力市场机制上, 对微网内及包含微网的配电网的保护与安全自动措施涉及 很少。另外,国内外对于微网的研究基本都是建立在低压微网的平台上。随着分 布式发电供能系统不断地渗入配电系统,微网的电压等级必然将大幅提高。为保 证微网经济、可靠、稳定地运行,开展中压微网内部故障定位与隔离等相关理论 与方法的研究就显得非常重要。 微网内部故障定位与隔离需要适用于并网运行和独立运行两种情况。 微网中 多个分布式电源及储能装置的接入,彻底改变了配电系统故障的特征,使故障后 电气量的变化变得十分复杂。 微网内部故障定位与隔离既要满足并网运行时传统 配电系统保护的要求, 又要满足独立运行时所面临的新要求,此时传统的保护原 理和故障检测方法可能导致无法快速、 准确地判断故障的位置或处置微网内部故 障。

从继电保护的角度来看, 当微网处于并网运行状态而其内部发生故障时,应 确保故障设备切除后微网系统继续安全稳定地并网运行; 当微网处于孤岛运行 状态时, 若微网内部出现故障, 应确保准确隔离故障点后仍能根据微网的拓扑和 电源以及负荷分布情况尽可能维持分布式电源继续工作。由此可见,仅通过采集 微网内部开关处的电气量及网络信息的传统配电网继电保护方法可能无法满足 要求。 因此需要寻求一种切实有效的方案来解决中压微网内部故障定位与隔离的 相关问题。 近年来,一种电力系统集成保护的概念被提出。集成保护的核心在于信息集 中、保护功能集成,通过各种传感设备,同时获取多处信息,在实现各独立保护 功能的基础上,促进了各保护功能之间的协调配合。对提高继电保护的整体性能 及保证电力系统稳定运行具有明显优势。伴随微机保护技术的发展,已逐步出现 一些带有集成性质的保护,如同杆并架双回线路保护、母线线路集成保护等;随 着通信技术的发展以及 IEC61850 标准协议的推出和新式传感设备的应用,集成 保护在微网内部故障的定位将有广阔的研究应用前景。 然而,目前没有为 IEC61850 标准协议特别定制的通讯技术,主流的应用层 服务模型映射并不是简单的一一对应,在通信技术本身实现 ACSI 规定功能就非 常困难的前提下,再加上模型映射可能出现一对多的现象,更加大了 IEC61850 在微网中应用的困难。因此,有必要针对将 IEC61850 标准应用于中压微网的技 术体系开展一系列的研究,实现主站对终端以及终端之间的自动识别及信息交 互, 并在此基础上通过标准化的配电终端实现微网内部故障的精确定位、快速隔 离和自动恢复等功能, 加快故障处理速度并避免越级跳闸,提供故障处理的时效 性和供电可靠性。 总之,本课题的研究旨在提出了一种基于新型继电保护技术及 IEC61850 标 准在微网中的应用, 在智能电网平台下实现中压微电网内部故障定位与隔离技术 的理论与方法,为解决中压微网内部故障定位与隔离提供理论依据和技术支持。
主要参考文献:
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2. 项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键科学问题(此部分 为重点阐述内容) ;
2.1 研究内容: (1) 根据不同的分布式电源的特点,研究中压微电网分别在并网运行和孤 岛运行发生内部故障时,不同电气量的差异 中压微网内的分布式电源种类通常具有多样性, 既有接入中压电网的兆瓦级 电源, 也有直接接入低压电网的小容量电源,中压微网内也有可能包含若干个低 压微网。 因此, 探讨中压微电网分别在并网运行和孤岛运行发生内部故障时不同 支路或节点的电气量变化是必要的。特别是通过类比的方法针对不同类型、不同 容量、 不同电气距离的微网内分布式发电的故障特性开展详细的分析,寻找微网 内部各种故障条件下不同电气量之间的差异,可以显著缩小故障搜寻范围,降低 运算处理维度,为不同层次的集成保护实现快速、灵敏、可靠的故障定位及隔离 提供依据。 (2)研究集成保护在微网内部故障定位与隔离中的应用 集成保护的实质是将若干个断路器处的保护信息集成于一个计算机系统中, 形成可靠、灵活、多样互补的集中式保护系统,是一种保护控制一体化装置,适 合应用于微网内部故障的定位与隔离。因此,需要研究如何利用电网络理论相关 知识,并结合微网内电网络结构、公共连接点的位置以及电源点分布,确定在微 网内出现故障时, 不同层次的集成保护保护范围的划分原则,研究不同层次的集 成保护用于故障定位与隔离的相关判据, 并对不同层次集成保护所需信息量的处 理及与其相适应的网络通讯模式加以研究。 (3)研究 IEC61850 标准在中压微网中的应用 目前, 大部分微网内部设备缺乏统一的数据模型及完善的共维共享机制,设 备间因无实例模型,无法相互通讯。IEC61850 标准在微网的应用研究是适应微 网内部故障定位与隔离的要求。 研究探讨简化 IED 即插即用的实现模式,从而减 少微网设备间相互通信的难度, 避免一个数据模型被多设备反复读写造成的通信 资源浪费。研究 IEC61850 协议的 SCL 模型与 IEC61970/IEC61968 的 CIM 模型转 换,以适应未来微网协议的发展和融合。研究支持 IEC61850 云存储设备的实现 手段, 分析 IED 入网或者发生改动之后主动或通过云存储设备被动向云空间传输

的自描述文件,并对融入 hadoop 等云计算处理构架所实现的智能模型进行分析 处理。研究探讨基于 IEC61850 的适用于集成保护的不同应用层映射方式及通讯 应用服务, 采取不同的映射方式结合,或者改良其中的一些映射方式使得微网设 备与主站或设备间实现更加有效的传输和响应。 (4)研究开关终端功能的实现 从中压配电网的复杂性可知,微网内配置双重化的集成保护是不现实的。因 此, 项目除了要将研究开关终端与集成保护之间信息交换的模式与内容作为主要 的工作之一外, 还必须开展开关终端之间信息交换的研究工作,目的是以不同的 方式实现冗余。开关终端是实现中压微电网内部故障定位与隔离关键器件,具备 以下主要功能:采集开关状态,并可向集成保护或相邻终端发送状态量(状态变 位优先传送) ;采集并处理电流、电压值,同时向集成保护装置传送;应具备接 收时钟同步信号功能;能够经过通信或者就地控制,完成开关的分、合闸及分合 闸闭锁操作; 配置过流保护等功能。 按照其功能, 开关终端主要由信号采集模块、 测控模块、通信模块、管理模块等组成。开发对 IEC61850 标准支持并内嵌报文 映射接口的终端装置也是本项目主要的工作之一。 2.2 研究目标 本项目的研究目标是:结合目前已有的数字化变电站的理论与技术基础,提 出了一种基于继电保护技术、IEC61850 通信标准的,在智能电网平台下实现中 压微电网内部故障定位与隔离的技术方法, 为解决中压微电网内部故障定位与隔 离提供理论依据和技术支持。 2.3 拟解决的关键问题 (1)实现中压微网集成保护故障定位的判据及相应的算法 中压微网既可能通过一条中压线路构成亦可能通过变(配)电站中压母线构 成, 因此要解决中压微网范围内的故障定位及隔离仅用一套集成保护未必是合理 的。 采用区域子集构成保护组网方式实现微网故障定位及隔离是本项目重点研究 的内容之一。如何利用电网络理论相关知识,并结合微网内电网络结构、公共连 接点的位置以及电源点分布, 确定在微网内出现故障时不同层次的集成保护保护 范围的划分以及相互之间的关系,才是解决问题的关键所在。而不同层次的集成 保护如何根据自身的特征确定各自的判据并采用相应的算法, 则是关系到项目成 败的关键。 (2)开关终端之间、开关终端与集成保护之间信息交互的模式及其实现

受并网与孤岛运行方式的影响,在故障情况下电源容量以及微电网控制方式 是不同的,很难按照传统的依靠本地少量的电网信息实现内部故障定位与隔离。 研究主站对终端以及终端之间的自动识别及信息交互技术, 利用局部信息或微网 整体信息实现内部故障隔离则是关键所在。 随着配网领域智能电网建设工作的开 始,中压系统变(配)电站与配电点之间实现光纤通讯并非遥不可及。研究如何 采用IEC61850标准实现开关终端与集成保护之间的通讯将是要解决的关键问题 之一。同样,研究无线通讯方式来实现相邻开关终端之间的信息交换模式,并进 一步研究如何利用这些信息作为开关终端定位并隔离故障点的依据, 为以不同的 方式实现故障隔离的冗余提供保证。 (3)IEC61850 标准在中压微网中的应用 目前由于没有为IEC61850标准特别定制的通讯技术,而主流的应用层服务模 型映射并不是简单的一一对应, 在通信技术本身实现ACSI规定功能就非常的困难 的前提下, 再加上模型映射可能出现一对多的现象, 更是导致IEC61850标准在微 网中难以实现的根源所在。 如何更加有效的利用EC61850映射方式,实现IED即插 即用,减少设备互相通信的难度,则是微网内部故障定位与隔离的关键问题。 (4)开关终端功能的实现。 (去掉) 采用集成保护理念来实现中压微电网内部故障检测与隔离, 开关终端在此扮 演了重要的角色, 开关终端必须具备其特定的功能,如何理解和实现这些功能不 仅仅是开关终端设计成败的关键亦是中压微电网内部故障隔离的关键所在。

3.拟采取的研究方案及可行性分析
3.1 拟采取的研究方案 本着由简到繁的原则, 首先以通过一条中压线路构成的微网为范例展开研究。 本项目涉及新能源与分布式发电、电力系统继电保护、电力系统通讯和配电自动 化等多项技术,根据目前国内外微网研究现状,本项目不仅进行了理论研究,在 实现方法上也要加以探索。 根据微网的拓扑结构,应用图论、电网络理论相关知识结合微网内电网络结 构、 公共连接点的位置以及电源点分布,探讨将复杂的中压微电网划分为若干个 相对独立的区域, 在此基础上开展微网内出现故障时不同层次的集成保护保护范 围划分原则的研究以及相关判据的研究, 重点要解决不同层次的集成保护协调问 题, 确保保护范围无死区。 还要开展微网内出现故障时如何确认微网处于哪种运 行方式的研究, 以及与之对应的开关动作逻辑的研究。在中压微网分层次分区的 基础上, 利用集成保护获取故障分区内所有开关终端故障信息的特征值,利用小

波分解, 分别提取故障后的暂态信号和稳态信号,针对不同层次集成保护开展相 关算法的研究。 对 IEC61850 标准在微网故障定位及隔离中的应用开发,分别从以下四个部 分着手:首先完成对 IED 设备的数据建模,按照规约规定的层次关系,确定微网 内各部分的自描述模型;然后实现 ACSI 中各种与各设备规定服务功能,完成初 步的设备功能实现; 接着进行服务映射方式的研究, 吸取不同映射方式的优缺点, 采取不同的映射方式结合, 或者改良其中的一些映射方式使得配网设备之间可以 更为有效的传输和响应;最后 IED 若有 ACSI 没有规定或者实现的相关服务(如 即插即用功能实现等) ,按照协议拓展功能相关服务内容。 为了保证在网络通讯出现问题时不失去保护,要研究采用无线方式实现开关 终端与开关终端之间信息交换, 从中寻求以不同的方式实现冗余。同样为了保护 的可靠性, 要利用电力系统继电保护相关知识研究开关终端的就地保护整定时限 配合的相关问题。 开关终端在微网内部故障定位与隔离中起重要作用。 其不应仅仅完成电气量 检测、上传的功能,还需要具有一定的数据分析处理、交互的故障诊断定位及信 息量协调处理功能。为此,可采用多处理器搭配工作方式,由 DSP 核和 ARM 核共 同完成上述功能。 其中前者主要集中于数据的处理、算法的实现及故障定位与隔 离的功能,而后者则实现 IEC61850 规约相应的服务、加强人机交互等功能。此 外,开关终端内嵌基于 IEC61850 自描述模型,同时通过服务转换支持微网内其 他设备有序的互操作以及信息读取。依据 IEC61850 完成其相关服务内容服务, 并在此基础上嵌入报文映射接口,如 MMS 等,支持 CIM 模型。 拟采取系统仿真的方法对中压微电网分别在并网运行和孤岛运行发生内部故 障时,研究不同区域、不同支路短路电流及节点电压的变化情况,为保护范围的 划分和保护判据的提出提供依据。 拟采取物理实验的方法对基于 IEC61850 标准的集成保护与开关终端以及开 关终端之间的通信功能、微网内部故障的定位与隔离以及开关终端功能加以验 证。 3.2 技术路线 首先通过广泛地调研进一步加深对微网的发展和相关关键技术现状的认识, 将关注的重点放在微网内部故障定位与隔离实现的方式方法上面。然后,依据本 项目申请书从集成保护的原理与实现、 互联网通讯技术及IEC61850在集成保护中 的应用、无线通讯技术、智能开关终端技术等方面展开理论研究。在确定技术方 案之后, 开展集成保护、IEC61850在微网中的应用及开关终端硬件实现方案的研

究。在经过反复论证的基础上,开发制作2-3套不同的硬件装置,并编制相应的 软件。 在整个研究过程中, 将通过仿真以及不同方式的物理模型实验对阶段性成 果进行验证, 经理论→实验→理论→实验多次反复来完善研究内容,从而获得有 实际价值的相关理论和关键技术。 3.3 实验手段 我校已建成的可再生能源分布式发电实验平台含有光伏发电及并网系统、模 拟风力发电及并网系统、 模拟同步发电机组和无穷大电源等多电源系统,将它们 与多组不同的负荷相结合可以组合成多种微网形式, 该平台还具有完善的数据通 讯接口,基于全球定位系统技术的动态测量和在线监测装置以及能量管理系统 等,这为实验验证中压微网内部故障隔离的判据提供了极大地便利。 项目负责人和上市公司“科大智能”有良好的合作关系,本项目组可以利用 “科大智能” 公司在合肥市基地的实验平台展开基于IEC61850标准的通讯和开 关终端的实验验证。 学校近年来购置的仪器设备能够基本满足本项目研发实验方面的需求。 3.4 关键技术 本项目的关键技术体现在: (1)研究微网在并网运行时和孤岛运行时的内部故障定位与隔离的统一; (2)研究 IEC61850 标准应用于微网的模型映射、设备间的信息交互技术; (3)解决就地故障信息处理与远方故障信息处理之间的统一。

4.本项目的特色与创新之处;
(1)将集成保护的理念应用于解决中压微电网内部故障定位隔离问题上; (2)将网络通讯和无线通讯技术协调地应用于解决中压微电网内部故障隔 离问题上; (3)建立基于 IEC61850 标准的微网自动化数据模型; (4)开关终端既可以接受集成保护指令亦可以根据就地故障信息控制断路 器的投切。


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