智能電網(wǎng)建設(shè)下分布式發(fā)電繼電保護(hù)技術(shù)探析

陳愷

摘要：分布式發(fā)電具有低成本、低能耗、高效率的優(yōu)勢(shì)，在智能電網(wǎng)中應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)智能控制，降低發(fā)電成本，減少污染排放，符合節(jié)能減排的發(fā)展目標(biāo)。本文分析了分布式發(fā)電在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀和趨勢(shì)，提出了基于智能電網(wǎng)系統(tǒng)的分布式發(fā)電控制策略，經(jīng)技術(shù)測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)體系對(duì)提高電網(wǎng)運(yùn)行效率、促進(jìn)電力企業(yè)發(fā)展具有重要意義。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)?電網(wǎng)建設(shè)?分布式發(fā)電?繼電保護(hù)技術(shù)

中圖分類號(hào)：TM77

Analysis?of?the?Relay?Protection?Technology?of?Distributed?Generation?Under?the?Construction?of?Smart?Grids

CHEN?Kai

College?of?Automotive?Engineering，?Guangxi?Transport?Vocational?and?Technical?College，?Nanning，?Guangxi?Zhuang?Autonomous?Region，?530033?China

Abstract：?Distributed?generation?has?the?advantages?of?low?costs，?low?energy?consumption?and?high?efficiency，?and?its?application?in?smart?grids?can?achieve?intelligent?control，?reduce?power?generation?costs?and?reduce?pollution?emissions，?which?meets?the?development?goals?of?energy?conservation?and?emission?reduction.?This?article?analyzes?the?application?status?and?trends?of?distributed?generation?in?smart?grids，?and?proposes?control?strategies?for?distributed?generation?based?on?smart?grid?systems.?After?technical?testing，?it?is?found?that?this?technical?system?is?of?great?significance?in?improving?the?operation?efficiency?of?grids?and?promoting?the?development?of?power?enterprises.

Key?Words：?Smart?grid;?Grid?construction;?Distributed?generation;?Relay?protection?technology

智能電網(wǎng)是一個(gè)信息高度集成、資源高度共享的電網(wǎng)系統(tǒng)。在智能電網(wǎng)中，電力系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)將得到優(yōu)化，系統(tǒng)運(yùn)行效率會(huì)提高，并且能夠滿足用戶需求。近年來，隨著分布式發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性提出了更高的要求。然而，傳統(tǒng)電網(wǎng)無法滿足電力系統(tǒng)的發(fā)展要求。因此，必須根據(jù)智能電網(wǎng)建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)，采用有效的繼電保護(hù)技術(shù)來提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1分布式發(fā)電繼電保護(hù)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

目前，在電網(wǎng)的繼電保護(hù)工作中，繼電保護(hù)系統(tǒng)主要包括兩種形式：離線式保護(hù)系統(tǒng)和在線式保護(hù)系統(tǒng)。

離線保護(hù)系統(tǒng)主要是指系統(tǒng)的離線運(yùn)行，在這一系統(tǒng)中，不管是設(shè)置繼電保護(hù)裝置參數(shù)，又或是搜集一次性設(shè)備原件數(shù)據(jù)，都需要進(jìn)行人工的操作和錄入，或是提前按照系統(tǒng)中的設(shè)定格式來進(jìn)行數(shù)據(jù)導(dǎo)入。在給定電網(wǎng)運(yùn)行模式上，確定繼電保護(hù)裝置的動(dòng)作定值[1]。

在線系統(tǒng)模式主要指的是系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所有的運(yùn)行資料數(shù)據(jù)可以通過系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化獲取，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，隨后結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況設(shè)定保護(hù)定值，并對(duì)定值情況進(jìn)行隨時(shí)校核。在確定了設(shè)定時(shí)限之后，可以通過規(guī)定規(guī)約的方式實(shí)現(xiàn)和主站系統(tǒng)、端站的有效連接，并達(dá)成通信目標(biāo)，對(duì)定值進(jìn)行遠(yuǎn)程修改。

基于國(guó)內(nèi)外我國(guó)電網(wǎng)的繼電保護(hù)裝置發(fā)展趨勢(shì)來分析，繼電保護(hù)裝置系統(tǒng)已經(jīng)逐步實(shí)現(xiàn)了從離線系統(tǒng)向在線系統(tǒng)的升級(jí)。但是因?yàn)椴煌貐^(qū)電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)存在差異，繼電保護(hù)裝置設(shè)備型號(hào)有所不同，為此，實(shí)現(xiàn)在線繼電保護(hù)定值系統(tǒng)的推廣仍存在一定的發(fā)展空間。

現(xiàn)階段，我國(guó)的繼電保護(hù)裝置仍有很多地區(qū)在使用離線模式，例如Oracle數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)以及達(dá)夢(mèng)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。目前已有的繼電保護(hù)裝置系統(tǒng)，不管是功能還是效率都未達(dá)到理想目標(biāo)。而伴隨著我國(guó)電網(wǎng)到智能化建設(shè)，電網(wǎng)規(guī)模的全面擴(kuò)大，這類傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置系統(tǒng)不足日益凸顯。舉例來說，在目前系統(tǒng)使用過程中，電網(wǎng)圖形和模型都是通過系統(tǒng)本身具有的功能來進(jìn)行維護(hù)的，前期需要投入大量的資源，用于電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型的建設(shè)。與此同時(shí)，后期的更新和維護(hù)過程也十分艱難，保護(hù)裝置定值的修改工作仍然需要通過人工操作。個(gè)別具有遠(yuǎn)程調(diào)整定值功能的系統(tǒng)也在安全、運(yùn)行等眾多因素的影響下未能獲得廣泛推廣和使用。同時(shí)，如果通過人工操作，涉及大量的改參數(shù)環(huán)節(jié)，時(shí)間周期較久，很容易出現(xiàn)誤操作，短時(shí)間內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)運(yùn)行方式和運(yùn)行定值的脫節(jié)問題。綜合考量以上缺陷可能會(huì)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行帶來的負(fù)面影響和安全隱患，再加上近些年我國(guó)計(jì)算機(jī)技術(shù)全面發(fā)展，需要運(yùn)用學(xué)術(shù)領(lǐng)域的最新研究成果，設(shè)計(jì)出有著更好實(shí)用性、頁面更為簡(jiǎn)單、操作更為便捷、使用過程更為穩(wěn)定可靠的繼電保護(hù)系統(tǒng)，強(qiáng)化對(duì)新技術(shù)的合理使用，以滿足我國(guó)智能電網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展需求[2]。

2智能電網(wǎng)下分布式發(fā)電繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在智能電網(wǎng)繼電和發(fā)電保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)過程中，要求其本身具有一定的在線交互性功能，可以從不同的能量管理系統(tǒng)中獲取電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，明確電網(wǎng)元件模型情況，掌握拓?fù)浼軜?gòu)，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)化分析，將其作為后續(xù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整定及計(jì)算的參考依據(jù)。目前，在我國(guó)的智能電網(wǎng)建設(shè)過程中，EMS/SCADA?系統(tǒng)已經(jīng)獲得了廣泛使用，其技術(shù)水平也變得愈發(fā)成熟。與此同時(shí)，這一系統(tǒng)在從EMS數(shù)據(jù)接口獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)，其數(shù)據(jù)結(jié)果也較為精準(zhǔn)和可靠。通過這一系統(tǒng)的使用，可以進(jìn)一步減少模型錄入和維護(hù)工作總量，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的智能化建設(shè)。有關(guān)工作人員也可以從復(fù)雜的電網(wǎng)繪制工作中真正的解放出來，將其時(shí)間和精力放在繼電保護(hù)、定值配合、最優(yōu)化配置等重點(diǎn)問題上，優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行的安全可靠水平。

2.1?220kV母線保護(hù)

在調(diào)研和分析變電站220kV母線電氣線路主接線時(shí)，可采用雙母線接技術(shù)，按照直接采樣，直接跳閘，集中布置的新思路，通過對(duì)母線保護(hù)的研究與分析，掌握母線保護(hù)在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意的問題。

（1）母線保護(hù)可以完成差動(dòng)保護(hù)、故障保護(hù)、母聯(lián)死區(qū)保護(hù)、PT斷線判斷等功能。

（2）在雙母線接線的母線差動(dòng)保護(hù)裝置中，應(yīng)采用組合電壓閉鎖元件，使故障保護(hù)和母聯(lián)死區(qū)保護(hù)功能得到充分發(fā)揮。雙母線接線和PT母線斷開都會(huì)導(dǎo)致母線電壓的鎖定，另外，在故障后工作中，還應(yīng)有相關(guān)報(bào)警裝置，以便工作人員能夠快速地找到故障問題。

（3）在雙母線接線保護(hù)中，采用大差與小差元件，發(fā)揮各自作用。其中，大差元件用于母線區(qū)內(nèi)和區(qū)外故障的分析，小差元件則用于故障節(jié)點(diǎn)的選取。

（4）應(yīng)當(dāng)單獨(dú)設(shè)有多個(gè)故障保護(hù)裝置，各組線路及部件都能得到相應(yīng)的保護(hù)，母差保護(hù)與故障保護(hù)應(yīng)能各自單獨(dú)工作。

2.2元件保護(hù)及自動(dòng)裝置

在設(shè)置主保護(hù)裝置和220kV保護(hù)設(shè)備時(shí)，要做到獨(dú)立設(shè)計(jì)。在110kV母線的保護(hù)中，要采用測(cè)量與監(jiān)測(cè)集成設(shè)備，使其更好地發(fā)揮作用。在選用時(shí)，必須依據(jù)DL/T860規(guī)范，以保證其完整性。各設(shè)備間的閉鎖情況及跳閘情況的傳送，均需采用GOOSE報(bào)文形式，Q/GDW441-2010技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)適用于GOOSE報(bào)文信息的傳送。主變保護(hù)：220kV變壓器的容量保護(hù)應(yīng)當(dāng)采用雙重配置模式，另外還可以將其運(yùn)用到互感器合并裝置、開關(guān)智能終端等的配置中，采用直接取樣的方法。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)變壓器保護(hù)跳母線和分區(qū)開關(guān)等信息的傳送。

（1）在變壓器中，主要采用縱向差動(dòng)的方法，能較好地解決多條相路之間的短路問題[3]。

（2）在變壓器的高壓、中壓一側(cè)，配置組合電壓鎖定過流保護(hù)設(shè)備。另外，在變壓器的低壓一側(cè)，配置快速開斷和組合電壓閉鎖過流保護(hù)設(shè)備，能夠使主保護(hù)相間短路故障和對(duì)備用保護(hù)功能得到高效發(fā)揮。

（3）對(duì)變壓器的高、中、低壓部位采用零序電流保護(hù)。在保護(hù)裝置運(yùn)行中，采取兩個(gè)時(shí)間周期，即本側(cè)和對(duì)側(cè)的母聯(lián)分段，要求在第一個(gè)周期之內(nèi)進(jìn)行。將所有的斷路器都斷開，以第二周期為主。

（4）在變壓器的高、中、低壓中間點(diǎn)，采用零序和零序兩種保護(hù)裝置，可以在每一臺(tái)斷路器都跳閘時(shí)，產(chǎn)生延遲效應(yīng)[4]。

2.3一體化監(jiān)控系統(tǒng)

按照DL/T860規(guī)范，變電站綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)按照DL/T860規(guī)范要求，在建設(shè)時(shí)應(yīng)當(dāng)采取三級(jí)架構(gòu)，即三層結(jié)構(gòu)兩層網(wǎng)絡(luò)。站控、層間、隔層是三層結(jié)構(gòu)，站控層與流程層，是兩層網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)《智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)功能規(guī)范》和《中國(guó)銀行業(yè)監(jiān)督管理委員會(huì)關(guān)于國(guó)核財(cái)務(wù)有限公司新增業(yè)務(wù)范圍的批復(fù)》銀監(jiān)復(fù)[2013]185號(hào)的規(guī)定，全站應(yīng)當(dāng)分別設(shè)置兩臺(tái)主機(jī)和操作臺(tái)，綜合應(yīng)用服務(wù)器一臺(tái)，五臺(tái)數(shù)據(jù)通信終端設(shè)備，如正反向隔離設(shè)備，防火墻和打印機(jī)等設(shè)備，構(gòu)成全站監(jiān)視和管理中心，實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)視/調(diào)度中心的通訊，其修改單如表1所示。

為保證裝置的智能化，在一次裝置中采用智能終端與合并裝置[5]。一、二次裝置要實(shí)現(xiàn)高效互聯(lián)，必須引進(jìn)智能終端。利用GOOSE報(bào)文進(jìn)行一次裝置的遙控操作，是一種高效的方法。在將合并裝置與傳統(tǒng)互感器相連時(shí)，一般都是通過電纜將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字處理。

2.4算法設(shè)計(jì)

2.4.1電網(wǎng)不對(duì)稱故障條件DFIG數(shù)學(xué)模型

在雙饋系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子側(cè)采用電動(dòng)機(jī)慣例，定子側(cè)則使用發(fā)電機(jī)慣例。在正負(fù)（dq）+、逆（dq）-轉(zhuǎn)（dq）的同步轉(zhuǎn)動(dòng)座標(biāo)系中，電壓和磁鏈的計(jì)算公式：

（1）

（2）

式（1）、式（2）中，U是電壓、i是電流、R是電阻、L是電感、ψ是磁鏈。d與q代表了電氣量在d和q軸上的部分。下方符號(hào)s、r代表的是定子、轉(zhuǎn)子部分。Lm代表定子線圈和轉(zhuǎn)子線圈的自電感。ω1代表的是同步角速率。在正轉(zhuǎn)角dq座標(biāo)系中，ωri=-（ω1-ωr）代表轉(zhuǎn)子的角度頻率。下標(biāo)“+”為正負(fù)向部分，“?”為負(fù)向部分。P=d/dt代表了一個(gè)微分算子[5]。

2.4.2基于正、反轉(zhuǎn)同步速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中RSC的模型

由式（1）、式（2）可知，在正、反向同步轉(zhuǎn)動(dòng)座標(biāo)系下，轉(zhuǎn)子磁鏈的d、q軸成分可以被表達(dá)為：

3技術(shù)測(cè)試

測(cè)試是整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)和使用的關(guān)鍵步驟，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)軟件弱點(diǎn)，并在實(shí)際使用前對(duì)其進(jìn)行校正，從而提升系統(tǒng)的工作可靠性。然而，整個(gè)試驗(yàn)流程必須完備，在調(diào)試完畢以后，才能進(jìn)一步細(xì)化，使整個(gè)體系更加完美，滿足智能電網(wǎng)的使用需求。

3.1功能組件的檢驗(yàn)測(cè)試

這個(gè)系統(tǒng)根據(jù)下面的功能進(jìn)行了測(cè)試，表2中概述了測(cè)試的結(jié)果。

可以進(jìn)行單相和兩相接地短路、兩相短路和三相相間短路的運(yùn)算，并能準(zhǔn)確地將每一種短路電流的大小，分別輸入到系統(tǒng)中。通過本系統(tǒng)的計(jì)算，可以看到每個(gè)用戶的電量，也可以看到整個(gè)電網(wǎng)的電量

經(jīng)過對(duì)該智能電網(wǎng)中的繼電保護(hù)在線整定計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行了功能試驗(yàn)，結(jié)果表明該方法能夠達(dá)到預(yù)期效果。并對(duì)其進(jìn)行了建模和參數(shù)處理，使其達(dá)到了原設(shè)計(jì)目的。在完成繼電保護(hù)整定運(yùn)算之后，還可以實(shí)現(xiàn)遙控修正。該軟件具有良好的人機(jī)接口，便于使用者使用，為繼電保護(hù)整定工作發(fā)揮了一定的作用。

3.2系統(tǒng)壓力測(cè)試

如表3所示，通過對(duì)智能電網(wǎng)中的繼電保護(hù)在線整定計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行壓力試驗(yàn)，重點(diǎn)是對(duì)其對(duì)應(yīng)的速度體系的穩(wěn)定性和可靠性等各方面的壓力進(jìn)行了多項(xiàng)試驗(yàn)，并結(jié)合實(shí)例進(jìn)行了反復(fù)測(cè)試。其中，登錄服務(wù)端的事件響應(yīng)處理時(shí)間為6.9次/s，登錄壓力試驗(yàn)反應(yīng)時(shí)間為3.1次/s。

4結(jié)論

綜上所述，分布式發(fā)電是指在電網(wǎng)中以用戶為中心，按照特定的設(shè)計(jì)和要求，通過接入系統(tǒng)的方式將電能進(jìn)行優(yōu)化整合，最終滿足用戶用電需求的一種發(fā)電技術(shù)。分布式發(fā)電的廣泛應(yīng)用，將對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行帶來較大影響。尤其是在智能電網(wǎng)建設(shè)背景下，傳統(tǒng)的繼電保護(hù)技術(shù)已經(jīng)不能滿足實(shí)際需求，對(duì)分布式發(fā)電運(yùn)行質(zhì)量及效益產(chǎn)生嚴(yán)重影響。因此，應(yīng)當(dāng)加大對(duì)智能電網(wǎng)建設(shè)下分布式發(fā)電繼電保護(hù)技術(shù)的研究力度，有效提高繼電保護(hù)技術(shù)水平及工作效率，減少供電故障發(fā)生次數(shù)，提升供電安全性及可靠性，為用戶提供更加優(yōu)質(zhì)、安全、可靠的電力服務(wù)。本文通過對(duì)分布式發(fā)電技術(shù)的發(fā)展及其對(duì)智能電網(wǎng)建設(shè)的影響進(jìn)行分析和研究，并在此基礎(chǔ)上提出了相關(guān)建議，希望能為智能電網(wǎng)建設(shè)提供參考。

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