基于差动保护的配电网闭环运行方式探讨_张项安

第41卷第3期电力系统保护与控制Vol.41 No.3 2013年2月1日Power System Protection and Control Feb.1, 2013 基于差动保护的配电网闭环运行方式探讨张项安1，张新昌1，李卫星2，刘 星 1（1.许继电气股份有限公司，河南 许昌 461000；2.哈尔滨工业大学电气工程系，黑龙江 哈尔滨 150001）摘要：配电网可靠性是衡量一个地区供电水平的重要指标。

采用闭环运行方式可以有效提高配电网的供电可靠性。

首先，从分布式电源的并网需求和日益提高的供电可靠性要求，阐述了配电网采用闭环运行的驱动力。

然后，介绍了配电网闭环运行的关键支撑技术和主要优点，提出了一个具有三层结构的集中式差动保护控制概念和系统架构。

最后，分析了配电网采用基于差动保护的闭环运行方式的应用前景。

关键词：配电网；闭环运行；差动保护；分布式电源；可靠性On the closed-loop operation mode for differential protection-based distribution networksZHANG Xiang-an 1, ZHANG Xin-chang1, LI Wei-xing2, LIU Xing1(1. XJ Electric Co., Ltd.，Xuchang 461000, China; 2．Department of Electrical Engineering, Harbin Institute of Technology,Harbin 150001, China)Abstract：Reliability index is an important indicator for the power service level of a distribution system, and it could be highly improved by utilizing the closed-loop operation mode. First, this paper analyzes the drivers of introducing the closed-loop operation mode to distribution systems, including the increasingly growing penetration of distributed energy resources and user’s requirement for higher power supply reliability. Second, several key supporting technologies and benefits are investigated for the closed-loop operation mode of distribution systems, and a three-level framework is proposed for the centralized differential protection of closed-loop distribution systems. Finally, the paper discusses the prospects of applying the differential protection based closed-loop operation mode to distribution networks.Key words：distribution network; closed-loop operation; differential protection; distributed generation; reliability中图分类号： TM77 文献标识码：A 文章编号： 1674-3415(2013)03-0102-050 引言近些年，北美和欧洲（包括英国、俄罗斯、丹麦、瑞典等）等一些发达国家相继发生了大面积停电事故。

这些大停电事故不但造成了巨大的经济损失，而且对社会秩序造成了严重影响。

因此，电网安全和供电可靠性问题，日益受到各国政府和学术界的广泛关注。

城市电网承担着电能的配送作用，不仅是整个电力系统供应链的关键环节，同时也是建设坚强智能电网的重要组成部分。

从美国和欧盟各国等世界上主要一些国家的智能电网发展现状来看，城市配电网是这些国家智能电网建设的核心和主要侧重点。

目前，以风能和太阳能为代表的分布式能源主要采用大规模集中式并网发展模式。

然而，随着国家智能电网建设工作的逐步推进，这些分布式能源将会由集中式大电网接入模式，逐步向分散式配电网接入模式发展。

分布式能源的接入打破了传统配电网的辐射状结构，配电网也由此变成了复杂的有源网络，传统的基于单端电气量的配电网继电保护模式在实际应用中必然会遇到一些问题，甚至需要进行彻底改造。

因此，研究新的配电网运行结构和保护控制技术，是提高配电网供电可靠性和电能质量的一项迫切任务。

为了有效地减小城市电网的停电范围和停电时间，提高供电可靠性，城市配电网采用闭环运行方式是一种比较有效的手段。

而且，采用闭环运行方式，并辅以有效的差动保护技术，可以有效解决分布式电源的并网问题。

然而，由于传统保护方式和技术在开环运行模式下具有应用简单和较高的经济性等特点，使得闭环运行模式在实际配电系统中未得到推广。

由于通信技术在近些年的快速进步和张项安，等基于差动保护的配电网闭环运行方式探讨 - 103 -发展，基于通信平台的配电网差动保护技术，已不再是一个昂贵和奢侈的技术。

因此，基于差动保护的配电网闭环运行方式，在近年来又引起了人们的广泛关注[1-5]，并逐步得到实施和应用。

本文主要从配电网闭环运行的驱动力、支撑技术、供电可靠性和应用前景等方面，对基于差动保护的配电网闭环运行问题进行探讨和分析，以期推动配电网闭环运行概念和相关技术的应用和发展，促进我国智能电网建设和供电可靠性水平的提高。

1 配电网闭环运行的驱动力1.1 分布式电源的并网随着传统一次能源的日益枯竭和人们对环境问题的日益关注，以太阳能为代表的分布式发电(Distributed Generation，DG)作为一种极具发展前景的发电技术，以其高效、环保等一系列优点，引起了人们的广泛关注，从而成为世界各国电力系统发展的一个重要方向。

分布式发电装置一般分布在负荷附近，可以节省输变电设备的投资，而且可以降低系统网损和提高用户的供电可靠性，具有较高的经济效益和社会效益。

然而，分布式电源的接入势必会改变配电网的辐射状结构和功率流向，使原来简单的辐射状配电网变成了复杂的多电源供电的有源网络。

配电网潮流及结构的变化必然会对系统中的各种继电保护设备及其运行方式产生较大的影响。

若系统发生故障，短路电流的大小及其流向必然会受到附近分布式电源的影响，从而导致原有继电保护装置出现灵敏度低、拒动和误动等问题。

因此，分布式电源的接入，势必给配电系统的运行、分析与控制带来诸多方面的影响和挑战[6-9]。

很明显，在分布式电源大量接入的情况下，传统的单电源辐射状或环状设计、开环运行的配电网，很难适应新的运行和控制要求。

因此，分布式电源的接入成为配电网闭环运行的一个主要驱动力。

1.2 供电可靠性需求的提高随着各类电压敏感型电子设备的大量增加和人们生活水平的日益提高，用户及用电设备对供电可靠性的要求越来越高。

这对原有配电系统或设备的品质和供电可靠性提出了更高的要求；然而，我国目前的城市配电网大都是采用闭环设计、开环运行的供电结构，一旦某处发生故障，就会造成整条分支馈线的大面积停电，且停电时间较长。

在开环运行模式下，当进行负荷转供时，通常需要通过合、解环开关操作来缩短非故障区域的停电时间（提高供电可靠性）；但合、解环开关操作势必会对相关非故障线路产生不必要的冲击，给用户造成损失。

如果断路器发生故障，一般会造成全馈线范围内的停电，极大地降低了供电的可靠性和连续性。

为了更加有效地减少停电时间和停电范围，提高供电可靠性，配电网可以采用闭环运行方式。

如果采用闭环供电方式及合理的线路分段和保护技术，一旦线路出现故障，保护装置则可以马上判断出故障位置，迅速隔离和切除故障区段，保证非故障区段的可靠供电。

2 配电网闭环运行的关键支撑技术配电网闭环运行有别于传统的辐射状（包括环网设计、开环运行模式）运行方式，线路上的功率流向不再具有单一性，离主电源较远的分支馈线或线路，其潮流方向可能会经常发生变化。

在这种情况下，传统的配电网保护和潮流计算方法不再适用，必须发展适用于闭环运行结构的配电网潮流计算方法。

而且，与辐射状运行结构相比，闭环运行方式下，配电网的电压分布及其控制措施也必将呈现新的特征和要求。

目前，我国配电自动化系统大多采用重合器方式或基于通信的馈线自动化方式等[10-11]。

这些自动化模式和控制方式操作简单，经济实用，因而被广泛采用。

然而，这些保护方法和技术不可避免地存在故障切除选择性不高、故障处理时间长、开关设备损耗大等缺点，而且在应对分布式电源和配电网闭环运行方面显得力不从心。

因此，对于含有分布式电源的智能配电网来说，非常有必要研究和采用一种新的保护配置方法和模式。

由以上分析可知，配电网采用闭环运行方式，除了需要在潮流计算、状态估计、电压和无功控制等方面需要新的技术支撑外，最重要的是需要网络化的通信平台及基于网络通信平台的配电网保护技术的支撑。

电流差动保护因为具有简单可靠和动作速度快且不受电力系统振荡影响等优点，而被广泛应用于输电网。

就提高配电网供电可靠性而言，故障的识别、定位、隔离与快速恢复是其核心内容和目标，在目前具有良好通信条件前提下这一目标可以通过在配电网推广应用电流差动保护技术来实现。

而且，由差动保护在输电网中多年来的应用可知，差动保护可以有效解决分布式电源的接入问题[12]。

电流差动保护是一种建立在基尔霍夫电流定律基础上的保护方式，在进行故障判别时只需要线路两端的电流量。

因此，电流差动保护不存在与引入- 104 - 电力系统保护与控制电压有关的问题，不受系统振荡和系统非全相运行等因素的影响和制约。

而且，电流差动保护具有原理简单，计算量小等优点，能够很好地满足继电保护的快速性、灵敏性和可靠性等要求。

根据实现方式和功能结构上的差别，配电网差动保护可以分为分散式差动保护和集中式差动保护。

分散式结构的差动保护，在判别故障时只需利用线路两端的电流量，实现较为容易，在通信技术比较落后的年代，具有较大的技术优势，但需要在每段线路额外配置差动保护装置，成本相对较高。