第23届国际供电会议(CIRED)于2015年6月15-18日在法国里昂召开。CIRED第三分组S3(运行、控制与保护)交流了141篇论文, 并安排了“低短路容量网络保护”和“配电网运营商的系统运行服务责任”与两个圆桌讨论会。论文涉及的内容包括配电设备状态检修与评估、配电网运行管理、预防大停电与应急管理、中低压配电网自动化、高压配电网自动化、PMU(同步相量测量单元)、配电网通信、SCADA/DMS(数据采集监控与配电管理系统)、孤岛运行、故障定位与接地故障、分布式电源故障穿越等。大家关注的热点问题是中低压配电网自动化、配电网故障定位以及有源配电网的保护控制问题。这里介绍会议论文的交流情况。

1、配电网运行

1.1设备检修与状态评估

中国广州供电局提交的论文介绍了10 kV XPLE电缆可靠性与经济性综合评估方法, 以IEC等有关国际标准为依据, 通过测量导体问题、运行电流以及分析敷设环境, 分析电缆的利用率、运行效率以及安全性。

其他主要内容:

1) 一种配电变电站设备的局放、发热、电晕的集成监视系统, 系统具有设备故障自动告警与老化趋势分析功能。

2) 中压设备的局放测量技术, 通过建立“典型局放源”数据库, 不断地改进故障识别与定位算法。

3) 配电变压器预防性检修技术, 主要通过红外测温与局放测量技术诊断变压器状态。

4) 通过温度测量与分析诊断变压器状态的方法, 给出了每天的峰值负荷与变压器寿命损失之间的关系。

5) 提出了一个配电系统预防性检测投资效益分析的模型。

6) 一种决定设备检修更换时间的资产管理策略。

7) 一种无人机巡线新方法。

1.2配电管理

英国的论文提出了一种降低变电站变压器损耗的经济运行方法, 根据负荷情况采用单台变压器或双台变压器的运行方式, 自动投切变压器。

中国清华大学提交的论文介绍了根据需求的弹性以及可调负荷, 实现层次化的需求侧集成(HDSI), 使负荷成为电力系统中一个积极、友好的组成部分。

两篇论文是欧盟资助的智能电网综合研究计划(IRP)ELECTRA的研究成果。论文介绍了2030年欧盟未来电网的电压与频率控制功能框架, 论述了分布式电源在提供电网辅助服务方面发挥的作用, 提出了协调与平衡各方面利益的市场机制。ELECTRA提出将电网看成一个由网元(cell)互联构成的网络。网元包含若干个负荷、分布式发电与储能装置, 它有明确的边界并且分布在一个地理范围内, 互相之间通过联络线交换功率。网元内部有足够的有功备用容量与无功补偿容量进行电压与功率平衡控制, 但网元并不是一个独立存在的供电孤岛, 它与邻近的网元之间存在基于平衡功率市场机制的功率交换。

三篇论文讨论智能电网问题, 包括电力系统事故防御计划,面向智能电网的转变、智能电网试点工程以及智能电网评估数据库技术。还有4篇论文讨论作业队伍管理问题。其他论文的内容包括: 配电网降压节能评估模型, 运行计划日前优化算法等配电自动化系统高级应用功能和信息管理问题。

1.3大停电预防与应急管理

主要交流内容:

1) 一种基于低频减载的智能大停电管理系统。

2) 荷兰最大的配电公司Enexis的停电事故处理培训项目, 专门开发了一个硬件仿真系统和一个软件仿真系统。

3) 在雷电、大风、暴雪以及酷热天气等恶劣条件下提高事故处理效率的组织措施。

4) 110 kV电网的行为对于计算输电网络有关潮流以及无功需求的重要性。

5) 斯洛文尼亚2014年2月大范围冰灾引起大停电的情况。

2、配电网控制

2.1低压配电网自动化

低压配电网自动化的讨论主要集中在电压控制, 特别是有载调压的应用方面。

英国的论文介绍了电容器在低压配电网无功控制中的应用, 这些电容器部署在重载线路中, 根据当地电压的变化进行投切控制。研究结果表明, 将配电变压器离线调压档位置于电压最低的位置, 通过无功补偿电容的协调控制, 能够将线路电压控制在合格的范围内。

法国的论文介绍了GreenLys低压配电网无功控制示范项目, 项目是在里昂实施的, 其中包括CIRED 2015会议中心。低压配电网中的电压测量结果通过无线通信发送到电压调整器(Regulation Box)中, 由电压调整器控制有载调压配电变压器与电子无功补偿装置, 将母线电压控制在一个适当的水平上。

来自法国的论文也讨论调压问题, 介绍了法国ERDF智能配电网示范计划, 具体介绍了VENTEEA示范工程采用的两种智能调压方法。

另外两篇论文分别介绍了MV/LV有载调压变压器在光伏发电(PV)高度渗透的低压配电网应用的情况与低压配电网动态潮流与电压控制问题。

中国长沙理工大学提交的论文介绍了FACTS在配电网中的应用, 提出利用FACTS设备在中性点注入电流, 控制三相不平衡电压。

意大利Enel公司的论文介绍了基于RTU和遥控系统的低压电网智能设施的设计开发与应用情况。瑞士论文则介绍了一个开放式的测控平台GridBox及其应用情况, 它能够支持各种智能配电网应用, 满足配电网运行监视与主动控制应用需求。

英国的论文介绍了分布式智能控制系统在低压配电网的应用情况, 系统已在牛津郡的一个2500人口、800座建筑的社区投运。

其他论文讨论配电网状态估计问题, 其中有介绍根据智能电表、光伏系统的测量数据进行配电网状态估计。还有配电网潮流优化问题, 智能配电网技术经济评估方法, 智能电网与智能电表体系结构, 配电网中多个控制器的同步控制方法等。

2.2中压配电网自动化

上海交通大学提交的论文讨论了分布式电源对配电网电压分布的影响, 提出了配电网电压控制策略。

韩国的论文介绍了接有3 MW风力发电机的配电网的当地电压控制方案。传统的步进电压控制方案无法保证电压合格, 因此, 开发了一种主动步进电压控制管理装置, 并在实际系统中投入运行。

德国的论文介绍了由欧盟FP7计划资助的大型中压配电网自动化示范项目GRID4U。示范系统包括开关控制单元与测量单元, 支持基于主站的集中式控制以及基于点对点对等通信的分布式自治控制, 控制目标是支持分布式电源的大量接入, 提高供电可靠性、避免过负荷与电压越限情况、减少线损、避免扩建配电网的投资。还有论文讨论了中压配电网的分布式自治控制问题, 分析了低压电网对中压电网运行状态识别的影响, 提出分布式控制系统是解决智能配电网控制问题的重要手段。

意大利Cagliari大学Pilo博士等提交的论文介绍了CIGRE/CIRED “未来电网自动化”联合工作组C6.25/B5工作进展情况。该工作组的主要任务是研究分布式电源高度渗透对配电网以及输电网运行控制与自动化提出的新要求。我国上海交通大学的刘东教授、山东理工大学的徐丙垠教授参加了该工作组的工作。

还有其他论文讨论电压控制、中压配电网状态估计、配电网自愈方案以及示范项目、配电自动化装置与分布式控制功能的测试、控制中心培训仿真器的设计方法等。

2.3高压电网自动化和PMU

荷兰的论文介绍了在50kV重载高压环网中应用PMU的情况, 主要是监视功率振荡、电压稳定性以及潮流, 预计在2015年底就能获得第一批测量结果。其他论文的内容:

1) 捷克CEZ配电公司十年来在100kV电网中应用电压无功控制(VVC)的经验。

2) 如何将数量有限的PMU与状态估计相结合, 提高配电网的可观性。

3) 一种基于最小二乘法的宽范围精确频率计算方法。

4) WAMS在110 kV电网中应用的情况。

2.4数据采集与监控(SCADA)和配电管理系统(DMS)

德国的论文介绍了E.ON公司智能电网控制中心愿景、实施经验, 讨论了针对虚拟发电厂的应用的需求侧响应、分布式电源管理以及电压无功控制集成问题。

奥地利的论文讨论应用雷电监测系统、SCADA系统、停电管理系统(OMS)以及DMS的实时数据, 为配电网运行人员提供决策支持。

其他内容:

1) 2D与3D图形技术在DMS中的应用。

2) 介绍了葡萄牙EDP公司实施OMS的情况。

3) 一种满足低压配电网运行需求的SCADA系统。

4) 大数据技术在未来电网运行和控制中的应用问题。

5) 配电网技术线损的准确估算。

6) 利用保护装置的故障信息进行故障定位。

7) 探讨改进配电网运行效率与数据管理的技术措施。

8) 不需要变电站以及配电网接线信息的告警信息处理方法。

2.5配电网通信

葡萄牙的论文讨论了基于IEC 61850标准与分布式智能控制的中压配电网馈线自动化系统, 指出开放的分布式控制馈线自动化系统将使供电企业的供电可靠性达到一个很高的水平并且优化资源的利用。

其他内容:

1) 数字控制系统应用IEC 61850-8-1的优点。

2) 变电站自动化系统中应用GOOSE技术的经验。

3) 基于IEC 61850标准的保护与控制系统及其电子智能装置(IED)的工程配置方案。

4) 应用无损卡尔曼滤波(UKF)解决无线通信系统的同步问题。

5) 一种新颖的关联信息通信系统(ICT)服务等级协议(SLA)参数的方法。

6) 网络安全问题。

7) 比利时的一个宽带载波试验项目。

8) 一种评估过程总线可靠性的方法。

2.6孤岛运行

印度和芬兰的论文提出了一种改进的矢量偏移孤岛检测算法, 算法测量三相电压以及正序电压的矢量偏移量, 能够避免保护在出现其他系统扰动时误动。法国的论文指出, 尽管频率偏移是一种有效的孤岛检测方法, 但其大范围的应用可能导致在系统频率下降时甩掉更多的DER, 危害系统的稳定性。意大利的论文介绍了一种用于低压配电网反孤岛保护装置SmartID, 它能够反应一个较长的时间段(10 s)内的电压与频率变化, 可以解决传统的电压与频率反孤岛保护存在的灵敏度不高的问题。法国的论文讨论新的欧洲电网运行导则对反孤岛保护的技术要求, 重点介绍了如何修正反孤岛保护死区检测标准电路(RLC并联电路)。另外2篇论文分别讨论非计划孤岛运行的危害与使用Sandia频率偏移方法和频率变化率方法的综合孤岛检测方法。

日本的论文介绍了一种避免系统大停电影响的智能家居独立供电系统, 其中包括PV、储能、燃料电池与电动车。

其他内容:

1) 研究在不同故障条件下的微网下垂控制性能, 讨论了可能导致微网不稳定的因素。

2) 介绍了在分布式发电功率远大于负荷情况下配电网运行面临的挑战。

3) 介绍了解决分布式发电厂对配电网保护影响问题的经验。

4) 一种插电式电动车的充电控制策略。

3、配电网保护

3.1配电网故障定位与接地故障保护

配电网故障定位以及小电流接地故障的检测问题仍然是大家关注的热点问题。

爱尔兰的论文评估了10 kV配电网故障相接地控制继电器的现有检测逻辑, 指出采用新的检测逻辑可以提高高阻故障检测的灵敏度。

奥地利的论文指出, 电缆中的接地电弧重燃现象在中性点绝缘与谐振接地系统中是不一样的; 采用故障相接地技术, 可以显著地减少故障点接地电流, 并使得消弧线圈在出现接地故障时准确地调谐。

德国的论文介绍了一种用于谐振接地配电网的暂态原理数字式接地方向继电器, 它通过检测能量函数的极性选线, 能量函数在本线路(正方向)故障时是负值, 而在其他线路(反方向)故障时是正值, 如图1所示。

图1 在正、反向故障时的能量函数曲线

西班牙的论文提出了一种新的配电网行波测距方法, 在配电网故障时注入行波脉冲, 通过检测故障点反射脉冲返回的时间测定故障距离。

其他内容:

1) 智能二次变电站的设计, 包括改进的电压控制、故障检测与定位方法。

2) 一种采用自适应信号滤波技术的高阻故障检测方法。

3) 一种分析阻抗测距灵敏度的方法。

3.2保护技术的应用

巴西的论文提出了一种新的保护继电器设计方法, 测量数据与保护逻辑处理功能都采用一个可以并行处理的FPGA(现场可编程逻辑阵列)芯片完成, 其优点是具有确定的动作时间。

葡萄牙的论文介绍了葡萄牙EDP公司采用的评估低频减载运行效果的方法, 提出了旨在满足欧洲输电运营商(ENTSO-E)5号令(Policy 5)以及葡萄牙监管机构技术要求的低频减载改进方案。

其他内容:

1) 配电网过电压保护配合问题。

2) 一种新的在0.2 s内将分布式发电装置从故障线路切换到非故障线路上的保护方案。

3) 一种新的中压配电网单相重合器。

4) 选择合适的熔断器对防止电弧造成人身伤害的重要性。

5) 一种基于通信网络的解决分布式发电带来的问题的配电网保护方案。

6) 一种配电网保护性能评估方法。

7) 意大利Enel公司中压配电网闭环运行试点项目。

8) 分布式发电配电网保护的最佳部署方案。

9) 配电网方向电流保护的作用以及替代这种保护的解决方案。

3.3算法与仿真

意大利Enel公司的论文, 介绍了中压电网闭环运行智能电网试点项目POI P4的继电保护解决方案。分段开关配置电流方向保护, 保护装置采用IEC 61850标准, 通过光纤通信网与相邻保护装置交换故障方向测量信息, 实现选择性。

捷克的论文提出了一种检测电压暂降幅度的接地故障定位方法。在谐振接地配电网中发生单相永久接地故障时, 在中性点短时投入一个电阻产生较大的接地电流(图2), 通过比较每个配电变压器二次侧的单相对地测量电压来判断故障点位置。

图2 中性点短时投入电阻产生较大的接地电流

法国阿尔斯通的论文介绍了一种谐振接地配电网接地故障选线方法, 利用暂态信号中的220 Hz分量检测功率方向, 根据功率方向识别故障线路。

其他论文的内容:

1) 电动汽车对配电网故障电流的影响。

2) 应用全局灵敏度分析(GSA)方法, 研究输入参数对多参数高维电气模型计算结果的影响。

3) 利用巴赫悖论现象保证距离保护在特殊情况下正确动作的方法。

4) 继电器建模方法。

5) 比较电流故障分量的相位角的差动保护方案。

6) 一种不需测量电压的故障方向检测方法。

3.4故障穿越

芬兰的论文介绍了一种满足低电压穿越(LVRT)要求的配电网方向保护方案, 根据测量电压而不是电流确定保护的动作延时, 从而实现与低电压穿越曲线的配合。

奥地利的论文分析了不同的LVRT测试设备本身对分布式发电机动态性能的影响。现场使用的LVRT测试设备主要有同步发电机、串联阻抗、调匝变压器以及逆变器4种, 这些测试设备本身的内阻抗不同, 对发电机性能测试结果的影响也不同, 提出可以通过调整调压器的档位来调整分布式发电机的机端电压, 从而克服测试设备对发电机动态性能的影响。

德国的论文讨论分布式发电的高电压穿越(HVRT)问题, 指出德国已着手制定分布式发电HVRT技术要求。

4、圆桌会议讨论情况

4.1低短路容量网络的保护

对于逆变器型电源为主的交流配电网来说, 由于逆变器输出的短路电流是其额定电流的1.2～1.6倍, 在以孤岛方式运行时系统短路容量低, 给传统的反应大短路电流的保护可靠动作带来了困难。本圆桌会议有来自奥地利、瑞士与德国的3位专家做报告, 讨论了低短路容量网络保护问题, 提出的解决措施主要有: 自适应调整保护定值; 采用新的保护方法; 提高逆变器输出的最大电流;

安装能够提供大短路电流的电源储能装置。

4.2配电系统运营商的系统服务责任

本圆桌会议有来自奥地利、德国与法国的3位专家做了报告, 主要讨论分布式电源的接入给配电运行商的系统服务责任提出的新要求及其解决方案。

在分布式电源大量接入的背景下, 配电网运营商的责任主要有:

1) 频率稳定控制责任, 包括提供备用容量与调频容量, 低频减负荷以及高频减分布式电源出力等。

2) 电压无功控制责任, 包括电压稳定控制, 提供无功容量、短路电流支撑(低电压穿越)容量。

3) 运行管理责任, 包括注入功率、网络阻塞管理, 运行计划以及数据交换等。

4) 停电恢复责任, 包括具备黑启动能力、孤岛运行能力、停电恢复协调能力, 了解负荷冷起动特性、分布式电源运行特性, 保护整定, 解列与并网控制等。

分布式电源大量接入后, 配电运行商系统服务的核心责任没有变, 但需要进一步的升级。配电运行商要采取积极的措施, 应对分布式电源大量接入给系统服务带来的新挑战。电力监管机构应制定相应的法律法规, 建立完善的面向“分布式主体(参与者)”的系统服务市场机制。

5、结语

对供电质量要求的提高、分布式电源的接入以及通信与计算机控制技术的迅速发展, 推动着配电网运行、控制与保护技术的不断发展, 使第三分组成为CIRED大会最受关注的一个分组。

从CIRED 2015学术交流情况来看, 国际上配电网运行、控制与保护技术的主要研究方向与需要解决的问题:

1) 配电设备的检修与更换都依赖与对其状态的正确评估, 亟待研究总结出成熟可靠的设备状态评估方法。

2) 未来电力系统中分布式电源的出力将超过集中式发电厂, 需要研究与之相适应的系统的频率稳定控制、电压无功控制、继电保护以及运行调度管理方法。

3) 中低压配电网自动化的水平将不断提高, 其中一个主要的内容是解决分布式电源接入后引起的电压控制问题, 特别是如何根据馈线电压、负荷以及分布式电源出力的变化进行有载调压。

4) 中压配电网采用合环运行方式可以提高供电质量、减少线路损耗, 意大利、荷兰、德国等国都在进行合环运行的试点。

5) 小电流接地故障的检测与配电网故障定位是CIRED会议持续关注的热点, 仍然有一些技术难题需要解决。

6) 分布式电源的接入带来了配电网孤岛运行的问题, 现有的基于电压与频率测量的孤岛检测方法存在盲区, 亟待开发更加灵敏、可靠的方法。

原标题:【环球t望】山东理工大学 徐丙垠: 2015年国际供电会议学术动态系列报道―运行控制与保护技术