基于網絡化保護控制架構的配電網“三道防線”解決方案

楊旭，羅金龍，潘凱巖，任爾珣，寧楠，李富偉

(1，貴州電網有限責任公司貴安供電局，貴州 貴陽 550003；2，東方電子股份有限公司，山東 煙臺 264010)

隨著分布式電源的接入，配電網由原先的無源網絡轉變為有源網絡。此外，配電網網絡結構越發復雜化以及環網運行方式的出現，引發配電網雙向潮流等特征，誘發配電網新的安全穩定性問題[1-2]。另一方面，源荷的隨機波動性以及分布式電源的電力電子化，使得配電網的故障特征變得更加復雜[3-5]，傳統的利用同步機型進行電源側等值的故障分析方法不再完全適用，錯誤的保護與控制決策，將導致配網安全穩定問題擴大，進一步誘發大電網的安全穩定問題。當前電力系統的安全穩定防護體系體現出對高電壓輸電主網架的側重以及對配電網管控的不足[6-8]，因此需要形成并完善面向配電網的“三道防線”安全穩定防護體系。

現階段，國內外圍繞配電網安全穩定運行，提供了許多分析與控制手段。就配電網保護性能提升方面，文獻[9-12]從解決保護的適應性的角度出發，計及分布式電源的故障特性，給出了含分布式電源的配電網過流保護、距離保護、差動保護的改進方法。為提升配電網保護的故障處理能力，文獻[13-17]給出了含分布式電源的配電網快速重構、關鍵負荷保障等決策輔助方法。另一方面，針對分布式電源間歇性與波動性對配電網過載問題與電壓問題的影響，文獻[18-21]提出了利用全局信息實現不同時間尺度的含分布式電源配電網安穩控制措施。然而，盡管已有研究開展了分布式電源接入后配電網故障特性、穩定性變異機理分析，并有針對性地提出了配電網穩定運行、故障處理、自愈恢復等控制策略，仍未有效形成配電網的保護控制安全穩定防護體系。本文針對上述問題，研究面向配電網的“三道防線”安全運行防護體系，并結合網絡化信息共享的優勢，探索網絡化的配電網“三道防線”實現方法。

1 配電網安全穩定新特征與“三道防線”新需求

《電力系統安全穩定導則》將電力系統安全穩定運行劃分為三個等級[22]，包括：第一級保持電力系統穩定運行與正常供電；第二級保持電力系統穩定運行，但允許損失部分負荷；第三級當電力系統不能保持穩定運行時，防止系統崩潰并盡量減少負荷損失。在電力系統的實際工程應用中，通常被理解為預防控制、校正控制與恢復控制。

盡管穩定導則適用于電力系統各電壓層級的安全運行分析，然而，現有的安全運行防護手段主要針對高壓主網進行部署，沒有充分考慮配電網與高壓主網在接線拓撲、設備配置、故障特征等方面的差異，使得電力系統“三道防線”難以全面覆蓋配電網新的安全穩定問題。配電網的“三道防線”需要考慮配電網的運行特點部署：

1)第一道防線：故障是造成配電網負荷失電的主要原因，配電網的第一道防線需要避免故障帶來的停電負荷損失，繼電保護仍是實現預防控制的關鍵手段。

與高壓主網不同在于，高壓主網具備備用的供電路徑，預防控制的目的等同于確保故障的快速切除。配電網安全防護的“第一道防線”具備更多要求：配電網缺少多回路供電的支撐，需要依靠重合措施來達到預防控制的目的，而配電網重合閘的實現需要綜合開關特性進行考慮，不再是就地保護范疇；另一方面，高壓主網保護往往采用冗余配置，配電網保護則只能依賴擴大后備保護來應對主保護異常，配電網保護需要依托更合理的配合[23]手段。而配電網整體上也呈現出采樣不充分、開關不完備的特點，配電網可觀、可控水平也需要在保護決策過程中得到統籌，因此配電網的預防控制除了滿足保護基本特性外，還應強調保護的“整體性”與“協調性”。

2)第二道防線：隨著分布式電源的接入，配電網成為有源網絡，因此也具備校正控制的需求與能力。配電網校正控制的目的在于，維持電力系統末梢的安全運行，限制故障及異常向主網側擴大。計及分布式電源調度與靈活性負荷管控的安穩控制是“第二道防線”的保障。

傳統情況下，區域配電網作為整體單元，響應高壓主網的校正控制，在配電網的“第二道防線”的作用下，校正控制的顆粒度細分到區域配電網的各開關站點與各線路分支。具體來講，在固定運行方式下，配電網的校正控制應精細化實現頻率、電壓調節，提高配電網乃至整個電力系統的安全裕度；而在運行方式切換過程中，如永久性故障發生情況下的轉供電操作選擇時，配電網的校正控制應精細化達到平衡內部潮流的目的。實現“精益化”管控降低負荷削減與優化潮流分布是配電網“第二道防線”的重要需求。

3)第三道防線：配電網的恢復控制是電力系統安全運行“第三道防線”在中低電壓等級的延伸與補充。主配協同的恢復控制是“第三道防線”的關鍵所在。

傳統的恢復控制，不計及配電網的負荷保供電。配電網的恢復控制在“第三道防線”中的作用體現在，并列運行過程中體現為充分發揮主動配電網的支撐作用，提升主網的安全運行能力；而在解列狀態下，運用“自主性”的自治手段，利用自身的分布式電源條件，提供最后的區域內部重要負荷的供電保障。

2 網絡化配電網“三道防線”配置與部署

“協調性”“整體性”的預防控制、“精益化”的校正控制以及“自主性”的恢復控制需求，增大了配電網安全運行防護困難，直接復制高壓主網的安全運行防護模式，將造成極大的工程造價與運維負擔。通信網絡技術的發展，帶來網絡化的配電網“三道防線”實現方法。網絡化的實現方式，可以有效避免傳統的配電系統時序邏輯配合的方式下保護選擇性與靈敏度協調的困難，能夠快速跟蹤配電網的運行方式，以及各階段的決策變化，快速實現下一階段的決策響應，提升配電網運行管理水平[24-26]。網絡化安全防護“三道防線”架構如圖1所示。

圖1 基于網絡化的配電網“三道防線”實現架構Fig.1 Implementation scheme of communication-based “three lines of defense” for distribution network

2.1 終端間隔層配置

配電網“三道防線”需要依托于終端的采集與操控功能。為實現配電網網絡化“三道防線”，設置終端間隔層，終端間隔層構成配電網安全穩定防護體系的末梢，主要實現的功能有：

1)電氣量信息采集與上送：母線與線路的電氣量量測信息，當通信條件具備支撐采樣值傳輸的條件時，優先采用采樣值進行數據傳輸，否則，采用有效值的形式進行電氣量傳輸；

2)運行狀態量信息采集與上送：終端的設備狀態監測、故障告警信息是保護決策的重要輔助，終端應實時地反映運行狀態量的變化；

3)操作執行與順序控制：終端同時作為指令執行的主體，將保護、控制等指令轉化為開關的分合操作，并具備順序操作的能力；

4)就地功能的集成：除具備執行功能外，還具備自主決策功能，以適應通信異常的運行工況。

在網絡化“三道防線”的體系架構下，終端需要實現與安全防護子站的主從式通信功能以及終端與終端之間的對等式通信功能。

2.2 子站層配置

安全防護子站主要執行配電網“三道防線”的決策，為與配電網“三道防線”具體內容相對應，安全防護子站設立三個子系統，包括：網絡化區域保護子系統、穩定控制子系統以及緊急控制子系統，其中：

1)網絡化區域保護子系統的功能包括：拓撲管理，設備狀態管理，以及保護區塊劃分、故障隔離、切除策略制定等。拓撲管理與設備狀態管理是保護區塊劃分與故障隔離、切除策略制定的依據，拓撲與設備狀態一旦發生變化，區域網絡化保護將自動形成新的保護分區，并形成與變化的保護分區相適應的保護與動作邏輯；

2)穩定控制子系統的功能包括：潮流水平監測、安全裕度計算、穩定控制策略定制以及運行方式切換功能的實現等。潮流水平監測是實現運行方式分析與調整的前提，穩定控制子系統負責在主系統正常運行情況下，對配電網運行方式的優化，包括實現電壓與頻率的調節，使配電網運行在安全邊界內，此外也負責配電網內部發生故障時，N-1情況下轉供策略的定制，達到選擇合適的復電策略減小故障停電損失，避免故障影響擴大的目的；

3)緊急控制子系統的功能包括：運行監測、安穩控制分析與決策等。運行監測包括兩個層面：一是監測主網側與配網側的拓撲關聯與電氣關聯，二是監測主網側與配網側的電壓、功角情況。運行監測是主配網控制邏輯切換，安穩策略制定的依據，根據不同的運行方式，切換不同的安穩控制模式。

在“三道防線”的體系下，安全防護子站向終端發送保護、控制指令，向主站上報動作、操作事件，并接收終端的結果反饋與主站的命令指派。安全防護各子系統之間通過信息、模型的統一接入、存儲和展示，保證各子系統模型的一致性，以實現保護、運行監視、操作與控制、信息綜合分析與智能告警、運行管理等功能貫通。

2.3 主站層配置

安全防護主站是配電自動化與主網調度自動化之間的橋梁，部署時可以作為主網調度自動化的一部分。配電網的安全防護需要與主網的安全防護配合進行，充當與主網數據交互，實現主配網之間的數據關聯的角色。

安全防護主站負責監測變電站進線電壓、頻率特征，借助電氣特征分析與拓撲分析，校核主網的運行狀態，以維系主網安全運行為首要目的，實現支撐主網運行的切機切負荷命令下發、配網安全防護子站功能閉鎖與解除以及實現對配網安全防護子站的遠程控制與統一管理等功能。

3 配電網網絡化“三道防線”實現與協同

3.1 配電網網絡化“三道防線”功能實現

依托于終端-子站-主站的部署方式，構成的配電網網絡化的“三道防線”安全運行防護體系如圖2所示，“三道防線”在時間上相互配合，在空間上相互承襲。

圖2 配電網“三道防線”安全防護體系Fig.2 Security defense deployment of “three lines of defense” for distribution network

3.1.1 基于信息共享的配電網區域快速保護

基于信息共享的配電網區域快速保護完成配電網“第一道防線”功能，以網絡化全線速動區域保護作為主保護，動態自適應就地保護作為后備保護。

網絡化全線速動區域保護：利用光纖通信網絡在終端間隔層實現電氣數據采集，采集到的信息上傳至子站層。依托于電流差動保護和閉鎖式電流保護等網絡化保護算法，實現快速的主保護。網絡化全線速動保護動作時間迅速、故障識別可靠性高，作為主保護能夠實現配電網區內故障的快速跳閘隔離，有效防止電力設備故障損壞造成擴大故障影響，保障配電網的可靠供電與穩定運行。另一方面，網絡化全線速動保護能夠綜合開關特性，根據故障所在區域選擇離故障點最近的斷路器進行故障切除、最近的負荷開關進行故障隔離，指定到相應的終端設備跳開故障，實現動作策略的自動生成。

動態自適應就地保護：就地快速保護是網絡化保護的必要補充。動態自適應就地保護可以在終端層檢測線路的相間短路和接地故障，并發出告警，在子站層信號缺失的情況下實現順序跳閘的功能。因此動態自適應就地保護為基于就地裝置實現的后備保護，帶有一定的延時出口時間。

3.1.2 全局尋優的自愈復電與穩定控制

“第二道防線”實現全局尋優的自愈復電與穩定控制，與“第一道防線”進行配合，保證在永久性故障切除后的恢復供電。區別于不依賴于通信的低壓備自投被動的復電模式，配電網的負荷自愈控制尋求依賴于全局拓撲感知的主動重構技術。根據一次系統拓撲實時更新，通過終端間隔層向子站層傳輸相關信息，由子站層實現對配電網運行信息、一二次設備運行狀態、保護信息、故障信息等信息的運行監視和綜合判斷，從而確定供電恢復的自愈選擇。

同時，全局尋優的自愈控制還包括線路轉供過程中的過載連切負荷、低壓減載、過壓切機等功能：子站層需要根據實時的潮流監測與分析，分析各種轉供方式下的運行安全裕度。在不滿足轉供要求的條件下，進行轉供前的負荷控制與電源控制對配電網安穩運行效果的靈敏度分析，對子站層下發切機切負荷等命令，達到精益控制的目的。

3.1.3 主配協同的分層主動控制

主配協同的分層主動控制構成配電網網絡化安全運行防護體系的“第三道防線”?！暗谌婪谰€”用于降低主網崩潰對配電網造成的失電影響，孤島解列運行與在并網控制用于實現“第三道防線”目的。

孤島解列運行：當主站層檢測主網發生嚴重的短路故障或者頻率異常等現象時，主站層向子站層發送解列命令，配網與主網分列運行。此時，配網的控制指令移交由子站層完成。子站層根據負荷分布與分布式電源處理情況，形成在線孤島劃分。

再并網控制：當主站層檢測到主網運行狀態恢復正常時，子站層區域將能夠可靠識別并判定是否符合并網條件，從而向主網請求再并網控制。再并網控制功能的完成，使得配網能夠與主網建立有效的電氣聯系，增強配電網的穩定性與供電可靠性。

3.2 基于信息共享的配電網“三道防線”協同

配電網網絡化“三道防線”需要內部各防線之間的協調配合，同時也需要新筑防線與傳統保護-自動化的主網控制的“三道防線”相互配合。協同設計方法如下所示：

3.2.1 “三道防線”的縱向貫通設計

保護-安穩自愈-緊急控制的防線設計，在網絡化的體系架構下，除了可以利用網絡信息，優化自身的功能外，還可以實現不同防線輸入、輸出信息間的貫連互通，促進不同防線之間的配合優化。

基于“信息驅動”的保護-自愈控制-緊急控制的一體化設計：傳統的保護控制采用“事件驅動”的實現方式，安穩及自愈環節只有在保護事件得到有效處理后方可執行，需要嚴格的時序配合。這就意味著，在系統“第一道防線”進行工作時，“第二道防線”將處于待命狀態，降低了供電的可靠性保障。事實上，當故障隔離過程中出現開關失靈的異常情況時，必將造成保護動作時間的整體延長，降低“第二道防線”的執行效用。網絡化的保護-安穩自愈一體化設計根據信息共享實現靈活配合。具體而言，如開關失靈現象發生，此時，失靈側的保護將執行“第一道防線”職能，實現擴大動作，而未失靈側無須等待保護事件完成，加速進入“第二道防線”，從而提高未失靈側的復電速率。此過程充分體現信息共享與“三道防線”貫通設計的優勢。

3.2.2 保護與安穩控制系統與傳統保護-自動化協調配合

網絡化保護提升保護的動作速度，使得傳統網絡速動保護動作出口時間降至幾十毫秒，高于傳統配電網變電站饋線保護出口動作時間(約百毫秒級)。由于“三道防線”的貫通設計，使得保護與穩定控制、緊急控制得以更好配合，應保證網絡化保護能夠優先于變電站傳統饋線保護動作。在保護與安穩系統動作時，采取硬件控制的方法閉鎖饋線重合閘，相替代的，采用“第二道防線”全局尋優實現供電自愈，此外，發送軟報文給后臺主機，告知重合閘閉鎖情況。

另一方面，傳統的線路各級過流保護，以終端就地后備保護的形式在保護與安穩自愈系統中保留。在通信網絡故障情況下投入運行，終端就地化保護應躲開保護與安穩控制系統網絡速動保護、變電站饋線保護，作為后備保護。

3.2.3 主配協同的互補管控

配電網的運行管控，需要配合于更高電壓等級配電網以及主網的運行管控安排。因此，配電網安全運行防護系統采用不同模式，狀態切換的依據取決于主網的狀態以及主配網的電氣關聯狀態。

主網處于正常狀態情況下，配網子站尋求與主網建立/保持電氣連接，增強供電可靠性與保障優質電能質量。當子站所管轄區域處于孤網運行狀態且需要并網時，只需告知主站，由主站進行確認是否并網，確認后子站可直接執行并網。在主網狀態正常的情況下，主站解除對配電子站的控制信號，由子站執行本區域內安穩控制功能，子站獨立進行安穩控制管控，控制終端的指令執行。

主網處于異常狀態情況下，主站持續發送閉鎖信號至配網子站，閉鎖配網子站的安穩控制功能。此時，配網子站只執行主站下發的切機切負荷命令。若主站下發的是一個指定開關的切機切負荷命令，則配網子站直接執行指令；若主站下發的是一個簡單的切機切負荷量，未指定任何開關，則配網子站需根據自身拓撲與潮流關系，綜合考慮本區域的穩定控制功能，靈活執行切機切負荷命令。

主網處于緊急狀態情況下，且主網下達命令將配網區域切除實現孤網運行時，此時配網子站再次承擔本區域內緊急控制功能，用于孤島方案的制定以及微網解列、再并網策略的形成。

主配協同的互補管控，是主站層與子站層之間業務功能相互交割的過程，在這個過程中，“第二道防線”與“第三道防線”根據主網的狀態與主子站的電氣關聯快速切換。

4 結論

為完善與健全配電網安全運行防護體系，本文提出了研究面向配電網的“三道防線”構建方法。依托網絡化信息共享的優勢，形成配電網“三道防線”網絡化實現方法，給出了“三道防線”的物理配置與部署方案，在此基礎上探索網絡化“三道防線”的功能實現與關聯協調方法，形成新形勢下配電網保護控制新體系。本文所提的配電網“三道防線”體系及其網絡化保護控制解決方案將為配電網的安全運行提供重要保障。

依托于本文所提的配電網網絡化“三道防線”構建理念與建設方法，在南方電網貴安供電局開展了配電網安全運行防護體系建設，有效提升了該地區配電網的安全運行水平。