基于网络化的配电网弹性保护方法研究

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新能源为主体的新型电力系统建设背景下,配电网正由传统的电能单向分配向多能流汇集与分发的新角色转变,配电网保护技术体系面临新挑战。长期以来,受配电网建设阶段性和地区差异性影响,配电网保护系统存在互感器、断路器等资源配置不完备与资源分布不均衡问题,造成保护系统故障感知及处理能力不足;另一方面,受配电网复杂运行环境影响,采样失效、开关失灵以及保护非预期动作等状态异常事件时有发生,引发配电网保护系统运行风险。新形势下,配电网保护的资源配置差异与运行状态异常问题被进一步放大,并引发广泛关注。为满足新时期的配电网安全运行新需求,配电网保护产生出两种优化解决思路:一是取得保护系统的硬件配置“刚性”升级,沿用主网的配置模式实现配电网全方位的设备升级改造。二是结合数字化发展进程构造保护实现新方法,从“弹性”提升的层面打通分立的系统配置关联,扩展系统资源互用与功能互补。“刚性”的配置升级改造思路受投资因素与环境条件限制,始终难以全面解决配电网的配置完备性问题,同时也引发保护系统的配合新困难与运行新风险。而另一方面,在近年来“大云物移智”技术的推动下,配电网保护的实现方式呈现出网络化保护的新形态,借助于网络化保护的信息共享优势,配电网保护系统能够聚合更大范围的资源,同时保护系统所面临的运行状态异常问题得以凝集全系统的功能配合共同应对。网络化的保护实现新方式,正激发着配电网保护巨大的“弹性”性能提升空间。在追求设备完备升级的同时,打造兼具弹性的保护系统,正成为未来继电保护的重要发展趋势。为此,本文从配电网保护系统配置差异与状态异常问题出发,考虑配电网保护系统的弹性提升需求,借助网络化的保护实现方式,开展一系列基于网络化的弹性保护提升方法及应用研究。围绕弹性系统的柔性提升与韧性提升两个维度,贯穿网络化的保护采样环节、动作环节与配合环节全链条,提出保护系统资源配置利用“最大化”与状态异常影响“最小化”的配电网弹性继电保护提升目标,形成具体的基于网络化的配电网弹性保护提升策略与优化方法。基于本文理论方法,与继电保护厂家合作研发了基于网络化的弹性保护装置与系统,并在南方电网智能电网示范工程中成功运行。本文主要工作包括:(1)提出基于网络化的配电网弹性保护架构:基于弹性保护的柔性与韧性两个维度,围绕配电网保护采样环节、动作环节与配合环节的全链条弹性提升目标,提出基于网络化的保护系统量测方式、动作方式与配合方式的优化模型。构造虚拟量测方程,并引入状态估计理论进行虚拟量测的数值估计、误差计算,实现对网络化保护采样环节量测水平的定量分析与优势刻画;构造全集动作方程与动态配合方程,结合拓扑及配置关系推演,实现对网络化保护动作环节与配合环节动作效果与配合复杂度的定量分析与优势刻画,并由此构建基于网络化的配电网弹性保护实现模型与技术架构。(2)提出基于虚拟量测“冗余”的抗采样数据异常弹性保护方法:通过虚拟量测计算构造采样冗余,结合虚拟量测与实际量测的误差分布数值分析,刻画保护系统采样特征,并通过甄别配电网故障状态与采样异常状态下的采样特征差异,提供异常测点筛选与故障范围限定依据,进而构造基于网络化的保护辅助闭锁判据,实现采样资源充分融合与采样数据异常有效应对的保护弹性提升。(3)提出基于虚拟量测“补充”的抗采样数据缺失弹性保护方法:通过虚拟量测计算取得采样补充,结合各项故障判据产生保护系统的保护特征,进而与各故障场景下的保护特征期望值进行匹配,筛选故障场景并据此构造网络化的保护补充动作判据,实现采样资源灵活互补与采样数据缺失有效应对的保护弹性提升。(4)提出基于全集动作“等效”的配电网弹性保护动作策略:面向差异化的开关部署,提供网络化的多组开关逐步配合的全响应跳闸方式,取代完备断路器配置的跳闸方式。定义组合动作方式下的开关资源集,依托状态转移理论对故障处理过程中开关资源集的变化情况进行跟踪,并基于开关资源集的动态优选,实现开关动作最优组合与最优配合的保护弹性提升。(5)提出基于动态配合“加速”的配电网弹性保护时序优化策略:面向多元化的保护原理应用及差异化的保护元件部署,提供兼顾配置层面初始时序整定与运行层面时序动态调整的两级时序优化方法及网络化的通信实现机制,据此开展动态的保护响应情况信号提取,实现配合关系自动调节与保护加速动作的保护弹性提升。(6)基于网络化的配电网弹性保护的实现与工程应用:基于本文提出的弹性保护方法,与继电保护厂家合作研发了配电网网络化弹性保护装置与系统,通过了第三方权威机构检验和RTDS闭环系统测试,已在南方电网某智能电网示范工程挂网运行。本文得到国家自然科学基金项目与多项南方电网科技项目的资助。相关研究成果获得南方电网公司科学技术进步一等奖,中国电力科技一等奖。
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