电力系统微网化对电力安全的影响.pdf

84 Vol.40,No.2February,2024第 40 卷第 2 期2024 年 2 月IT REPORT1 电力系统微网概述电力系统微网，也称为分布式能源系统或微电网，是一种新型的能源系统，主要由分布式能源、储能装置、能量转换装置、监控和保护装置等组成1。在运行中，电力系统微网能够为人们提供安全、可靠、环保的电力能源，这使得微网逐渐成为电力系统发展的重要方向之一。特别是在“碳达峰、碳中和”背景下，电力系统微网化大有可为，是电力行业乃至全社会的一项重要议题。微电网作为一种小型电力系统，其建设初衷是帮助社会解决电力能源供应紧张的问题。在微网内部，包含了多种能源，如太阳能、风能、生物质能等，这些能源经转换和储存后，可满足微网内部的电力需求。同时，微网也可与大电网进行连接，实现电力的互通和互补。微网的概念最早由美国 CERTS 合作组织于 2003 年电力系统微网化对电力安全的影响李贻斌1，许峰1，徐辉1，洪梅1，俞雪阳2（1.安徽中鑫继远信息技术股份有限公司，安徽合肥230031；2.智能配电网安徽省重点实验室，安徽合肥230031）摘要：本文研究电力系统微网化对电力安全的影响。首先介绍了电力系统微网化的概念和优势，随后分析了微网化对电力安全的影响，包括对传统保护措施的挑战、对电能质量的影响，以及对系统稳定性的影响等。针对这些问题，提出了一系列微网化安全保护策略，包括过流保护、距离保护、差动保护等传统保护措施，以及基于电压量的保护、智能算法保护等新型保护措施，旨在为电力系统的发展提供参考。关键词：电力系统；微网化；电力安全中图分类号：TM714文献标志码：A文章编号：1672-4739（2024）02-0084-03The Impact of Microgrid in Power Systems on Power SafetyLI Yibin1，XU Feng1，XU Hui1，HONG Mei1，YU Xueyang2（1.Anhui Zhongxin Jiyuan Information Technology Co.,Ltd.,Hefei 230031,China;2.Key Laboratory of Intelligent Distribution Network in Anhui Province,Hefei 230031,China）Abstract：This article studies the impact of microgrid in power systems on power security.Firstly,the concept and advantages of microgrid in power systems were introduced,followed by an analysis of the impact of microgrid on power safety,including challenges to traditional protection measures,impact on power quality,and impact on system stability.A series of microgrid security protection strategies have been proposed to address these issues,including traditional protection measures such as overcurrent protection,distance protection,differential protection,as well as new protection measures such as voltage based protection and intelligent algorithm protection,aiming to provide reference for the development of power systems.Keywords：power system；microgrid；electricity safety提出，2005 年，欧洲提出“智能电网”概念，表明经济、灵活、可靠将是未来电网的主流特色2。我国电力系统微网化整体起步较晚，但在政策环境的影响下，近年来电力系统微网化实践得如火如荼，研究微电网的电力院所与高校日益增多，微电网示范工程建设范围也逐步扩大，这显示出了电力微电网良好的发展趋势与广阔的发展前景。现阶段看来，微网的特点主要表现在以下几方面：（1）独立性：微网可独立运行，不需依赖大电网，有一定的自治能力。（2）灵活性：微网可根据需要，实现多种能源的自由转换和储存，具有一定的灵活性和可调性。（3）高效性：微网采用了先进的能源转换和储存技术，具有较高的能源利用效率和电力供应可靠性。（4）环保性：微网主要使用可再生能源实现运行，具有较低的碳排放量。总之，随着能源结构和电力系统的日益优化，微网在电力系统中的地位日渐受到关注。通过对微网进行优化，可实现对电力系统的整体升级，提高电力供应的安全性和可靠性。收稿日期：2023-12-08作者简介：李贻斌（1971.09-），男，汉族，安徽合肥人，中级工程师，本科，研究方向：电力工程。85 Vol.40,No.2February,2024第 40 卷第 2 期2024 年 2 月IT REPORT2 电力系统安全运行的影响因素2.1 设备因素设备是电力系统的物质基础，其性能和质量，直接影响电力系统的安全运行。随着使用时间的增长，设备的性能会逐渐降低，故障率也会增加，对电力系统的安全运行产生影响。同时，设备维护不当，也会导致设备故障频发，如电力企业在日常管理中，并未及时发现并修复设备的潜在问题，或者未能按照规定，对设备进行定期维护和保养，就会增加设备故障的风险，进而降低电力系统的安全性。因此，在电力系统微网化背景下，为保障电力系统的安全运行，须采取有效的措施，提高设备的可靠性，延长设备的寿命。例如，可针对设备，做好日常维护和保养工作，定期检查设备的运行状态，及时发现并修复设备的潜在问题，以降低设备故障的风险。2.2 网络因素在电力系统微网化背景下，网络因素也是影响电力系统安全运行的重要因素，网络结构不合理、信息传输不畅等情况，都会降低电力系统的稳定性。例如，网络结构过于复杂、节点过多等问题，会导致信息传输出现延迟和故障，从而影响电力系统的稳定性和可靠性。同时，网络安全问题也会对电力系统的安全运行产生影响。例如，网络病毒和黑客攻击等问题，就会破坏电力系统的正常运行，甚至造成系统的瘫痪与数据的泄露。因此，为保障电力系统的安全运行，须采取有效的措施来保障网络的安全性和稳定性。例如，可通过优化网络结构、减少节点数量，提高信息传输的效率和可靠性，并建立网络安全防护措施，如防火墙、入侵检测系统等，以减少网络因素对电力安全造成的影响。2.3 人为因素人为因素对电力系统微网运行安全的影响也是较为显著的。具体而言，电力人员误操作、误调度，就会导致电力系统运行不稳定，甚至发生事故。例如，在工作中，操作人员未能严格按照操作规程进行操作，就有可能引发电力事故。另外，外力破坏和恶意攻击，也会对电力系统的安全运行产生影响，如恐怖袭击、自然灾害等不可抗力因素，就会对电力系统造成破坏。因此，为了保障电力系统的安全运行，电力企业须采取有效的措施，提高工作人员的素质和技能水平。例如，可加强对人员的培训和管理，制定完善的操作规程和调度制度，提高人员的安全意识和责任心，以减少因人为因素引发的电力系统安全事故。3 电力系统微网化对电力安全的影响3.1 微网化对传统保护措施的挑战传统的电力系统保护措施，主要是针对单一线路或设备进行保护，而实现微网化后，系统的运行方式发生了变化，这使得传统的保护措施难以满足要求。例如，微网内部存在多个分布式能源，其相互之间的作用，可能会导致故障定位、隔离变得更加困难。同时，微网中的分布式能源具有自我管理和控制能力，这也使传统的保护措施无法有效地发挥作用。因此，需针对电力系统微网化的特点，重新设计、优化保护措施。3.2 微网化对电能质量的影响（1）谐波污染：微网中的分布式能源通常采用电力电子转换器进行并网运行，而电力电子转换器易产生谐波污染。如果谐波含量过高，电力系统的正常运行将受到不利影响。（2）电压波动：微网中的负荷具有波动性，其变化会对电压产生影响。特别是在高负荷情况下，电压波动会更加明显，进而影响电力系统的正常运行3。（3）频率波动：由于微网中的分布式能源采用并网运行的方式，其功率波动将会对电力系统的频率产生影响。如果频率波动过大，将会对电力系统的稳定性产生不利影响。3.3 微网化对系统稳定性的影响（1）负荷波动：微网中的负荷具有波动性，其变化会对电力系统的负荷平衡产生影响。特别是在高负荷情况下，负荷波动会更加明显，进而影响电力系统的稳定性。（2）继电保护问题：微网中分布式能源的接入和退出，会对电力系统的继电保护产生影响。如果保护措施不当，可能会导致保护误动或拒动，进而影响电力系统的稳定性。4 电力系统微网网络安全优化路径4.1 微网优化模型的建立（1）明确优化目标：在对电力微网实施优化前，技术人员首先应制定明确的优化目标，如降低能量损耗、提高供电可靠性等。在确定优化目标时，需考虑电力系统的实际情况和各种约束条件，例如设备性能限制、网络结构限制等。（2）选择合适的优化变量：优化变量主要包括分布式能源的种类和容量、储能装置的容量和位置等。对优化变量的选择，要根据实际情况来确定，并考虑各种约束条件。例如，对于分布式能源的种类和容量，需考虑电力系统的实际需求和各种能源的特性，对于储能装置的容量和位置，则需考虑电力系统的负荷特性和能源的转换效率等因素。（3）建立数学模型：根据优化目标和优化变量，技术人员可建立相应的数学模型。该数学模型应包括目标函数、约束条件等内容。其中，目标函数主要用于衡量优化的效果，约束条件主要用于限制优化变量的取值范围。（4）确定优化算法：在建立数学模型后，技术人员需选择合适的优化算法进行求解。目前在电力系统安全优化方面，常用的算法包括遗传算法、粒子群算法、模拟退火算法等。这些算法各有其优缺点，技术人员需根据实际需求，选择合适的算法进行优化。例如，遗传算法具有全局搜索能力强、寻优性能好的优点，但也有可能出现早熟收敛等问题；粒子群算法寻优速度较快、全局搜索能力强，但也有可能出现后期搜索速度变慢等问题；模拟退火算法 86 Vol.40,No.2February,2024第 40 卷第 2 期2024 年 2 月IT REPORT具有概率意义上的全局搜索能力，但也有可能出现计算量较大的问题。4.2 选择合适的安全保护机制在电力系统微网中，安全保护机制是确保系统稳定运行、防止故障扩大的重要手段。当微电网发生故障时，安全保护机制能够及时识别、定位、切除故障，并使电网恢复稳定运行。技术人员可根据算法模型，选择最为合适的保护技术进行应用，目前常用的安全保护技术如下：（1）过流保护：过流保护的主要功能是避免因电力系统过载或短路，导致设备损坏、引发火灾等安全事故。过流保护装置通常被安装在电源和负载之间，当电流超过设定值时，保护装置会立即切断电源，防止电流继续增加。（2）距离保护：距离保护是一种根据输电线路上的电压和电流信号，判断故障位置并切断故障区域的保护措施。它主要适用于高压输电线路，通过测量输电线路上的电压和电流信号，可计算出输电线路的阻抗，当阻抗值发生变化时，说明输电线路中存在故障，此时，保护装置会立即切断电源，防止故障扩大4。（3）差动保护：差动保护是一种利用电流差值判断故障位置，并切断故障区域的保护措施，它一般更加适用于变压器、电动机等旋转设备。在运行中，差动保护装置会比较设备两侧的电流大小和相位差，当差值超过设定值时，说明设备存在故障，保护装置会立即切断电源，防止设备进一步受损。（4）基于电压量的保护：基于电压量的保护，是指通过监测电力系统的电压信号来判断系统是否存在故障的一类方法，包括欠压保护、过压保护和电压不平衡保护等。其中，欠压保护的主要功能是在电压低于设定值时，立即切断电源，而过压保护主要是为了避免因电压过高，导致设备损坏或引发火灾等安全事故，当电压高于设定值时，保护装置会切断电源，电压不平衡保护主要是用来检测三相电压是否平衡，以判断系统中是否存在故障。（5）智能算法保护：智能算法保护指的是利用人工智能技术，对电力系统进行监测和诊断，以及时发现并处理故障的技术。常见的智能算法包括神经网络、支持向量机、模糊逻辑等。这些算法可学习电力系统的正常运行状态和故障特征，并对其进行分类和预测。当系统出现异常时，智能算法可迅速识别并定位故障位置，采取相应的保护措施。（6）故障电流补偿法：故障电流补偿法，是一种通过补偿故障电流，提高系统稳定性、可靠性的保护措施。当电力系统发生故障时，故障电流会对系统的稳定性和可靠性产生负面影响。通过补偿故障电流，可降低其对系统的影响，提高系统的鲁棒性。常见的故障电流补偿方法包括串联补偿和并联补偿等。（7）自适应保护：自适应保护是一种能够自动适应电力系统运行状态变化的保护措施。随着电力系统的发展，传统的保护措施常常难以满足系统的需求，而自适应保护可根据系统的实时运行状态，调整自身的参数和性能，提高保护的准确性和可靠性。常见的自适应保护包括自适应继电保护、自适应短路检测等。4.3 加强网络安全管理为提升电力系统微网运行的安全性，电力企业也应采取一系列管理措施。具体如下：（1）加强网络设备维护和管理：对于电力系统微网而言，网络设备是连接各组件、实现信息传输的重要基础设施5。因此，对网络设备进行定期检查和维护是很有必要的。在智能电网背景下，企业应定期检查设备的运行状态，关注软件版本的更新是否及时，并定期查找系统漏洞，确保设备性能稳定且符合安全标准，达到防范网络安全威胁的目的。（2）加强人员培训和管理：企业应加强人员培训和管理，提高工作人员对电力网络安全问题的认知和处理能力。具体而言，应定期开展安全培训活动，提高人员的安全意识；应建立完善的管理制度，规范人员的操作行为和管理流程；应加强对外来人员的管理，禁止未经授权的人员访问和操作微网设备。（3）建立完善的安全管理体系：为更好地保障电力系统微网的安全运行，企业需建立一个完善的安全管理体系。该体系具体应包括安全策略、管理制度、技术规范等各个方面，以确保各项安全措施的有效执行，以及管理水平的持续提升。同时，企业还应不断改进和完善管理体系，以适应日益变化的网络安全威胁和市场需求。通过实施这一系列措施，企业可有效地提高电力系统微网的安全性和可靠性，促进电力系统的持续发展。5 结语综上所述，电力系统微网化在带来诸多优势的同时，也对电力安全产生了深远的影响。为应对这些挑战，相关工作者需深入研究微网化对电力安全的影响机制，并采取相应的措施，加强电力系统的安全保护，确保电力系统在微网化趋势下，能够始终安全、稳定地运行，为电力能源的发展提供有力支撑。参考文献：1 黄超,陈湘岳,周琳等.“双碳”目标下灵活性资源的多维度实时调控模型J.可再生能源,2023,41(09):1255-1262.2谭九鼎,李帅兵,李明澈等.计及不确定性的分布式微网参与电网优化调度方法综述 J.综合智慧能源,2024,46(01):38-48.3 杨冬锋,王轶琳,杨士慧等.基于混合博弈的多微网-共享储能双层能量交易策略J/OL.高电压技术:1-182024-03-27.4杨沐岩.从 IT 到能源，电力电子企业为何转向储能N.中国能源报,2023-07-24(007).5赖金龙.分布式能源在配电系统中的接入与运行策略J.农村电工,2023,31(07):30-31.