新型低压配电系统特征、关键问题与技术展望

刘文科

摘要：现如今，人们的生活质量在不断提高，对于电力的需求在不断加大，新能源分布式应用是支撑国家实现“碳达峰、碳中和”战略目标的重要构成方式，势必对低压配电系统形成革命性的冲击，对传统的规划、运行、维护等方式提出了全新的挑战。首先，分析了中国低压配电系统的元素与形态变化，介绍各个环节的发展现状与面临问题。其次，从透明化、低碳化、互动化、灵活化、多元化等5维度分析了新型低压配电系统的典型特征，并提出了其特征显著度定量评价指标。最后，从电能质量、可靠性、经济性和安全性4大关键问题出发，探讨了支撑新型低压配电系统的四大关键技术并展望了其未来发展方向。

关键词：新型电力系统；碳中和；新能源；数字孪生；云边协同

引言

选择性保护主要是指配电系统中有两个或以上的保护装置时，通过保护装置的动作特性来进行协作，一旦有一个部分出现短路或是接地之类的过流现象，负责该范围的保护装置便会动作，对故障发生位置进行切除，而除了发生故障范围之外的所有保护装置都不进行任何动作。换句话说，选择性保护便是指在低压配电系统当中有某个部分出现了过流故障，配电系统当中的电气设备应该按照预先设定好的动作顺序来进行开断动作，任何的越级脱口情况都是不可以出现的。选择性保护对于低压配电系统来说有着相当重要的保护意义，其必须要有相当高的可靠性，保证低压配电系统在出现短路或是过流故障的时候，保护装置的切除动作及时且有效，这样一来才能够确保停电的范围被最大限度地控制住。

1新型选择性保护概述

从电源侧(10kV/0．4kV的变压器出口)到负载端，共分3个层级，各层级的支路配有快速分断机构QF、支路电压和电流传感器、短路故障早期检测及其趋势预测装置，以及智能控制平台。各支路的检测及预测装置通过采集信号实时在线监测支路状态，一旦检测到故障后就开启故障趋势预测程序，然后将故障信息、分断机构自身状态等信息通过高速信道发送给智能控制平台。智能控制平台根据各支路汇报的信息，综合考虑故障支路、支路分断机构的分断能力，决策出应进行动作的快速分断机构，并下达动作命令，实现多层级全范围的选择性保护。要真正实现本文所述的新型选择性保护，应解决以下几点关键技术问题:(1)短路故障早期检测技术。目前无论传统型或是智能型的短路保护大多以全电流值是否大于整定值作为短路故障的判据。用形态小波算法分解短路电流的细节分量，可在短路电流发展的萌芽阶段快速检测出故障，为后续短路电流预测、高速通信及快速分断赢得时间，为整个选择性保护奠定基础。(2)短路电流趋势预测技术。短路电流的峰值水平与故障位置、故障类型都有关，且随着电力系统规模的扩大，会出现短路电流容量超过设备保护能力的情况。对短路电流进行实时在线预测或计算，可为中央控制平台提供选择性保护的决策依据。(3)高速通信技术。新型选择性保护与传统选择性保护的最大区别在于实现信息的有效交互。高速通信技术是实现信息交互的桥梁，确保通信协调过程的快速、可靠，才能在故障检测与预测的基础上实现保护的选择性。(4)短路电流快速分断技术。采用涡流斥力快速分断机构结构简单、响应时间短、动作速度快、短路分断能力强，并且可控性好，适用于新型的选择性保护技术。

2新型低压配电技术展望

2.1柔性化终端负荷形态

除了在能源供给侧推进清洁能源替代，国家还在能源消费侧推进电能替代。发展EV成为交通领域低碳化和电能替代的重点工作。截止2021年6月，全国新能源汽车保有量达603万辆，其中纯电动汽车占比高达81.7%，全国低压充电基础设施累计数量182.7万台，同比增加42%。由于EV充电负荷周期性强、负荷基数大等特点，容易在短时间内形成充电负荷高峰，一旦叠加传统负荷高峰，将会极大考验低压系统的供电能力，可能会引发低压系统全面过载、电能质量劣化等运行问题。所幸EV同时具备柔性负荷的特性，是一种可通过主动参与电网运行控制，与电网进行能量互动的负荷。传统低压配电网负荷是基本上被认定为刚性的，随着辅助服务、现货交易、需求侧响应、虚拟电厂、隔墙售电等电力市场政策的逐步完善，低压系统的负荷形态也将由不可控的刚性越来越多地转变为灵活可控的柔性，成为NLDC的关键特征和解决DG超高渗透率消纳的重点手段。

2.2确定选择性保护的形式

选择性保护技术主要分为两种，分别是全选择性保护以及部分选择性保护。全选择性保护指的是，当上下级断路器之间出现故障并且故障位于下级断路器的保护范围当中，故障的电流保持在过载整定值和三相短路电流值之间的情况下，下级断路器负责进行跳闸动作来切除故障，而上级断路器不进行任何动作，保障保护的选择性；而部分选择性保护则是指在故障电流超过了某个预定值的时候，上下级断路器的特性曲线存在交点，导致保护的全部选择性难以得到保证，在这样的情况下，在某个较低的故障电流值以下，上下级断路器进行选择性配合。在为低压配电系统选择短路器时，上下级断路器之间具有全部选择性，若是不能够保障全部选择性保护，便只能够稍微让步选择部分选择性配合。

2.3低压直流配电系统及其保护

考虑到低压直流配电网的可靠性，其拓扑结构力求简洁适用，主要包括辐射型、两端型(多端型)和环型。低压直流配电网经换流器与交流配电网连接，同时各类分布式电源通过变换器接入直流系统，为直流负载提供电能。低压直流配电网的保护是直流配电网推广应用必须解决的关键技术，但直流配电系统故障特征的复杂性给保护的速动性、选择性和可靠性带来挑战。相较于交流配电网，直流配电网的故障特征主要有以下3个特殊之处:(1)直流线路中没有电抗，因此其阻抗远小于交流线路的阻抗，系统中相邻两个直流断路器保护范围内的短路电流差别小，导致基于时间和电流整定值配合的传统三段式保护的选择性无法保证。(2)直流线路中的电流没有自然过零点，灭弧困难，成熟的低压交流灭弧技术无法直接运用到直流配电网中。(3)当故障发生时，直流配电系统中的电力电子变流器与分布式电源均会向故障点注入电流，导致故障电流迅速上升，给直流配电网的保护方法与保护装置的快速性提出了更高的要求。

结语

综上所述，笔者通过对低压配电系统存在的问题进行粗浅的分析，希望能够让更多人清楚地认识到，低压配电系统作为一项涉及面较广、复杂度较高的电力工程，要想做好其管理工作，确保其运行可靠性与安全性，除了要具备过硬的电力技术能力以外，还必须要运用系统化的思维，现代化的管理理念思考低压配电系统的日常工作，从而最大限度地提高我国低压配电系统的质量与安全性能，更好地服务电力用户。

参考文献

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