智能配电网信息物理融合保护系统的研究_庄伟

A/D MCU
A/D
网络连接
数字信号
传感器头 (以罗氏线圈为例 )
EC/VT
图 2 CPDNRPS 中电子式互感器的结构
Fig. 2 Function structure of an EC/VT
2）网络保护单元（Cyber Protection Unit，CPU） 网络保护单元的功能结构如图 3 所示。其作用 是给装设位置的开关设备（即本地位置）提供继电 保护功能和人机界面，另外该装置更多情况下还将 通过网络交互信息来与其他的网络保护单元协作完 成功能，这也是为什么该装置称为“网络保护单元” 的原因。在 CPU 中，还具备处理 ECT 送来的信息 的功能，以适应不同算法的需要。与 ECT 中的处理 功能相比，CPU 将提供更复杂数据处理算法
开关状态 监视
网络连接
随着配电网数字化，网络化与智能化程度的提 高，以及微网和分布式发电概念的引入，国内外学 者针对智能配电网保护问题提出了诸多方法。针对 配电网保护；文献[11]将信息融合技术应用于故障 选线，综合各种故障选线方法，提出了基于馈线保 护额故障线路模糊识别技术及基于配电自动化的故
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电力系统保护与控制
这些新的保护方案都强调对局部电网的全局 保护信息进行深层次的融合与判断，而目前的配网 保护系统尚不能满足这一要求。
实现对物理世界的最优控制[19]。物理世界中，一个 系统的核心属性是它随时间变化的动态过程，而在 计算机网络中，这个过程变成了一连串没有时间含 义的状态变化。CPS 的研究核心既是物理过程，软 件和网络的共同的动态过程。为了描述这个过程， 一个统一的时间概念是必不可少的。在绝大多数物 理系统的模型中，时间概念或用连续的实数表示活 用离散的整数表示，文献[20]指出使用超密度时间 来描述 CPS 中的时间概念。在一些较小规模或专用 的嵌入式系统中，网络与软件计算的延时尚不对应 用造成工程上不可接受的影响，便略去了时间的 概念，这类嵌入式系统也也认为是初级的 CPS 系 统[21]。
图 1 传统继电保护装置与智能配电网保护 CPS 中的 保护装置的结构
Fig. 1 Structures of relay protection devices of traditional ones (a) and CPDNRPS ones (b)
本文提出的 CPDNRPS 如图 1（b）所示，每个 智能保护装置由三部分组成，即电子式电流/电压传
2 智能配电网继电保护 CPS 的构建
从上述对配电网继电保护系统发展现状的分析 不难看出，对电力配电网络来讲，数字化、网络化 和智能化程度不断提高是其发展的必然趋势，引入 新的计算、通信、和传感技术，并实现信息系统和 继电保护系统的更紧密、更深层次的融合与协作， 是构建满足智能配电网对继保系统要求的关键。信 息物理融合系统（Cyber-Physical System，CPS）为 解决这些问题提供了新的途径。CPS 是涉及信息系 统和物理系统交互与融合的一个新的研究领域。根 据美国国家科学基金会 NSF 的定义，CPS 是将计算 机（网络）与物理资源紧密而有机的结合所构成的 系统，通过这种结合可以给系统带来新的特性或显 著的性能提升，这些特性和提升都是难以通过其他 途径获得的。更具体地讲，CPS 即可以是集成了计 算系统、大规模通信网络、大规模传感器网络、控 制系统和物理系统的新型大规模互联系统，比如一 个国家的电网；也可以是小型的嵌入式装置或者系 统，比如心律调节器[18]。CPS 应具有对互联物理系 统进行实时监视、仿真、分析和控制的功能，其发 展的最终目标是使未来的物理系统具有目前尚不具 备的灵活性、自治性、高效率、高可靠性和高安全 性。CPS 研究的长期发展目标是成为一切大规模工 业系统的基础，而各个行业系统均将成为统一的 CPS 的子系统。CPS 与物联网概念有相似之处，两 者都强调物理实体的互联。建立物联网目的在于感 知物理世界，而 CPS 则在感知的基础上更进一步，
基金项目：上海市教育委员会科研创新项目（11CXY12）；中 央高校基本科研业务费专项资金资助项目（0800219170）
缺乏获取全局信息的技术手段，只能依靠局部信息 进行事故判别。
智能配电网的一个根本特征是支持分布式电 源的大量接入。配电网中分布式发电（DG）的接入 对其保护产生根本性影响，使得配电网的结构、潮 流方向发生显著变化，传统的阶段式电流保护将不 再有效。由多个 DG 加上储能系统组成的微网概念 的提出为解决这些问题提供了新的思路，使得 DG 对继电保护、短路电流的影响也转移为微网对电网 的影响[1-10]。
障线段聚类识别技术；文献[12]提出利用故障终端 装置监测到的暂态零模电流相似性来定位小电流接 地故障；文献[13]提出在未来智能电网中使继电保 护具有可重构功能的建议，并分析了继保系统在线 重构的需求和重构策略；文献[14]介绍了一种以多 功能保护控制器为核心的数字化集成保护与控制系 统，可利用冗余的广域信息提高保护与控制的性能。 关于微网；文献[15]中提出一种在多分布式电源系 统内，利用特定变换后的电压值通过通信信道进行 对比找出故障的方案；文献[16]提出在智能配电网 环境下利用智能电网中先进的传感器和开关设备， 通过多段时间配合与继电器间的通信来切除故障 DG，该方案可对高阻抗故障做出比较灵敏的反应； 文献[17]提出了直流微网中保护的原理并设计了相 应的保护系统。
Study on cyber-physical relaying protection system of intelligent distribution network
ZHUANG Wei, MU Long-hua (Department of Electrical Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China) Abstract: In order to realize a deeper fusion of the protection information of relay system in intelligent distribution network, the concept of cyber-physical system (CPS) which features a close integration of computational and physical elements is introduced. By applying this characteristic, a new cyber-physical distribution network relaying protection system which consists of embedded computation device, real-time communication network, electronic transformer and intelligent switching device is proposed. The function and structure of each unit are elaborated. The basic structure, function and key technology of the proposed system are discussed. At last, the differences between the execution modes of over-current protection and fault line detection in conventional and cyber-physical distribution network relaying protection system are expounded. And advantages of the new proposed system on executing complex protection algorithms are discussed. Key words: cyber-physical system (CPS); intelligent distribution network; relay protection; ground fault line detection; over current protection
第 40 卷 第 4 期 2012 年 2 月 16 日
电力系统保护与控制
Power System Protection and Control
智能配电网信息物理融合保护系统的研究
Vol.40 No.4 Feb. 16, 2012
庄 伟，牟龙华
（同济大学电气工程系，上海 201804）
摘要：为了实现智能配电网中继电保护系统信息在更深层次上的融合，引入信息物理融合系统（Cyber-Physical System， CPS）的概念，借助其计算机网络与物理系统紧密结合特点，提出了由嵌入式计算设备，实时通信网络、电子式互感器以及 智能开关设备组成的智能配电网信息物理融合保护系统。阐述了系统各个组成部分的功能及结构，给出该系统的基本结构并 讨论了其功能与关键技术。探讨了智能配电网信息物理融合保护系统中与传统继电保护系统中过流与选线保护执行方式的区 别及其优势所在。 关键词：信息物理融合系统（CPS）；智能配电网；继电保护；小电流接地选线；过流保护
基于上述背景，本文提出在现有的智能配电网 概念基础上，构造一种新型的智能配电网信息物理 融合保护系统（Cyber-Physical Distribution Network Relaying Protection System，CPDNRPS），作为下一 代配电网保护系统的基本架构。
1 信息融合物理系统
庄 伟，等 智能配电网信息物理融合保护系统的研究
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感器(EC/VT)；网络保护单元（Cyber Protection Unit， CPU）；智能开关设备（Intelligent Switching Device， ISD）。下面将分别对这三个概念详细介绍。
1）电子式电流/电压互感器(EC/VT) 传统互感器磁饱和特性给一些新保护原理的应 用带来限制。新兴的电子式互感器的精度可达 0.2%，并且动态特性和线性度都远远优于传统电磁 式互感器，近年来得到了广泛应用。在 CPDNRPS 中，这类传感器的一般结构如图 2 所示，A/D 传感 器、微处理器和网络单元都整合在 EC/VT 中，这样 的结构便于对采集的电气量信息进行必要的初步处 理、调节和补偿，以降低网络传输负担以及改善精 度，其结果通过网络连接发送至本地的或非本地的 网络保护单元上。
在配电网保护系统中，越来越多的设备采用嵌 入式系统结构。这在一定的程度上已经做到了计算 和物理世界的融合，即具备了 CPS 的初步特征。但 是，这些系统往往是独立的，基本不与其他装置交 换信息，或专门通过 SCADA 系统完成信息的互通。 这类装置的一般结构如图 1（a）所示。这样的结构 难以满足 CPDNRPS 对于实时信息交换的要求，更 不能发挥其优势。
中图分类号： TM773 文献标识码：A
文章编号： 1674-3415(2012)04-0113-06
0 引言
智能电网包括智能输电网和智能配电网两部 分，目前对于智能电网研究和实践大部分都集中在 配电网。在我国，配电网的发展明显滞后于发电、 输电，自动化、智能化程度以及自愈和优化运行能 力远低于输电网。配电系统中线路保护主要采用电 流保护方式，其中的速断保护作为线路主保护，瞬 时动作切除故障，过流保护作为线路的后备保护， 延时动作，采用重合闸装置以快速恢复瞬时性故障， 提高供电可靠性。这种保护配置在线路较长和保护 级数较多时影响设备寿命和恢复供电时间，各级间 难以整定配合，难以保证末端故障时保护的灵敏度，