智能電網(wǎng)對繼電保護發(fā)展的影響

邵寶珠,王優(yōu)胤,宋 丹

（1.東北電力科學(xué)研究院有限公司,遼寧 沈陽 110006; 2.華北電力大學(xué),河北 保定 071003;3.東北電網(wǎng)有限公司,遼寧 沈陽 110181）

智能電網(wǎng)是當今世界電力系統(tǒng)發(fā)展變革的最新動向,被認為是21世紀電力系統(tǒng)重大科技創(chuàng)新和發(fā)展趨勢。作為全球最大的公用事業(yè)企業(yè),國家電網(wǎng)公司根據(jù)我國特高壓電網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃,結(jié)合大力發(fā)展風(fēng)電等清潔新能源政策,充分考慮世界電網(wǎng)發(fā)展新趨勢及我國電網(wǎng)現(xiàn)狀,提出了建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅強電網(wǎng)為基礎(chǔ),利用先進的通信、信息和控制技術(shù),構(gòu)建以信息化、自動化、數(shù)字化、互動化為特征的自主創(chuàng)新、國際領(lǐng)先的堅強智能電網(wǎng)的戰(zhàn)略發(fā)展目標;形成了“一個目標、兩條主線、三個階段、四個體系、五項內(nèi)涵、六個應(yīng)用環(huán)節(jié)”的發(fā)展戰(zhàn)略框架;制定了從發(fā)電到用戶各應(yīng)用環(huán)節(jié)和通信信息平臺的發(fā)展路線;明確了總體發(fā)展目標、分階段建設(shè)目標和重點工程,并對社會綜合經(jīng)濟效益進行了初步分析評估。

智能電網(wǎng)將極大地改變傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的形態(tài),電子式互感器、數(shù)字化變電站技術(shù)、廣域測量技術(shù)、交直流靈活輸電及控制技術(shù)的大量應(yīng)用,必然對電力系統(tǒng)繼電保護帶來影響。

1 智能電網(wǎng)的定義和特點

盡管各國專家針對提高電網(wǎng)智能化水平及等級已經(jīng)達成共識,但是,智能電網(wǎng)仍處于起步研究階段,尚無明確的定義。由于發(fā)展環(huán)境和驅(qū)動因素不同,各國的電網(wǎng)企業(yè)和組織均以自己的方式理解智能電網(wǎng)。對智能電網(wǎng)進行研究和實踐,各國智能電網(wǎng)發(fā)展的思路和重點也各不相同。因此,智能電網(wǎng)的概念處于不斷豐富、發(fā)展階段。

1.1 美國

美國電力科學(xué)研究院定義的智能電網(wǎng)可以描述為以下5個主要特征。

a.自愈性

復(fù)雜的電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)能夠預(yù)測并及時應(yīng)對系統(tǒng)問題以避免或減少故障失電和電壓不穩(wěn)等電力供應(yīng)質(zhì)量問題。

b.安全性

電網(wǎng)可以在自然狀態(tài)和計算機監(jiān)控狀態(tài)下更安全運行,新技術(shù)的應(yīng)用和新設(shè)備的配置能夠更好地識別和應(yīng)對人為破壞及自然侵害。

c.兼容性

電網(wǎng)能夠支持廣泛分散電源的使用。標準化的電力網(wǎng)絡(luò)通信平臺和通信界面接點將使用戶可以就地連接燃料電池、風(fēng)能、生物能等可再生能源發(fā)電及其它分散的電源,并以簡單的“即插即用”方式使用。

d.交互性

用戶可以更好地控制自己的用電設(shè)備、裝置,無論是家庭用戶還是工商業(yè)用戶,電網(wǎng)將與智能建筑物的能源管理系統(tǒng)相連,以幫助用戶管理其能源使用,并減少能耗開銷。

e.高效性

電網(wǎng)將達到更優(yōu)化的輸配量比,從而減少電力成本。電網(wǎng)的升級將提高輸電網(wǎng)的輸送能力,使輸送容量最優(yōu)化,減少損耗,使最低成本發(fā)電的電源得到最高利用率。同時可以更好地協(xié)調(diào)電力輸送與當?shù)刎摵傻钠ヅ?、地區(qū)間能源流動與通信傳輸量之間的關(guān)系。

1.2 歐盟

歐盟委員會將智能電網(wǎng)的特性概括為：一是靈活性,滿足用戶對電力的多樣化需求;二是易接入性,保證所有用戶都可接入電網(wǎng),尤其是高效清潔的太陽能、生物能等可再生能源發(fā)電能夠就地入網(wǎng);三是可靠性,提高電力供應(yīng)的可靠性與安全性;四是經(jīng)濟性,通過改革及競爭調(diào)節(jié)實現(xiàn)最有效的能源管理,提高電網(wǎng)的經(jīng)濟效益。

1.3 我國國家電網(wǎng)公司

國家電網(wǎng)公司對堅強智能電網(wǎng)的基本特征的定義為技術(shù)上體現(xiàn)信息化、數(shù)字化、自動化、互動化;管理上體現(xiàn)集團化、集約化、精益化、標準化。信息化是堅強智能電網(wǎng)的實施基礎(chǔ),實現(xiàn)實時及非實時信息的高度集成、共享與利用;數(shù)字化是堅強智能電網(wǎng)的主要實現(xiàn)形式,定量描述電網(wǎng)對象、結(jié)構(gòu)、特性及狀態(tài),實現(xiàn)各類信息的精確高效采集與傳輸;自動化是堅強智能電網(wǎng)的重要實現(xiàn)手段,依靠先進的自動控制策略,實現(xiàn)電網(wǎng)運行控制自動化水平的全面提高與管理水平的全面提升;互動化是堅強智能電網(wǎng)的內(nèi)在要求,實現(xiàn)電源、電網(wǎng)和用戶的友好互動和相互協(xié)調(diào)。堅強可靠、經(jīng)濟高效、清潔環(huán)保、透明開放、友好互動是堅強智能電網(wǎng)的基本內(nèi)涵。堅強可靠是具有堅強的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、強大的電力輸送能力和安全可靠的電力供應(yīng)能力;經(jīng)濟高效是提高電網(wǎng)運行和輸送效率,降低運營成本,促進能源資源和電力資產(chǎn)的高效利用;清潔環(huán)保,促進可再生能源開發(fā)和利用,降低能源消耗和污染物排放,提高清潔電能在終端能源消費中的比重;透明開放是電網(wǎng)、電源和用戶的信息透明共享,電網(wǎng)無歧視開放;友好互動是實現(xiàn)電網(wǎng)運行方式的靈活調(diào)整,友好兼容各類電源和用戶接入與退出,促進發(fā)電企業(yè)和用戶主動參與電網(wǎng)運行調(diào)節(jié)。

2 智能電網(wǎng)對繼電保護的影響

智能電網(wǎng)是以物理電網(wǎng)為基礎(chǔ),充分利用先進的傳感測量技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)、新能源技術(shù),把發(fā)、輸、配、用各環(huán)節(jié)互聯(lián)成一個高度智能化的新型網(wǎng)絡(luò)。作為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定第一道防線的繼電保護,按傳統(tǒng)電網(wǎng)進行設(shè)計和配置不能適應(yīng)于智能電網(wǎng)。智能電網(wǎng)的技術(shù)特點將影響現(xiàn)有繼電保護的應(yīng)用。

a.數(shù)字化

智能電網(wǎng)的一個重要特征是數(shù)字化,對繼電保護而言：一是測量手段的數(shù)字化,廣泛采用電子式互感器和數(shù)字接口;二是信息傳輸方式的數(shù)字化,傳統(tǒng)變電站采用的模擬量電纜傳輸和狀態(tài)量電纜傳輸方式將被以光纖為媒介的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字傳輸所代替。

電子式互感器的優(yōu)越性在于其采用光電轉(zhuǎn)換原理進行測量,體積小、絕緣性能好。對繼電保護其最大的優(yōu)勢是傳輸頻帶寬、暫態(tài)性能好,不存在電磁式互感器和電容式電壓互感器等傳統(tǒng)互感器的測量誤差和暫態(tài)特性,能很好地將電力系統(tǒng)運行狀態(tài)信號傳到二次側(cè)。隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)及智能化儀器、設(shè)備的推廣,傳統(tǒng)的互感器將逐步退出運行。

電子式互感器采用網(wǎng)絡(luò)接口,通過網(wǎng)絡(luò)保護裝置和智能斷路器連接,大大簡化了二次回路接線,易于維護。

b.網(wǎng)絡(luò)化

近年來基于IEC61850標準的數(shù)字化變電站建設(shè)逐步鋪開,已出現(xiàn)500 kV全數(shù)字化示范變電站,各網(wǎng)、省公司都在大力推廣數(shù)字化變電站建設(shè)。

數(shù)字化變電站最大的特點是IEC61850采用分布分層的結(jié)構(gòu)體系,面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)統(tǒng)一建模,數(shù)據(jù)自描述,采用抽象通信服務(wù)接口（ACSI）和特殊通信服務(wù)映射（SCSM）技術(shù),實現(xiàn)智能設(shè)備間的互操作能力,面向未來的開放體系結(jié)構(gòu)。

對繼電保護來說,數(shù)字化變電站的網(wǎng)絡(luò)化帶來了2方面的變革：一是信息獲取,雖然繼電保護主保護的功能仍然是“自掃門前雪”,但由于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓蚕硇?可以獲取全站相關(guān)設(shè)備元件的信息（電氣量信息）;二是信息發(fā)送,由于采用帶數(shù)字接口的智能斷路器,跳合閘等控制信號的傳輸方式也由二次電纜改為數(shù)字信號的網(wǎng)絡(luò)傳輸。

c.廣域化

近年來,隨著我國電網(wǎng)信息化進程不斷推進,大多數(shù)網(wǎng)、省公司都在大力推進基于PMU的WAMS網(wǎng)絡(luò)建設(shè),繼電保護信息專用網(wǎng)絡(luò)也已初步建成,將成為智能電網(wǎng)控制的重要環(huán)節(jié)。雖然WAMS網(wǎng)絡(luò)和繼電保護信息系統(tǒng)建設(shè)的初衷不是為繼電保護服務(wù),但利用其提供的廣域信息來提高后備保護的性能、提高安全自動裝置的性能卻值得思考。

d.輸電靈活化

智能電網(wǎng)的一個最大特點就是輸電效率的提高,控制手段的靈活。智能電網(wǎng)中必然大量采用諸如可控串聯(lián)補償裝置、靜止無功補償裝置、電能質(zhì)量控制裝置、統(tǒng)一潮流控制器及STATCOM等交流靈活輸電技術(shù)。另外,我國電網(wǎng)的交直流混合輸電的特征也使電網(wǎng)中非線性可控電力元件數(shù)量大大增加。以電力電子器件的廣泛應(yīng)用為特征的智能電網(wǎng)的故障暫態(tài)過程與僅有同步發(fā)電機等旋轉(zhuǎn)元件的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)將有顯著的不同。

電網(wǎng)暫態(tài)過程的復(fù)雜性及電網(wǎng)運行方式靈活控制造成的多變性,使現(xiàn)有繼電保護裝置面臨較大考驗。

3 值得關(guān)注的繼電保護相關(guān)問題

近年來,由于信息技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展,繼電保護專業(yè)得到了較大的發(fā)展,繼電保護裝置的可靠性、功能的完善性、操作的方便性及操作界面的人性化等要求已基本滿足。我國繼電保護在原理上能夠滿足我國電網(wǎng)運行的要求。

智能電網(wǎng)的規(guī)劃和發(fā)展改變了電能傳輸?shù)哪承┨攸c,信息化和數(shù)字化的特征使智能電網(wǎng)與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)產(chǎn)生了本質(zhì)的差別,作為繼電保護專業(yè),也需要適應(yīng)其發(fā)展,進行相關(guān)的研究工作。

a.利用數(shù)字化提高保護性能

互感器傳輸性能的提高和互感器故障的減少使繼電保護不需要再考慮電流互感器飽和、二次回路斷線、二次回路接地等互感器故障問題。電氣量信息傳輸?shù)恼鎸嵭砸矠槔^電保護裝置性能的提高帶來了便利條件。如何簡化繼電保護的輔助功能,利用數(shù)字化傳感器提高繼電保護的整體性能,是未來繼電保護發(fā)展需要研究的核心問題。

b.網(wǎng)絡(luò)化將改變繼電保護的配置形態(tài)

基于IEC61850網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化變電站改變了傳統(tǒng)繼電保護信息獲取和信號發(fā)送的媒介,利用網(wǎng)絡(luò)上共享的站內(nèi)其它相關(guān)電氣元件的信息提高主保護的性能,利用共享的控制信號網(wǎng)絡(luò)簡化繼電保護配置,是智能電網(wǎng)中繼電保護研究的前沿性問題。

網(wǎng)絡(luò)化帶來共享信息的同時,也帶來基于網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)目煽啃院桶踩詥栴}。與傳統(tǒng)二次電纜的傳輸方式不同,控制信號傳輸網(wǎng)絡(luò)的可靠性必須得到保證。數(shù)字化變電站條件下繼電保護的可靠性問題及如何進行保護配置保證可靠性是網(wǎng)絡(luò)化二次回路的關(guān)鍵問題。

c.提高安全自動裝置性能

PMU和WAMS網(wǎng)絡(luò)為電力系統(tǒng)防御和緊急控制提供廣域信息,能夠利用其已建成的網(wǎng)絡(luò),提高對時間敏感性不強的后備保護和安全自動裝置的性能,改變現(xiàn)有保護和安全自動裝置的延時整定原則,使其能夠在某些情況下及時判斷系統(tǒng)故障,采取措施避免大停電等惡性事故的發(fā)生。

d.繼電保護新原理與新技術(shù)

風(fēng)能、太陽能、生物能等新能源接入的隨機性,使電網(wǎng)接入安全問題日益受到重視,相應(yīng)的調(diào)度方式在智能電網(wǎng)背景下將更快、更靈活地調(diào)整傳輸方式和潮流方向。以電力電子控制為依托的電網(wǎng)靈活控制方式將改變傳統(tǒng)電網(wǎng)的故障暫態(tài)特征,研究適應(yīng)智能電網(wǎng)靈活控制的繼電保護新原理與新技術(shù)是智能電網(wǎng)中繼電保護相關(guān)研究的一個關(guān)鍵問題。

e.在線整定技術(shù)

自適應(yīng)保護的思想在繼電保護領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用,限于條件,傳統(tǒng)的自適應(yīng)保護僅能根據(jù)被保護線路的運行情況對定值進行調(diào)整,不能利用全網(wǎng)信息準確、實時地判斷運行方式來調(diào)整定值。智能電網(wǎng)的發(fā)展有望改變這一現(xiàn)狀,從而實現(xiàn)在線整定。

4 結(jié)束語

智能電網(wǎng)的建設(shè)是電力系統(tǒng)的一次重要變革,是電網(wǎng)未來的發(fā)展方向。如今,智能電網(wǎng)的建設(shè)已經(jīng)開始,建設(shè)過程中新技術(shù)和新設(shè)備的應(yīng)用將給繼電保護專業(yè)領(lǐng)域帶來革命性的變化。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的推進,相關(guān)研究的深入,繼電保護專業(yè)要適應(yīng)電網(wǎng)需求向智能化方向發(fā)展,跟進電網(wǎng)建設(shè)步伐,為智能電網(wǎng)建設(shè)提供技術(shù)支持。

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