智能電網(wǎng)中的廣域保護(hù)

孫 鑫,張幼明

（1.東北電力科學(xué)研究院有限公司,遼寧 沈陽 110006;2.東北電網(wǎng)有限公司,遼寧 沈陽 110180）

廣域保護(hù)是近幾年國內(nèi)外新興的一個(gè)研究課題,是建立在計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上,與大型互聯(lián)電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性要求密切相關(guān),尤其在1996年美國大停電、2003年夏季美加互聯(lián)電網(wǎng)崩潰事故和歐洲部分國家大范圍停電事故相繼發(fā)生之后,人們進(jìn)一步認(rèn)識到應(yīng)從整體或區(qū)域電網(wǎng)的角度加強(qiáng)繼電保護(hù)和自動控制,不僅要加強(qiáng)繼電保護(hù)本身的可靠性,還要使繼電保護(hù)和自動控制裝置的動作相配合,加強(qiáng)對故障后不穩(wěn)定系統(tǒng)的控制[1]。

隨著國家電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)建設(shè)的開展,智能電網(wǎng)特征帶來的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、分布式電源接入、微網(wǎng)運(yùn)行等技術(shù)對繼電保護(hù)提出了新的要求,基于本地測量信息及少量區(qū)域信息的常規(guī)保護(hù)在解決這些問題時(shí)面臨較大困難,新技術(shù)（新型傳感器技術(shù)、時(shí)鐘同步及數(shù)據(jù)同步技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及光纖通信技術(shù)等）的發(fā)展與應(yīng)用為繼電保護(hù)的發(fā)展提供了廣闊的發(fā)展空間。因此,基于廣域測量信息,從系統(tǒng)角度綜合考慮繼電保護(hù)設(shè)計(jì)和配置的廣域繼電保護(hù)受到越來越多的關(guān)注[2]。

1 傳統(tǒng)繼電保護(hù)在智能電網(wǎng)中的局限性

傳統(tǒng)的繼電保護(hù)主要集中于元件保護(hù),以線路、母線、變壓器、發(fā)電機(jī)和電動機(jī)等為保護(hù)對象,以切除被保護(hù)元件內(nèi)部故障為己任,主要通過開關(guān)動作實(shí)現(xiàn)故障隔離,保護(hù)采用的動作判據(jù)通常是基于本地測量的數(shù)據(jù),反映的只是系統(tǒng)中某點(diǎn)或局部區(qū)域有限的運(yùn)行狀態(tài),無法很好地把握整個(gè)系統(tǒng)全局的動態(tài)特性和實(shí)現(xiàn)各級安全裝置之間的協(xié)調(diào)和配合,確保全局的安全穩(wěn)定運(yùn)行[3]。

自愈性是智能電網(wǎng)一個(gè)重要特征。所謂“自愈”就是把電網(wǎng)中有問題的元件從系統(tǒng)中隔離,在很少或不用人為干預(yù)的情況下使系統(tǒng)迅速恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài),同時(shí)不中斷對用戶的供電,運(yùn)用本地和遠(yuǎn)程設(shè)備的通信分析各類故障及不正常運(yùn)行狀態(tài)（系統(tǒng)電壓降低、過載等）,并基于這些分析采取適當(dāng)?shù)目刂撇呗浴?/p>

在未來的智能電網(wǎng)中,電網(wǎng)的自愈特征將對繼電保護(hù)的選擇性、可靠性、速動性及靈敏性提出更高的要求,對常規(guī)繼電保護(hù)的配置方法提出新的要求。目前,電網(wǎng)規(guī)模越來越大,各大區(qū)域電網(wǎng)逐漸互聯(lián),電網(wǎng)結(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜,運(yùn)行方式靈活多樣,傳統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置之間靠定值大小和時(shí)間長短配合,整定困難,配合有限,不能跟蹤系統(tǒng)運(yùn)行方式變化,甚至出現(xiàn)保護(hù)失配或靈敏度不足的情況。而且繼電保護(hù)和安全自動裝置之間相互獨(dú)立,不能進(jìn)行數(shù)據(jù)共享,相互之間缺乏配合,傳統(tǒng)繼電保護(hù)的局限性已不適應(yīng)智能電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 廣域保護(hù)的概念及功能

2.1 廣域保護(hù)的概念

廣域保護(hù)的概念1997年首次由瑞典學(xué)者在IEEE上發(fā)表的Wide Areas Protection Against Voltage Collapse（廣域保護(hù)應(yīng)對電壓崩潰）一文提出。國際大電網(wǎng)會議對廣域保護(hù)的功能和控制手段等進(jìn)行了定義,如圖1所示[4]。

由圖1可以看出,廣域保護(hù)的動作時(shí)間在0.1～100 s,其實(shí)施的控制操作基本包括了我國的第二、第三道防線范疇,在電網(wǎng)保護(hù)控制中是基本定位于常規(guī)保護(hù)及SCADA/EMS之間的系統(tǒng)保護(hù)控制手段。

圖1 廣域保護(hù)的定義

目前,學(xué)術(shù)界對廣域保護(hù)尚沒有明確、統(tǒng)一的定義。通過對當(dāng)前出現(xiàn)的幾種主要觀點(diǎn)進(jìn)行分析,在此基礎(chǔ)上對廣域保護(hù)概念作如下簡述：將電力系統(tǒng)內(nèi)的保護(hù)裝置通過光纖互聯(lián),信息共享,獲得系統(tǒng)內(nèi)多點(diǎn)信息,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),利用獲得的信息對故障進(jìn)行快速、可靠、精確的切除,分析故障點(diǎn)切除后對系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來的影響并采取相應(yīng)的控制策略確保電網(wǎng)的安全運(yùn)行,這種集保護(hù)和自動控制功能于一體的系統(tǒng)稱為廣域保護(hù)系統(tǒng)。

圖2 區(qū)域智能保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 廣域保護(hù)功能[5]

一是通過采集電網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù),經(jīng)計(jì)算后確定一定的控制手段以維持電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行;二是實(shí)時(shí)掌握并充分利用電網(wǎng)的輸電能力;三是提供更準(zhǔn)確的電網(wǎng)規(guī)劃方案。在以上功能中,第一個(gè)功能是最重要的目標(biāo)。目前電網(wǎng)穩(wěn)定問題可分為暫態(tài)功角不穩(wěn)定、小信號功角不穩(wěn)定、頻率不穩(wěn)定、短期電壓不穩(wěn)定、長期電壓不穩(wěn)定、低頻振蕩、次同步振蕩、連鎖故障。針對這些問題,需要采取各種穩(wěn)定控制措施以維持系統(tǒng)可靠供電。

3 廣域保護(hù)在智能電網(wǎng)中的保護(hù)邏輯與結(jié)構(gòu)

3.1 保護(hù)邏輯

廣域保護(hù)在智能電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)中采用集中與分散相結(jié)合的模式,如圖2所示。

第一層為設(shè)備層,主要是各變電站內(nèi)數(shù)據(jù)采集及跳閘執(zhí)行,采集所需電氣量和開關(guān)量,打上時(shí)間標(biāo)記,向變電站中間層傳送。

第二層為變電站中間層,屬于站域保護(hù),安裝在本區(qū)域內(nèi)各相關(guān)變電站內(nèi),執(zhí)行變電站范圍內(nèi)的主保護(hù)及后備保護(hù)功能,并負(fù)責(zé)將這些中間測量結(jié)果向上層區(qū)域保護(hù)單元傳送,接收并執(zhí)行區(qū)域保護(hù)的決策結(jié)果。

第三層為區(qū)域決策層或區(qū)域電網(wǎng)保護(hù)層,屬于廣域保護(hù),主要對變電站之間的聯(lián)絡(luò)線進(jìn)行保護(hù)和控制,對信息進(jìn)行綜合分析并做出相應(yīng)的決策。

3.2 保護(hù)構(gòu)成

保護(hù)主要由站域保護(hù)層和區(qū)域保護(hù)層組成。

a.站域保護(hù)層

站域保護(hù)是指僅依賴于本變電站和聯(lián)絡(luò)線路對側(cè)信息就能很好完成的保護(hù)功能。站域保護(hù)主要負(fù)責(zé)就地信息的實(shí)時(shí)采集,包括電壓、電流、斷路器狀態(tài)及對側(cè)線路數(shù)據(jù)。根據(jù)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算出故障的基本信息,如各條線路的故障方向、斷路器的位置狀態(tài)信息等,根據(jù)故障基本信息,執(zhí)行站域保護(hù)功能。

站域保護(hù)包括變電站內(nèi)變壓器和母線等設(shè)備的主保護(hù)和后備保護(hù)、輸電線路的主保護(hù)和后備保護(hù)、饋線的主保護(hù)和后備保護(hù)、低周減載保護(hù)、低壓保護(hù)及自動重合閘等功能。站域范圍界定為該變電站與其他變電站相連輸電線路對側(cè)斷路器內(nèi)的范圍,也就是站域范圍不跨越變電站進(jìn)出線路對側(cè)斷路器構(gòu)成的邊界,站域范圍的界定如圖3所示。

b.區(qū)域保護(hù)層

圖3 站域范圍的界定

區(qū)域保護(hù)是指根據(jù)整個(gè)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)綜合判斷完成的保護(hù)功能,也稱之為區(qū)域決策。區(qū)域保護(hù)主要根據(jù)通過同步數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)共享的區(qū)域內(nèi)各節(jié)點(diǎn)電流、電壓、斷路器狀態(tài),計(jì)算出故障基本信息,實(shí)現(xiàn)區(qū)域保護(hù)功能。區(qū)域包括若干變電站及其輸電線路。區(qū)域范圍的界定以變電站來劃分,保護(hù)區(qū)域包括與該區(qū)域內(nèi)所有變電站相關(guān)聯(lián)的輸電線路,區(qū)域范圍的界定如圖4所示。

圖4 區(qū)域范圍的界定

3.3 區(qū)域保護(hù)之間的配合

電網(wǎng)規(guī)模很大,且區(qū)域與區(qū)域之間有電氣聯(lián)系的可以構(gòu)成大電網(wǎng)。分區(qū)的原則是根據(jù)通信傳輸速度和信息處理能力,一般情況應(yīng)使2個(gè)區(qū)域之間電氣聯(lián)系最少。2個(gè)區(qū)域電網(wǎng)的智能保護(hù)都包含聯(lián)絡(luò)線路,當(dāng)聯(lián)絡(luò)線路故障時(shí),與之相連的2個(gè)區(qū)域電網(wǎng)保護(hù)均可識別故障并發(fā)出指令切除故障,區(qū)域保護(hù)之間的配合如圖5所示。

圖5 區(qū)域保護(hù)與區(qū)域保護(hù)配合

4 智能電網(wǎng)對廣域保護(hù)的基本要求

a.廣域保護(hù)需要通過網(wǎng)絡(luò)快速可靠地獲取區(qū)域電網(wǎng)的必要信息,如電壓、電流、開關(guān)狀態(tài)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等。

b.廣域保護(hù)涉及到的保護(hù)將不局限于幾個(gè)裝置和幾個(gè)變電站,如何在較大范圍內(nèi)保持時(shí)間和數(shù)據(jù)的同步性是廣域保護(hù)的關(guān)鍵,因此,廣域保護(hù)所采集的數(shù)據(jù)應(yīng)帶有同步時(shí)標(biāo)信息,確保廣域保護(hù)可識別時(shí)間狀態(tài),保證用同一時(shí)間斷面信息量做邏輯處理。

c.廣域保護(hù)所保護(hù)的對象是區(qū)域電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和區(qū)域電網(wǎng)電氣設(shè)備,要兼顧、協(xié)調(diào)二者的保護(hù)和控制。

d.廣域保護(hù)系統(tǒng)需具備高度的可靠性,包括數(shù)據(jù)采集的可靠性、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃?、智能保護(hù)決策處理的可靠性等。

e.廣域保護(hù)系統(tǒng)需具備足夠的自適應(yīng)性和智能性,可根據(jù)電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式作出最優(yōu)的保護(hù)控制策略,使智能保護(hù)系統(tǒng)具有最好的選擇性。

f.廣域保護(hù)系統(tǒng)需具備可擴(kuò)展性,當(dāng)電網(wǎng)一次設(shè)備發(fā)生變化,新增變電站、電氣間隔時(shí),廣域保護(hù)應(yīng)靈活接入。

5 廣域保護(hù)在智能電網(wǎng)中應(yīng)用

廣域保護(hù)系統(tǒng)是近幾年發(fā)展起來的新技術(shù),由于電網(wǎng)的發(fā)展及多次大停電的影響,各國電力工作者都在進(jìn)行廣域保護(hù)系統(tǒng)的研究,雖處在開發(fā)和逐步完善之中,但目前已有幾個(gè)已經(jīng)投入運(yùn)行或正在開發(fā)的系統(tǒng)。加拿大Hydro-Quebec電力公司自行開發(fā)的可編程減負(fù)荷系統(tǒng)PLSS[4],該系統(tǒng)已運(yùn)行20多年。美國BPA、Ciber Inc及華盛頓州立大學(xué)共同研制開發(fā)的廣域穩(wěn)定和電壓控制系統(tǒng)WACS[6]。法國EDF電力公司開發(fā)的已經(jīng)運(yùn)行19年之久的DRS[7]系統(tǒng)等。國內(nèi)目前已有科研單位和電網(wǎng)公司合作研發(fā)廣域保護(hù)系統(tǒng),北京四方公司從2007年開始進(jìn)行廣域保護(hù)的研究和技術(shù)儲備, 2008年5月,在廣東花都供電局4個(gè)110 kV變電站裝設(shè)廣域保護(hù)系統(tǒng),2010年2月,湖北荊州供電局4個(gè)110 kV變電站裝設(shè)了廣域保護(hù)系統(tǒng)。南京南瑞繼保電氣有限公司、許繼電氣股份有限公司等已進(jìn)行該方面的研發(fā)和應(yīng)用,由此可看,廣域保護(hù)將是今后繼電保護(hù)發(fā)展的新方向。

6 結(jié)束語

廣域保護(hù)系統(tǒng)從提出到現(xiàn)在近15年,其成功應(yīng)用可有效遏制日益頻發(fā)的大規(guī)模電力系統(tǒng)連鎖故障,可以提高系統(tǒng)的功角、電壓穩(wěn)定性和現(xiàn)有輸電網(wǎng)絡(luò)的利用率。隨著智能電網(wǎng)的建設(shè),廣域繼電保護(hù)將得到進(jìn)一步拓展、深化和應(yīng)用,將在保障智能電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行中發(fā)揮重要作用。

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