廣域保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用研究

摘要：在分析傳統(tǒng)保護(hù)局限性的基礎(chǔ)上，論述了廣域保護(hù)提出的背景及其現(xiàn)狀，研究了廣域保護(hù)的性能、功能組成、功能劃分和功能結(jié)構(gòu)，給出了廣域備自投控制策略需注意的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，為廣域保護(hù)的新原理、新算法和實(shí)際應(yīng)用提供了基礎(chǔ)支撐。

關(guān)鍵詞：廣域保護(hù)系統(tǒng)；性能；功能

中圖分類號(hào)：TM77 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9599 （2012） 24-0066-02

為保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，我們?cè)O(shè)置了如下的三道防線來(lái)保護(hù)力系統(tǒng)：

第一道防線：快速可靠的繼電保護(hù)、有效的預(yù)防性控制措施，確保電網(wǎng)在發(fā)生常見(jiàn)的單一故障時(shí)保持電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行和電網(wǎng)的正常供電；第二道防線：采用穩(wěn)定控制裝置及切機(jī)、切負(fù)荷等緊急控制措施，確保電網(wǎng)在發(fā)生概率較低的嚴(yán)重故障時(shí)能繼續(xù)保持穩(wěn)定運(yùn)行；第三道防線：設(shè)置失步解列、頻率及電壓緊急控制裝置，當(dāng)電網(wǎng)遇到概率很低的多重嚴(yán)重事故而穩(wěn)定破壞時(shí)，依靠這些裝置防止事故擴(kuò)大，防止大面積停電。

其中繼電保護(hù)裝置是保護(hù)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的第一道防線，它能夠高速、準(zhǔn)確地切除負(fù)荷，快速隔離故障；但是繼電保護(hù)發(fā)展到現(xiàn)在，也有其局限性，如下：目前的繼電保護(hù)基于本地和就近量構(gòu)成，反映的只是系統(tǒng)某點(diǎn)或局部區(qū)域有限的運(yùn)行狀態(tài)，不能反映較大區(qū)域電網(wǎng)的安全運(yùn)行水平。電保護(hù)裝置之間靠定值大小和時(shí)間長(zhǎng)短配合，整定困難，配合有限，難以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制。繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置之間相互獨(dú)立，不能進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，因而相互之間缺乏配合。

為適應(yīng)電力系統(tǒng)發(fā)展的需要，解決現(xiàn)有保護(hù)、控制系統(tǒng)難以反映區(qū)域電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，缺乏相應(yīng)配合協(xié)調(diào)的難題，基于網(wǎng)絡(luò)通信、多點(diǎn)信息綜合比較判斷的廣域保護(hù)系統(tǒng)成為當(dāng)前電力系統(tǒng)關(guān)注的研究課題之一[1-3]。

1 現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

廣域保護(hù)的概念首次出現(xiàn)在由瑞典學(xué)者于1997年在IEEE上發(fā)表的Wide Areas Protection Against Voltage Collapse（廣域保護(hù)應(yīng)對(duì)電壓崩潰）。

國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議對(duì)廣域保護(hù)的功能和控制目標(biāo)做了一個(gè)定義。如圖1所示。

圖1 廣域保護(hù)的功能和控制目標(biāo)示意圖

由上圖可以看出廣域保護(hù)系統(tǒng)的動(dòng)作時(shí)間是0.1S～100S，其實(shí)施的控制操作基本包括了我國(guó)的第二、第三道防線的范疇。廣域保護(hù)系統(tǒng)既要具備判斷故障位置、切除故障元件的繼電保護(hù)功能，又要具備對(duì)故障或受擾動(dòng)后的系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定控制的功能，將確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的“三道防線”功能集成到一個(gè)系統(tǒng)中。隨著數(shù)據(jù)通信技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，電力光纖數(shù)據(jù)網(wǎng)的建立，使得故障發(fā)生時(shí)電網(wǎng)信息共享成為了可能，也為廣域保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。從信息論的角度來(lái)看，廣域保護(hù)系統(tǒng)獲取了更多的信息，因此基于多點(diǎn)的電氣信息而進(jìn)行區(qū)域保護(hù)方案的設(shè)計(jì)將比傳統(tǒng)的“點(diǎn)”、“線”保護(hù)具有天然的原理優(yōu)勢(shì)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，基于電網(wǎng)多點(diǎn)電氣信息的“面”保護(hù)—區(qū)域保護(hù)將成為繼電保護(hù)的發(fā)展方向其中根據(jù)相應(yīng)電網(wǎng)通信的特點(diǎn)改善與規(guī)范廣域繼電保護(hù)算法，制定符合廣域電網(wǎng)的合理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，深入研究保護(hù)區(qū)構(gòu)成與動(dòng)作策略成為實(shí)現(xiàn)有效廣域繼電保護(hù)的關(guān)鍵。

2 研究技術(shù)基礎(chǔ)原理

廣域保護(hù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

廣域保護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般由廣域保護(hù)主站和廣域保護(hù)子站構(gòu)成，如圖2所示：

圖2 廣域控制保護(hù)組成示意圖 圖3 區(qū)域保護(hù)范圍界定

廣域保護(hù)系統(tǒng)采用集中式?jīng)Q策控制結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)中各子站/執(zhí)行站間不進(jìn)行信息傳輸，只與主站有通道聯(lián)系，簡(jiǎn)化了信息傳輸通道。集中決策利用區(qū)域信息，便于優(yōu)化、協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)區(qū)域最有控制。子站/執(zhí)行站只有采集、上送和執(zhí)行控制主站命令的功能，無(wú)決策功能，簡(jiǎn)化了控制子站/執(zhí)行站的結(jié)構(gòu)和功能。由于主站需匯集所有數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析、決策，因此主站一直運(yùn)行于較重的負(fù)荷狀態(tài)。在便于優(yōu)化、協(xié)調(diào)的同時(shí)，也增加決策的風(fēng)險(xiǎn)，一旦部分重要通道或主站自身故障，將付出巨大的控制代價(jià)。

集中式?jīng)Q策控制系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的可靠性要求非常高，在任何情況下，網(wǎng)絡(luò)通信都不能中斷?？梢耘渲秒p主站系統(tǒng)。

2.1 廣域保護(hù)主站

廣域保護(hù)主站是區(qū)域網(wǎng)絡(luò)保護(hù)層，主要對(duì)變電站之間的聯(lián)絡(luò)線進(jìn)行保護(hù)和控制，對(duì)信息進(jìn)行綜合分析做出相應(yīng)的決策。廣域保護(hù)主站保護(hù)區(qū)域包括了若干個(gè)變電站以及其相互之間的輸電線路。區(qū)域范圍的界定以變電站來(lái)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。如圖3所示，變電站B1、B2、B3、B4、B5組成的區(qū)域系統(tǒng)。保護(hù)區(qū)域是L1、L2、L3、L4、L5線路。

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。一般情況下應(yīng)該使兩個(gè)區(qū)域之間的電氣聯(lián)系最少。兩個(gè)區(qū)域電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)都包含聯(lián)絡(luò)線路，當(dāng)聯(lián)絡(luò)線路故障時(shí)，與之相連的兩個(gè)區(qū)域電網(wǎng)保護(hù)均可以識(shí)別故障發(fā)出指令切除故障。對(duì)于區(qū)域網(wǎng)絡(luò)保護(hù)，主要采用電流差動(dòng)、阻抗方向、功率方向等元件識(shí)別故障點(diǎn)，見(jiàn)圖4。

圖4 區(qū)域保護(hù)原理示意圖 圖5 站域保護(hù)范圍界定

通過(guò)采集多端變電站的電氣量信息，廣域保護(hù)主站能夠?qū)崿F(xiàn)廣域電流差動(dòng)保護(hù)、T接線路的多端光差保護(hù)、開(kāi)關(guān)拒動(dòng)遠(yuǎn)跳保護(hù)、廣域備自投等常規(guī)保護(hù)裝置不能實(shí)現(xiàn)的功能。

2.2 廣域保護(hù)子站

廣域保護(hù)子站安裝在本區(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(cè)量結(jié)果向上層區(qū)域保護(hù)單元傳送，接受并執(zhí)行廣域保護(hù)主站的決策結(jié)果。

廣域保護(hù)子站僅依賴于本變電站和聯(lián)絡(luò)線路對(duì)側(cè)的信息，就能很好完成的保護(hù)功能，又被稱為站域保護(hù)。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)，以及從通訊通道得到對(duì)側(cè)線路數(shù)據(jù)。根據(jù)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、斷路器位置狀態(tài)信息。根據(jù)故障的基本信息，執(zhí)行站域保護(hù)功能。

站域保護(hù)能夠?qū)崿F(xiàn)線路主保護(hù)、母差保護(hù)、變壓器差動(dòng)保護(hù)以及后備保護(hù)與低頻低壓減載功能，使保護(hù)與控制功能形成一個(gè)有機(jī)整體。站域范圍界定為該變電站與其他變電站相連輸電線路對(duì)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(duì)側(cè)斷路器構(gòu)成的邊界。

3 廣域備自投控制策略

3.1 運(yùn)行方式識(shí)別

網(wǎng)絡(luò)備自投控制策略是針對(duì)特定的運(yùn)行方式有效，應(yīng)準(zhǔn)確反映“設(shè)定的區(qū)域”內(nèi)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的變化，包括元件投停、元件間關(guān)聯(lián)屬性、故障后可能的孤網(wǎng)方式、潮流有向圖、備用聯(lián)絡(luò)通道以及可操作的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

3.2 和保護(hù)配合

（1）躲重合閘時(shí)間

工作電源故障跳閘后，網(wǎng)絡(luò)備自投整定延時(shí)應(yīng)躲過(guò)線路開(kāi)關(guān)重合閘時(shí)間（包括慢速重合閘的場(chǎng)合），時(shí)間應(yīng)保留一定的裕度。重合成功，則閉鎖備自投。重合不成功時(shí)，執(zhí)行備自投。

（2）和母線保護(hù)配合

如果在母線及其相連設(shè)備（如電壓互感器）故障引起失電的情況下，應(yīng)閉鎖備自投，避免將備用電源自動(dòng)投入到故障母線，對(duì)母線及其相連設(shè)備（如電壓互感器）再次沖擊，導(dǎo)致設(shè)備損壞，事故擴(kuò)大。對(duì)部分110kV站母線段未配置母線保護(hù)裝置的情況，借助開(kāi)關(guān)狀態(tài)，輔助電氣量變化以及延時(shí)判斷母線故障。

3.3 和安全穩(wěn)定控制裝置/系統(tǒng)配合

在電力系統(tǒng)承受“嚴(yán)重故障”擾動(dòng)后，安全穩(wěn)定控制裝置/系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“穩(wěn)控”）采取必要的控制措施，比如切負(fù)荷，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。通常，穩(wěn)控控制的負(fù)荷，必須保證在需要時(shí)能有效地被切除，同時(shí)閉鎖備自投恢復(fù)供電。

通過(guò)采集穩(wěn)控動(dòng)作信號(hào)，輔助電氣量變化，修改備自投的控制策略，實(shí)現(xiàn)備自投動(dòng)作的選擇性。

4 展望

如果說(shuō)數(shù)字化變電站是電網(wǎng)向智能化邁出的第一步，實(shí)現(xiàn)了從控制電纜向通信光纜的轉(zhuǎn)換，或者說(shuō)從模擬量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了變電站內(nèi)數(shù)據(jù)資源的共享，但其原理還是停留在單個(gè)變電站、單端電氣量的保護(hù)模式，未從根本上從網(wǎng)的角度去分析和解決電網(wǎng)問(wèn)題。廣域保護(hù)系統(tǒng)可以理解為智能化電網(wǎng)的雛形，其主要目的是從預(yù)防控制的角度提高電網(wǎng)的自愈能力，快速隔離故障能力，隨著光纖網(wǎng)絡(luò)的全面完善，通信可靠性的不斷提高，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖傩院涂煽啃赃M(jìn)一步解決后，廣域保護(hù)及預(yù)防控制系統(tǒng)可以對(duì)電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能化。

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