淺談智能電網(wǎng)背景下的繼電保護新技術

江新強

摘 要：智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展給電網(wǎng)的發(fā)、輸、供、配等環(huán)節(jié)都帶來了巨大的革新，也給電網(wǎng)繼電保護技術提出了更高的要求。文章結合對智能電網(wǎng)特征和技術體系的分析，結合智能電網(wǎng)下特高壓交直流輸電、可再生能源并網(wǎng)、靈活多變的電網(wǎng)運行方式變化、大量電力電子元件應用等新形勢，分析了繼電保護發(fā)展新技術和新趨勢。

關鍵詞：智能電網(wǎng)；繼電保護；新技術

中圖分類號：TM774 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）23-0095-01

隨著世界能源危機的加劇，發(fā)展新型的智能電網(wǎng)已經(jīng)成為世界各國關注的熱點問題。2009年，我國提出建設“堅強智能電網(wǎng)”的戰(zhàn)略規(guī)劃，加強建設以特高壓為骨干網(wǎng)架、各級電網(wǎng)協(xié)調發(fā)展的信息化、自動化、互動化的一流電網(wǎng)，也給繼電保護技術的發(fā)展提出了新的機遇和挑戰(zhàn)。

1 智能電網(wǎng)主要特征及其技術支撐體系

智能電網(wǎng)（Smart Grid）與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，更加靈活、自愈、清潔，它是高度自動化、信息化、電力潮流和信息量雙向流動的電能供應系統(tǒng)。

1.1 智能電網(wǎng)的主要特征

與目前電網(wǎng)的功能相比較，智能電網(wǎng)具有以下特征：

①對外界干擾的快速自愈能力。傳統(tǒng)電網(wǎng)在面對突發(fā)事件、自然災害、恐怖襲擊時相對脆弱，如2003年的美加大停電，由于網(wǎng)架結構、電網(wǎng)設備和調度、保護控制等方面的原因，從美國克利夫蘭開始迅速蔓延為北美歷史上最大范圍的停電，造成了巨大的經(jīng)濟損失。智能電網(wǎng)具有快速自愈能力，傳感器和智能設備可以自動預警，并具有持續(xù)監(jiān)測和自我測試能力。

②較強的預測和抗干擾能力。傳統(tǒng)電網(wǎng)在面對干擾時，可以動作于保護跳閘，智能電網(wǎng)則可以獨立的識別系統(tǒng)干擾并進行檢測分析，可以對干擾實現(xiàn)預測，并進行主動的預防性控制。

③電網(wǎng)能源結構更加優(yōu)化。傳統(tǒng)電網(wǎng)中，以一次不可再生能源為主，含有少量的分布式能源和儲能形式，智能電網(wǎng)可以兼容所有的發(fā)電和儲能形式，支持分布式電源的即插即用，大量清潔能源，包括風電、光伏、潮汐等將接入電網(wǎng)運行。

④透明而靈活的分時電價。傳統(tǒng)電網(wǎng)中，電價相對不透明，不可以實現(xiàn)實時定價，用戶不能積極參與電網(wǎng)的優(yōu)化和運行，智能電網(wǎng)由于能夠采集充分的電價信息，可以實現(xiàn)分時電價，方案相對靈活。

1.2 智能電網(wǎng)的技術體系

結合上文所述，可以將智能電網(wǎng)的支撐技術總結為六大系統(tǒng)：靈活的網(wǎng)絡拓撲系統(tǒng)；高度集成的通信系統(tǒng)；發(fā)達的傳感和測量系統(tǒng)；新型繼電保護系統(tǒng)；快速故障診斷和排除系統(tǒng)；實時運行決策系統(tǒng)。

作為智能電網(wǎng)支撐技術的六大系統(tǒng)之一，繼電保護技術領域因智能電網(wǎng)的發(fā)展而發(fā)生了深刻變革。特高壓交直流輸電、可再生能源并網(wǎng)、靈活多變的電網(wǎng)運行方式變化、大量電力電子元件應用等新的發(fā)展形勢，催生了智能電網(wǎng)背景下的繼電保護新技術發(fā)展。

2 智能電網(wǎng)背景下的繼電保護新技術

2.1 適應超高壓交直流混聯(lián)

我國已經(jīng)成為世界上交直流運行電壓等級最高的國家，根據(jù)規(guī)劃，2015年，“三華”同步電網(wǎng)將建設成為“三縱”、“三橫”的網(wǎng)架結構，超高壓交直流混聯(lián)對繼電保護提出了更高要求。

首先，隨著電壓等級的升高，在發(fā)生故障時，電網(wǎng)的非周期分量衰減逐漸變慢，暫態(tài)特性更加復雜，并帶來巨大的諧波分量，給保護的互感器傳變特性提出更高要求。應用于特高壓的互感器要求具有更強的性能，并針對電網(wǎng)特性進行更好的濾波和直流分量處理。

其次，電網(wǎng)暫態(tài)特性日益復雜，給繼電保護內部使用諧波判據(jù)的難度變大，例如，對變壓器保護來說，傳統(tǒng)的二次諧波制動和波形識別等判據(jù)可能失效，內部故障與勵磁涌流的區(qū)分更加復雜。

此外，高壓交直流混聯(lián)還帶來許多新的特殊問題，例如超高壓長線路的串聯(lián)補償和電容電流問題、同桿雙回線路的零序互感和跨線故障問題、交直流互聯(lián)暫態(tài)特性與計算誤差問題、高壓直流輸電控制保護的特殊性問題等，都需要繼電保護設備進行特殊處理。

2.2 考慮可再生能源并網(wǎng)

智能電網(wǎng)發(fā)展的一個突出特征，就是以風電、光伏、新型儲能為代表的新能源的大規(guī)模接入。新能源具有清潔、高效、可再生的特點，然而，新能源由于來源不穩(wěn)定、并網(wǎng)技術不成熟等原因，在接入電網(wǎng)時，可能給電能質量、電網(wǎng)運行、故障電流帶來一定影響。

以風電為例，風電接入后給接入點下游電流保護帶來助增電流，可能導致保護誤動，給接入點上游帶來的分支電流影響可能導致電流保護II段拒動，此外，當風機接入點相鄰饋線故障時，還存在方向電流，可能導致保護反向誤動。此外，風機的接入類型、工作狀態(tài)、控制策略和故障類型不同，對故障電流產(chǎn)生的影響也不同，電網(wǎng)的潮流分布和短路電流特征更加復雜，有風電接入的繼電保護裝置必須考慮這些變化并在判據(jù)中加以優(yōu)化，使得保護既能夠適應單向潮流，又能夠適應雙向潮流的影響。

2.3 大量電力電子元件應用

隨著智能電網(wǎng)建設的不斷深入，大量電力電子元件應用也日益增多，如無功補償器、可控串補、潮流控制器、換流器等，電力電子元件的應用有利于改進電能質量、提升控制策略的靈活性，但與此同時，也給電網(wǎng)運行特性帶來了質的變化。

電力電子器件具有較高的開關頻率，在系統(tǒng)中將產(chǎn)生大量的諧波，此外，F(xiàn)ACTS元件在風能、光伏并網(wǎng)、直流輸電等中的應用，還存在繼電保護設備與電網(wǎng)控制策略協(xié)調的問題，繼電保護裝置設計時，必須考慮電力電子元件帶來的諧波影響，尤其是直流線路中，行波保護作為直流線路的主保護，受到接線方式、波速和FACTS元件特性影響，依然存在行波信號不確定的問題。

2.4 定值配合式保護有待改進

智能電網(wǎng)背景下，靈活多變的網(wǎng)絡拓撲和系統(tǒng)運行方式使得很多傳統(tǒng)保護的缺點暴露，不再適應電網(wǎng)發(fā)展。目前，以光纖電流差動為代表的主保護依然是電力系統(tǒng)主流的保護方法，然而，很多傳統(tǒng)的后備保護表現(xiàn)出了較大的局限性。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

首先，后備保護與系統(tǒng)的整定和配合比較復雜，為了確保后備保護的可靠性，常常需要犧牲其選擇性和靈敏性，導致后備保護的動作時間過長。其次，后備保護對系統(tǒng)運行方式變化的適應性較差，對于智能電網(wǎng)下運行方式的靈活變化帶來的電網(wǎng)潮流改變，經(jīng)常不能很好的區(qū)分，導致越級跳閘或拒動。

2.5 廣域保護的發(fā)展和應用

廣域保護是近年來繼電保護技術的研究熱點，它改變了傳統(tǒng)繼電保護僅能利用單端量和雙端量的現(xiàn)狀，能夠通過高速、實時、準確的信息通信，采集多點和多類型信息，從而實現(xiàn)對保護的開放/閉鎖，以及相關的邏輯判別，并動作于告警或跳閘。

廣域保護具有集中式、IED分布式、站域集中和分布相配合的三種模式，由于對故障的檢測更加全面，所以，廣域保護能夠更好的適應系統(tǒng)運行方式的變化，降低繼電保護裝置對定值整定的依賴，并有利于提升系統(tǒng)躲過負荷和振蕩等異常情況的能力，由于廣域保護采集的量相對較多，信息交互時間較長，所以保護的快速性很難達到主保護要求，但可以較好的承擔后備保護的功能，或充當?shù)诙字鞅Ｗo。

3 結 語

作為電網(wǎng)運行的第一道防線，繼電保護和安全自動裝置在智能電網(wǎng)發(fā)展背景下，也在不斷探索與進步。新能源的開發(fā)利用、特高壓交直流混聯(lián)、電力電子元件應用成為智能電網(wǎng)的突出特征，智能電網(wǎng)背景下的繼電保護技術，依然存在巨大的發(fā)展空間。

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