智能電網(wǎng)體系下廣域保護的應(yīng)用與發(fā)展

杜亮

(浙江大唐烏沙山發(fā)電有限責任公司,浙江寧波 315722)

智能電網(wǎng)體系下廣域保護的應(yīng)用與發(fā)展

杜亮

(浙江大唐烏沙山發(fā)電有限責任公司,浙江寧波 315722)

分析當前我國電力系統(tǒng)面臨的向多能源并網(wǎng)的新型智能電網(wǎng)發(fā)展的必然性以及在智能電網(wǎng)環(huán)境下新型繼電保護方式的重要性。討論了繼電保護中關(guān)于廣域保護發(fā)展的必要性,廣域保護的原理以及算法,以及廣域保護發(fā)展的方向。并針對當前我國特色的電力事業(yè)發(fā)展提出相適應(yīng)的廣域保護的功能定位和系統(tǒng)構(gòu)成模式。

智能電網(wǎng) 繼電保護 廣域保護

0 引言

繼電保護是保障電網(wǎng)安全的第一道防線,如果保護裝置在故障發(fā)生時正確、快速、可靠動作、將有效遏制系統(tǒng)的狀態(tài)惡化,起到保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的作用,反之則可能擴大事故,甚至導(dǎo)致電網(wǎng)大面積停電。美國對1996年西部電網(wǎng)大停電、2003年美加電網(wǎng)大停電等20年來大系統(tǒng)停電進行可統(tǒng)計調(diào)查發(fā)現(xiàn),雖然引發(fā)電網(wǎng)大面積停電的因素很多,保護誤動、拒動以及電網(wǎng)大范圍潮流轉(zhuǎn)移過程中發(fā)生的保護連鎖動作,是導(dǎo)致事故擴大乃至引發(fā)系統(tǒng)大面積停電的關(guān)鍵因素之一。傳統(tǒng)保護采用離線整定方式確定保護定值,由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,需考慮的運行方式眾多,難以兼顧靈敏性和選擇性的要求,無法保證定值性能始終處于最佳狀態(tài),且離線整定模式下的定值修改需依靠人工完成存在安全隱患。

電力系統(tǒng)在本質(zhì)上是一個廣域系統(tǒng),系統(tǒng)中所有的電氣量是互相關(guān)聯(lián)的一個整體,這在根本上決定了系統(tǒng)保護是一個全局問題,應(yīng)該將系統(tǒng)作為一個整體考慮。此外,電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)是不斷變化的,不同運行狀態(tài)下的相同事件對電網(wǎng)的影響也不同。因此,系統(tǒng)的穩(wěn)定運行問題實際上是系統(tǒng)在當前運行狀態(tài)下的穩(wěn)定運行問題,需要通過不斷獲得的實時數(shù)據(jù)來實時確定保護控制策略。

近年來,隨著廣域同步測量和數(shù)字化變電站技術(shù)的發(fā)展與成熟,為根本上提高和改善繼電保護的性能提供了契機。因此,在復(fù)雜電網(wǎng)環(huán)境下審視傳統(tǒng)繼電保護存在的問題,研究能夠快速識別與隔離故障、簡化保護整定計算的廣域保護原理和配置方案,是保障電網(wǎng)安穩(wěn)運行的重要內(nèi)容。同時,故障的快速定位與隔離、系統(tǒng)運行方式更新后的保護在線自適應(yīng)整定也是未來智能電網(wǎng)要實現(xiàn)的主要自愈功能使得電網(wǎng)的安全正受到前所未有的威脅。

1 我國智能電網(wǎng)的特點

近年來在政策鼓勵和社會需求雙重助力推動下智能電網(wǎng)得到了大力的發(fā)展,尤其表現(xiàn)在超特高壓電網(wǎng)投運、大規(guī)模新能源并網(wǎng)和智能配用電方面,同時智能電網(wǎng)的建設(shè)也面臨著一些特殊問題。

1.1 構(gòu)建以超/特高壓為骨架的大電網(wǎng)

我國能源與負荷呈逆向分布,煤炭、水力和風(fēng)能等資源主要分布在西部和北部地區(qū),而用電負荷集中在中、東部地區(qū)和南部沿海地區(qū),中間相隔上千公里,從客觀上決定了需要采取遠距離、交直流混合、超/特高壓的輸電方式實現(xiàn)能源資源的優(yōu)化配置。

廣域繼電保護應(yīng)用于實際時,若在整個系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)集中保護,由于系統(tǒng)規(guī)模增大造成的大量數(shù)據(jù)采集點、海量數(shù)據(jù)、傳輸距離和速度等因素,會增加廣域繼電保護實現(xiàn)的難度,也將增加保護配置、運行和維護的難度,保護可靠性難以得到保證。因此,還應(yīng)該結(jié)合實際系統(tǒng)進行廣域繼電保護區(qū)域結(jié)構(gòu)的確立,綜合考慮合理利用智能電網(wǎng)新技術(shù),使廣域保護更有利于實際應(yīng)用。

1.2 新能源接入大電網(wǎng)的平衡問題

我國總體上缺少與新能源電力互補的可快速調(diào)節(jié)的電源,如水電站和燃氣電站。新能源電力波動性大難以穩(wěn)定輸出,如果缺少足夠的就地互補電源,則會出現(xiàn)以下問題：已建成的新能源裝機無法充分并網(wǎng),風(fēng)電棄風(fēng)現(xiàn)象嚴重;新能源接入后為了達到電力供需平衡,燃煤機組需要頻繁調(diào)整出力,運行工況變化大,造成設(shè)備老化加快和發(fā)電煤耗增加;此外新能源電力并網(wǎng)造成的系統(tǒng)調(diào)峰容量下降還會降低電網(wǎng)安全裕度。因此要盡量實現(xiàn)新能源電力的就地平衡,根據(jù)實際條件,應(yīng)積極探索風(fēng)、光、水、氣、火、儲組合的優(yōu)化互補方案,以減少波動性輸出對系統(tǒng)的影響。

1.3 智能電網(wǎng)體系下輸配用電發(fā)展的不平衡

配電網(wǎng)直接面向用戶,是保證供電質(zhì)量、提高運行效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。長期以來我國采用單向的電力供應(yīng)消費模式,電網(wǎng)和用戶之間缺乏有效互動,導(dǎo)致負荷“峰谷”差額大,用電負荷率低。建設(shè)智能配用電系統(tǒng),加強電網(wǎng)與用戶的雙向互動,調(diào)動用戶積極性,能夠有效提升發(fā)輸電效率,降低電力投資,節(jié)約社會資源。如通過開展用電激勵機制,使電動車采用白天行駛、夜間充電的運行方式,有利于電網(wǎng)峰谷平衡,改善電網(wǎng)負荷特性,減少為維持電網(wǎng)低負荷運轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的調(diào)峰費用。此外,大量分布式電源接入后,配電網(wǎng)應(yīng)該具有滿足用戶向電網(wǎng)反向送電的能力,為了應(yīng)對配電網(wǎng)由單電源模式向多電源模式的轉(zhuǎn)變,配網(wǎng)保護及控制技術(shù)也要進行相應(yīng)調(diào)整。

2 廣域保護在智能電網(wǎng)下的發(fā)展

廣域保護是近年來繼電保護領(lǐng)域的研究熱點,以高速實時的信息通信為平臺,將多點多類型信息納入保護系統(tǒng),從根本上革新了繼電保護的配置方式,能夠顯著提升繼電保護的動作性能。

廣域保護融合與故障有關(guān)的多點、多類型信息,通過對信息的綜合判斷,實現(xiàn)開放/閉鎖保護、調(diào)整保護動作特性、制定跳閘策略等功能。由于檢測故障的角度更加全面,使保護在適應(yīng)系統(tǒng)運行方式變化、減少保護對定值依賴、克服過負荷和振蕩影響,以及提升保護動作速度等方面有更加良好的表現(xiàn)。

廣域保護的定位應(yīng)該以承擔后備保護功能為重點,主要基于三個原因：1)元件主保護對快速性有很高要求,廣域保護通過多信息交互和集中判斷來實現(xiàn),若作為主保護在快速性方面沒有優(yōu)勢;2)目前電網(wǎng)主保護以電流差動保護和方向/距離縱聯(lián)保護為主,具有絕對選擇性,保護性能相對完善,不需要通過廣域的方式來實現(xiàn);3)傳統(tǒng)后備保護以單端量原理為主,其整定配合復(fù)雜、動作延時長、適應(yīng)性運行方式變化能力差、過負荷易誤動等缺陷成為了大電網(wǎng)的安全隱患,已直接和間接地導(dǎo)致了數(shù)次大停電事故的發(fā)生,急需予以革新。

因此,從可行性和必要性兩方面出發(fā),廣域保護更適合承擔后備保護功能,而主保護仍然隨被保護設(shè)備獨立分散配置。當然,這并不妨礙廣域保護在原主保護檢修等特殊情況下臨時充當主保護,以及在某些場合中作為第二套主保護配置。

2.1 數(shù)據(jù)采集的實時性

廣域保護涉及到的保護將不局限于1個或2個裝置,不局限于1個或2個變電站。如何在較大范圍內(nèi)保持時間和數(shù)據(jù)同步將是研究重點,變電站內(nèi)現(xiàn)有的對時主要以GPS作為主時鐘的外部時間基準,采用3種對時方式：脈沖對時、串口對時、編碼對時、對時精度可達到ms級。

網(wǎng)絡(luò)化的變電站,采用分布式電子式互感器及合并單元的數(shù)據(jù)采集模式,數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳送至保護等電子式設(shè)備的方式傳輸,為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的同步以及各保護之間信息交互與配合,需要一個統(tǒng)一精確的時鐘作為系統(tǒng)的時鐘源,并通過精密對時技術(shù)實現(xiàn)各數(shù)據(jù)采集單元時鐘、各保護裝置時鐘的準確同步。

2.2 劃分區(qū)域分區(qū)保護

區(qū)域的劃分有利于廣域繼電保護的應(yīng)用研究,對站域、小區(qū)域內(nèi)廣域繼電保護應(yīng)用的可行性進行分析,同時分析系統(tǒng)內(nèi)繼電保護配置現(xiàn)狀、廣域測量系統(tǒng)配置現(xiàn)狀、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備及通信技術(shù),制訂系統(tǒng)內(nèi)的廣域保護區(qū)域結(jié)構(gòu)劃分,從電網(wǎng)結(jié)構(gòu)冗余度、保護配置冗余度、通信冗余度等方面進行可行性研究。

2.3 與傳統(tǒng)繼電保護配合使用

智能電網(wǎng)建設(shè)過程及建成后,不可避免遇到傳統(tǒng)微機保護與數(shù)字化變電站內(nèi)保護實現(xiàn)保護配合及協(xié)作問題,應(yīng)考慮不同類型保護之間的互操作問題包括：

a．線路差動保護中,一側(cè)保護采用電磁式電流互感器,另一側(cè)保護采用電子式互感器,當區(qū)外發(fā)生故障時,電磁式電流互感器一端很可能發(fā)生單端飽和現(xiàn)象。因此,線路兩端的差動保護應(yīng)具有判單端飽和和防止保護誤動的功能。

b．原有線路差動保護數(shù)據(jù)同步的算法基于兩側(cè)都是模擬式互感器,存在兩側(cè)不同互感器類型的數(shù)據(jù)同步問題,需要進行新保護算法的研究。

3 結(jié)語

廣域保護已經(jīng)逐步成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)保護和控制領(lǐng)域研究的一個熱點,有著廣闊的應(yīng)用前景。智能電網(wǎng)的建設(shè)影響了我國電力系統(tǒng)發(fā)、輸、配、用各個環(huán)節(jié),使繼電保護的運行環(huán)境發(fā)生了顯著變化,對保護提出了更高要求。同時智能電網(wǎng)搭建了先進的信息平臺,繼電保護具備了集成廣域信息的條件,有望通過轉(zhuǎn)變實現(xiàn)方式大幅度提升保護性能。

廣域保護系統(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),廣域繼電保護將得到進一步拓展、深化和應(yīng)用,將在保障智能電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行中發(fā)揮重要作用。

[1]畢天姝,劉素梅,Nouredine Hadjsaid.智能電網(wǎng)含義及共性技術(shù)探討[J].華北電力大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2011,38(2):1-9.

[2]堅強智能電網(wǎng)研究工作組.自主創(chuàng)新、國際領(lǐng)先堅強智能電網(wǎng)綜合研究報告[R].北京:國家電網(wǎng)公司,2009.

[3]曾鳴,李紅林,薛松,等.系統(tǒng)安全背景下未來智能電網(wǎng)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展方向—印度大停電事故深層次原因分析及對中國電力工業(yè)的啟示[J].中國電機工程學(xué)報,2012,32(25):175-181,24.

[4]邵寶珠,王優(yōu)胤,宋丹.智能電網(wǎng)對繼電保護發(fā)展的影響[J].東北電力技術(shù),2009,33(20):7-12.