電網(wǎng)繼電保護(hù)與實(shí)時(shí)安全性控制面臨的問(wèn)題與需要開(kāi)展的研究

李記坤

摘要：根據(jù)我國(guó)西電東送、南北互供、全國(guó)聯(lián)網(wǎng)的電力發(fā)展總方針，分析在這一戰(zhàn)略實(shí)施過(guò)程中我國(guó)電網(wǎng)可能出現(xiàn)的問(wèn)題，吸取美、加大停電的事故教訓(xùn)，提出要在廣域信息網(wǎng)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建互聯(lián)電網(wǎng)中分散安裝的新型繼電保護(hù)系統(tǒng)，減少擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的沖擊;構(gòu)建繼電保護(hù)和區(qū)域穩(wěn)定緊急控制一體化系統(tǒng)，提高輸電能力并防止穩(wěn)定性破壞;構(gòu)建全網(wǎng)協(xié)調(diào)動(dòng)作的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)系統(tǒng)，維護(hù)電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，防止連鎖跳閘的發(fā)生;構(gòu)建自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)解列和事故緊急恢復(fù)系統(tǒng)，防止事故的擴(kuò)大。

關(guān)鍵詞：全國(guó)聯(lián)網(wǎng);繼電保護(hù)與實(shí)施安全性控制;網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

引文

電力系統(tǒng)的問(wèn)題可分為緊密相關(guān)的規(guī)劃、運(yùn)行和保護(hù)控制三個(gè)方面，三方面互相影響、缺一不可。在運(yùn)行的電力系統(tǒng)中，保護(hù)與緊急控制裝備是電力系統(tǒng)裝備中不可或缺的安全保障守護(hù)裝備。隨互聯(lián)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)和容量的增大及電壓等級(jí)的提高，故障所影響的地域范圍和用戶數(shù)量將越來(lái)越大，高速、準(zhǔn)確動(dòng)作的繼電保護(hù)和可靠、及時(shí)的緊急控制裝置，是保證電網(wǎng)能夠正常運(yùn)行的關(guān)鍵裝備。我國(guó)西電東送和全國(guó)聯(lián)網(wǎng)的巨型電力系統(tǒng)的出現(xiàn)，給傳統(tǒng)的繼電保護(hù)和實(shí)時(shí)安全性控制帶來(lái)了前所未有的問(wèn)題，研究和解決這些問(wèn)題，為研制和開(kāi)發(fā)性能優(yōu)良的保護(hù)和控制設(shè)備奠定理論和技術(shù)基礎(chǔ)，同時(shí)可以推動(dòng)繼電保護(hù)學(xué)科的發(fā)展。

1、電網(wǎng)繼電保護(hù)與實(shí)施安全性控制系統(tǒng)面臨的問(wèn)題

1.1保證在系統(tǒng)檢修方式下大功率傳輸時(shí)單一故障切除后整個(gè)輸電斷面不出現(xiàn)突然阻斷，是保護(hù)和實(shí)時(shí)安全性系統(tǒng)必須解決的基本問(wèn)題，如此大功率的輸電斷面一旦突然阻斷，將造成整個(gè)互聯(lián)系統(tǒng)災(zāi)難性的后果，保護(hù)整個(gè)輸電斷面在大功率傳輸下不出現(xiàn)突然阻斷，是實(shí)現(xiàn)西電東送必須解決的基本科學(xué)問(wèn)題。多條交直流線路的并列運(yùn)行，增大了故障連鎖跳閘的可能，某一個(gè)簡(jiǎn)單故障！在傳統(tǒng)的元件保護(hù)各自正確的相繼動(dòng)作下，可能產(chǎn)生連鎖跳閘導(dǎo)致整個(gè)互聯(lián)系統(tǒng)崩潰。1996年7月2日，美國(guó)西部互聯(lián)系統(tǒng)在切除了一條單相對(duì)地短路的故障線路之后，一系列保護(hù)與控制裝置相繼動(dòng)作，最后導(dǎo)致WSCC互聯(lián)系統(tǒng)分裂為5個(gè)孤島，超過(guò)200萬(wàn)用戶受到停電影響，某些地區(qū)的用戶停電長(zhǎng)達(dá)6小時(shí)。在西南電力東送的互聯(lián)系統(tǒng)中，當(dāng)西南東部系統(tǒng)內(nèi)部故障后，如何才能不波及到互聯(lián)的輸電斷面和另外的互聯(lián)系統(tǒng)，當(dāng)輸電斷面的某一聯(lián)絡(luò)線故障切除以后，如何才能不產(chǎn)生連鎖跳閘、保持互聯(lián)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，要解決這些問(wèn)題需要研究新型的網(wǎng)絡(luò)繼電保護(hù)和緊急控制一體化的理論與裝置。

1.2含有大功率電力電子設(shè)備的混聯(lián)輸電斷面上故障保證繼電保護(hù)、控制裝置的正確工作是面對(duì)的新問(wèn)題。而出現(xiàn)在我國(guó)南方電網(wǎng)的西電東送及三峽電力輸出系統(tǒng)中，都采用了交、直流混聯(lián)輸電模式，部分聯(lián)絡(luò)線將采用大功率電力電子設(shè)備的柔性輸電技術(shù)。對(duì)交直流混聯(lián)輸電系統(tǒng)，國(guó)外已有多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，1996年8月10日美國(guó)西部電網(wǎng)大停電事故涉及到交直流并聯(lián)運(yùn)行問(wèn)題，引起克林頓政府的高度重視，防止混聯(lián)系統(tǒng)的災(zāi)難性事故的發(fā)生，被列為重大研究課題。由于我國(guó)含有大功率電力電子設(shè)備的輸電線路和混聯(lián)輸電斷面尚未出現(xiàn)，對(duì)柔性輸電和混聯(lián)系統(tǒng)的保護(hù)與緊急控制的理論與裝置的研究幾乎空白。大功率電力電子設(shè)備的運(yùn)行和突然故障，其暫態(tài)過(guò)程對(duì)交流線路保護(hù)的正確動(dòng)作有何影響、如何克服，都需要進(jìn)行大量的故障暫態(tài)分析，并對(duì)現(xiàn)有的交流、直流保護(hù)原理進(jìn)行再研究，提出適應(yīng)于含有大功率電力電子設(shè)備的輸電線路新型繼電保護(hù)原理

1.3交流弱聯(lián)網(wǎng)要求研究避免特大停電事故的緊急控制預(yù)案。全國(guó)性的統(tǒng)一互聯(lián)電網(wǎng)將包括除臺(tái)灣、西藏、新疆及海南以外的所有電網(wǎng)，到2020年裝機(jī)容量將超過(guò)900GW。由于目前我國(guó)各大區(qū)電網(wǎng)、獨(dú)立省網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)仍比較薄弱，全國(guó)聯(lián)網(wǎng)初期突出的問(wèn)題是：交流弱聯(lián)網(wǎng)可能使得兩側(cè)電網(wǎng)內(nèi)部的某些重要輸電斷面穩(wěn)定水平下降，當(dāng)遇有較大干擾時(shí)，容易誘發(fā)失穩(wěn)。利用PMU廣域測(cè)量的實(shí)時(shí)信息，研究不依賴于電力系統(tǒng)參數(shù)與模型的穩(wěn)定性預(yù)測(cè)理論和算法;研究在互聯(lián)系統(tǒng)失步時(shí)，自動(dòng)識(shí)別失步斷面，有計(jì)劃的自動(dòng)將系統(tǒng)解列為幾個(gè)功率大致平衡的系統(tǒng);研究和構(gòu)建保護(hù)與緊急控制一體化的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，阻止互聯(lián)大電網(wǎng)的穩(wěn)定性破壞，避免特大停電事故的發(fā)生，是實(shí)現(xiàn)全國(guó)電網(wǎng)互聯(lián)并安全運(yùn)行必須解決的問(wèn)題。

2、需要開(kāi)展的研究

為保證市場(chǎng)環(huán)境下的互聯(lián)電力系統(tǒng)在故障及其 切除后有足夠的運(yùn)行安全、可靠性，依照互聯(lián)系統(tǒng)運(yùn) 行效率最高經(jīng)濟(jì)效益全系統(tǒng)最大化并使局部系統(tǒng) 經(jīng)濟(jì)效益適當(dāng)大的原則，研究和配備保護(hù)和緊急控 制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)上述運(yùn)行目標(biāo)的技術(shù)指導(dǎo)原則是：局 部系統(tǒng)內(nèi)部元件的故障或擾動(dòng)，由切除故障元件和 在局部系統(tǒng)中采取措施來(lái)消除，不使它的影響擴(kuò)散 到局部系統(tǒng)外;區(qū)域系統(tǒng)之間輸電斷面上聯(lián)絡(luò)線的 故障，首先切除故障元件并在輸電斷面上采取措施，不使它的影響擴(kuò)散到兩側(cè)的區(qū)域系統(tǒng)中去;影響多 個(gè)互聯(lián)區(qū)域安全性的擾動(dòng)在多個(gè)區(qū)域采取措施，共 同消除擾動(dòng)產(chǎn)生的影響。

2.1 廣域信息的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)與緊急控制一體化的理 論與裝置研究

對(duì)于并聯(lián)運(yùn)行的輸電斷面，為切除故障執(zhí)行的 網(wǎng)絡(luò)操作方式對(duì)輸電斷面的輸電能力和暫態(tài)穩(wěn)定性 具有極為重要的影響，但以前的保護(hù)對(duì)此不加考慮.為提高西電東送斷面和全國(guó)聯(lián)網(wǎng)斷面的傳輸能力和 暫態(tài)穩(wěn)定性，首先研究線路故障時(shí)保護(hù)與重合閘的 配合方式，以保留最大的跳閘后傳輸能力.對(duì)永久 故障不重合，難于判定時(shí)選擇最佳時(shí)間和最小沖擊的方式重合，研究輸電斷面元件保護(hù)的協(xié)同動(dòng)作理 論，避免故障元件被切除后非故障元件出現(xiàn)不正常 而造成連鎖切除，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)保護(hù);利用廣域的運(yùn)行方 式、故障、保護(hù)跳閘和重合閘動(dòng)作信息，結(jié)合穩(wěn)定性 實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)理論，采用多Agent的技術(shù)，構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)保護(hù) 與緊急控制一體化的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。

2.1.1 線路保護(hù)與重合閘最佳配合的理論與方法

研究?jī)上?、單相運(yùn)行對(duì)輸電斷面的影響，并列運(yùn)行線 路故障后準(zhǔn)三相的構(gòu)成問(wèn)題，增大輸電斷面故障切 除后的輸電能力。研究可靠的瞬時(shí)與永久故障的區(qū) 分方法，最佳重合時(shí)間的捕捉技術(shù)，分相在故障不嚴(yán) 重側(cè)重合等保護(hù)與重合閘的配合等問(wèn)題，既減少再 次故障的沖擊又阻尼第一次故障引起的系統(tǒng)搖擺。

2.1.2 輸電斷面保護(hù)系統(tǒng)研究

利用與輸電斷面 有關(guān)元件的廣域運(yùn)行信息，在單元件故障被保護(hù)切 除的基礎(chǔ)上，測(cè)量和計(jì)算某一元件故障切除后與輸 電斷面相關(guān)的其他元件的運(yùn)行狀態(tài)，采用自適應(yīng)原 理動(dòng)態(tài)改變整定值，如短時(shí)允許過(guò)負(fù)荷、短時(shí)允許非 全相、直流功率的短時(shí)增加等，快速切機(jī)、切負(fù)荷降 低傳輸功率，以避免非故障元件產(chǎn)生連鎖反應(yīng)。

2.1.3 基于多Agent的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)與緊急控制一體化 研究

根據(jù)故障前的運(yùn)行方式、潮流狀態(tài)，測(cè)量故障 以及重合閘動(dòng)作產(chǎn)生的沖擊，預(yù)測(cè)自適應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)保 護(hù)方式仍不能保證互聯(lián)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定時(shí)，快速計(jì) 算在輸電斷面兩側(cè)應(yīng)采取的控制對(duì)策，為提高控制 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，研究基于多Agent代理機(jī) 制的分層分布式控制網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

2.2 二次回路光纖數(shù)字化及其應(yīng)用研究

2.2.1 基于光纖數(shù)字互感器的變電站光纖二次回路 的信息理論研究

對(duì)光纖二次回路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、可靠性分析、容錯(cuò)性理論與方法、信息知識(shí)表達(dá)理論、信息 協(xié)調(diào)與分解理論、信息流控制理論以及數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)模 型與數(shù)據(jù)挖掘等理論進(jìn)行系統(tǒng)研究。 解決信息合 并、光電接口、信息共享、信息分配、信息同步等關(guān)鍵 技術(shù)問(wèn)題，滿足互聯(lián)電力系統(tǒng)的測(cè)控保護(hù)技術(shù)要求。

2.2.2 光纖數(shù)字式互感器應(yīng)用研究

以光纖數(shù)字式 互感器與二次回路光纖化技術(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)傳統(tǒng)保護(hù) 原理進(jìn)行改進(jìn)，提出滿足互聯(lián)大電網(wǎng)速動(dòng)性與可靠 性要求的新型保護(hù)原理。主要針對(duì)母差保護(hù)、光纖 縱差與變壓器差動(dòng)保護(hù)性能提升，以及能量平衡保 護(hù)與行波保護(hù)原理實(shí)用化進(jìn)行基礎(chǔ)研究。

3、結(jié)束語(yǔ)

面對(duì)西電東送、750kV電壓的出現(xiàn)和電力市場(chǎng) 化運(yùn)營(yíng)的局面，需要繼電保護(hù)工作者提煉問(wèn)題，開(kāi)展 新原理、新技術(shù)的研究和新裝置的開(kāi)發(fā)， 需要高等 院校、專業(yè)生產(chǎn)廠（公司）、運(yùn)行部門等廣泛參與和通 力合作，在國(guó)際先進(jìn)水平基礎(chǔ)上開(kāi)展的研究工作，不 僅可以解決我國(guó)電力發(fā)展中的重大現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，而且 可以取得具有原創(chuàng)性的國(guó)際先進(jìn)水平的成果。

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