基于智能電網(wǎng)的繼電保護新技術(shù)研究

王大為

（國網(wǎng)浙江三門縣供電有限公司，浙江 三門 317100）

自我國提出智能電網(wǎng)建設(shè)指導(dǎo)意見后，智能電網(wǎng)獲得了高速發(fā)展，各種新技術(shù)、新設(shè)備如雨后春筍般出現(xiàn)，應(yīng)用于智能電網(wǎng)領(lǐng)域。繼電保護技術(shù)在國家電網(wǎng)結(jié)構(gòu)建設(shè)和功能優(yōu)化等方面發(fā)揮著重要作用，逐漸復(fù)雜的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)對繼電保護技術(shù)提出了更高的要求和挑戰(zhàn)，新型計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、光纖通信技術(shù)等的應(yīng)用給繼電保護發(fā)展注入了新鮮血液，使其具有廣闊的發(fā)展空間，為了更好的服務(wù)我國智能電網(wǎng)的建設(shè)，加強繼電保護技術(shù)研究工作具有十分重要的意義。

1 智能電網(wǎng)繼電保護概述

1.1 繼電保護系統(tǒng)概述

繼電保護是對電力系統(tǒng)的異常情況檢測報警，并可自動采取隔離、切除等手段的一種自動化措施，維護著國家電網(wǎng)和設(shè)備的安全，是國家智能電網(wǎng)安全運行的第一道防線。繼電保護裝置主要依據(jù)電流增大、電壓降低、電流與電壓之間的相位角改變、測量阻抗發(fā)生變化等特征實現(xiàn)，需滿足選擇性、速動性、靈敏性和可靠性等基本要求，全套的繼電保護裝置由測量元件、邏輯環(huán)節(jié)和執(zhí)行輸出三個部分組成。繼電保護的失誤會引起事故的擴大，嚴(yán)重者甚至破壞電力系統(tǒng)設(shè)備，造成巨大的經(jīng)濟損失。為了適應(yīng)當(dāng)下日益復(fù)雜的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，多學(xué)科新技術(shù)不斷應(yīng)用于當(dāng)下的電力網(wǎng)絡(luò)保護領(lǐng)域，繼電保護系統(tǒng)實現(xiàn)自動化、網(wǎng)絡(luò)化，具有強大的數(shù)據(jù)處理及通訊能力，進而提高智能電網(wǎng)的保護能力。

1.2 繼電保護對智能電網(wǎng)的重要意義

我國的經(jīng)濟發(fā)展對電力的需求巨大，智能電網(wǎng)系統(tǒng)安全運行十分關(guān)鍵，繼電保護系統(tǒng)是國家電網(wǎng)的第一道防線，擔(dān)負(fù)著檢測電網(wǎng)系統(tǒng)是否安全運行的使命，一旦出現(xiàn)電力故障，繼電保護裝置立即發(fā)出預(yù)警信號，同時采取自動隔離、切除的措施，對電網(wǎng)其他部分進行保護，維護其正常運行，電力工作人員根據(jù)預(yù)警信號采取相應(yīng)的解決措施，以降低電力故障引起的經(jīng)濟損失?？偟膩碚f，繼電保護技術(shù)對國家電網(wǎng)安全運行意義非凡，我們有必要加強這方面的研究工作，為國家電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運行保駕護航。

1.3 繼電保護面臨的機遇和挑戰(zhàn)

在我國大力支持智能電網(wǎng)建設(shè)的形勢下，繼電保護作為電網(wǎng)系統(tǒng)不可或缺的一部分，將面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)和廣袤的機遇。智能電網(wǎng)建設(shè)中，繼電保護面臨大量的挑戰(zhàn)，如大電網(wǎng)、遠(yuǎn)距離、交直流混合、超高壓電網(wǎng)、特高壓電網(wǎng)等互聯(lián)是其必經(jīng)之路，這對繼電保護裝置的可靠性、安全性和兼容性提出了更高的要求；電網(wǎng)建設(shè)中使用大量的電力電子設(shè)備，它們使電網(wǎng)電流分布特征發(fā)生了無法預(yù)料的變化；繼電保護系統(tǒng)需要與電網(wǎng)控制策略相配合、協(xié)調(diào)等。與此同時，也給繼電保護帶來了機遇，智能電網(wǎng)的快速發(fā)展為繼電保護的研究提供了用武之地，促進構(gòu)建電網(wǎng)實施動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，縮短數(shù)據(jù)更新間隔，也促進了實時、可靠的信息通信技術(shù)的發(fā)展，同時還帶動了局放監(jiān)測、雷電監(jiān)測、覆冰監(jiān)測等多種系統(tǒng)和領(lǐng)域的發(fā)展。

2 智能電網(wǎng)繼電保護構(gòu)成

智能電網(wǎng)新型繼電保護技術(shù)發(fā)展依托于通信信息技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)等行業(yè)的快速發(fā)展和普及，這些領(lǐng)域的研究為繼電保護原理研究提供基礎(chǔ)條件。智能電網(wǎng)繼電保護是利用高精度、高靈敏度的傳感器，對電力系統(tǒng)中的發(fā)電、輸電、配電、供電等環(huán)節(jié)的電力電子設(shè)備的運行情況進行實時監(jiān)測，將獲取的監(jiān)測數(shù)據(jù)利用系統(tǒng)收集、分析和處理的過程，在此過程中，保護裝置既要監(jiān)測電力電子設(shè)備的運行情況，還要能夠快速的隔離、切除故障部分，并在條件滿足的情況下自我恢復(fù)。智能電網(wǎng)繼電保護由監(jiān)測系統(tǒng)對被保護對象和其他關(guān)聯(lián)節(jié)點的運行情況進行判斷和決策，實時發(fā)出保護指令，同時能實時調(diào)整保護功能，修正保護定值（圖1）。

圖1 智能電網(wǎng)繼電保護構(gòu)成

3 智能電網(wǎng)的繼電保護新技術(shù)研究

智能電網(wǎng)繼電保護技術(shù)主要包括廣域保護技術(shù)、保護系統(tǒng)重構(gòu)技術(shù)，及其通信技術(shù)、參考量測技術(shù)、設(shè)備技術(shù)、控制技術(shù)和決策支持技術(shù)等基礎(chǔ)技術(shù)，下文就這些繼電保護技術(shù)進行詳細(xì)的說明。

3.1 廣域保護技術(shù)

以往的繼電保護系統(tǒng)采集的信息主要是單端量或雙端量，數(shù)據(jù)信息有較大的局限性，無法適應(yīng)現(xiàn)代智能電網(wǎng)繼電保護需求，不利于國家電網(wǎng)安全運行。而廣域保護技術(shù)主要以電網(wǎng)的子集作為分析和處理最小單位，之后在整個電網(wǎng)域的范圍內(nèi)對多個子集信息進行匯總分析，準(zhǔn)確判斷電網(wǎng)出現(xiàn)故障的位置及原因，最后得出解決問題的方法。在廣域保護技術(shù)中，最大的優(yōu)點是安全自動控制系統(tǒng)，不但能對故障進行處理，還能實現(xiàn)自動復(fù)位，以提高繼電保護裝置的自適應(yīng)能力和工作效率，進而維護智能電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性。

3.2 保護系統(tǒng)重構(gòu)技術(shù)

保護系統(tǒng)重構(gòu)技術(shù)能實現(xiàn)系統(tǒng)在線配置和重組，更適合電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，能有效的實現(xiàn)對繼電保護的優(yōu)化，是一項全新的繼電保護技術(shù)，具有較強的自適應(yīng)能力。重構(gòu)技術(shù)的靈活性高，其繼電保護整定值可自適應(yīng)調(diào)整以適應(yīng)不同電網(wǎng)的運行；能實時對繼電保護裝置原件進行監(jiān)測和診斷；在繼電保護裝置故障時，能自動搜索替代保護裝置或系統(tǒng)，使其恢復(fù)正常工作狀態(tài)，而不影響智能電網(wǎng)正常運行。

3.3 通信技術(shù)

通信技術(shù)是保證智能電網(wǎng)繼電保護的基礎(chǔ)，為傳感器獲取的各項監(jiān)測數(shù)據(jù)能及時有效的實現(xiàn)通信和傳遞提供了有效路徑。基于實施雙向通信系統(tǒng)，繼電保護系統(tǒng)才能實現(xiàn)實時監(jiān)測和校正，在故障出現(xiàn)后才能實現(xiàn)自動復(fù)位。同時，通信技術(shù)能使各種不同類型的智能電子設(shè)備進行通信，為繼電保護提供基礎(chǔ)服務(wù)，也可監(jiān)測其他各項擾動因素，使繼電保護系統(tǒng)實現(xiàn)無功補償、潮流分配，避免智能電網(wǎng)大面積出現(xiàn)故障的情況發(fā)生。

3.4 參考量測技術(shù)

參考量測技術(shù)的主要作用是將系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)整合為數(shù)據(jù)信息，并及時的傳遞到智能電網(wǎng)的各個方位進行使用的過程，是智能電網(wǎng)的主要功能之一。參考量測技術(shù)能為繼電保護系統(tǒng)及電力技術(shù)人員提供大量的數(shù)據(jù)信息，包括功率因數(shù)、電能質(zhì)量、相位關(guān)系、變壓器和線路負(fù)荷、故障定位、停電確認(rèn)、設(shè)備健康狀況、關(guān)鍵元件的溫度等數(shù)據(jù)，為智能電網(wǎng)正常運行服務(wù)。同時，智能電網(wǎng)電力系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)字保護功能，可將數(shù)據(jù)直接植入計算機程序中，在廣域管理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)保護，實現(xiàn)電力系統(tǒng)之間的通信，提高了繼電保護的安全性和穩(wěn)定性。

3.5 設(shè)備技術(shù)

智能電網(wǎng)大量使用了多種智能化設(shè)備，它們使智能電網(wǎng)正常運行的主要支撐，設(shè)備技術(shù)主要有電力電子技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)和大容量儲能技術(shù)等。電力電子技術(shù)是利用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術(shù)，具有良好的節(jié)能效果；超導(dǎo)技術(shù)中超導(dǎo)電纜和超導(dǎo)限流器聯(lián)合使用對電網(wǎng)的電流保護具有重要的意義，超導(dǎo)電纜負(fù)責(zé)低損耗、高效率傳導(dǎo)電能，一般可分為冷絕緣超導(dǎo)電纜和熱絕緣超導(dǎo)電纜；超導(dǎo)限流器可實現(xiàn)檢測、轉(zhuǎn)換和限流等功能，其應(yīng)用于智能電網(wǎng)中，正常情況下處于超導(dǎo)狀態(tài)，幾乎無電阻，一旦發(fā)生短路故障，超導(dǎo)體失去超導(dǎo)性而產(chǎn)生高電阻（圖2），實現(xiàn)限制短路電流。超導(dǎo)限流器具有響應(yīng)動作快，正常情況下功率損失小，能自動觸發(fā)和復(fù)位，結(jié)構(gòu)簡單，集檢測、觸發(fā)、限流于一體，具有較高的可靠性。

圖2 超導(dǎo)電纜與常規(guī)電纜的電阻特性

3.6 控制技術(shù)和決策支持技術(shù)

控制技術(shù)主要是指智能電網(wǎng)繼電保護系統(tǒng)分析、判斷和預(yù)測，并作出隔離、切除等繼電保護措施的配套裝置和算法，同時還能將技術(shù)分析和判斷功能連接專家系統(tǒng)，在專家系統(tǒng)設(shè)置的范圍內(nèi)自動控制、處理故障，實現(xiàn)智能電網(wǎng)的自愈功能。決策支持技術(shù)是指將龐大復(fù)雜的電力采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為清晰明了的信息供電網(wǎng)工作人員判斷、處理問題，通常可以圖表、動畫、動態(tài)著色、虛擬現(xiàn)實或其他簡明的數(shù)據(jù)展示形式為工作人員服務(wù)。

4 結(jié)語

總而言之，隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，電力需求量逐漸擴大，智能電網(wǎng)建設(shè)對我國經(jīng)濟發(fā)展具有重要的意義，而繼電保護技術(shù)是智能電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的排頭兵，是電網(wǎng)向智能化、數(shù)字化發(fā)展的基礎(chǔ)。因此，電力工作人員一定要認(rèn)識到繼電保護的重要性，加強繼電保護技術(shù)的研究工作，為智能電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行提供基礎(chǔ)保障，促進智能電網(wǎng)健康可持續(xù)發(fā)展。