智能電網對繼電保護發展的影響

邵寶珠,王優胤,宋 丹

（1.東北電力科學研究院有限公司,遼寧 沈陽 110006; 2.華北電力大學,河北 保定 071003;3.東北電網有限公司,遼寧 沈陽 110181）

智能電網是當今世界電力系統發展變革的最新動向,被認為是21世紀電力系統重大科技創新和發展趨勢。作為全球最大的公用事業企業,國家電網公司根據我國特高壓電網建設規劃,結合大力發展風電等清潔新能源政策,充分考慮世界電網發展新趨勢及我國電網現狀,提出了建設以特高壓電網為骨干網架、各級電網協調發展的堅強電網為基礎,利用先進的通信、信息和控制技術,構建以信息化、自動化、數字化、互動化為特征的自主創新、國際領先的堅強智能電網的戰略發展目標;形成了“一個目標、兩條主線、三個階段、四個體系、五項內涵、六個應用環節”的發展戰略框架;制定了從發電到用戶各應用環節和通信信息平臺的發展路線;明確了總體發展目標、分階段建設目標和重點工程,并對社會綜合經濟效益進行了初步分析評估。

智能電網將極大地改變傳統電力系統的形態,電子式互感器、數字化變電站技術、廣域測量技術、交直流靈活輸電及控制技術的大量應用,必然對電力系統繼電保護帶來影響。

1 智能電網的定義和特點

盡管各國專家針對提高電網智能化水平及等級已經達成共識,但是,智能電網仍處于起步研究階段,尚無明確的定義。由于發展環境和驅動因素不同,各國的電網企業和組織均以自己的方式理解智能電網。對智能電網進行研究和實踐,各國智能電網發展的思路和重點也各不相同。因此,智能電網的概念處于不斷豐富、發展階段。

1.1 美國

美國電力科學研究院定義的智能電網可以描述為以下5個主要特征。

a.自愈性

復雜的電網監控系統能夠預測并及時應對系統問題以避免或減少故障失電和電壓不穩等電力供應質量問題。

b.安全性

電網可以在自然狀態和計算機監控狀態下更安全運行,新技術的應用和新設備的配置能夠更好地識別和應對人為破壞及自然侵害。

c.兼容性

電網能夠支持廣泛分散電源的使用。標準化的電力網絡通信平臺和通信界面接點將使用戶可以就地連接燃料電池、風能、生物能等可再生能源發電及其它分散的電源,并以簡單的“即插即用”方式使用。

d.交互性

用戶可以更好地控制自己的用電設備、裝置,無論是家庭用戶還是工商業用戶,電網將與智能建筑物的能源管理系統相連,以幫助用戶管理其能源使用,并減少能耗開銷。

e.高效性

電網將達到更優化的輸配量比,從而減少電力成本。電網的升級將提高輸電網的輸送能力,使輸送容量最優化,減少損耗,使最低成本發電的電源得到最高利用率。同時可以更好地協調電力輸送與當地負荷的匹配、地區間能源流動與通信傳輸量之間的關系。

1.2 歐盟

歐盟委員會將智能電網的特性概括為：一是靈活性,滿足用戶對電力的多樣化需求;二是易接入性,保證所有用戶都可接入電網,尤其是高效清潔的太陽能、生物能等可再生能源發電能夠就地入網;三是可靠性,提高電力供應的可靠性與安全性;四是經濟性,通過改革及競爭調節實現最有效的能源管理,提高電網的經濟效益。

1.3 我國國家電網公司

國家電網公司對堅強智能電網的基本特征的定義為技術上體現信息化、數字化、自動化、互動化;管理上體現集團化、集約化、精益化、標準化。信息化是堅強智能電網的實施基礎,實現實時及非實時信息的高度集成、共享與利用;數字化是堅強智能電網的主要實現形式,定量描述電網對象、結構、特性及狀態,實現各類信息的精確高效采集與傳輸;自動化是堅強智能電網的重要實現手段,依靠先進的自動控制策略,實現電網運行控制自動化水平的全面提高與管理水平的全面提升;互動化是堅強智能電網的內在要求,實現電源、電網和用戶的友好互動和相互協調。堅強可靠、經濟高效、清潔環保、透明開放、友好互動是堅強智能電網的基本內涵。堅強可靠是具有堅強的網架結構、強大的電力輸送能力和安全可靠的電力供應能力;經濟高效是提高電網運行和輸送效率,降低運營成本,促進能源資源和電力資產的高效利用;清潔環保,促進可再生能源開發和利用,降低能源消耗和污染物排放,提高清潔電能在終端能源消費中的比重;透明開放是電網、電源和用戶的信息透明共享,電網無歧視開放;友好互動是實現電網運行方式的靈活調整,友好兼容各類電源和用戶接入與退出,促進發電企業和用戶主動參與電網運行調節。

2 智能電網對繼電保護的影響

智能電網是以物理電網為基礎,充分利用先進的傳感測量技術、通信技術、信息技術、計算機技術、控制技術、新能源技術,把發、輸、配、用各環節互聯成一個高度智能化的新型網絡。作為電力系統安全穩定第一道防線的繼電保護,按傳統電網進行設計和配置不能適應于智能電網。智能電網的技術特點將影響現有繼電保護的應用。

a.數字化

智能電網的一個重要特征是數字化,對繼電保護而言：一是測量手段的數字化,廣泛采用電子式互感器和數字接口;二是信息傳輸方式的數字化,傳統變電站采用的模擬量電纜傳輸和狀態量電纜傳輸方式將被以光纖為媒介的網絡數字傳輸所代替。

電子式互感器的優越性在于其采用光電轉換原理進行測量,體積小、絕緣性能好。對繼電保護其最大的優勢是傳輸頻帶寬、暫態性能好,不存在電磁式互感器和電容式電壓互感器等傳統互感器的測量誤差和暫態特性,能很好地將電力系統運行狀態信號傳到二次側。隨著智能電網的建設及智能化儀器、設備的推廣,傳統的互感器將逐步退出運行。

電子式互感器采用網絡接口,通過網絡保護裝置和智能斷路器連接,大大簡化了二次回路接線,易于維護。

b.網絡化

近年來基于IEC61850標準的數字化變電站建設逐步鋪開,已出現500 kV全數字化示范變電站,各網、省公司都在大力推廣數字化變電站建設。

數字化變電站最大的特點是IEC61850采用分布分層的結構體系,面向對象的數據統一建模,數據自描述,采用抽象通信服務接口（ACSI）和特殊通信服務映射（SCSM）技術,實現智能設備間的互操作能力,面向未來的開放體系結構。

對繼電保護來說,數字化變電站的網絡化帶來了2方面的變革：一是信息獲取,雖然繼電保護主保護的功能仍然是“自掃門前雪”,但由于網絡數據傳輸的共享性,可以獲取全站相關設備元件的信息（電氣量信息）;二是信息發送,由于采用帶數字接口的智能斷路器,跳合閘等控制信號的傳輸方式也由二次電纜改為數字信號的網絡傳輸。

c.廣域化

近年來,隨著我國電網信息化進程不斷推進,大多數網、省公司都在大力推進基于PMU的WAMS網絡建設,繼電保護信息專用網絡也已初步建成,將成為智能電網控制的重要環節。雖然WAMS網絡和繼電保護信息系統建設的初衷不是為繼電保護服務,但利用其提供的廣域信息來提高后備保護的性能、提高安全自動裝置的性能卻值得思考。

d.輸電靈活化

智能電網的一個最大特點就是輸電效率的提高,控制手段的靈活。智能電網中必然大量采用諸如可控串聯補償裝置、靜止無功補償裝置、電能質量控制裝置、統一潮流控制器及STATCOM等交流靈活輸電技術。另外,我國電網的交直流混合輸電的特征也使電網中非線性可控電力元件數量大大增加。以電力電子器件的廣泛應用為特征的智能電網的故障暫態過程與僅有同步發電機等旋轉元件的傳統電力系統將有顯著的不同。

電網暫態過程的復雜性及電網運行方式靈活控制造成的多變性,使現有繼電保護裝置面臨較大考驗。

3 值得關注的繼電保護相關問題

近年來,由于信息技術和電子技術的發展,繼電保護專業得到了較大的發展,繼電保護裝置的可靠性、功能的完善性、操作的方便性及操作界面的人性化等要求已基本滿足。我國繼電保護在原理上能夠滿足我國電網運行的要求。

智能電網的規劃和發展改變了電能傳輸的某些特點,信息化和數字化的特征使智能電網與傳統電力系統產生了本質的差別,作為繼電保護專業,也需要適應其發展,進行相關的研究工作。

a.利用數字化提高保護性能

互感器傳輸性能的提高和互感器故障的減少使繼電保護不需要再考慮電流互感器飽和、二次回路斷線、二次回路接地等互感器故障問題。電氣量信息傳輸的真實性也為繼電保護裝置性能的提高帶來了便利條件。如何簡化繼電保護的輔助功能,利用數字化傳感器提高繼電保護的整體性能,是未來繼電保護發展需要研究的核心問題。

b.網絡化將改變繼電保護的配置形態

基于IEC61850網絡的數字化變電站改變了傳統繼電保護信息獲取和信號發送的媒介,利用網絡上共享的站內其它相關電氣元件的信息提高主保護的性能,利用共享的控制信號網絡簡化繼電保護配置,是智能電網中繼電保護研究的前沿性問題。

網絡化帶來共享信息的同時,也帶來基于網絡信息傳輸的可靠性和安全性問題。與傳統二次電纜的傳輸方式不同,控制信號傳輸網絡的可靠性必須得到保證。數字化變電站條件下繼電保護的可靠性問題及如何進行保護配置保證可靠性是網絡化二次回路的關鍵問題。

c.提高安全自動裝置性能

PMU和WAMS網絡為電力系統防御和緊急控制提供廣域信息,能夠利用其已建成的網絡,提高對時間敏感性不強的后備保護和安全自動裝置的性能,改變現有保護和安全自動裝置的延時整定原則,使其能夠在某些情況下及時判斷系統故障,采取措施避免大停電等惡性事故的發生。

d.繼電保護新原理與新技術

風能、太陽能、生物能等新能源接入的隨機性,使電網接入安全問題日益受到重視,相應的調度方式在智能電網背景下將更快、更靈活地調整傳輸方式和潮流方向。以電力電子控制為依托的電網靈活控制方式將改變傳統電網的故障暫態特征,研究適應智能電網靈活控制的繼電保護新原理與新技術是智能電網中繼電保護相關研究的一個關鍵問題。

e.在線整定技術

自適應保護的思想在繼電保護領域已被廣泛應用,限于條件,傳統的自適應保護僅能根據被保護線路的運行情況對定值進行調整,不能利用全網信息準確、實時地判斷運行方式來調整定值。智能電網的發展有望改變這一現狀,從而實現在線整定。

4 結束語

智能電網的建設是電力系統的一次重要變革,是電網未來的發展方向。如今,智能電網的建設已經開始,建設過程中新技術和新設備的應用將給繼電保護專業領域帶來革命性的變化。隨著智能電網建設的推進,相關研究的深入,繼電保護專業要適應電網需求向智能化方向發展,跟進電網建設步伐,為智能電網建設提供技術支持。

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