智能電網中的廣域保護

孫 鑫,張幼明

（1.東北電力科學研究院有限公司,遼寧 沈陽 110006;2.東北電網有限公司,遼寧 沈陽 110180）

廣域保護是近幾年國內外新興的一個研究課題,是建立在計算機和通信技術發展的基礎上,與大型互聯電網的安全性和穩定性要求密切相關,尤其在1996年美國大停電、2003年夏季美加互聯電網崩潰事故和歐洲部分國家大范圍停電事故相繼發生之后,人們進一步認識到應從整體或區域電網的角度加強繼電保護和自動控制,不僅要加強繼電保護本身的可靠性,還要使繼電保護和自動控制裝置的動作相配合,加強對故障后不穩定系統的控制[1]。

隨著國家電網公司智能電網建設的開展,智能電網特征帶來的網絡重構、分布式電源接入、微網運行等技術對繼電保護提出了新的要求,基于本地測量信息及少量區域信息的常規保護在解決這些問題時面臨較大困難,新技術（新型傳感器技術、時鐘同步及數據同步技術、計算機技術及光纖通信技術等）的發展與應用為繼電保護的發展提供了廣闊的發展空間。因此,基于廣域測量信息,從系統角度綜合考慮繼電保護設計和配置的廣域繼電保護受到越來越多的關注[2]。

1 傳統繼電保護在智能電網中的局限性

傳統的繼電保護主要集中于元件保護,以線路、母線、變壓器、發電機和電動機等為保護對象,以切除被保護元件內部故障為己任,主要通過開關動作實現故障隔離,保護采用的動作判據通常是基于本地測量的數據,反映的只是系統中某點或局部區域有限的運行狀態,無法很好地把握整個系統全局的動態特性和實現各級安全裝置之間的協調和配合,確保全局的安全穩定運行[3]。

自愈性是智能電網一個重要特征。所謂“自愈”就是把電網中有問題的元件從系統中隔離,在很少或不用人為干預的情況下使系統迅速恢復正常運行狀態,同時不中斷對用戶的供電,運用本地和遠程設備的通信分析各類故障及不正常運行狀態（系統電壓降低、過載等）,并基于這些分析采取適當的控制策略。

在未來的智能電網中,電網的自愈特征將對繼電保護的選擇性、可靠性、速動性及靈敏性提出更高的要求,對常規繼電保護的配置方法提出新的要求。目前,電網規模越來越大,各大區域電網逐漸互聯,電網結構愈加復雜,運行方式靈活多樣,傳統的繼電保護裝置之間靠定值大小和時間長短配合,整定困難,配合有限,不能跟蹤系統運行方式變化,甚至出現保護失配或靈敏度不足的情況。而且繼電保護和安全自動裝置之間相互獨立,不能進行數據共享,相互之間缺乏配合,傳統繼電保護的局限性已不適應智能電網的安全穩定運行。

2 廣域保護的概念及功能

2.1 廣域保護的概念

廣域保護的概念1997年首次由瑞典學者在IEEE上發表的Wide Areas Protection Against Voltage Collapse（廣域保護應對電壓崩潰）一文提出。國際大電網會議對廣域保護的功能和控制手段等進行了定義,如圖1所示[4]。

由圖1可以看出,廣域保護的動作時間在0.1～100 s,其實施的控制操作基本包括了我國的第二、第三道防線范疇,在電網保護控制中是基本定位于常規保護及SCADA/EMS之間的系統保護控制手段。

圖1 廣域保護的定義

目前,學術界對廣域保護尚沒有明確、統一的定義。通過對當前出現的幾種主要觀點進行分析,在此基礎上對廣域保護概念作如下簡述：將電力系統內的保護裝置通過光纖互聯,信息共享,獲得系統內多點信息,根據網絡拓撲結構,利用獲得的信息對故障進行快速、可靠、精確的切除,分析故障點切除后對系統安全穩定運行帶來的影響并采取相應的控制策略確保電網的安全運行,這種集保護和自動控制功能于一體的系統稱為廣域保護系統。

圖2 區域智能保護系統結構

2.2 廣域保護功能[5]

一是通過采集電網各節點數據,經計算后確定一定的控制手段以維持電網的安全穩定運行;二是實時掌握并充分利用電網的輸電能力;三是提供更準確的電網規劃方案。在以上功能中,第一個功能是最重要的目標。目前電網穩定問題可分為暫態功角不穩定、小信號功角不穩定、頻率不穩定、短期電壓不穩定、長期電壓不穩定、低頻振蕩、次同步振蕩、連鎖故障。針對這些問題,需要采取各種穩定控制措施以維持系統可靠供電。

3 廣域保護在智能電網中的保護邏輯與結構

3.1 保護邏輯

廣域保護在智能電網保護系統中采用集中與分散相結合的模式,如圖2所示。

第一層為設備層,主要是各變電站內數據采集及跳閘執行,采集所需電氣量和開關量,打上時間標記,向變電站中間層傳送。

第二層為變電站中間層,屬于站域保護,安裝在本區域內各相關變電站內,執行變電站范圍內的主保護及后備保護功能,并負責將這些中間測量結果向上層區域保護單元傳送,接收并執行區域保護的決策結果。

第三層為區域決策層或區域電網保護層,屬于廣域保護,主要對變電站之間的聯絡線進行保護和控制,對信息進行綜合分析并做出相應的決策。

3.2 保護構成

保護主要由站域保護層和區域保護層組成。

a.站域保護層

站域保護是指僅依賴于本變電站和聯絡線路對側信息就能很好完成的保護功能。站域保護主要負責就地信息的實時采集,包括電壓、電流、斷路器狀態及對側線路數據。根據采集到的實時數據計算出故障的基本信息,如各條線路的故障方向、斷路器的位置狀態信息等,根據故障基本信息,執行站域保護功能。

站域保護包括變電站內變壓器和母線等設備的主保護和后備保護、輸電線路的主保護和后備保護、饋線的主保護和后備保護、低周減載保護、低壓保護及自動重合閘等功能。站域范圍界定為該變電站與其他變電站相連輸電線路對側斷路器內的范圍,也就是站域范圍不跨越變電站進出線路對側斷路器構成的邊界,站域范圍的界定如圖3所示。

b.區域保護層

圖3 站域范圍的界定

區域保護是指根據整個區域內的數據綜合判斷完成的保護功能,也稱之為區域決策。區域保護主要根據通過同步數據網絡共享的區域內各節點電流、電壓、斷路器狀態,計算出故障基本信息,實現區域保護功能。區域包括若干變電站及其輸電線路。區域范圍的界定以變電站來劃分,保護區域包括與該區域內所有變電站相關聯的輸電線路,區域范圍的界定如圖4所示。

圖4 區域范圍的界定

3.3 區域保護之間的配合

電網規模很大,且區域與區域之間有電氣聯系的可以構成大電網。分區的原則是根據通信傳輸速度和信息處理能力,一般情況應使2個區域之間電氣聯系最少。2個區域電網的智能保護都包含聯絡線路,當聯絡線路故障時,與之相連的2個區域電網保護均可識別故障并發出指令切除故障,區域保護之間的配合如圖5所示。

圖5 區域保護與區域保護配合

4 智能電網對廣域保護的基本要求

a.廣域保護需要通過網絡快速可靠地獲取區域電網的必要信息,如電壓、電流、開關狀態、設備運行狀態等。

b.廣域保護涉及到的保護將不局限于幾個裝置和幾個變電站,如何在較大范圍內保持時間和數據的同步性是廣域保護的關鍵,因此,廣域保護所采集的數據應帶有同步時標信息,確保廣域保護可識別時間狀態,保證用同一時間斷面信息量做邏輯處理。

c.廣域保護所保護的對象是區域電網的安全穩定運行和區域電網電氣設備,要兼顧、協調二者的保護和控制。

d.廣域保護系統需具備高度的可靠性,包括數據采集的可靠性、網絡傳輸的可靠性、智能保護決策處理的可靠性等。

e.廣域保護系統需具備足夠的自適應性和智能性,可根據電網拓撲結構、運行方式作出最優的保護控制策略,使智能保護系統具有最好的選擇性。

f.廣域保護系統需具備可擴展性,當電網一次設備發生變化,新增變電站、電氣間隔時,廣域保護應靈活接入。

5 廣域保護在智能電網中應用

廣域保護系統是近幾年發展起來的新技術,由于電網的發展及多次大停電的影響,各國電力工作者都在進行廣域保護系統的研究,雖處在開發和逐步完善之中,但目前已有幾個已經投入運行或正在開發的系統。加拿大Hydro-Quebec電力公司自行開發的可編程減負荷系統PLSS[4],該系統已運行20多年。美國BPA、Ciber Inc及華盛頓州立大學共同研制開發的廣域穩定和電壓控制系統WACS[6]。法國EDF電力公司開發的已經運行19年之久的DRS[7]系統等。國內目前已有科研單位和電網公司合作研發廣域保護系統,北京四方公司從2007年開始進行廣域保護的研究和技術儲備, 2008年5月,在廣東花都供電局4個110 kV變電站裝設廣域保護系統,2010年2月,湖北荊州供電局4個110 kV變電站裝設了廣域保護系統。南京南瑞繼保電氣有限公司、許繼電氣股份有限公司等已進行該方面的研發和應用,由此可看,廣域保護將是今后繼電保護發展的新方向。

6 結束語

廣域保護系統從提出到現在近15年,其成功應用可有效遏制日益頻發的大規模電力系統連鎖故障,可以提高系統的功角、電壓穩定性和現有輸電網絡的利用率。隨著智能電網的建設,廣域繼電保護將得到進一步拓展、深化和應用,將在保障智能電網的安全穩定運行中發揮重要作用。

[1] 陳德樹.大電網安全保護技術初探[J].電網技術,2004, 28（9）：14-17.

[2] 趙宇皓,郝曉光,高志強.應用于智能電網的廣域繼電保護[J].河北電力技術,2009,28（S）：18-20.

[3] 張晶晶,丁 明.廣域保護系統研究[J].合肥工業大學學報,2006,29（4）：440-443.

[4] 蔡運清,汪 磊,Kip Morison,等.廣域保護（穩控）技術的現狀及發展[J].電網技術,2004,28（8）：20-25.

[5] 易 俊,周孝信.電力系統廣域保護與控制綜述[J].電網技術,2006,30（8）：7-12.

[6] Taylor C W,Erickson D C,Martin K E,etal.WACS-widearea stability and voltage control system：R＆D and online demonstration.Proceedings of the IEEE,2005,5：892-906.

[7]Miroslav Begovic,Dam ir Novosel,Daniel Karlsson,et al. Wide-area protection and emergency control.Proceedings of the IEEE,2005,5：876-891.