關于廣域后備保護研究的綜述

李駿，葛志超，劉映龍，傅亞玲

(三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002)

關于廣域后備保護研究的綜述

李駿，葛志超，劉映龍，傅亞玲

(三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002)

分析基于廣域信息的后備保護的主要保護原理，包括:廣域電流差動保護、基于廣域信息的自適應保護、基于專家系統的廣域后備保護、基于潮流轉移識別的廣域后備保護以及基于復雜網絡原理的廣域后備保護。簡單說明了各種廣域后備保護優缺點。基于廣域信息的后備保護已成為目前研究的熱點，隨著智能電網的不斷發展，廣域后備保護技術將會得到不斷的改善。

廣域信息;電流差動;自適應;潮流轉移;后備保護

1 引言

電力系統是國民經濟支柱，是社會生活運行的基礎。隨著我國電網的不斷發展，西電東送、南北互供、全國聯網工程的實施，電網互聯已成為電力系統的發展趨勢。電網互聯產生了巨大經濟效益的同時，也使電網的網絡結構變得更為復雜，給電力系統的安全穩定運行帶來了新的挑戰。“十二五”期間，國家電網將初步建成構建以特高壓為骨干網架、各級電網協調發展的統一堅強智能電網。現代電網的特征是以超高壓、長距離輸電、大范圍互聯和大容量的區域交換。隨著電網對輸電效率的提高以及大量分布式電源的接入，電網的運行方式和潮流分布將變得復雜，發生擾動的可能性增加。電網不能得到安全穩定運行的保證，必將導致巨大的經濟、社會損失。

2 大規模電網互聯造成的問題

近年來，國內外發生過多起大范圍停電事故。美國東部時間2003年8月14日下午約4時20分開始，美國東北部和加拿大部分地區發生大面積停電。這次歷史上最大規模的停電波及美國的很多城市，加拿大安大略省的部分城市也受到影響，影響約5000萬人口、損失負荷61．8GW、停電范圍為8個州1個省［1］;2006年11月4日，德國能源公司為了讓一艘新出廠的巡航郵輪安全通過一條河上的高壓輸電線下方，斷開了河上從Conneforde到Diele的380kV雙回線路，結果造成歐洲電力網其他輸電線路負荷過重，而西部電力輸入嚴重不足，引發西歐多個國家產生了大規模的鏈式停電事故。西歐大片人口密集的地區頓時陷入黑暗之中，至少有1000多萬人受到停電影響［2］;2012年7月30日，印度遭遇大面積停電，逾3．7億人受到影響。事故均起源于北部和西部電網400kV聯絡線線路跳閘，導致部分輸電線路和變電站過負荷，隨后發生連鎖反應，最終導致北部電網崩潰。31日，在印度北部恢復供電數小時后，該國東部和北部地區13個邦又陷入電力癱瘓狀態，全國近一半地區的供電出現中斷，影響約6億人口用電。此次大面積停電被認為是印度11年來最嚴重的停電事故，也有報道稱這是全球歷來規模最大的停電事故之一［3，4］;2006年7月1日，華中電網因繼電保護誤動作、安全穩定控制裝置拒動等原因引發一起重大電網事故，導致華中電網多條500kV線路和220kV線路跳閘、多臺發電機組退出運行，電網損失部分負荷，系統發生較大范圍、較大幅度的功率振蕩［5］。這次事故沒有造成全網大停電，卻是近20年來我國電網事故中影響范圍最廣的罕見電網事故。引發這起電網事故的原因是繼電保護裝置的不合理誤動，元件切除后隨之而來的潮流轉移造成其他線路的過負荷跳閘，使得系統的狀況進一步惡化。最終，潮流轉移和繼保裝置的不合理動作相互作用造成電網連鎖事故的發生。

傳統繼電保護基于就地信息，以單個元件為保護對象，其動作無法從整個電網的角度出發，但電力系統的各元件是相互關聯的，元件退出運行會改變電網的網絡結構，系統的潮流會重新分布，故障元件之前承擔的潮流將轉移到其他正常運行的元件上，而這又會造成原本正常的元件過載。再加上現有保護設計的局限性，保護裝置無法區別是區內故障還是由于潮流轉移造成的過負荷，根據整定原則將元件切除。雖然保護裝置按預定原則正確動作，但客觀上促進了連鎖跳閘繼而危及電力系統。隨著大規模電網的互聯，電力系統間元件的關系不斷加強，各區域電網間可能存在幾個傳輸斷面，當某一個傳輸斷面被完全切除后，該斷面本承擔的潮流會轉移到其他斷面上，但這些轉移的潮流可能又會加重其他斷面內的元件的過載，保護裝置將過載的元件切除，從而造成區域電網各自獨立，再加上供電和負荷功率的不平衡可能會進一步引起電壓、頻率失穩，從而導致電網的崩潰，最終發生大停電事故。

電網連鎖故障問題得到各國學者和政府的普遍重視。隨著現代通信技術和數字化變電站技術的發展，廣域監測系統(Wide Area Measurement System，WAMS)以及同步相量測量裝置(Phasor Measurement Unit，PMU)［6］的出現，為廣域后備保護提供了新的思路。國內外學者已經將廣域信息引入后備保護的研究中。

3 廣域后備保護的研究現狀

目前國內外關于廣域保護的的定義還沒有達成統一的認識，按照國際大電網會議對廣域保護及其作用的描述:基于廣域信息來改進繼電保護和安全緊急控制方面的內容［7，8］。迄今為止，廣域保護的研究工作主要在初步的理論和探討階段，取得了卓有成效的研究成果，進一步應該開展廣域繼電保護在面對實際電網，解決工程應用方面的理論與技術研究。就重點解決后備保護的性能而言也是廣域繼電保護關注的重要研究方向之一。將廣域信息引入后備保護，主要作用有兩個:一是準確區分電網潮流轉移與區內短路故障，避免潮流轉移引起的后備保護過負荷跳閘;二是改善現有保護性能，簡化傳統后備保護的整定配合關系。隨著通信技術和數字化變電站技術的發展，為迅速、可靠的提取大范圍的系統信息創造了可能，PMU的出現實現了廣域數據在時間上的同步，提高并改善繼電保護的性能。目前國內外研究廣域后備保護的主要分為以下幾個方向。

3．1 基于電流差動原理

廣域電流差動保護是通過測量某個區域電流的差動值來判斷故障點是在區內還是在區外。該保護原理基于基爾霍夫電流定律，簡單可靠、動作性能優越。目前提出的廣域繼電保護原理主要是通過快速收集全網信息，并利用網絡通信進行多點綜合比較判斷，通過引入廣域信息，將保護范圍從單一的電氣元件擴展到多個相鄰電氣元件組成的區域，實現快速、靈敏的后備保護，克服現有后備保護的不足。文獻［9］較早地對廣域電流差動保護進行了探討，通過與傳統輸電線路后備保護比較顯示，廣域差動電流保護原理構成的后備保護能夠有效地減少后備保護動作的延時，并減小停電范圍。通過光纖網絡將各遠端的測量電氣量傳給保護中心裝置，同時利用全球定位系統(Global Positioning System，GPS)對測量電流的采樣時間進行同步。但是該保護方案對保護區域進行了固定的劃分，如果電網的運行方式發生變化，該保護方案缺乏適應能力。文獻［10］提出對由于通訊等因素所產生的錯誤數據通過利用基爾霍夫電流定律對保護終端測量的數據進行校對和重構。在保護中心數據丟失的情況下通過引入跳閘優先權來解決跳閘次序決策問題，即優先切除出現錯誤數據或傳輸中斷的測量單元所在位置的斷路器來進確定故障元件的位置，最后達到減少停電區域的目的。文獻［11］以圖論為基礎，提出了劃分廣域繼電保護區域的準則和搜索方法，將保護終端IED(Intelligent Electric Device)作為研究對象，根據判據從最小范圍開始依次在各個區域進行比較判斷，如果滿足判據則停止比較最后確定故障位置;否則比較繼續進行，直到區域內的保護終端全部完成比較，如果還不滿足判據，則可以確定該區域沒有發生故障。該方法類似于圖論中的深度優先搜索，沒有考慮系統存在環網的情況。

雖然差動保護原理簡單可靠、動作性能優越，當發生潮流轉移的情況下可以保證可靠不動作，但是對通信質量要求很高。不但要保持各側電流時間同步，而且對信息的連續性有很高的要求。當出現特殊情況造成數據錯誤或數據中斷，差動保護將閉鎖一段時間才能重新投入運行，如果此時區內發生故障保護裝置將拒動。大量的數據傳輸并且時間同步，使廣域電流差動后備保護的通訊設備和系統的設計變得十分復雜。

3．2 基于在線自適應

繼電保護的動作行為受系統運行方式影響很大，傳統電網的繼電保護以一套定值應對各種運行方式。為了滿足選擇性和靈敏性的要求，針對最不利的運行方式進行定值整定和定值校驗，并且同時采取各種措施來防止繼電保護在各種可能出現的極端運行情況出現拒動或誤動，如此則很難同時滿足系統對保護動作的選擇性、速動性、靈敏性和可靠性的要求。于是，人們在20世紀80年代，一些專家和學者在IEEE會刊上撰文，正式給出了自適應保護定義［12，13］，即能夠根據電力系統運行方式和故障狀態的變化而實時改變保護性能、特性或定值的保護。其主要目的是使繼電保護盡可能地適應電力系統運行方式和故障狀態的各種變化，從而達到改善保護性能的目的［14，15］。

文獻［15］首次提出了采用分層式的系統架構來實現輸電線路自適應保護的概念，構想了通過與SCADA/EMS接口互聯逐步實現自適應保護系統的工程應用。文獻［16］提出了兩種自適應速斷保護的整定方法，利用當地的電壓、電流量在線實時求出系統綜合阻抗，然后再確定系統綜合阻抗。文獻［17］針對電力系統最不利的運行方式存在、動作值選擇等問題提出了在擾動區域確定繼電保護的整定計算范圍并進行重新整定計算。文獻［18］提出了基于EMS/DTS的在線繼電保護智能預警系統，通過跟蹤電網的實時運行方式，在線校核保護的配置與定值，并能通過預想事故掃描，自動發現保護中的連鎖故障隱患。上述策略主要依據繼電保護的整定原則形成，對保護性能的改善有限。另外，對于電網運行方式快速變化的場合，因為計算量的緣故會導致速度不能達到要求。文獻［19］提出了利用廣域信息來評價保護動作的“安全性”與“可靠性”。通過PMU提供的廣域信息，并利用“投票”表決的方式來判斷系統的運行狀態，進而對基點保護動作的“安全性”與“可靠性”進行調整。該方法旨在減少隱藏故障的可能性。但該方案難以有效避免由于潮流轉移引起的連鎖跳閘的情況。文獻［20］針對因潮流轉移引起的距離保護III段誤動的問題，提出了自適應調節后備保護動作的特性的方法。該方法可以有效防止距離III段因潮流轉移引起的過負荷跳閘，同時也保證線路發生故障時不失去線路后備保護的功能。但是，當潮流轉移的負荷功率為無功性質的情況下，該方法難以形成可靠的自適應調整策略。

3．3 基于專家系統

基于專家系統的廣域后備保護是以廣域信息和人工智能技術推理為基礎，針對傳統后備保護整定配合關系復雜，動作時間過長并且可能造成較大面積停電等問題，及時有效地與主保護配合，準確、快速、智能地確定故障范圍，判斷各種保護動作是否合理，降低故障對系統的不良影響，有效的防止傳統后備保護產生的連鎖跳閘情況。

文獻［21］較早提出了針對保護不合理動作以及廣域信息的缺失引起的無法對故障元件定位的問題，根據保護動作邏輯和相互配合關系建立用以描述各保護元件發生故障可能性的動作因子。通過利用遠程終端設備對一個區域的變電站的繼電保護的動作信息和斷路器的開合狀態信息的收集并計算動作因子。如系統發生故障，則計算各保護單元的動作因子，再根據專家規則和動作因子來對故障元件進行定位。該方法可以實現對故障元件的快速定位及隔離。文獻［22］提出了基于開關狀態量的集合保護原理并結合專家規則的廣域后備保護，利用與某保護相關的其他保護和斷路器的信息來提高保護性能。實現識別線路故障與潮流轉移引起的過負荷，并通過與控制系統同時作用預防過負荷保護動作引起的連鎖跳閘。文獻［23］提出了基于縱聯比較原理與專家系統相結合的廣域后備保護。在被保護系統的每一個斷路器或電流互感器處，都裝設一個測量故障方向的IED且每個IED都有各自的保護區域，通過廣域通信網絡實現各區域的IED的信息交換，將IED傳來的故障方向信息結合專家系統來實現故障定位。該方法可以有效避免單個IED拒動對故障定位帶來的影響，可是如果電網的拓撲結構發生變化則需要實時更新相關區域的信息。

基于專家系統的廣域后備保護所需的信息為二進制代碼構成，在時間同步上沒有很高的要求，傳輸的數據量較小。該方案可以對故障點進行準確的定位并避免潮流轉移引起的過負荷跳閘，最后達到減少停電面積的目的。但是由于受到建立的專家知識的局限，不同的保護配置方案，可能需要不同的專家系統。最后，專家規則難以應對所有的故障情況，可能出現失配現像。

3．4 基于潮流識別

文獻［24］針對連鎖跳閘問題，提出了基于廣域測量系統的潮流轉移識別算法，引入潮流因子的概念，并給出了其嚴格的定義與計算方法。文獻［25］在潮流轉移的基礎上進一步提出了一種廣域同步測量的預防連鎖跳閘的控制策略。利用網絡支路電流與注入電流之間的關系，提出了最佳切機、切負荷控制點的選取原則。但潮流轉移過負荷識別需要獲取全網拓撲結構及相應參數。文獻［26］針對潮流轉移引起的距離III段誤動的問題，提出了用系統阻抗矩陣計算各種潮流轉移分布系數，然后預先計算出潮流轉移后各支路潮流分布結果，根據分布結果提出相應距離III段保護閉鎖元件方法。該方案從系統層面分析了其可行性，但其沒有提出相應的潮流轉移的控制策略。

2．5 基于復雜網絡理論

隨著關于復雜網絡的研究的進展，電網作為一個復雜物理網絡，是大量國內外學者廣泛研究的對象。該類方法主要從網絡結構的角度來研究網絡對于各種攻擊的承受能力是否具有發生連鎖故障的可能等問題。文獻［27］提出了一個電網有初始轉臺向自組織臨界狀態轉化的模型，成為最優潮流方法(OPA)模型。該模型分別對電網狀態演化過程中，用戶符合的增加、電網容量改變、故障的修復，以及故障發生時電網對功率的分配的控制等過程都進行了建模分析。文獻［28］提出了CASCADE模型，該模型比OPA模型簡單，但是可以研究電網中在不同的負載條件下故障規模的概率分布特征。文獻［29］基于復雜網絡理論和系統生存性評估理論，對電網關鍵線路的識別方法進行研究，為廣域后備保護提供了新的思路。該類方法提供了網絡的宏觀結構參數來研究網絡，對電網的規劃建設或對實際電網的當前結構進行評估有一定的指導意義。但電力系統網絡中的節點與一般網絡不盡相同，該類方法得到的節點和邊不一定與電力網絡中的相符合。

4 總結

本文對廣域后備保護的研究現狀進行歸納。從研究成果來看，廣域后備保護還處于理論研究和探討階段。雖然取得了一定的成果，但有些問題沒有得到解決。伴隨著智能電網的發展可以為廣域后備保護提供進步的空間，信息隨著研究的深入，廣域后備保護存在的的問題將會得到解決。

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Overview on W ide-Area Relaying Protection

LIJun，GE Zhi-chao，LIU Ying-long，FU Ya-ling
(China Three Gorges University，Yichang 443002，China)

This paper analyzes themain protection principle of backup protection based on wide area information，including wide-area current differential protection，wide-area information based adaptive protection，wide-area backup protection based on expert system，wide area backup protection based on flow Transferring relativity factor and wide area backup protection based on complex network theory．This paper briefly explains the advantages and the disadvantages of a variety ofwide-area backup protection．Wide Area Information-based backup protection has become a hot topic at present，with the continuous development of smart grid，wide-area backup protection technology will continue to improve．

wide area information;current differential;self-adaption;flow transferring;backup protection

TM71

B

1004－289X(2013)04－0001－05

2013－05－20

李駿(1987－)，男，碩士研究生，主要研究繼電保護;

葛志超(1987－)，男，碩士研究生，主要研究微網繼電保護;

劉映龍(1987－)，男，碩士研究生，主要研究高電壓;

傅亞玲(1990－)，女，碩士研究生，主要研究繼電保護。