智能電網(wǎng)環(huán)境下電力系統(tǒng)保護(hù)新技術(shù)

劉慧婷

（湖北郵電規(guī)劃設(shè)計有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引 言

隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，不斷完善智能電網(wǎng)的功能，提高了智能電網(wǎng)的穩(wěn)定性和安全性。在智能電網(wǎng)背景下，電力系統(tǒng)實現(xiàn)了集成化和智能化發(fā)展。靈活應(yīng)用保護(hù)技術(shù)，保證了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，滿足社會公眾和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的用電需要。因此，研究電力系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)具有重要意義。

1 電力系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)的發(fā)展趨勢

新能源并網(wǎng)和電網(wǎng)互聯(lián)的發(fā)展過程中，電力系統(tǒng)的高效安全運(yùn)行是現(xiàn)階段發(fā)展的主要目標(biāo)。為達(dá)到這一目標(biāo)，保護(hù)技術(shù)在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。未來，保護(hù)技術(shù)將向以下5個層面發(fā)展。

1.1 高級電力設(shè)備

在智能電網(wǎng)中，高級電力設(shè)備發(fā)揮著關(guān)鍵作用。其具備強(qiáng)大的容量，是能夠?qū)崟r診斷電網(wǎng)需要，實現(xiàn)多種儲能的復(fù)合系統(tǒng)，可以保護(hù)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。超導(dǎo)限流器的應(yīng)用，能夠有效滿足日益增長的用電需求，保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外，電力系統(tǒng)采用分布式電源，能夠保證大范圍內(nèi)的穩(wěn)定供電。

1.2 實時傳感測量

高級電力設(shè)施獲取精準(zhǔn)數(shù)據(jù)后，傳感測量技術(shù)能夠?qū)?shù)據(jù)應(yīng)用于電網(wǎng)的各個角落。實時監(jiān)控系統(tǒng)能夠及時提供電力信息，如電子設(shè)備和輸電線運(yùn)行狀態(tài)等，能夠在線調(diào)整阻尼控制器，保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1]。

1.3 集成通信

智能電網(wǎng)十分依賴數(shù)據(jù)采集，集成通信能夠為電力系統(tǒng)的全面保護(hù)提供數(shù)據(jù)支持。因此，通信集成將成為電力系統(tǒng)保護(hù)的基礎(chǔ)，為保護(hù)技術(shù)提供數(shù)據(jù)支持。

1.4 輔助決策

在電力系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，管理人員進(jìn)行決策判斷的時間只有數(shù)秒。因此，為保證管理人員作出的決策是正確的，智能電力系統(tǒng)應(yīng)利用數(shù)據(jù)分析和信息交互提供決策支持，幫助管理人員快速做出決策。

2 智能電力系統(tǒng)保護(hù)新技術(shù)分析

2.1 應(yīng)用范圍

2.1.1 發(fā)電環(huán)節(jié)

智能電力系統(tǒng)的發(fā)電環(huán)節(jié)中，主要使用發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電。通過合理利用電子電力技術(shù)能夠在大型發(fā)電機(jī)中使用靜止勵磁控制技術(shù)，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)和水力發(fā)電機(jī)中使用變速恒頻勵磁技術(shù)，在風(fēng)機(jī)水泵上使用變頻調(diào)速技術(shù)，同時使用太陽能發(fā)電。發(fā)電環(huán)節(jié)中使用的保護(hù)技術(shù)包括縱差保護(hù)技術(shù)、橫聯(lián)差動保護(hù)技術(shù)、負(fù)序電流保護(hù)技術(shù)以及匝間短路保護(hù)技術(shù)等。通過使用新技術(shù)，能夠加強(qiáng)發(fā)電環(huán)節(jié)的繼電保護(hù)，保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1.2 輸電環(huán)節(jié)

智能電力系統(tǒng)的輸電環(huán)節(jié)主要使用高壓直流輸電、柔性交流輸電以及靜止無功補(bǔ)償器等技術(shù)實現(xiàn)。輸電環(huán)節(jié)主要在電流、電壓、距離、接地以及線路上應(yīng)用保護(hù)技術(shù)。主要使用的保護(hù)包括縱聯(lián)差動保護(hù)、電流差動保護(hù)以及導(dǎo)引線自適應(yīng)縱聯(lián)差動保護(hù)等，共同保護(hù)輸電環(huán)節(jié)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1.3 配電環(huán)節(jié)

配電環(huán)節(jié)的保護(hù)技術(shù)是為了提高供電穩(wěn)定性，提高用戶端的電能質(zhì)量。不僅需要滿足不對稱度、頻率以及電壓的需要，還要抵抗瞬態(tài)波動和干擾問題。配電環(huán)節(jié)要使用柔性交流輸電技術(shù)，代表性的電力技術(shù)產(chǎn)品包括固態(tài)斷路器、電流限制器以及動態(tài)電壓恢復(fù)器等，可以保證配電穩(wěn)定性。此外，配電環(huán)節(jié)使用自動化技術(shù)監(jiān)測配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，展開保護(hù)管理。通過自動化技術(shù)和信息技術(shù)采集用戶需要，監(jiān)控電網(wǎng)供電狀態(tài)，實施配電網(wǎng)的運(yùn)行管理。綜合應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)和電力技術(shù)，實現(xiàn)配電環(huán)節(jié)的集成化管理。

2.1.4 用電環(huán)節(jié)

在電力系統(tǒng)中，用電環(huán)節(jié)是輸送環(huán)節(jié)的終點，也是服務(wù)于用戶的起點。該環(huán)節(jié)中，大部分用戶使用微波保護(hù)、電流速斷保護(hù)、接地保護(hù)、縱差保護(hù)、載波高頻保護(hù)、電流平衡保護(hù)以及瓦斯保護(hù)等保護(hù)技術(shù)。聯(lián)合使用通信技術(shù)和電力技術(shù)進(jìn)行保護(hù)，以滿足用戶的用電需要，并保證用戶用電的安全高效。根據(jù)電網(wǎng)設(shè)計展開電能研究，促進(jìn)電網(wǎng)的高效化和智能化發(fā)展。

2.2 具體應(yīng)用

2.2.1 超導(dǎo)限流器

超導(dǎo)限流器多利用超導(dǎo)材料的超導(dǎo)態(tài)—正常態(tài)轉(zhuǎn)變特性以及輔助部件，在電網(wǎng)線路發(fā)生故障后，產(chǎn)生一個合適的阻抗來限制電流。其相比于限流元件有眾多優(yōu)點。包括：（1）響應(yīng)迅速。超導(dǎo)限流器作出響應(yīng)一般只需要及毫秒時間，響應(yīng)速度滿足智能電網(wǎng)運(yùn)行需要。（2）根據(jù)電網(wǎng)需要可以將電流控制在一定范圍內(nèi)，一般情況下限定在額定電流2倍左右[2]。（3）電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行時，超導(dǎo)限流器只會耗費極小的損失。（4）能夠?qū)崿F(xiàn)自動觸發(fā)，自動復(fù)位，還能夠集成觸發(fā)、檢測以及限流。（5）與多個系統(tǒng)互相連接，能夠構(gòu)成穩(wěn)定的電力系統(tǒng)。保證個別系統(tǒng)發(fā)生故障后，電力系統(tǒng)仍然可以穩(wěn)定運(yùn)行。目前，常使用電阻式超導(dǎo)限流器將交流超導(dǎo)體由超導(dǎo)態(tài)快速轉(zhuǎn)變?yōu)槌B(tài)，限制故障電流。此外，在超導(dǎo)限流器中，使用由超導(dǎo)電纜組成的觸發(fā)線圈，為防止觸發(fā)線圈在轉(zhuǎn)變時出現(xiàn)過電壓，通常需要并聯(lián)限制電阻和線圈。

2.2.2 零序電流保護(hù)

電力系統(tǒng)中應(yīng)用零序電流保護(hù)的同時應(yīng)用超導(dǎo)限流器，會在限流期間產(chǎn)生限流電阻和零序限流電抗，造成零序阻抗增加，影響原本的零序網(wǎng)絡(luò)，出現(xiàn)不對稱短路，降低零序電流，出現(xiàn)電流保護(hù)誤動作等問題[3]。由于超導(dǎo)限流器構(gòu)成原理的不同，其限流阻抗也存在較大差異。電阻式超導(dǎo)限流器和路橋式超導(dǎo)限流器之間不存在互感，零序阻抗和正序阻抗一致。

2.2.3 光纖傳感技術(shù)

光纖傳感技術(shù)在電力系統(tǒng)中已經(jīng)應(yīng)用了很多年，是保護(hù)技術(shù)中十分重要的一種。其具有強(qiáng)大的抗干擾能力，抗輻射且耐腐蝕，同時能夠滿足在線測量的需要。在電力系統(tǒng)中應(yīng)用光纖傳感技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍的在線監(jiān)測。相比于傳統(tǒng)傳感技術(shù)，光纖傳感材料安全，使用絕緣介質(zhì)制作，適用于一些易燃易爆的特殊場合。而且光纖傳感能夠精準(zhǔn)測量，具有更快的響應(yīng)速度和強(qiáng)大的抗干擾能力，方便組網(wǎng)建設(shè)，滿足分布式電力系統(tǒng)建設(shè)需要。在電力系統(tǒng)中，光纖傳感技術(shù)支持分布式測量運(yùn)行，在惡劣環(huán)境中仍然適用。電力系統(tǒng)在線監(jiān)測功能也要得到光纖傳感技術(shù)的支持。此外，變壓器需要長期運(yùn)行在強(qiáng)電場環(huán)境中，在線監(jiān)測技術(shù)需要適應(yīng)強(qiáng)電場環(huán)境，光纖傳感技術(shù)能夠滿足強(qiáng)電場運(yùn)行需要。目前，將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于在線監(jiān)測系統(tǒng)中，實現(xiàn)了對變電站的實時監(jiān)測，滿足了電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的需要。

2.2.4 GPS系統(tǒng)

電力系統(tǒng)利用GPS系統(tǒng)實現(xiàn)通信功能，能夠滿足不同場景下的通信要求。電力系統(tǒng)對于通信主要存在采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)監(jiān)控3方面要求。使用GPS系統(tǒng)可以收集觀測數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后得到衛(wèi)星導(dǎo)航電文，使用北斗衛(wèi)星接收電力數(shù)據(jù)，并傳輸給調(diào)度中心，儲存和分析數(shù)據(jù)后，給出應(yīng)答，完成電力數(shù)據(jù)的應(yīng)用。當(dāng)變壓器啟動保護(hù)動作時，變電站會自動匯報測量對象信息。由于變電站信息可能同時發(fā)送，因此容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)碰撞和丟失的問題。為保證數(shù)據(jù)的安全傳輸，GPS系統(tǒng)要具備多個業(yè)務(wù)發(fā)送能力，在數(shù)據(jù)處理中心設(shè)置多個串口接收通信數(shù)據(jù)，并排列優(yōu)先級。處理數(shù)據(jù)時，通過檢測優(yōu)先等級，優(yōu)先處理高優(yōu)先級數(shù)據(jù)。一旦電力系統(tǒng)發(fā)生極端故障時，需要啟動大量保護(hù)動作，將數(shù)據(jù)發(fā)送至調(diào)度中心，按照優(yōu)先級進(jìn)行處理，因此要準(zhǔn)確評估線路保護(hù)的重要性。

2.2.5 超高壓直交流混輸技術(shù)

隨著科技進(jìn)步，電氣化和自動化快速發(fā)展，社會用電量大幅提高，對電網(wǎng)建設(shè)也有了新要求。電網(wǎng)建設(shè)需要不斷完善結(jié)構(gòu)，滿足社會用電量需求，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性和電網(wǎng)運(yùn)行的靈活性。目前，電網(wǎng)運(yùn)行過程中面臨著暫態(tài)問題，諧波分量持續(xù)大幅增長，電力系統(tǒng)中互感器需要具備更強(qiáng)大的性能，從而靈活應(yīng)對電網(wǎng)的復(fù)雜運(yùn)行。在繼電保護(hù)中根據(jù)二次諧波判斷系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，關(guān)注諧波標(biāo)準(zhǔn)，也是繼電保護(hù)的重要要求。

2.2.6 智能傳感技術(shù)

如今，智能化技術(shù)快速發(fā)展。在光纖傳感技術(shù)的基礎(chǔ)上，積極使用智能傳感技術(shù)，可以提高信息采集的便捷性和自動化，也能檢查電網(wǎng)的保護(hù)狀態(tài)。智能傳感器利用檢測功能實時監(jiān)控數(shù)據(jù)，掌握系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀，同時主動規(guī)避環(huán)境干擾，全天候保護(hù)電網(wǎng)系統(tǒng)。此外，應(yīng)用智能傳感設(shè)備，可顯著提高電網(wǎng)運(yùn)行管理效率，收集并保存電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，可用于進(jìn)一步技術(shù)研發(fā)，對電網(wǎng)系統(tǒng)的健康發(fā)展有著重要價值。

3 結(jié) 論

綜上所述，在智能化電網(wǎng)環(huán)境下，電力系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)出現(xiàn)集成化和智能化發(fā)展。在發(fā)電、輸電、配電以及用電環(huán)節(jié)中，均使用了大量信息技術(shù)、通信技術(shù)以及電力電子技術(shù)作為保護(hù)技術(shù)，保護(hù)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，支持電力系統(tǒng)高效安全運(yùn)行，保證社會電能的穩(wěn)定供應(yīng)，推動電力系統(tǒng)的健康發(fā)展。