新型電力系統(tǒng)保護(hù)控制技術(shù)架構(gòu)研究

吳振杰，王源濤，方愉冬，胡 晨，馬 偉，王 彤，王嘉琦

（1. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司，杭州 310009；2. 國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007；3. 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)），北京 102206）

0 引言

隨著“西電東送”“北電南供”戰(zhàn)略的實(shí)施，我國(guó)電網(wǎng)已成為全球能源資源配置能力最強(qiáng)、新能源裝機(jī)規(guī)模最大的復(fù)雜大電網(wǎng)［1］。高比例、高密度的可再生能源接入，導(dǎo)致電力系統(tǒng)需要在隨機(jī)波動(dòng)的負(fù)荷需求與隨機(jī)波動(dòng)的電源之間實(shí)現(xiàn)能量的供需平衡，電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行控制方式更為復(fù)雜，源、網(wǎng)、荷之間的協(xié)調(diào)控制成為常態(tài)。同時(shí)，潮流控制器、靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置等電力電子設(shè)備的規(guī)模化效應(yīng)使電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)特性已然發(fā)生了本質(zhì)上的變化［2-3］，我國(guó)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、運(yùn)行控制的難度大，在世界范圍內(nèi)是罕見(jiàn)的。這對(duì)于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行及保護(hù)控制系統(tǒng)提出了更高的要求。

大量電力電子設(shè)備接入的交直互聯(lián)系統(tǒng)，其故障形態(tài)發(fā)生根本性變化［4］。2013 年7 月，上海500 kV 交流線路瞬時(shí)故障引發(fā)葛南、宜華、林楓及復(fù)奉4回入滬直流同時(shí)故障，對(duì)系統(tǒng)造成嚴(yán)重沖擊；2015 年9 月，錦蘇直流雙極閉鎖，造成華東電網(wǎng)頻率近10年來(lái)首次跌破49.8 Hz。基于傳統(tǒng)交流系統(tǒng)形成的保護(hù)方法、防御理念、控制技術(shù)與交直流互聯(lián)電網(wǎng)運(yùn)行已不相適應(yīng)，系統(tǒng)安全問(wèn)題面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［5-6］。

為了保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，在《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》中，將我國(guó)承受大擾動(dòng)能力的安全穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為三級(jí)，即保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的三道防線。電網(wǎng)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱時(shí)期，三道防線在應(yīng)對(duì)各類電網(wǎng)事故、確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和可靠供電中發(fā)揮了重要作用。隨著電網(wǎng)規(guī)模越來(lái)越大，三道防線之間功能配置相互割裂，未能在空間和時(shí)間上形成有機(jī)統(tǒng)一的問(wèn)題逐漸暴露出來(lái)［7-8］。立足于系統(tǒng)級(jí)，建立保護(hù)和控制之間的信息融合及系統(tǒng)機(jī)制，優(yōu)化三道防線的功能和布局成為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。

本文針對(duì)新形勢(shì)下的復(fù)雜大電網(wǎng)系統(tǒng)性事故的演變過(guò)程，在頂層設(shè)計(jì)方面，提出了電網(wǎng)系統(tǒng)級(jí)保護(hù)控制技術(shù)架構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，通過(guò)優(yōu)化三道防線的功能和布局，協(xié)同保護(hù)與控制策略，為有效抑制和阻斷系統(tǒng)性事故的發(fā)生和發(fā)展，提升大電網(wǎng)的安全防御能力提供理論支持。

1 預(yù)防系統(tǒng)性事故發(fā)生的繼電保護(hù)

繼電保護(hù)作為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的第一道防線，應(yīng)有效防止故障擴(kuò)大。而隨著波動(dòng)性新能源大規(guī)模接入電網(wǎng)，現(xiàn)代電網(wǎng)的運(yùn)行方式及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潆S時(shí)可能發(fā)生改變，一方面會(huì)導(dǎo)致保護(hù)選擇性和靈敏性之間的矛盾更加不可調(diào)和；另一方面會(huì)導(dǎo)致保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間過(guò)長(zhǎng)且易受系統(tǒng)振蕩和過(guò)負(fù)荷影響，使得本應(yīng)保障電網(wǎng)安全的保護(hù)卻對(duì)事故的發(fā)展起到了推波助瀾的作用，據(jù)北美電力可靠性委員會(huì)統(tǒng)計(jì)：“63%的電力系統(tǒng)事故與繼電保護(hù)的不恰當(dāng)動(dòng)作有關(guān)”［9］。這說(shuō)明傳統(tǒng)繼電保護(hù)僅利用本地信息并依靠定值配合的構(gòu)成模式，在適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜瓦\(yùn)行方式的變化上已經(jīng)捉襟見(jiàn)肘，定值配合式保護(hù)從根本上受到了挑戰(zhàn)。

因此，針對(duì)高比例新能源及電力電子設(shè)備接入的新型電力系統(tǒng)，研究預(yù)防系統(tǒng)性事故發(fā)生的新型繼電保護(hù)構(gòu)成模式，將繼電保護(hù)僅利用本地信息轉(zhuǎn)換為利用豐富的故障多元信息，從而提升繼電保護(hù)應(yīng)對(duì)特殊、極端故障的能力，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。下面分別從主保護(hù)和后備保護(hù)兩方面探討繼電保護(hù)與故障多元信息相結(jié)合所帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。

1.1 基于故障全過(guò)程的主保護(hù)

主保護(hù)應(yīng)在保證選擇性的前提下以最快速度切除被保護(hù)設(shè)備的故障。考慮到實(shí)際運(yùn)行中故障信息在傳遞過(guò)程中受延時(shí)和可靠性等局限［10］，主保護(hù)應(yīng)能夠獨(dú)立判斷動(dòng)作與否，無(wú)需與其他元件配合。

為充分利用故障中蘊(yùn)含的豐富電氣量信息，主保護(hù)應(yīng)根據(jù)所保護(hù)元件的實(shí)際情況選擇融合從暫態(tài)量、工頻突變量到工頻穩(wěn)態(tài)量等不同時(shí)間尺度的故障量信息，挖掘故障信息中所蘊(yùn)含的故障物理特征，從而實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的故障全過(guò)程保護(hù)。其中，基于暫態(tài)量信息的保護(hù)由于具有響應(yīng)速度快、包含故障信息豐富的優(yōu)勢(shì)，逐漸成為中外學(xué)者的研究熱點(diǎn)［11-12］。基于暫態(tài)量信息的保護(hù)又可分為行波保護(hù)［12-14］和基于暫態(tài)高頻分量的保護(hù)［15-16］。

1.2 基于故障多元信息的后備保護(hù)

后備保護(hù)是指主保護(hù)或斷路器拒動(dòng)時(shí)，用來(lái)切除故障的保護(hù)。傳統(tǒng)的后備保護(hù)采用階梯時(shí)間配合，由于動(dòng)作時(shí)間較長(zhǎng)、保護(hù)動(dòng)作不及時(shí)易引發(fā)事故擴(kuò)大。因此，后備保護(hù)需突破保護(hù)僅利用設(shè)備自身信息的限制，構(gòu)建基于故障多元信息的后備保護(hù)，通過(guò)充分利用站域和站間交互的故障關(guān)聯(lián)電氣量、邏輯量信息，解決強(qiáng)依賴定值的問(wèn)題，提升極端情況下的保護(hù)性能，降低系統(tǒng)失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

基于邏輯量的后備保護(hù)方面，文獻(xiàn)［10］在建立系統(tǒng)層間互助機(jī)制的基礎(chǔ)上，提出了區(qū)域距離保護(hù)，通過(guò)不同信息域的簡(jiǎn)單邏輯計(jì)算實(shí)現(xiàn)了故障元件的快速識(shí)別；文獻(xiàn)［17］利用相鄰變電站的保護(hù)信息構(gòu)建邏輯判據(jù)，通過(guò)對(duì)本地距離Ⅱ段和Ⅲ段的動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，解決了傳統(tǒng)距離保護(hù)整定困難的問(wèn)題；文獻(xiàn)［18-20］基于遺傳算法提出了廣域后備保護(hù)的新算法，相比于傳統(tǒng)后備保護(hù)具有更高的靈敏性。基于邏輯關(guān)聯(lián)信息的保護(hù)充分利用了現(xiàn)有保護(hù)的基礎(chǔ)，對(duì)通信系統(tǒng)要求低，易于工程實(shí)現(xiàn)，具有較高的可靠性和信息容錯(cuò)能力。

基于電氣量的后備保護(hù)方面，文獻(xiàn)［21-23］分別基于故障電流和電壓信息對(duì)故障元件進(jìn)行定位和識(shí)別；文獻(xiàn)［24］定義了保護(hù)關(guān)聯(lián)區(qū)域的概念，利用關(guān)聯(lián)區(qū)域雙端電流的故障穩(wěn)態(tài)分量計(jì)算故障相關(guān)因子，能夠利用有限的測(cè)量點(diǎn)快速識(shí)別故障支路；文獻(xiàn)［25-26］分別利用保護(hù)關(guān)聯(lián)域和潮流轉(zhuǎn)移因子對(duì)系統(tǒng)中的潮流轉(zhuǎn)移進(jìn)行識(shí)別并對(duì)后備保護(hù)進(jìn)行重新整定，避免了后備保護(hù)相繼動(dòng)作引發(fā)的連鎖跳閘風(fēng)險(xiǎn)。基于電氣量關(guān)聯(lián)信息的后備保護(hù)，可以充分挖掘電氣量信息中包含的故障特征，以實(shí)現(xiàn)故障判別的唯一性和保護(hù)的選擇性。

1.3 新型繼電保護(hù)構(gòu)成模式

為提升繼電保護(hù)應(yīng)對(duì)特殊、極端故障的能力，分別從主保護(hù)和后備保護(hù)兩方面提出站域分布式新型保護(hù)系統(tǒng)。保護(hù)架構(gòu)如圖1和圖2所示，以變電站為基本單元，MU（合并單元）在一定程度上實(shí)現(xiàn)了過(guò)程層數(shù)據(jù)的共享和數(shù)字化。站域主機(jī)連接GOOSE（面向通用對(duì)象變電站事件）網(wǎng)、SV（采樣值）網(wǎng)，集中全站電氣量、邏輯量信息，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)各間隔的保護(hù)功能，不依賴站間通信系統(tǒng)，保證站內(nèi)保護(hù)的可靠性和快速性。

圖1 站域主保護(hù)架構(gòu)Fig.1 Station-level main protection architecture

圖2 站域后備保護(hù)架構(gòu)Fig.2 Station-level backup protection architecture

本站主機(jī)與相鄰變電站主機(jī)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，在站間交互邏輯量、電氣量信息，實(shí)現(xiàn)信息的融合，進(jìn)行綜合決策判斷，保證保護(hù)的可靠性。站間交互邏輯量信息，相較于交互電氣量信息更簡(jiǎn)單、可靠，通過(guò)多元邏輯量信息的一致性，可解決后備保護(hù)對(duì)相鄰設(shè)備故障拒動(dòng)和過(guò)負(fù)荷誤動(dòng)的問(wèn)題；同時(shí)借助故障全過(guò)程電氣量等多元信息進(jìn)行故障特征的識(shí)別，可提升保護(hù)對(duì)輕微故障的反應(yīng)能力。

在交直流混聯(lián)電網(wǎng)中，換流變電站內(nèi)可交互直流系統(tǒng)控制信息與交流系統(tǒng)保護(hù)信息，實(shí)現(xiàn)保護(hù)與控制功能的有機(jī)結(jié)合，以適應(yīng)復(fù)雜多變的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

新能源有功功率輸出隨機(jī)波動(dòng)，使得系統(tǒng)運(yùn)行模式變化較大，對(duì)于傳統(tǒng)保護(hù)，距離保護(hù)Ⅱ段和Ⅲ段整定值易受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式的影響。如圖3所示，當(dāng)新能源接入電網(wǎng)時(shí)，若距離Ⅱ段下級(jí)線路BD較短時(shí)，按照可靠性整定可能使保護(hù)不滿足靈敏性要求，即在本線路末端時(shí)距離Ⅱ段拒動(dòng)；如在較大出力情況下，測(cè)量阻抗增大，可能會(huì)造成距離保護(hù)Ⅲ段拒動(dòng)，如圖4所示。

本文所提技術(shù)架構(gòu)，站內(nèi)的配置方案是將“靈敏距離Ⅱ段”設(shè)為線路阻抗的125%，“靈敏距離Ⅲ段”設(shè)為線路和下一條相鄰線路阻抗的130%。本線路末端故障時(shí)靈敏距離Ⅱ段無(wú)延時(shí)跳閘，下級(jí)線路末端故障時(shí)靈敏距離Ⅲ段經(jīng)一時(shí)間間隔跳閘。該方案的優(yōu)點(diǎn)是Ⅱ段定值能滿足保線路全長(zhǎng)的靈敏度要求，Ⅲ段在本線路及其下一級(jí)線路故障時(shí)都能滿足靈敏度要求。在新能源接入情況下，傳統(tǒng)距離Ⅱ段、Ⅲ段都有可能對(duì)其保護(hù)元件失去靈敏性，但采用所提方案時(shí)，靈敏距離Ⅱ段和Ⅲ段可以滿足靈敏度要求。

由于對(duì)保護(hù)靈敏度要求的提高，為防止所提保護(hù)方案失去選擇性，保護(hù)需通過(guò)通信系統(tǒng)確定故障范圍，在最小范圍內(nèi)清除故障，且提升后備保護(hù)的動(dòng)作速度。Ⅱ段、Ⅲ段的保護(hù)動(dòng)作邏輯如圖5所示，Ⅱ段保護(hù)與對(duì)側(cè)的Ⅰ段和Ⅱ段保護(hù)協(xié)同工作，對(duì)側(cè)的距離保護(hù)不受新能源接入的影響，能準(zhǔn)確確定故障位置，近后備保護(hù)無(wú)延時(shí)跳閘；Ⅲ段保護(hù)也應(yīng)滿足選擇性要求且加速動(dòng)作，近后備保護(hù)無(wú)延時(shí)跳閘。由于有通信時(shí)間，近后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)間稍微落后于主保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，不會(huì)影響主保護(hù)正確動(dòng)作；遠(yuǎn)后備保護(hù)需躲過(guò)本方案的近后備動(dòng)作時(shí)間，應(yīng)經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)延再動(dòng)作。

圖5 保護(hù)動(dòng)作邏輯Fig.5 Protection action logic

新型電力系統(tǒng)中，電力電子設(shè)備增多導(dǎo)致系統(tǒng)的故障承受能力大大下降，對(duì)繼電保護(hù)的速動(dòng)性提出了更高要求。傳統(tǒng)后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為秒級(jí)，遠(yuǎn)后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)間甚至?xí)L(zhǎng)達(dá)數(shù)秒，不能滿足新型電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的要求。本文提出的新型繼電保護(hù)構(gòu)成模式，通過(guò)信息融合技術(shù)，使得近后備保護(hù)可以無(wú)延時(shí)跳閘，遠(yuǎn)后備保護(hù)需經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)延后動(dòng)作。目前工程技術(shù)可以達(dá)到遠(yuǎn)后備保護(hù)延時(shí)200 ms 動(dòng)作。因此，本方案大大縮短了后備保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間，相較于傳統(tǒng)保護(hù)可以更好地保護(hù)交直流混聯(lián)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 自治式系統(tǒng)級(jí)保護(hù)控制措施

電網(wǎng)在遭受嚴(yán)重故障時(shí)，如繼電保護(hù)拒動(dòng)或繼電保護(hù)正確動(dòng)作后系統(tǒng)仍將失去穩(wěn)定，此時(shí)應(yīng)根據(jù)具體情況采取切機(jī)、切負(fù)荷以及系統(tǒng)解列等緊急控制措施以防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大。

2.1 系統(tǒng)送受端功率不平衡的緊急控制

電力系統(tǒng)不同區(qū)域之間的超、特高壓聯(lián)絡(luò)線因故障被繼電保護(hù)切除后，該線路上的潮流將瞬間轉(zhuǎn)移至其他聯(lián)絡(luò)線，由此可能引發(fā)兩種問(wèn)題：

1）如其余聯(lián)絡(luò)線上的潮流達(dá)到線路可承受的極限值后仍無(wú)法滿足區(qū)域間的輸送需求，此時(shí)系統(tǒng)送、受端區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)功率不平衡，分別表現(xiàn)為功率富余和功率缺額。

2）潮流轉(zhuǎn)移后部分聯(lián)絡(luò)線因潮流增大而出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷，如不能及時(shí)有效地消除過(guò)負(fù)荷現(xiàn)象，過(guò)負(fù)荷保護(hù)將切除過(guò)負(fù)荷線路，造成故障事態(tài)的進(jìn)一步擴(kuò)大，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)連鎖性跳閘。

上述故障傳播過(guò)程發(fā)生在繼電保護(hù)動(dòng)作切除故障線路之后和切機(jī)、切負(fù)荷緊急控制措施動(dòng)作之前，即介于傳統(tǒng)一、二道防線之間。因此，當(dāng)系統(tǒng)因聯(lián)絡(luò)線故障導(dǎo)致送受端出現(xiàn)功率不平衡時(shí)，為避免故障事態(tài)進(jìn)一步擴(kuò)大，應(yīng)盡快采取控制措施以消除潛在的安全隱患，此時(shí)系統(tǒng)送、受端應(yīng)分別采取切機(jī)［27］、切負(fù)荷［28］控制措施，當(dāng)聯(lián)絡(luò)線中有直流線路時(shí)還應(yīng)合理利用其短時(shí)過(guò)負(fù)荷能力進(jìn)行緊急功率支援。

2.2 系統(tǒng)能量不平衡的緊急控制

系統(tǒng)遭受到嚴(yán)重故障，系統(tǒng)積攢的暫態(tài)能量超過(guò)系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定時(shí)的臨界能量，僅憑第一道防線無(wú)法阻止系統(tǒng)中不同發(fā)電機(jī)組之間功角相互擺開(kāi)，系統(tǒng)面臨暫態(tài)失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)采取切機(jī)［29］、切負(fù)荷［30］以及直流調(diào)制［31-32］等緊急控制措施，也就是電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的第二道防線。

就電網(wǎng)目前運(yùn)行現(xiàn)狀而言，故障發(fā)生后第二道防線從繼電保護(hù)裝置處接收的信息僅包含故障時(shí)間和故障元件等有限信息，通過(guò)將這些有限信息與離線生成的事故預(yù)案相比對(duì)來(lái)判斷系統(tǒng)當(dāng)前穩(wěn)定狀態(tài)［8］，第一、二道防線實(shí)際上仍處于各司其職的割裂狀態(tài)。現(xiàn)有的繼電保護(hù)裝置完全具備把故障時(shí)間、故障位置、故障類型、接地電阻等關(guān)鍵信息告知第二道防線的能力［33］。如能將上述故障信息有效引入系統(tǒng)暫態(tài)判斷和緊急控制中，將有利于減少計(jì)算誤差，提高暫態(tài)穩(wěn)定判斷結(jié)果的準(zhǔn)確性，為控制部門采取切機(jī)、切負(fù)荷等控制措施提供更加可靠的依據(jù)［34］。

2.3 系統(tǒng)失去同步后的解列控制

當(dāng)電網(wǎng)遇到多重嚴(yán)重故障以至于第二道防線仍無(wú)法阻止系統(tǒng)失去穩(wěn)定時(shí)，為防止系統(tǒng)性崩潰和大面積停電的發(fā)生，需設(shè)置失步解列、頻率及電壓緊急控制裝置，即安全穩(wěn)定的第三道防線。

其中，失步解列控制是當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生失步振蕩時(shí)，采取解列聯(lián)絡(luò)線的控制措施，以消除電網(wǎng)的異步運(yùn)行狀態(tài)，防止事故擴(kuò)大。解列的關(guān)鍵要素包括失步振蕩現(xiàn)象識(shí)別、解列斷面選擇和解列裝置之間的協(xié)調(diào)配合等［35-36］。根據(jù)所需量測(cè)信息的來(lái)源，失步解列可分為基于本地量測(cè)信息和基于廣域量測(cè)信息兩大類。

基于本地量測(cè)信息的失步解列通常取某一固定的斷面割集作為解列點(diǎn)，通過(guò)離線分析計(jì)算，在風(fēng)險(xiǎn)較大、易于解列的失步振蕩中心所在斷面配置解列裝置，其判斷所需的電氣量通常包括視在阻抗Z、測(cè)量電壓與電流的阻抗角φ和測(cè)量電壓幅值與阻抗角余弦的乘積Ucosφ等［37-40］。基于本地量測(cè)信息的失步解列方法目前已經(jīng)比較成熟，但該方法應(yīng)用在日益復(fù)雜的互聯(lián)大電網(wǎng)時(shí)，有策略失配的風(fēng)險(xiǎn)，且不能充分考慮解列后的孤島運(yùn)行約束，容易引發(fā)后續(xù)的切機(jī)、切負(fù)荷等控制，使故障影響進(jìn)一步擴(kuò)大。

隨著廣域測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，基于廣域量測(cè)信息的失步解列方法逐漸成為研究熱點(diǎn)。該方法利用廣域測(cè)量裝置實(shí)時(shí)測(cè)得的節(jié)點(diǎn)電壓、電流大小及相位信息，對(duì)系統(tǒng)是否失步進(jìn)行在線判斷并計(jì)算最優(yōu)解列斷面［41-42］，可以更加準(zhǔn)確地判斷系統(tǒng)振蕩中心所在位置，使解列斷面更加合理，但該方法依賴測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和同時(shí)性，對(duì)算法的實(shí)時(shí)計(jì)算能力也有一定考驗(yàn)。

3 新型電力系統(tǒng)保護(hù)控制技術(shù)架構(gòu)

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)保護(hù)控制架構(gòu)下，保護(hù)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)之間彼此獨(dú)立，缺乏有效的信息交互與動(dòng)作配合，導(dǎo)致系統(tǒng)在遭受嚴(yán)重故障后可能出現(xiàn)連鎖跳閘等系統(tǒng)性事故。因此，需要通過(guò)變電站內(nèi)的站域主機(jī)將繼電保護(hù)處的多元故障信息有效利用到控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制方案的準(zhǔn)確決策；同時(shí)將控制系統(tǒng)的動(dòng)作信息傳遞至保護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)控制策略的快速執(zhí)行。

基于以上背景，提出一種新形勢(shì)下大電網(wǎng)系統(tǒng)級(jí)保護(hù)控制技術(shù)架構(gòu)，如圖6所示。通過(guò)構(gòu)建站域分布式新型保護(hù)系統(tǒng)，在站內(nèi)、站間互傳電氣量與邏輯量信息，實(shí)現(xiàn)故障信息的交互融合，保護(hù)裝置快速應(yīng)對(duì)斷路器失靈、保護(hù)死區(qū)等特殊或極端故障，提升繼電保護(hù)在預(yù)防系統(tǒng)性事故方面的性能。站域主機(jī)采集本站的發(fā)電機(jī)和負(fù)荷信息、新能源發(fā)電信息、直流線路信息以及繼電保護(hù)的多元故障信息，并將信息傳遞至相鄰變電站，結(jié)合本站與相鄰站信息，站域主機(jī)可實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)切機(jī)、切負(fù)荷、直流緊急支援以及系統(tǒng)解列等自治式緊急控制，有效阻斷系統(tǒng)性事故的發(fā)生和發(fā)展。

圖6 新型電力系統(tǒng)保護(hù)控制技術(shù)架構(gòu)Fig.6 The technical architecture for protection and control of new-type power systems

系統(tǒng)級(jí)保護(hù)控制技術(shù)以站域主機(jī)為基本單元，實(shí)現(xiàn)了站域與站間，保護(hù)與控制以三道防線之間的信息傳遞融合，使系統(tǒng)的保護(hù)與控制功能同時(shí)得到有效提升，對(duì)抑制系統(tǒng)性事故發(fā)生發(fā)展，鞏固大電網(wǎng)安全防御將起到至關(guān)重要的作用。

4 仿真分析

為驗(yàn)證基于信息融合的新型繼電保護(hù)工作模式下的保護(hù)功能，在電力工業(yè)電力系統(tǒng)自動(dòng)化設(shè)備質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心RTDS（實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器）上，基于某區(qū)域電網(wǎng)建立仿真系統(tǒng)，包括一座220 kV變電站和下級(jí)3座110 kV變電站，如圖7所示，對(duì)保護(hù)裝置進(jìn)行了動(dòng)模試驗(yàn)。

圖7 新型后備保護(hù)仿真系統(tǒng)Fig.7 Simulation system for the novel backup protection

4.1 站域保護(hù)

在110 kV 變電站的高壓側(cè)母線、變壓器高、中、低壓側(cè)以及中、低壓側(cè)母線設(shè)置單相接地、兩相短路、兩相接地、三相短路以及發(fā)展性故障（故障點(diǎn)發(fā)生A相金屬性接地故障k（1），0.02 s后發(fā)展成AB 兩相金屬性接地故障k（1，1）），對(duì)站域保護(hù)功能進(jìn)行驗(yàn)證，所有保護(hù)均正確動(dòng)作。110 kV 變電站1號(hào)變高壓側(cè)故障仿真結(jié)果如表1所示。

表1 變壓器高壓側(cè)故障仿真結(jié)果Table 1 Simulation results of faults on HV side in a transformer

4.2 站間保護(hù)

在本段線路出口、中間、末端和下級(jí)線路出口、中間、末端，分別模擬單相接地、兩相短路、兩相接地、三相短路、高阻接地、發(fā)展性故障、斷路器失靈、系統(tǒng)振蕩及振蕩過(guò)程中發(fā)生故障，對(duì)保護(hù)功能進(jìn)行驗(yàn)證。1號(hào)線CB1線路保護(hù)的本段出口、末端及下級(jí)線路（3號(hào)線）短路，同時(shí)CB4拒動(dòng)，仿真結(jié)果分別如表2—4 所示。所有線路保護(hù)均正確動(dòng)作，保護(hù)Ⅰ段動(dòng)作時(shí)間均在50 ms 以內(nèi)，退出主保護(hù)功能情況下，近端后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)間均小于100 ms，遠(yuǎn)端后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)間均在500 ms以內(nèi)，保護(hù)功能不受過(guò)負(fù)荷和系統(tǒng)振蕩影響，有較高耐受過(guò)渡電阻能力。其中1號(hào)線CB5出口A相接地瞬時(shí)故障，故障錄波如圖8所示。

表2 1號(hào)線CB1出口故障仿真結(jié)果Table 2 Simulation results of faults at outlet CB1 on line 1

表3 1號(hào)線CB5出口故障仿真結(jié)果Table 3 Simulation results of faults at outlet CB5 on line 1

表4 3號(hào)線故障且CB4拒動(dòng)仿真結(jié)果Table 4 Simulation results of faults on line 3 and operation failure of CB4

圖8 1號(hào)線CB5出口A相接地故障錄波Fig.8 Waveforms of phase A to ground fault at outlet CB5 on line 1

故障發(fā)生后線路1 的CB5 經(jīng)34.0 ms 由距離保護(hù)動(dòng)作跳閘，經(jīng)571.7 ms合閘；CB1經(jīng)54.0 ms由站間保護(hù)動(dòng)作跳閘，經(jīng)549.1 ms合閘。

為驗(yàn)證對(duì)交直流混聯(lián)系統(tǒng)的適應(yīng)性，將本片區(qū)電源變換為直流供電，220 kV 站改為換流站，如圖9所示。故障設(shè)置不變，在PSCAD中進(jìn)行仿真驗(yàn)證。故障仿真如圖10和圖11所示，保護(hù)具有較高的靈敏性，適用于交直流混聯(lián)系統(tǒng)，近、遠(yuǎn)后備保護(hù)均快速正確動(dòng)作，在交流側(cè)故障切除后，直流系統(tǒng)迅速恢復(fù)穩(wěn)定。

圖9 新型后備保護(hù)仿真系統(tǒng)（直流接入）Fig.9 Simulation system for the novel backup protection （with DC integrated）

圖10 交直流混聯(lián)系統(tǒng)近后備動(dòng)作錄波Fig.10 Waveforms of local backup protection of hybrid AC/DC system

圖11 交直流混聯(lián)系統(tǒng)遠(yuǎn)后備動(dòng)作錄波Fig.11 Waveforms of remote backup protection of hybrid AC/DC system

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)新形勢(shì)下的大電網(wǎng)，研究了預(yù)防系統(tǒng)性事故發(fā)生的繼電保護(hù)功能，提出了新型繼電保護(hù)構(gòu)成模式，構(gòu)建更加完善的第一道防線，提升繼電保護(hù)預(yù)防單一事故向系統(tǒng)性事故發(fā)展的能力。結(jié)合大電網(wǎng)系統(tǒng)性事故的演變過(guò)程，優(yōu)化電網(wǎng)三道防線的功能和布局，通過(guò)站域自治-區(qū)域協(xié)同的方式實(shí)現(xiàn)自治式系統(tǒng)保護(hù)控制策略，有效阻斷系統(tǒng)性事故發(fā)生、發(fā)展。分析了站域和站間、保護(hù)和控制及三道防線間的信息融合和協(xié)同機(jī)制，構(gòu)建電網(wǎng)分布式系統(tǒng)級(jí)保護(hù)控制技術(shù)架構(gòu)。本文所提技術(shù)架構(gòu)具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）站域集中-站間分布式新型保護(hù)構(gòu)成模式將保護(hù)功能、通信技術(shù)、系統(tǒng)可靠性和工程實(shí)現(xiàn)等因素統(tǒng)一考慮，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的整體優(yōu)化。

2）新型后備保護(hù)可在現(xiàn)有保護(hù)基礎(chǔ)上“進(jìn)化”，既傳承了成熟的保護(hù)原理和運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，又可在通信系統(tǒng)或站域主機(jī)故障的極端情況下，在保證可靠性的前提下，保留現(xiàn)有保護(hù)功能。

3）新型后備保護(hù)利用信息冗余判別故障，使保護(hù)性能得到全面提升。近后備動(dòng)作時(shí)間小于100 ms，遠(yuǎn)后備動(dòng)作時(shí)間小于500 ms，后備保護(hù)靈敏度滿足要求，且不受過(guò)負(fù)荷和系統(tǒng)振蕩影響。

本文僅討論了基于現(xiàn)有保護(hù)邏輯信號(hào)實(shí)現(xiàn)的新型后備保護(hù)的方法，構(gòu)成模式并不限于利用現(xiàn)有保護(hù)的邏輯信號(hào)，還可利用站域電氣模擬量信息實(shí)現(xiàn)故障定位，為基于多元電氣故障信息的保護(hù)新原理研究奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。隨著電力電子設(shè)備在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，故障特性表現(xiàn)為非線性受控和弱饋特征，這將進(jìn)一步影響繼電保護(hù)的動(dòng)作性能，因此，在接下來(lái)的研究中將加強(qiáng)保護(hù)和控制之間的協(xié)調(diào)和配合。