智能电网中的广域保护

孙 鑫,张幼明

（1.东北电力科学研究院有限公司,辽宁 沈阳 110006;2.东北电网有限公司,辽宁 沈阳 110180）

广域保护是近几年国内外新兴的一个研究课题,是建立在计算机和通信技术发展的基础上,与大型互联电网的安全性和稳定性要求密切相关,尤其在1996年美国大停电、2003年夏季美加互联电网崩溃事故和欧洲部分国家大范围停电事故相继发生之后,人们进一步认识到应从整体或区域电网的角度加强继电保护和自动控制,不仅要加强继电保护本身的可靠性,还要使继电保护和自动控制装置的动作相配合,加强对故障后不稳定系统的控制[1]。

随着国家电网公司智能电网建设的开展,智能电网特征带来的网络重构、分布式电源接入、微网运行等技术对继电保护提出了新的要求,基于本地测量信息及少量区域信息的常规保护在解决这些问题时面临较大困难,新技术（新型传感器技术、时钟同步及数据同步技术、计算机技术及光纤通信技术等）的发展与应用为继电保护的发展提供了广阔的发展空间。因此,基于广域测量信息,从系统角度综合考虑继电保护设计和配置的广域继电保护受到越来越多的关注[2]。

1 传统继电保护在智能电网中的局限性

传统的继电保护主要集中于元件保护,以线路、母线、变压器、发电机和电动机等为保护对象,以切除被保护元件内部故障为己任,主要通过开关动作实现故障隔离,保护采用的动作判据通常是基于本地测量的数据,反映的只是系统中某点或局部区域有限的运行状态,无法很好地把握整个系统全局的动态特性和实现各级安全装置之间的协调和配合,确保全局的安全稳定运行[3]。

自愈性是智能电网一个重要特征。所谓“自愈”就是把电网中有问题的元件从系统中隔离,在很少或不用人为干预的情况下使系统迅速恢复正常运行状态,同时不中断对用户的供电,运用本地和远程设备的通信分析各类故障及不正常运行状态（系统电压降低、过载等）,并基于这些分析采取适当的控制策略。

在未来的智能电网中,电网的自愈特征将对继电保护的选择性、可靠性、速动性及灵敏性提出更高的要求,对常规继电保护的配置方法提出新的要求。目前,电网规模越来越大,各大区域电网逐渐互联,电网结构愈加复杂,运行方式灵活多样,传统的继电保护装置之间靠定值大小和时间长短配合,整定困难,配合有限,不能跟踪系统运行方式变化,甚至出现保护失配或灵敏度不足的情况。而且继电保护和安全自动装置之间相互独立,不能进行数据共享,相互之间缺乏配合,传统继电保护的局限性已不适应智能电网的安全稳定运行。

2 广域保护的概念及功能

2.1 广域保护的概念

广域保护的概念1997年首次由瑞典学者在IEEE上发表的Wide Areas Protection Against Voltage Collapse（广域保护应对电压崩溃）一文提出。国际大电网会议对广域保护的功能和控制手段等进行了定义,如图1所示[4]。

由图1可以看出,广域保护的动作时间在0.1～100 s,其实施的控制操作基本包括了我国的第二、第三道防线范畴,在电网保护控制中是基本定位于常规保护及SCADA/EMS之间的系统保护控制手段。

图1 广域保护的定义

目前,学术界对广域保护尚没有明确、统一的定义。通过对当前出现的几种主要观点进行分析,在此基础上对广域保护概念作如下简述：将电力系统内的保护装置通过光纤互联,信息共享,获得系统内多点信息,根据网络拓扑结构,利用获得的信息对故障进行快速、可靠、精确的切除,分析故障点切除后对系统安全稳定运行带来的影响并采取相应的控制策略确保电网的安全运行,这种集保护和自动控制功能于一体的系统称为广域保护系统。

图2 区域智能保护系统结构

2.2 广域保护功能[5]

一是通过采集电网各节点数据,经计算后确定一定的控制手段以维持电网的安全稳定运行;二是实时掌握并充分利用电网的输电能力;三是提供更准确的电网规划方案。在以上功能中,第一个功能是最重要的目标。目前电网稳定问题可分为暂态功角不稳定、小信号功角不稳定、频率不稳定、短期电压不稳定、长期电压不稳定、低频振荡、次同步振荡、连锁故障。针对这些问题,需要采取各种稳定控制措施以维持系统可靠供电。

3 广域保护在智能电网中的保护逻辑与结构

3.1 保护逻辑

广域保护在智能电网保护系统中采用集中与分散相结合的模式,如图2所示。

第一层为设备层,主要是各变电站内数据采集及跳闸执行,采集所需电气量和开关量,打上时间标记,向变电站中间层传送。

第二层为变电站中间层,属于站域保护,安装在本区域内各相关变电站内,执行变电站范围内的主保护及后备保护功能,并负责将这些中间测量结果向上层区域保护单元传送,接收并执行区域保护的决策结果。

第三层为区域决策层或区域电网保护层,属于广域保护,主要对变电站之间的联络线进行保护和控制,对信息进行综合分析并做出相应的决策。

3.2 保护构成

保护主要由站域保护层和区域保护层组成。

a.站域保护层

站域保护是指仅依赖于本变电站和联络线路对侧信息就能很好完成的保护功能。站域保护主要负责就地信息的实时采集,包括电压、电流、断路器状态及对侧线路数据。根据采集到的实时数据计算出故障的基本信息,如各条线路的故障方向、断路器的位置状态信息等,根据故障基本信息,执行站域保护功能。

站域保护包括变电站内变压器和母线等设备的主保护和后备保护、输电线路的主保护和后备保护、馈线的主保护和后备保护、低周减载保护、低压保护及自动重合闸等功能。站域范围界定为该变电站与其他变电站相连输电线路对侧断路器内的范围,也就是站域范围不跨越变电站进出线路对侧断路器构成的边界,站域范围的界定如图3所示。

b.区域保护层

图3 站域范围的界定

区域保护是指根据整个区域内的数据综合判断完成的保护功能,也称之为区域决策。区域保护主要根据通过同步数据网络共享的区域内各节点电流、电压、断路器状态,计算出故障基本信息,实现区域保护功能。区域包括若干变电站及其输电线路。区域范围的界定以变电站来划分,保护区域包括与该区域内所有变电站相关联的输电线路,区域范围的界定如图4所示。

图4 区域范围的界定

3.3 区域保护之间的配合

电网规模很大,且区域与区域之间有电气联系的可以构成大电网。分区的原则是根据通信传输速度和信息处理能力,一般情况应使2个区域之间电气联系最少。2个区域电网的智能保护都包含联络线路,当联络线路故障时,与之相连的2个区域电网保护均可识别故障并发出指令切除故障,区域保护之间的配合如图5所示。

图5 区域保护与区域保护配合

4 智能电网对广域保护的基本要求

a.广域保护需要通过网络快速可靠地获取区域电网的必要信息,如电压、电流、开关状态、设备运行状态等。

b.广域保护涉及到的保护将不局限于几个装置和几个变电站,如何在较大范围内保持时间和数据的同步性是广域保护的关键,因此,广域保护所采集的数据应带有同步时标信息,确保广域保护可识别时间状态,保证用同一时间断面信息量做逻辑处理。

c.广域保护所保护的对象是区域电网的安全稳定运行和区域电网电气设备,要兼顾、协调二者的保护和控制。

d.广域保护系统需具备高度的可靠性,包括数据采集的可靠性、网络传输的可靠性、智能保护决策处理的可靠性等。

e.广域保护系统需具备足够的自适应性和智能性,可根据电网拓扑结构、运行方式作出最优的保护控制策略,使智能保护系统具有最好的选择性。

f.广域保护系统需具备可扩展性,当电网一次设备发生变化,新增变电站、电气间隔时,广域保护应灵活接入。

5 广域保护在智能电网中应用

广域保护系统是近几年发展起来的新技术,由于电网的发展及多次大停电的影响,各国电力工作者都在进行广域保护系统的研究,虽处在开发和逐步完善之中,但目前已有几个已经投入运行或正在开发的系统。加拿大Hydro-Quebec电力公司自行开发的可编程减负荷系统PLSS[4],该系统已运行20多年。美国BPA、Ciber Inc及华盛顿州立大学共同研制开发的广域稳定和电压控制系统WACS[6]。法国EDF电力公司开发的已经运行19年之久的DRS[7]系统等。国内目前已有科研单位和电网公司合作研发广域保护系统,北京四方公司从2007年开始进行广域保护的研究和技术储备, 2008年5月,在广东花都供电局4个110 kV变电站装设广域保护系统,2010年2月,湖北荆州供电局4个110 kV变电站装设了广域保护系统。南京南瑞继保电气有限公司、许继电气股份有限公司等已进行该方面的研发和应用,由此可看,广域保护将是今后继电保护发展的新方向。

6 结束语

广域保护系统从提出到现在近15年,其成功应用可有效遏制日益频发的大规模电力系统连锁故障,可以提高系统的功角、电压稳定性和现有输电网络的利用率。随着智能电网的建设,广域继电保护将得到进一步拓展、深化和应用,将在保障智能电网的安全稳定运行中发挥重要作用。

[1] 陈德树.大电网安全保护技术初探[J].电网技术,2004, 28（9）：14-17.

[2] 赵宇皓,郝晓光,高志强.应用于智能电网的广域继电保护[J].河北电力技术,2009,28（S）：18-20.

[3] 张晶晶,丁 明.广域保护系统研究[J].合肥工业大学学报,2006,29（4）：440-443.

[4] 蔡运清,汪 磊,Kip Morison,等.广域保护（稳控）技术的现状及发展[J].电网技术,2004,28（8）：20-25.

[5] 易 俊,周孝信.电力系统广域保护与控制综述[J].电网技术,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.