智能電網(wǎng)中廣域繼電保護(hù)的應(yīng)用 - 全文

　　1 　概述

　　經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展使電力系統(tǒng)的電壓等級升高、電網(wǎng)復(fù)雜程度增加,給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來巨大挑戰(zhàn)。作為保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行“三道防線”中第一道防線的繼電保護(hù)也面臨嚴(yán)峻的考驗,傳統(tǒng)保護(hù)整定配合越來越困難。

　　隨著國家電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)建設(shè)的開展,智能電網(wǎng)的特征帶來的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、分布式電源接入、微網(wǎng)運(yùn)行等技術(shù),對繼電保護(hù)提出了新的要求,基于本地測量信息及少量區(qū)域信息的常規(guī)保護(hù)在解決這些問題時面臨較大的困難;同時,新技術(shù)(如新型傳感器技術(shù)、時鐘同步及數(shù)據(jù)同步技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、光纖通信技術(shù)等) 的研究與應(yīng)用也給繼電保護(hù)的發(fā)展提供了廣闊的發(fā)展空間。在以上因素的促進(jìn)下,基于廣域測量信息,從系統(tǒng)的角度綜合考慮繼電保護(hù)設(shè)計和配置的廣域繼電保護(hù)得到了越來越多的關(guān)注。

　　2 　廣域保護(hù)技術(shù)的發(fā)展

　　早在1997 年,瑞典學(xué)者Bertil Ingel ssON 就提出了廣域保護(hù)的概念 ,用來預(yù)防長期電壓崩潰等控制功能。國際大電網(wǎng)會議將廣域保護(hù)的功能及控制手段和目標(biāo)進(jìn)行了定義。

　　廣域保護(hù)系統(tǒng)包含繼電保護(hù)和安全自動控制兩方面內(nèi)容,其中,廣域繼電保護(hù)作為廣域保護(hù)的重要組成部分,對輔助傳統(tǒng)主保護(hù)、提高保護(hù)定值的自適應(yīng)能力、簡化保護(hù)配合、縮短保護(hù)動作時間等方面起關(guān)鍵作用,有助于從根本上切實解決現(xiàn)有繼電保護(hù)存在的適應(yīng)能力差、整定配合復(fù)雜等難題,提高保護(hù)的自適應(yīng)能力。

　　1998 年日本學(xué)者Yoshizumi Serizawa 將廣域思想與繼電保護(hù)結(jié)合起來,提出基于GPS 通過光纖通道傳送多點(diǎn)電流信息,構(gòu)成廣域差動保護(hù)的觀點(diǎn)。電流差動保護(hù)的范圍不限于某電氣元件,而擴(kuò)至該元件的相鄰區(qū)域,不僅能為元件提供快速的差動主保護(hù),還可為相鄰區(qū)域提供動作延時小、選擇性好的差動后備保護(hù),提高保護(hù)系統(tǒng)的性能。有學(xué)者提出了一種基于多Agent 的廣域電流差動保護(hù)系統(tǒng),借助專家系統(tǒng)實現(xiàn)電流差動、后備保護(hù)區(qū)的動態(tài)在線劃分,然后通過各保護(hù)Agent 間的配合協(xié)調(diào)實現(xiàn)對整個電網(wǎng)的主、后備電流差動保護(hù)。廣域后備保護(hù)可利用專家系統(tǒng)方法實現(xiàn) ,在給定網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、相鄰幾級變電站中繼電器的動作情況以及斷路器的開合狀態(tài)的前提下,利用所定義的動作因子AF (action factor) 的大小來判定故障位置。AF 描述了基于所有已動作了的保護(hù)設(shè)備判斷某元件故障的可能性大小,這種方法旨在保證主保護(hù)故障時能正確隔離故障。

　　3 　智能電網(wǎng)將對傳統(tǒng)繼電保護(hù)的影響

　　智能電網(wǎng)一個重要的功能特性是自愈性。“自愈”指的是把電網(wǎng)中有問題的元件從系統(tǒng)中隔離出來,并且在很少或不用人為干預(yù)的情況下可以使系統(tǒng)迅速恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài),同時,幾乎不中斷對用戶的供電服務(wù)。運(yùn)用本地和遠(yuǎn)程設(shè)備的通信幫助分析故障、電壓降低、過載等系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),并基于這些分析采取適當(dāng)?shù)目刂菩袆印Ｖ悄茈娋W(wǎng)將安全、無縫地容許各種不同類型的發(fā)電和儲能系統(tǒng)接入系統(tǒng),簡化聯(lián)網(wǎng)的過程。

　　未來智能電網(wǎng)中,電網(wǎng)的自愈特征將會對繼電保護(hù)的選擇性、可靠性、速動性、靈敏性提出更高的要求,對常規(guī)繼電保護(hù)的配置方法提出新的要求,常規(guī)保護(hù)在這幾個方面根據(jù)實際情況的不同會有所側(cè)重。特高壓電網(wǎng)的建設(shè)、電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大,將導(dǎo)致短路電流增大很多,因此,應(yīng)對短路電流增大造成的定值可靠系數(shù)降低、短路電流抑制設(shè)備的運(yùn)行等問題進(jìn)行分析研究,提出相應(yīng)對策。分布式電源的靈活接入、多變壓器的運(yùn)行方式帶來的后備保護(hù)配合、雙向潮流、系統(tǒng)阻抗的變化等問題均會給繼電保護(hù)定值整定帶來困難,保護(hù)定值的適應(yīng)能力也將受到嚴(yán)峻考驗。

　　同時,智能電網(wǎng)將給繼電保護(hù)的發(fā)展帶來新的契機(jī),智能電網(wǎng)中所采用的新型傳感器技術(shù),例如電子式或光電式互感器不受傳統(tǒng)電磁式互感器飽和的影響,對故障時電氣量的采集更為精確,簡化了保護(hù)的數(shù)據(jù)算法,縮短了數(shù)據(jù)處理時間。智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)同步技術(shù)、時鐘同步技術(shù)、通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)以及IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用,可以提供區(qū)域范圍內(nèi)數(shù)據(jù)采集的高精度同步,滿足數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)膶崟r性,保障數(shù)據(jù)傳輸過程的冗余和可靠性;也可為新原理的實現(xiàn)、工業(yè)控制技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用提供技術(shù)支持,為廣域保護(hù)的新原理、新算法和實際應(yīng)用提供了基礎(chǔ)支撐。

　　4 　智能電網(wǎng)下廣域繼電保護(hù)應(yīng)采取的措施及技術(shù)考慮

　　廣域繼電保護(hù)應(yīng)用于實際時,若在整個系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)集中保護(hù),由于系統(tǒng)規(guī)模增大造成的大量數(shù)據(jù)采集點(diǎn)、海量數(shù)據(jù)、傳輸距離和速度等因素,會增加廣域繼電保護(hù)實現(xiàn)的難度,也將增加保護(hù)配置、運(yùn)行和維護(hù)的難度,保護(hù)可靠性難以得到保證。因此,還應(yīng)該結(jié)合實際系統(tǒng)進(jìn)行廣域繼電保護(hù)區(qū)域結(jié)構(gòu)的確立,綜合考慮、合理利用智能電網(wǎng)新技術(shù),使廣域繼電保護(hù)更有利于實際應(yīng)用。

　　4. 1 　保證時間及數(shù)據(jù)同步

　　常規(guī)微機(jī)繼電保護(hù)將各個互感器的電氣量二次模擬值通過二次電纜接入保護(hù)裝置,由裝置內(nèi)部唯一的系統(tǒng)時鐘經(jīng)控制總線驅(qū)動各個通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器,數(shù)據(jù)采集的同步精度很高。廣域保護(hù)涉及到的保護(hù)將不局限于1 個或2 個裝置,不局限于1 個或2 個變電站,如何在較大的范圍內(nèi)保持時間和數(shù)據(jù)的同步將是研究重點(diǎn)。變電站內(nèi)現(xiàn)有的對時主要以GPS 時間信號作為主時鐘的外部時間基準(zhǔn),采用3種對時方式:脈沖對時、串口對時、編碼對時,對時精度可達(dá)到ms 級。

　　網(wǎng)絡(luò)化的變電站,采用分布式電子式互感器及合并單元的數(shù)據(jù)采集模式,數(shù)據(jù)經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳送至保護(hù)等電子式設(shè)備的方式傳輸,為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的同步以及各保護(hù)之間信息交互與相互配合,需要一個統(tǒng)一精確的時鐘作為系統(tǒng)的時鐘源,并通過精密對時技術(shù)實現(xiàn)各數(shù)據(jù)采集單元時鐘、各保護(hù)裝置的時鐘的準(zhǔn)確同步。目前工業(yè)領(lǐng)域的分布式系統(tǒng)對時技術(shù)及對時精度要求見表1。

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　　從表1 可以看出, IEEE 1588 標(biāo)準(zhǔn)的精密時鐘同步協(xié)議更有利于實現(xiàn)高精度的時鐘同步,更有

　　利于數(shù)據(jù)同步的實現(xiàn)。處于“第一道防線”中的保護(hù)系統(tǒng)要求的數(shù)據(jù)同步精度最高,實現(xiàn)IEEE 1588 在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用應(yīng)滿足保護(hù)系統(tǒng)的需求,結(jié)合廣域保護(hù)對數(shù)據(jù)同步的精度要求研究IEEE 1588 協(xié)議的應(yīng)用:

　　a. 根據(jù)IEEE 1588 協(xié)議的核心原理研究IEEE1588 標(biāo)準(zhǔn)的時鐘同步誤差,量化分析時鐘誤差對數(shù)據(jù)同步的影響度,尋找IEEE 1588 同步算法及同步過程中影響同步精度的因素,探索減小時鐘晶振偏移影響的補(bǔ)償算法。

　　b. 制訂IEEE 1588 在數(shù)字化變電站內(nèi)采用與數(shù)據(jù)通信同一的以太網(wǎng)應(yīng)用方案,根據(jù)IEEE 1588對時鐘級別的定義給出時鐘設(shè)備的配置方法及其功能實現(xiàn),研究其實際系統(tǒng)架構(gòu),并從全網(wǎng)的角度探討該協(xié)議的具體應(yīng)用策略。

　　c. 開發(fā)典型的IEEE 1588 PTP 測試環(huán)境,構(gòu)建IEEE 1588 測試系統(tǒng)。

　　d. 進(jìn)行繼電保護(hù)裝置應(yīng)對對時系統(tǒng)異常時鐘信息的算法原理研究,使保護(hù)裝置具有識別防誤功能。

　　4. 2 　劃分區(qū)域結(jié)構(gòu)

　　區(qū)域的劃分有利于廣域繼電保護(hù)的應(yīng)用研究,對站域、小區(qū)域內(nèi)廣域繼電保護(hù)應(yīng)用的可行性進(jìn)行分析,同時分析系統(tǒng)內(nèi)繼電保護(hù)配置現(xiàn)狀、廣域測量系統(tǒng)配置現(xiàn)狀、網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備及通信技術(shù);制訂系統(tǒng)內(nèi)的廣域保護(hù)區(qū)域結(jié)構(gòu)劃分,從電網(wǎng)結(jié)構(gòu)冗余度、保護(hù)配置冗余度、通信冗余度等方面進(jìn)行可行性研究。

　　參照經(jīng)典變電站結(jié)構(gòu)模型,在系統(tǒng)范圍內(nèi)形成分層分布式的區(qū)域保護(hù)配置方案。使廣域繼電保護(hù)具備區(qū)域決策功能,適應(yīng)具有決策功能的智能變電站建設(shè)的形勢。

　　可利用多代理(Multi Agent ) 技術(shù)[12 ] 實現(xiàn),Agent是一種具有知識、目標(biāo)和能力,并能單獨(dú)或在人的少許指導(dǎo)下進(jìn)行推理決策的能動實體,一些A2gent 通過協(xié)作完成某些任務(wù)或達(dá)到某些目標(biāo)而構(gòu)成的系統(tǒng)。Agent 具有不同的問題求解能力,Agent之間按照約定協(xié)議進(jìn)行通信和協(xié)調(diào),使得整個系統(tǒng)成為一個性能優(yōu)越的整體,可以解決單個Agent 難以解決的問題。多Agent 技術(shù)應(yīng)用于廣域保護(hù)區(qū)域劃分時應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

　　a. 區(qū)域結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展性,應(yīng)能夠適應(yīng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的擴(kuò)充;

　　b. 區(qū)域主站保護(hù)的決策能力;

　　c. 區(qū)域內(nèi)保護(hù)之間的通信壓力;

　　d. 區(qū)域內(nèi)、區(qū)域間的協(xié)作機(jī)制。

　　4. 3 　調(diào)整后備保護(hù)或研究應(yīng)用新保護(hù)

　　利用區(qū)域信息的采集,根據(jù)后備保護(hù)配置現(xiàn)狀,綜合考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓斐傻暮髠浔Ｗo(hù)適應(yīng),綜合利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)開關(guān)信息、區(qū)域內(nèi)保護(hù)動作信息,研究后備保護(hù)新原理,使保護(hù)應(yīng)對主保護(hù)拒動、開關(guān)拒動等現(xiàn)象具有快速反應(yīng)能力,制訂區(qū)域內(nèi)各保護(hù)之間的協(xié)作機(jī)理,對區(qū)域內(nèi)故障的快速隔離研究保護(hù)跳閘策略,使本地保護(hù)跳區(qū)域內(nèi)開關(guān)策略具有可行性。基于新傳感原理電子式互感器的特性,對原有基于傳統(tǒng)互感器特性的保護(hù)判據(jù)進(jìn)行調(diào)整或進(jìn)行新保護(hù)判據(jù)的研發(fā):

　　a. 電磁式電流互感器在區(qū)外故障時,由于飽和可能會造成保護(hù)誤動,保護(hù)判據(jù)中具有區(qū)外故障躲TA 飽和判據(jù),電子式互感器不易受飽和的影響,TA 飽和判據(jù)應(yīng)作適當(dāng)調(diào)整。

　　b. 保護(hù)裝置針對數(shù)據(jù)異常的處理,模擬式互感器數(shù)據(jù)異常判據(jù)包括電壓電流正負(fù)序分量的斷線判據(jù)等,保護(hù)判據(jù)可利用的信息量不豐富。采用電子式互感器數(shù)據(jù)采集和通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸,保護(hù)可利用的信息不僅包含了范圍更廣的電氣量,還包含了合并單元等采集和傳輸介質(zhì)的異常信息,需要對這些信息綜合進(jìn)行新的保護(hù)判據(jù)研究。

　　4. 4 　與傳統(tǒng)保護(hù)的配合

　　智能電網(wǎng)建設(shè)過程及建成后,不可避免遇到傳統(tǒng)微機(jī)保護(hù)與數(shù)字化變電站內(nèi)保護(hù)實現(xiàn)保護(hù)配合及協(xié)作問題,應(yīng)考慮不同類型保護(hù)之間的互操作問題,包括:

　　a. 線路差動保護(hù)中,一側(cè)保護(hù)采用電磁式電流互感器,另一側(cè)保護(hù)采用電子式互感器,當(dāng)區(qū)外發(fā)生故障時,電磁式電流互感器一端很可能發(fā)生單端飽和現(xiàn)象,因此,線路兩端的差動保護(hù)應(yīng)具有判單端飽和和防止保護(hù)誤動的功能。

　　b. 原有線路差動保護(hù)數(shù)據(jù)同步的算法基于兩側(cè)都是模擬式互感器,存在兩側(cè)不同互感器類型的數(shù)據(jù)同步問題,需要進(jìn)行新保護(hù)算法的研究。

　　4. 5 　在線調(diào)整保護(hù)定值

　　保護(hù)定值在復(fù)雜運(yùn)行方式及復(fù)雜電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下可能存在定值無法整定的現(xiàn)象,解決方案是參照幾種典型運(yùn)行方式分別進(jìn)行保護(hù)定值整定,在保護(hù)裝置內(nèi)部將定值存放于不同定值區(qū),在區(qū)域主站的站控層構(gòu)建保護(hù)定值專家系統(tǒng)庫。

　　當(dāng)系統(tǒng)的運(yùn)行方式發(fā)生變化時,本地保護(hù)能夠根據(jù)本地參量(開關(guān)節(jié)點(diǎn)信息、電氣量信息等) 判斷此時的運(yùn)行方式,向區(qū)域主站發(fā)出定值是否調(diào)整的申請信息,由區(qū)域主站綜合區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)運(yùn)行方式判斷是否調(diào)整、采用哪種典型方式定值,并向區(qū)域內(nèi)需要調(diào)整定值的各個保護(hù)給予調(diào)整授權(quán),實現(xiàn)在線調(diào)整。

　　5 　結(jié)束語

　　傳統(tǒng)的保護(hù)系統(tǒng)成為各個互聯(lián)電網(wǎng)不可缺少的保護(hù)穩(wěn)定、避免災(zāi)難性事故的保護(hù)手段。智能電網(wǎng)新形勢新特點(diǎn)給傳統(tǒng)保護(hù)帶來了機(jī)遇和挑戰(zhàn),可善傳統(tǒng)保護(hù)的廣域繼電保護(hù)應(yīng)用逐漸受到關(guān)注。廣域繼電保護(hù)(穩(wěn)控) 系統(tǒng)已有近20 年的歷史,新形勢下廣域繼電保護(hù)的研究重點(diǎn)有所變化,隨著智能電網(wǎng)的建設(shè),廣域繼電保護(hù)將得到進(jìn)一步拓展、深化和應(yīng)用,將在智能電網(wǎng)中發(fā)揮重要作用。

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