电力系统广域继电保护研究综述

到2008年底, 我国的发电装机容量达79253万千瓦, 居世界第二位。按照规划, 到2010年我国将形成北、中、南三个跨区大型互联电网, 预期到2020年左右将基本实现覆盖全国的统一电网, 形成“西电东送、南北互供、全国联网”的电网互联格局[1]。该战略的实施带来的是前所未有的大容量、高电压、远距离输电, 这对互联大电网的安全稳定运行提出了新的要求和挑战。国内外多年的电网运行经验表明:快速、可靠、稳定的继电保护措施, 准确、及时的安全控制和紧急控制措施以及大型互联电网的安全稳定防御措施是确保电网安全稳定运行的重要保障。

广域保护的概念最早由瑞典学者Bertil Ingelsson于1997年提出[2], 他所论述的广域保护主要用来预防在严重的故障下长期的电压崩溃, 只完成安全自动控制功能而不包含继电保护功能。广域保护建立在计算机技术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有密切的关系。广域保护可以解决传统电力系统控制及继电保护中出现的一些问题, 更好地保证电网的安全稳定运行。广域保护系统具有高的可靠性、选择性、安全性、灵活性和普遍性等特点, 以满足复杂的电力系统网络结构的要求, 充分地利用广域测量与监控信息, 减少大停电等事故的发生, 保证社会和用户用电的质量。

1 广域继电保护的研究

当前国内外对广域保护系统的研究主要集中在两个领域:一个是利用广域信息, 主要完成安全监视、控制、稳定边界计算及状态估计等功能, 其侧重点在广域信息的利用和安全控制功能的实现, 即广域控制系统;另一个则是利用广域信息完成继电保护功能, 其侧重点在与常规主保护配合, 快速有效的实现电力系统继电保护, 即广域继电保护系统[3]。

日本学者Yoshizumi Serizawa等人提出使用GPS信号进行精确的时间同步, 通过专用的光纤信道传送多点电流信息, 构成广域电流差动后备保护的观点, 以克服现有的面向单一电气元件的电流差动保护无法提供快速后备保护功能的问题[4~5]。

我国学者在广域继电保护方面的研究也取得了一些成绩。广西大学的谭建成提出了建立基于专家系统的广域后备保护[6~8]。该系统采用集中决策的结构形式, 通过采集故障相邻区域四段距离保护的判断结果, 运用专家系统的知识进行决策, 判断故障位置, 并能处理诸如断路器失灵、保护拒动等问题给故障判断带来的影响。

此外, 西南交通大学的王晓茹等提出建立基于多Agent系统的广域后备保护系统[9]。Agent是自治的、能相互作用或协作的软件, 具有网络通信能力。自治是指在一定环境中的独立行为能力。数字保护继电器就是一个自治的元件, 也可以被认为是智能电子装置IED (Intelligent Electronic Devices) 。她所提到的Agent通常指那些具有学习能力的Agent, 运用了诸如人工神经网络、模糊逻辑等人工智能技术。如果个体Agent具有智能, 当Agent以系统形式协作工作时, Agent系统便体现出分布智能的特征。

2 广域继电保护算法

目前, 对广域继电保护算法的研究主要有:广域纵联方向保护、广域距离保护、广域电流差动保护。

2.1 广域纵联方向保护原理

利用广域故障方向信息的方法来实现故障判别的广域纵联保护, 其基本构成方法为[10]: (1) 在被保护系统的每一个断路器或电流互感器处, 都装设一个能够测量故障方向的电子智能装置 (IED) ; (2) 对每个IED, 都事先划定好各自的保护区域, 以便与其它IED进行有目的的信息交换; (3) 对每个IED, 都列出其最大保护区域内所包含的被保护设备 (线路、母线、变压器等) 与IED的对应关系表; (4) 在所研究的IED内部, 将其它IED传来的故障方向信息按对应表中的关系进行计算、比较, 确定出故障发生的区段。

文献[10]提出的一种基于纵联比较原理的广域继电保护算法, 通过比较故障相邻区域多测点的故障方向信息, 能准确地判断出故障位置并采取相应的保护策略。该算法需要的信息量少, 原理简单可靠, 在缺少某个方向元件信息的不利情况下仍然能够正常工作, 可极大地提高后备继电保护系统的性能。

基于方向元件的广域纵联保护由于传送的是动作信号及开关量, 所以在广域系统中的传输数据较少, 对网络的带宽要求不高, 但是方向元件本身在某些特定的条件下可能会误动作, 例如:系统振荡时方向元件很容易误动, 另外反映正序故障分量的方向元件, 当正向故障时, 如果保护背侧有大电源, 可能会将正向故障判为反向故障等。而且该算法没有给出具体的保护区域动态形成规则, 当电力系统拓扑发生变化后, 保护不能动态的调整通信对象, 容易导致广域保护系统的误判。

2.2 广域距离保护原理

基于距离元件的广域继电保护是利用相关区域IED的所有距离元件的动作信息和开关信息综合判断来实现故障判别。

文献[6]提出通过收集相关区域的保护各元件及开关信息, 利用变电站内的专家系统来判断故障元件及相应采取的后备保护动作。它主要关注的是保护算法, 这种保护算法的特点是:利用己有的距离保护各元件的动作情况, 通过定义距离保护中各段的动作系数AF (Action Factor) , 首次把概率的思想运用到保护中, 利用已有的距离保护各元件的动作情况, 根据主判据来判断元件或区域出现故障概率, 某个电力元件出现概率越大, 则最先切除该元件, 同时监视断路器是否失灵, 如果发生断路器失灵, 就向相邻I E D发断路器失灵触发信号, 相邻的IED根据所在位置是否存在故障电流确定是否跳开所控制的断路器。

基于距离元件的广域保护不需要严格的同步技术, 而且在现有保护的基础上改动较小, 但是, 距离元件在系统振荡时容易误动作, 且躲过渡电阻能力弱, 而且未对广域保护信息的交互过程做进一步的研究。

2.3 广域电流差动保护原理

基于基尔霍夫电流定律的常规电流差动保护原理简单可靠, 灵敏度高, 被广泛用作为输电线路、母线和电气设备的主保护, 运行效果良好[5,11,12]。广域电流差动保护原理跟常规保护基本一样, 也是满足基尔霍夫电流定律, 不同点是, 常规电流差动保护的保护对象是单个电气元件, 而广域电流差动保护的保护对象是一个区域 (包括单个电气元件) 。

Y.Serizawa提出的广域电流差动保护包括主保护和后备保护, 以获得更好的选择性, 更快的故障切除时间, 更小的停电范围。用155-MbpSATM (异步传输模式) 网路链路层的局域网以及GPS (全球定位系统) 接收器来实现各远端的电流同步采样, 在不同的电网状况和通信条件下都有较满意的行为效果。

文献[11]给出基于多Agent技术的分相电流差动保护方案, 认为在故障发生后5ms~40ms内采用故障分量电流差动保护, 能提高保护的灵敏度。故障发生40ms后投入全电流和零序电流差动保护。全电流差动保护可不待延时地跳闸, 快速切除故障;零序电流能较灵敏地反映高阻接地故障, 可作为全电流差动保护的后备保护。文献[13~14]把Agent的技术运用到广域电流差动后备保护中, 利用己有的企业内部网设计出整个保护系统的结构, 并在仿真平台EPOCHS (综合电力系统仿真与通信仿真) 上得到很好的实现。该文设计了一个实用的后备保护系统结构以及提出了一套反映后备保护系统的Agent的行为规则, 但对保护采用的电流差动算法没做进一步研究。文献[15]提出利用精确的贝瑞隆模型区分线路内部和外部故障, 构成一种新的差动保护原理。这种新的保护原理自动地考虑了电容电流的影响, 不需要进行电容电流的补偿。同时也证明了分相电流差动这种卓越的保护原理也能应用于超长距离的超高压和特高压线路上。

3 广域继电保护的应用前景

传统的保护技术主要基于以往系统研究的某些假设, 采取离线分析, 并不能反映系统工作情况的改变, 因此其保护配置可能不是最优的。而广域继电保护技术则反映系统状态的变化, 同时使用不同地点的实时数据, 能够减少系统出错的可能性, 该保护具有自适应性。

利用广域继电保护可以实现自适应的纵联保护、距离保护、自动重合闸等。例如, 在传统距离保护中, 由于分支系数的存在, 测量阻抗不等于实际保护安装处至故障点的阻抗, 从选择性角度考虑, 根据最小的分支系数来整定, 因此, 在分支系数增大的条件下, 保护范围将缩短。为克服以上缺点, 采用自适应控制措施, 由于很容易取得广域信息, 在故障条件下实时获得故障线路的电流, 可根据电网的运行方式实时确定分支系数和距离保护的整定值。自适应保护原理可以提高灵敏性和选择性, 广域继电保护系统可以用于实现继电保护的自适应功能。

4 结语

广域保护是当前电力系统继电保护研究的热门话题。电力系统广域继电保护的目标是高速性、高灵敏性、高可靠性以及数据传输和控制等信号发送和交换的鲁棒性。从系统全局角度对电力系统进行监测、保护、规划是大电网发展的必然趋势, 而实施广域继电保护系统是实现该目标的一个途径。广域保护可以克服传统保护局部性的局限, 从而进一步改善保护的过程。

摘要：介绍了广域保护研究现状, 对现有的各种广域保护算法进行了综述, 总结并评价各种保护算法的优缺点, 在此基础上提出当前存在的问题和今后广域继电保护的应用前景。

关键词：电力系统,广域继电保护,保护算法

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