廣域保護研究現(xiàn)狀及展望

1、第 38卷 第 9期 電 力 系 統(tǒng) 保 護 與 控 制 Vol.38 No.9 2010年 5月 1日 Power System Protection and Control May 1, 2010 廣域保護研究現(xiàn)狀及展望楊春生 1,周步祥 1,林 楠 2,徐 飛 1(1.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院,四川 成都 610065;2.四川電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川 成都 610071摘要:分析了廣域保護與傳統(tǒng)繼電保護的區(qū)別,指出廣域保護能實現(xiàn)故障快速、可靠和精確切除,并能對系統(tǒng)進行實時在線 安全分析;結(jié)合國內(nèi)外該領(lǐng)域的發(fā)展情況,系統(tǒng)介紹了廣域穩(wěn)控系統(tǒng)和基于相角測量的保護的現(xiàn)狀和相關(guān)實例;對廣域保護 的應(yīng)用

2、前景進行了展望,指出廣域保護是未來系統(tǒng)保護的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞: 廣域保護;傳統(tǒng)繼電保護;實時在線安全分析;廣域穩(wěn)控系統(tǒng);相角測量Research current status and prospect of wide-area protectionYANG Chun-sheng1, ZHOU Bu-xiang1, LIN Nan2, XU Fei1(1. School of Electricity and Electronic Information, Sichuan University, Chengdu 610065, China;2. Sichuan Electric Power Voc

3、ational Technical College, Chengdu 610071, ChinaAbstract: In this paper ,the differences between wide-area protection and traditional relay protection are explained firstly, getting a conclution that wide-area protection can achieve quick and accurate fault removal, and make real-time online safety

4、analysis. Then with the latest development at home and abroad, research current status and some examples about special protection system and protection based on phasor measurement unit are presented. Finally, the paper points out the development trends about wide-area protection in the future.Key wo

5、rds: wide-area protection; traditional relay protection; real-time online safety analysis; special protection system; phasor measurement unit中圖分類號: TM77 文獻標識碼:A 文章編號: 1674-3415(201009-0147-040 引言隨著互聯(lián)電網(wǎng)區(qū)域的擴大,交換容量的增加, 電網(wǎng)電壓等級的提高,電力系統(tǒng)運行和控制更加復(fù) 雜,出現(xiàn)故障和不穩(wěn)定的幾率大大增加,對繼電保 護和安全自動裝置要求越來越高。國外電網(wǎng)數(shù)次大 停電事故的發(fā)生并不是因為繼電保

6、護和安全自動裝 置誤動作,恰恰相反,它們都能正確動作,但是仍然 不能避免大規(guī)模停電事故的發(fā)生,其原因就在于它 們之間缺乏相應(yīng)的配合協(xié)調(diào),基于本地量的裝置難 以反映區(qū)域電力系統(tǒng)的運行狀況 1。在全國聯(lián)網(wǎng)的 超大型電網(wǎng)形成后,我國電網(wǎng)在運行過程中也可能 會遇到類似國外大型電網(wǎng)的問題,為了維護大型電 力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性,避免發(fā)生大停電事故, 我國必須加快廣域保護原理研究進程,盡快實現(xiàn)廣 域保護系統(tǒng)的實用化,將繼電保護系統(tǒng)由目前的 “點”保護提升為能適應(yīng)電網(wǎng)互聯(lián)要求的“面”保 護。此外計算機及通信計算的發(fā)展,為建立更完善 的保護控制系統(tǒng)提供了條件,基于廣域測量系統(tǒng)的 廣域保護成為當前電力系統(tǒng)的重大

7、前沿研究課題之 一。1 廣域保護與傳統(tǒng)繼電保護區(qū)別文獻2對廣域保護進行了定義,并說明廣域保 護(國外稱為特殊保護系統(tǒng),國內(nèi)也稱為穩(wěn)定控制 系統(tǒng)的功能有三個,一是通過采集電網(wǎng)各個節(jié)點 的數(shù)據(jù),經(jīng)計算后確定一定的控制手段以維持電網(wǎng) 的安全穩(wěn)定運行;二是實時掌握及充分利用電網(wǎng)的 輸電能力;三是提供更準確的電網(wǎng)規(guī)劃方案。 傳統(tǒng)的繼電保護主要集中于元件保護,以發(fā)電 機、線路、母線、變壓器和電動機等為保護對象, 以切除被保護元件內(nèi)部故障為己任,主要通過開關(guān) 動作來實現(xiàn)故障隔離,各電力設(shè)備的主保護相互獨 立,不顧及故障元件被切除后,剩余電力系統(tǒng)中的潮 流轉(zhuǎn)移引起的后果。而廣域保護利用廣域測量系統(tǒng) 的相量測量

8、信息, 實現(xiàn)對故障進行快速、可靠和精 確的切除, 同時能對切除故障后或經(jīng)受大擾動的系 統(tǒng)進行在線實時安全分析, 必要時采用適當?shù)拇胧? 148 - 電力系統(tǒng)保護與控制防止系統(tǒng)發(fā)生大范圍或全系統(tǒng)停電 3。目前提出的廣域保護系統(tǒng)可以分為兩類:一類 是利用廣域信息,主要具有安全監(jiān)視、 控制、 穩(wěn)定邊 界計算及狀態(tài)估計等功能,其側(cè)重點在廣域信息的 利用和安全功能的實現(xiàn);另一類則是利用廣域信息, 完成繼電保護功能 4。2 廣域保護的研究現(xiàn)狀由于區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)的發(fā)展及數(shù)次大停電的影響, 各國電力工作者都在進行廣域保護系統(tǒng)的研究。由 于我國電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和運行方式的特殊性,目前對廣域 保護的應(yīng)用需求還不是特別迫切,

9、但一些區(qū)域安全 穩(wěn)定裝置也已經(jīng)投入運行。 文獻5中對幾種不同類 型的廣域保護系統(tǒng)進行了總結(jié),根據(jù)影響電力系統(tǒng) 穩(wěn)定的三類問題,提出廣域保護系統(tǒng)要滿足“三道 防線”要求,并指出構(gòu)建廣域保護系統(tǒng)需要開展的 幾方面的研究工作。 文獻6提出一種利用電流差動 原理的廣域后備保護方案,通過對廣域范圍內(nèi)的故 障電流及開關(guān)位置信息的采集和綜合分析,判斷故 障區(qū)域和開關(guān)動作情況,利用實時網(wǎng)絡(luò)拓撲圖和跳 閘函數(shù)實現(xiàn)最優(yōu)后備保護跳閘方案。 文獻7針對集 中式結(jié)構(gòu)的廣域保護終端 TE 缺乏必要的自治性, 一旦 CE 出現(xiàn)故障,很可能造成整個廣域保護區(qū)內(nèi) 斷路器無序跳閘或誤動,而分布式結(jié)構(gòu)的廣域后備 保護系統(tǒng)中, 各保

10、護 IED 具備一定的自治性和交互 性,隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴大, IED 數(shù)目的增多,必然 導(dǎo)致 IED 之間通信網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度大大增加, 就某 一個 IED 可靠動作而言, 并不需要知道整個電網(wǎng)的 狀態(tài)信息,過多的信息交互反而可能導(dǎo)致保護處理 過程的繁瑣甚至混亂的問題,提出一種將兩者相結(jié) 合的集中-分布式結(jié)構(gòu)的廣域保護系統(tǒng), 將廣域大電 網(wǎng)按照一定原則進行區(qū)域劃分,在各區(qū)域電網(wǎng)內(nèi), 各保護 IED 按照分布控制模式完成廣域后備保護任 務(wù),每個區(qū)域電網(wǎng)配置一個控制中心 CE ,通過從 IED 獲取信息監(jiān)視區(qū)域電網(wǎng)運行狀態(tài)。在各個 CE 之上再設(shè)置一個廣域保護系統(tǒng)中心 (System Center,

11、 SC , SC 收集各個 CE 的狀態(tài)信息, 監(jiān)測整個廣域 電網(wǎng)的運行狀況。2.1 廣域穩(wěn)控系統(tǒng)用于故障切除后或受到大擾動后的電力系統(tǒng) 穩(wěn)定的保護控制系統(tǒng)在不同國家使用的名稱有所不 同 , 西 方 國 家 多 稱 為 特 殊 保 護 系 統(tǒng) (Special Protection System, SPS , 或 補 救 控 制 系 統(tǒng) ( Remedial Action Scheme, RAS 5,8 , 而在我國一 般稱作安全自動裝置。穩(wěn)控系統(tǒng)在電網(wǎng)保護控制中是基本定位于常規(guī) 保護及數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測控制系統(tǒng)/能量管理系統(tǒng) (SCADA/EMS之間的系統(tǒng)保護控制手段。文獻 2介紹了加拿大的 H

12、ydro - Quebec電力公司自行 開發(fā)的可編程減負荷系統(tǒng) PLSS 。 該穩(wěn)控系統(tǒng)包括 4個子系統(tǒng),即嚴重擾動檢測子系統(tǒng)(ECDS ;遠程 系統(tǒng)減負荷子系統(tǒng)(RLSS ;發(fā)電機切除子系統(tǒng) (GRS ;可編程減負荷子系統(tǒng)(PLSS 。涉及的穩(wěn)定 問題包括電壓崩潰和暫態(tài)穩(wěn)定,系統(tǒng)反應(yīng)時間在 200 ms左右。而巴西的 SPS 系統(tǒng)完全采用商業(yè)化的 PLC 組 成,其穩(wěn)控系統(tǒng)將整個電網(wǎng)分為多個穩(wěn)定安全區(qū), 各個穩(wěn)定安全區(qū)依各區(qū)電網(wǎng)情況投入 SPS 系統(tǒng), 各 區(qū) SPS 的主 PLC (可編程邏輯控制器安裝在變電 站,通信通道為雙通道備用,整個 SPS 的響應(yīng)時間 在 200 ms左右。2.2

13、基于相角測量的廣域測量系統(tǒng)/廣域保護實例 建立三層結(jié)構(gòu)的廣域保護, 首先要實現(xiàn)的是廣域 監(jiān)視, 為此需要利用 W AMS 。 而 W AMS 一般以 PMU 為基礎(chǔ)?；谙嗔繙y量單元(Phasor Measurement Unit , PMU 的廣域測量系統(tǒng)實現(xiàn)了互聯(lián)電網(wǎng)多點同 步運行狀態(tài)的實時監(jiān)測,滿足了電網(wǎng)實時監(jiān)測系統(tǒng) 所提出的空間上廣域和時間上同步的要求。在 WAMS 將多個 PMU 設(shè)備連接到一臺稱為數(shù)據(jù)集中 器的個人計算機上,同時在該數(shù)據(jù)集中器上增加控 制與保護功能, 并提供與上層系統(tǒng)進行通信的 Hub , 該系統(tǒng)就成為了一個本地保護中心,進而實現(xiàn)整個 系統(tǒng)的實時監(jiān)視與控制 9。 W

14、AMS 在電力系統(tǒng)中的 成功應(yīng)用,為廣域保護的實現(xiàn)提供了技術(shù)條件?；?于相角測量值進行廣域測量系統(tǒng)/廣域保護實例之 一是采用相角測量值進行狀態(tài)估計。文獻10介紹 了西班牙的 CSE(Sevillana de Electrical, CSE 電力 公司建立的第一個利用相角測量來進行狀態(tài)估計的 SCADA 在線系統(tǒng)。該系統(tǒng)能讀取電壓正序分量, 其狀態(tài)估計值比測量值更接近真實值。文獻11介紹了北美 WSCC 的基于相角測量 的廣域測量系統(tǒng) WAMS 。 可以說該系統(tǒng)是目前規(guī)模 最大的。 WSCC 的廣域測量系統(tǒng) WAMS 的目的是 實現(xiàn)系統(tǒng)的動態(tài)擾動監(jiān)視。其功能主要是實時連續(xù) 測量監(jiān)視和記錄事件,另

15、外具有非常強的分析建模 功能。 WSCC 的 WAMS 讀取分析系統(tǒng)工程師站 具有特殊的數(shù)據(jù)庫管理工具來管理功角矢量數(shù)據(jù), 稱為 WAMS 數(shù)據(jù)庫管理器。3 應(yīng)用前景基于廣域測量系統(tǒng)及動態(tài)安全分析技術(shù)的廣域保 護應(yīng)用前景廣泛,主要體現(xiàn)在以下幾個方面:楊春生,等 廣域保護研究現(xiàn)狀及展望 - 149 -1系統(tǒng)監(jiān)測及事故記錄。廣域測量系統(tǒng)記錄下的數(shù)據(jù)可用來復(fù)現(xiàn)事故過程,評估保護動作,從而改進系統(tǒng)發(fā)生類似故障的安全性。2 狀 態(tài) 估 計 。 由 于 PMU 能 提 供 實 時 、 同 步的電網(wǎng)運行數(shù)據(jù),將 PMU 提供的量測量和 RTU 的量測量一起加到狀態(tài)估計中可以增加冗余度。如果能充分利用統(tǒng)一時標

16、的信息,基于 WAMS 的系統(tǒng)狀 態(tài)估計的精度將大幅度提高。3與傳統(tǒng)保護和 SCADA/EMS系統(tǒng)的整合。傳統(tǒng)的線路及裝置保護的任務(wù)是將故障與系統(tǒng)隔離, 快速性是其最基本的要求之一。而廣域保護因為需 要通信并進行相對復(fù)雜的計算,在時間上很難達到 傳統(tǒng)保護的要求,因此,廣域保護并不能替代傳統(tǒng)保護。但另一方面,廣域保護將系統(tǒng)作為一個整體考慮的優(yōu)勢也是傳統(tǒng)保護所不具備的, 廣域保護可以作為線路和裝置保護的后備保護。若能利用廣域保護對系統(tǒng)運行狀況的計算結(jié)果實時修改保護的門檻值,就能有效防止級聯(lián)事故的發(fā)生。此外利用廣域測量可以實現(xiàn)自適應(yīng)的縱聯(lián)保護、距離保護、 自動重合閘及失步保護等。 4與多 Agent

17、 體系結(jié)構(gòu)相結(jié)合。 Agent 是一些具 有自主性、社會性、反應(yīng)性、目的性和適應(yīng)性的實 體,多個 Agent 可以構(gòu)成多 Agent 系統(tǒng),它們之間共享信息、 知識及任務(wù)描述,多 Agent 通過單個 Agent 的能力及某種通信方法來協(xié)調(diào)它們的作用、分配和收集信息,以實現(xiàn)總體目標。多 Agent 體系結(jié)構(gòu)可以使廣域保護系統(tǒng)更加開放、 更具模塊化,還能緩解對通信系統(tǒng)的壓力,增強對大事故的處理能力。5建立新的信息交換及預(yù)警機制。分析北美電 網(wǎng)一年的次擾動可知,在擾動發(fā)生時,一方面,調(diào)度 員對系統(tǒng)狀況特別是相鄰電網(wǎng)的狀況缺乏了解,這 使得在事故擴大的過程中,調(diào)度員不能有效地采取 措施; 另一方面,

18、擾動發(fā)生時, 對于紛紛響起的各種報警信息,調(diào)度員往往不知所措,很難辨別系統(tǒng)當時真正的狀況。因此,需要建立新的信息交換系統(tǒng),實現(xiàn)各區(qū)域間關(guān)鍵數(shù)據(jù)的交換;同時,在擾動發(fā)生時,實現(xiàn)信息的過濾,僅將最重要的信息反饋給調(diào)度員。4 總結(jié)廣域保護系統(tǒng)在獲取系統(tǒng)多點信息的基礎(chǔ)上, 能夠從整體或區(qū)域電網(wǎng)的角度同時實現(xiàn)繼電保護和 自動控制功能,使繼電保護和自動控制裝置的動作 相配合,加強對故障后系統(tǒng)不穩(wěn)定狀態(tài)的控制。隨 著我國電網(wǎng)互聯(lián)趨勢的發(fā)展,廣域保護技術(shù)是確保 大型互聯(lián)電網(wǎng)安全性和穩(wěn)定性的有效手段,因此意 義十分重大。廣域保護可以克服傳統(tǒng)保護局部性的局限,能有效地遏制日益頻發(fā)的大規(guī)模電力系統(tǒng)連 鎖故障,提高系

19、統(tǒng)的功角、電壓穩(wěn)定性,提高現(xiàn)有 輸電網(wǎng)絡(luò)的利用率,是未來系統(tǒng)保護的發(fā)展方向。 本文從廣域保護的定義,與傳統(tǒng)繼電保護的聯(lián)系和區(qū)別,研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景等方面對廣域保護 及其相關(guān)技術(shù)作了全面的綜述。 參考文獻 1 胡學(xué)浩.美加聯(lián)合電網(wǎng)大面積停電事故的反思和啟示J.電網(wǎng)技術(shù), 2003, 27(9: 2-6.HU Xue-hao. Rethingking and Enlightenment of Large Scope Blackout in Interconnected North America Power GridJ. Power System Technology, 2003, 27(9:2-

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