電力系統(tǒng)廣域保護綜述與展望

1、電力系統(tǒng)廣域保護綜述與展望（電氣工程信息學院，江蘇大學，江蘇省 鎮(zhèn)江市）The Summary and Outlook of Wide-area power system protectionAbstract: Because of the development of power system, the connection between them has become more common. It increased the possibility of malfunctions and accidents of power systems, and put forward new d

2、emand of protection. The growing of communications technology and measuring technology makes Wide-area power system protection which based on wide area measurement has a quick development. This paper gives a comprehensive review and synthesis on the concept and principle of several kinds of Wide-are

3、a power system protection and makes an outlook of them.Keywords: Power system, Wide-area power system protection, protection 摘要：隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電力系統(tǒng)之間的互聯(lián)也越發(fā)普遍，電網(wǎng)構造越發(fā)復雜。這加大了系統(tǒng)發(fā)生故障和事故的可能性。這對繼電保護提出了新的要求。通信技術與測量技術的發(fā)展使得基于廣域測量的廣域保護技術得到迅速發(fā)展。文中對廣域保護概念與目前主要幾種廣域保護的原理及其應用進行了較全面的回顧與綜述。并且對于其發(fā)展前景做出展望。關鍵詞：電力系統(tǒng)，廣域保護，繼電保護

4、0 引言常規(guī)繼電保護用于在電力系統(tǒng)發(fā)生故障后實現(xiàn)對故障元件的自動和快速切除，以隔離故障、保證人身和設備安全以及無故障部分的正常運行。當故障發(fā)生及切除后，往往會對系統(tǒng)產(chǎn)生大的擾動，嚴重時還會使系統(tǒng)遭受因過載、過/低頻，過/低壓，系統(tǒng)負荷調整，功率振蕩等引起的系統(tǒng)解列，甚至整個系統(tǒng)的崩潰1。在我國的電力系統(tǒng)中，故障切除后的穩(wěn)定與控制功能通常是由安全自動裝置來實現(xiàn)的，傳統(tǒng)的安全自動裝置一般屬于事故后控制，如低頻卸載。在某些特殊情況下，如果系統(tǒng)惡化的速度很快，可能在自動裝置采取措施之前系統(tǒng)就已經(jīng)發(fā)展成為嚴重的崩潰事故。此外，在傳統(tǒng)的保護和自動裝置中，所采用的動作判據(jù)通常是基于本地測量數(shù)據(jù)的，無法很好地

5、把握全局動態(tài)特性和實現(xiàn)各級安全裝置之間的協(xié)調與配合，以保證系統(tǒng)全局的安全穩(wěn)定運行，防止事故的進一步擴大。隨著電力需求的不斷增長、電力市場的改革與發(fā)展以及電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，電力系統(tǒng)日漸接近其極限運行，其運行和控制更為復雜，發(fā)生擾動和故障的可能性更大，后果也更加嚴重4。這對電力系統(tǒng)安全運行帶來了更大的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的繼電保護方法已經(jīng)不能為之提供可靠有效的保護。因為資金和環(huán)境的約束以及競爭的壓力，輸電系統(tǒng)擴展越來越困難。為此要求更充分地利用現(xiàn)有電力網(wǎng)絡資源，這對穩(wěn)定控制提出了更高的要求。隨著測量技術和計算機及通信技術的快速發(fā)展，為建立更完善的保護控制系統(tǒng)提供了有利條件?；趶V域測量的廣域保護就是在

6、這種背景下應運而生的。本文接下來將對廣域的概念，以及幾種目前主要應用的廣域保護的原理做出綜述，并且根據(jù)目前的發(fā)展形式和需求狀況對未來廣域保護的發(fā)展做出展望。1 廣域保護的概念1.1 廣域保護的定義圖 1 廣義保護的定義廣域保護WAP （Wide Area Protection）的概念最早由瑞典學者 Bertil Ingelsson 等學者提出，但到目前為止，對廣域保護系統(tǒng)還沒有一個公認的定義，各種文獻給出了不同的定義。從總體上講，對廣域保護系統(tǒng)的定義可以歸結為兩類：一類僅涉及故障或擾動后的系統(tǒng)保護，即穩(wěn)定控制；另一類則包含了穩(wěn)定控制和常規(guī)保護。但不同定義有一個共同點，即都是以廣域信息收集為基礎

7、的。目前官方對廣域保護的定義大都屬于第一類由圖1表示。1.2 廣域保護與現(xiàn)有繼電保護的區(qū)別傳統(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，主要通過開關動作來實現(xiàn)故障隔離，各電力設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┓乐瓜到y(tǒng)發(fā)生大范圍或全系統(tǒng)停電。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)

8、定邊界計算及狀態(tài)估計等功能，其側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2。2 廣域測量技術相量是電路分析的基本工具，即使電力系統(tǒng)處于某些非穩(wěn)定狀態(tài)，如功率搖擺 ( power swing) 狀態(tài)，由于電壓和電流值的變化比較緩慢，因此仍可將這些變化看作一系列穩(wěn)定狀態(tài)，這樣仍可用相量來描述系統(tǒng)的行為。系統(tǒng)范圍內(nèi)的廣域同步相量測量由于具有描述系統(tǒng)動態(tài)行為的能力，因而在電力系統(tǒng)中得到了越來越廣泛的應用。如狀態(tài)估計、自適應保護、在線不穩(wěn)定預測、故障錄波、擾動錄波、輸電和發(fā)電系統(tǒng)計算模型驗證等。這為電力系統(tǒng)規(guī)劃、控制和保護以及運行與維護的進一步發(fā)展提供了很好的基礎。

9、PMU是完成同步相量測量的基本設備，可以安裝在電力系統(tǒng)中選定的不同地點，精確地同步實時測量系統(tǒng)的電壓和電流值，然后將這些信息發(fā)送到一個中心點集中進行比較、評估及其它處理。PMU利用接收到的同步信號通過對測量數(shù)據(jù)加時標的方式來實現(xiàn)測量同步，其結構圖如圖 2所示。在同步信號源方面，多推薦使用全球定位衛(wèi)星系統(tǒng) ( GPS )。該系統(tǒng)為美國國防局無線電導航系統(tǒng)，具有高可用性、冗余性、可靠性和準確性等特點，其連續(xù)時間精度可達毫秒級，因此特別適合同步相量測量系統(tǒng)。此外，還有其它一些精確的可選同步信號源，俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)和歐洲的 Galileo系統(tǒng)。圖 2 向量測量單元PMU設備以及在它們之間建立

10、通信連接的費用是比較昂貴的。考慮到現(xiàn)代電力網(wǎng)絡本身是一個很龐大的系統(tǒng)，在系統(tǒng)中的所有變電站都裝設PMU設備成本太高，而且一般也沒有必要。因此，需要研究最優(yōu)的 PMU配置方案OPP，尋求一個既能滿足監(jiān)測系統(tǒng)的可觀測性要求，同時數(shù)量最少的 PMU 配置方案。 國內(nèi)外對這個問題已經(jīng)開展了廣泛的研究，許多文獻研究了 PMU在狀態(tài)估計中的應用。在建立三層結構的廣域保護系統(tǒng)時，一般都是先實現(xiàn)廣域監(jiān)視，此 WAMS得到廣泛應用。WAMS一般以 PMU為基礎， WAMS應用中，分布在整個系統(tǒng)中的大量 PMU設備都連接到一臺被稱為數(shù)據(jù)集中器 ( data concentrator) 的個人計算機上，而可在線獲取

11、整個系統(tǒng)的動態(tài)行為。這為評估和維持系統(tǒng)穩(wěn)定，止發(fā)生電壓、功角或頻率不穩(wěn)定、過載和振蕩等提供了一個平臺。通過在數(shù)據(jù)集中器上增加控制和保護功能，提供與上層系統(tǒng)進行通信的 Hub接口，該數(shù)據(jù)集中器就可以轉化成為一個本地保護中心 ( LPC)。目前國內(nèi)已有自主研制的 WAMS系統(tǒng)并已投入實際運行，如由四方公司與清華大學合作開發(fā)的我國第一套真正意義上的 WAM S系統(tǒng) CSS-200電網(wǎng)動態(tài)安全監(jiān)測系統(tǒng)， 2003年起已相繼在三峽送出、華中華北聯(lián)網(wǎng)、華北電網(wǎng)、東北電網(wǎng)和江蘇電網(wǎng)等地投運。3 主要應用的廣域保護3.1 分散式廣域保護系統(tǒng)分散式 WAPS 是指把數(shù)據(jù)分析和決策過程放在分散于電力系統(tǒng)各處的系統(tǒng)

12、保護終端SPT （System Protection Terminal） 上執(zhí)行的WAPS5。SPT放置在不同變電站中，通過環(huán)型通信網(wǎng)絡相連。SPT 從CT、VT或PMU獲得本地測量數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡獲得其他 SPT 數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，在豐富信息的基礎上，通過相對簡單的算法和判據(jù)，可以實現(xiàn)多功能、可靠、靈敏的系統(tǒng)保護， 如廣域電壓穩(wěn)定控制、 自動負荷控制、自動汽輪機投入、變壓器抽頭調節(jié)閉鎖等。分散式 WAPS 的 SPT 結構及其信息交互情況如圖 3所示。由于通信系統(tǒng)失效的可能性不能排除，所以 SPT 和通信系統(tǒng)應該保持相對獨立，SPT 應能檢測到通信系統(tǒng)的故障，而且即使通信系統(tǒng)部分或全部失效，保護

13、終端依舊可以通過本地數(shù)據(jù)和本地準則執(zhí)行保護措施。在分散式結構中，即使一個保護終端失效，鄰近終端也可以作為此終端的后備。該結構可以較好地克服集中控制方式中對控制中心設備要求過高的問題，但是SPT獲得的信息有限，而且數(shù)據(jù)分析能力和決策能力有限，不能做到全局最優(yōu)的控制。圖 3 分散式WAPS的SPT結構及其通信接口3.2 集中式 WAPS集中式 WAPS 從整個電力系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，在控制中心集中進行數(shù)據(jù)分析和控制決策，然后把控制命令發(fā)給各個 SPT 以實施控制。由于是從整個系統(tǒng)的角度來分析和決策，因此可以做到全局最優(yōu)控制，更能體現(xiàn)廣域保護的優(yōu)勢。在通信系統(tǒng)和分析決策系統(tǒng)的能力能夠達到要求的前提下，集中

14、式結構是優(yōu)于分散式結構的， 因此集中式 WAPS 是未來 WAPS 的發(fā)展方向。從結構上來看，集中式WAPS應該包含以下幾個子系統(tǒng)如圖 4所示。3.2.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)負責 WAPS 所需數(shù)據(jù)的收集，可能包含電流、電壓幅值及相位，頻率，開關位置，發(fā)電機投切狀態(tài)，繼電器信號等。相量測量單元 PMU 的引入和大量應用為 WAPS 的實施創(chuàng)造了條件。PMU 可以實時采樣電流、電壓的幅值和正序功角， 更新速率至少 1/30s （額定頻率為60Hz的電網(wǎng)） 或1/25s（額定頻率為50Hz的電網(wǎng)），而且?guī)в?GPS 對時功能，可以保證不同地點采樣數(shù)據(jù)的同步性。但由于 PMU 成本較高，目前不

15、可能在電力系統(tǒng)的所有節(jié)點裝備 PMU，而實際上也不需要在所有節(jié)點安裝 PMU，關于 PMU 安裝點的選擇，有文獻提出了多種方法。3.2.2在線數(shù)據(jù)分析和決策系統(tǒng)在線數(shù)據(jù)分析和決策系統(tǒng)：在收集到大量數(shù)據(jù)之后，必須經(jīng)過處理才能得到需要的系統(tǒng)參數(shù)，例如系統(tǒng)的潮流分布等。數(shù)據(jù)分析的難點在于從大量的數(shù)據(jù)中濾掉不正常數(shù)據(jù)，并正確估計出電力系統(tǒng)的狀態(tài)，從而判定系統(tǒng)是否處于不安全的狀態(tài)。然后從電力系統(tǒng)狀態(tài)及不安全狀態(tài)的誘導因素迅速識別出廣域擾動的種類，并根據(jù)擾動激烈程度和現(xiàn)象持續(xù)時間把擾動分成不同等級，以選擇相應的保護和控制措施，并且確定其中調節(jié)性措施的控制量大小。多重控制措施可能會被同時選擇，這就需要預測后

16、果并協(xié)調各種措施，以避免控制效果相互抵消。在控制命令發(fā)出之后，還需要根據(jù)實時采集數(shù)據(jù)不斷估計系統(tǒng)狀態(tài)，以調整控制措施。圖 4 集中式WAPS的構成3.2.3 執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)是控制措施的實施者，由分散于電力系統(tǒng)各處的多個 SPT 以及相應的電力系統(tǒng)執(zhí)行元件組成。 不同于分散式 WAPS 的 SPT，此 SPT 不需要有數(shù)據(jù)處理和決策功能，也不需要和其它 SPT 通信，只需接收從控制中心發(fā)來的命令，執(zhí)行相應控制7。SPT 及其執(zhí)行元件的控制速度和精度將直接影響控制措施的效果，因此是衡量執(zhí)行系統(tǒng)性能的重要指標。3.2.4 通信系統(tǒng)通信系統(tǒng)，需要實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的上傳和控制命令或 SPT 整定值的下傳。

17、由于 SPT沒有決策能力，因此集中式 WAPS 對通信系統(tǒng)的依賴程度很高，通信系統(tǒng)的可靠性和實時性對整個 WAPS 的功能實現(xiàn)與否至關重要。3.3三層式 WAPS圖 5 三層式 WAPS 結構將集中式WAPS分層，可以結合分散式和集中式 WAPS 的優(yōu)點。比較理想的情況是把WAPS分為三層，即三層結構，如圖5所示。底層為大量的 PMU 和 SPT 或附帶保護功能的PMU；中間層為幾個本地保護中心 （LPC, Local Protection Center），每個 LPC 與多個 PMU 通信，完成數(shù)據(jù)收集以及區(qū)域控制和保護功能，多個 LPC 相互配合共同實現(xiàn)系統(tǒng)保護方案；上層為一個系統(tǒng)保護中心

18、 （SPC, System Protection Center），它對各本地保護中心起到協(xié)調作用，實施系統(tǒng)安全防御。三層式WAPS可以把大量原始數(shù)據(jù)的處理分散在LPC 進行，從而把大量原始數(shù)據(jù)傳輸限制在各個有限區(qū)域之內(nèi)。LPC把運算結果和少量的原始數(shù)據(jù)上傳到SPC。SPC的系統(tǒng)控制命令下傳到 LPC，再轉發(fā)給 SPT。目前 WAMS 已經(jīng)得到廣泛應用，而WAMS一般以 PMU 為基礎，因此三層結構的廣域保護系統(tǒng)可在 WAMS 的基礎上實現(xiàn)。在WAMS應用中，分布在一個區(qū)域的所有PMU設備都連接到一臺被稱為數(shù)據(jù)集中器（DC，Data Concentrator）的計算機上，DC 使用數(shù)據(jù)庫大量儲存

19、相量數(shù)據(jù)6。 LPC 可直接訪問 DC 的數(shù)據(jù)以獲取整個系統(tǒng)的動態(tài)行為。也可以直接在 DC 上增加控制和保護功能，使DC轉化成一個 LPC，再把這些 LPC 連接到SPC 就可以整合成廣域保護系統(tǒng)。4 廣域保護多 Agent 系統(tǒng)動態(tài)協(xié)作機制圖 6 廣域保護協(xié)作流程圖廣域保護多 Agent 系統(tǒng)的動態(tài)協(xié)作機制。基于分區(qū)域分布集中式多 Agent 廣域保護系統(tǒng)結構，結合多信息融合的廣域故障識別保護算法，研究廣域保護主站和子站，子站與子站間的信息動態(tài)協(xié)作機制，圖 6描述了保護系統(tǒng)對故障識別、容錯處理和執(zhí)行處理等動態(tài)協(xié)作機制的處理過程，并利用狀態(tài)機描述多 Agent 系統(tǒng)的整體協(xié)作機制。5 廣域保護

20、的發(fā)展前景隨著廣域測量系統(tǒng)及動態(tài)安全分析技術的快速發(fā)展，廣域保護有著廣泛的應用前景3。未來的廣域保護將應用于以下領域。5.1 系統(tǒng)監(jiān)測及事故記錄這是廣域測量系統(tǒng)最基本的應用之一。記錄下的數(shù)據(jù)可用來復現(xiàn)事故過程，對控制及保護系統(tǒng)進行評估，從而提高電力系統(tǒng)的安全性。5.2 狀態(tài)估計由于功角測量設備可以得到實時同步的系統(tǒng)工況 ( 電壓/電流相量的幅值及正序功角 )，在此基礎上進行狀態(tài)估計可大大提高結果的精度。5.3 自適應保護廣域保護技術在原理上非常適應于自適 應保護的整定,特別是當這類保護的整定值依賴于大區(qū)域系統(tǒng)的運行狀況時。5.4 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

21、務是將故障與系統(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)自適應的縱聯(lián)保護、距離保護、自動重合閘及失步保護等。5.5 與多Agent體系結構相結合Agent是一些具有自主性、社會性、反應性、目的性和適應性的實體，多個Agent可以構成多Agent系統(tǒng)，它們之間共享信息、 知識及任務描述，多Agent通過單個Agent的能力及某種通信方法來協(xié)調它們的作用、分配和收集信息，以實現(xiàn)總體目標。多Agent體系結構可以使廣域保護系統(tǒng)更加開放、 更具模塊化，還能緩解對通信統(tǒng)的壓力，增強對大事故的處理能力。5.6 建立新的信息交換及預警機制分析北美電網(wǎng)一年的次擾動可知