1 概述
經濟和社會的發展使電力系統的電壓等級升高、電網復雜程度增加,給電力系統的安全穩定運行帶來巨大挑戰。作為保障電力系統安全穩定運行“三道防線”中第一道防線的繼電保護也面臨嚴峻的考驗,傳統保護整定配合越來越困難。
隨著國家電網公司智能電網建設的開展,智能電網的特征帶來的網絡重構、分布式電源接入、微網運行等技術,對繼電保護提出了新的要求,基于本地測量信息及少量區域信息的常規保護在解決這些問題時面臨較大的困難;同時,新技術(如新型傳感器技術、時鐘同步及數據同步技術、計算機技術、光纖通信技術等) 的研究與應用也給繼電保護的發展提供了廣闊的發展空間。在以上因素的促進下,基于廣域測量信息,從系統的角度綜合考慮繼電保護設計和配置的廣域繼電保護得到了越來越多的關注。
2 廣域保護技術的發展
早在1997 年,瑞典學者Bertil Ingel ssON 就提出了廣域保護的概念 ,用來預防長期電壓崩潰等控制功能。國際大電網會議將廣域保護的功能及控制手段和目標進行了定義。
廣域保護系統包含繼電保護和安全自動控制兩方面內容,其中,廣域繼電保護作為廣域保護的重要組成部分,對輔助傳統主保護、提高保護定值的自適應能力、簡化保護配合、縮短保護動作時間等方面起關鍵作用,有助于從根本上切實解決現有繼電保護存在的適應能力差、整定配合復雜等難題,提高保護的自適應能力。
1998 年日本學者Yoshizumi Serizawa 將廣域思想與繼電保護結合起來,提出基于GPS 通過光纖通道傳送多點電流信息,構成廣域差動保護的觀點。電流差動保護的范圍不限于某電氣元件,而擴至該元件的相鄰區域,不僅能為元件提供快速的差動主保護,還可為相鄰區域提供動作延時小、選擇性好的差動后備保護,提高保護系統的性能。有學者提出了一種基于多Agent 的廣域電流差動保護系統,借助專家系統實現電流差動、后備保護區的動態在線劃分,然后通過各保護Agent 間的配合協調實現對整個電網的主、后備電流差動保護。廣域后備保護可利用專家系統方法實現 ,在給定網絡的拓撲結構、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設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故障時能正確隔離故障。
3 智能電網將對傳統繼電保護的影響
智能電網一個重要的功能特性是自愈性。“自愈”指的是把電網中有問題的元件從系統中隔離出來,并且在很少或不用人為干預的情況下可以使系統迅速恢復到正常運行狀態,同時,幾乎不中斷對用戶的供電服務。運用本地和遠程設備的通信幫助分析故障、電壓降低、過載等系統運行狀態,并基于這些分析采取適當的控制行動。智能電網將安全、無縫地容許各種不同類型的發電和儲能系統接入系統,簡化聯網的過程。
未來智能電網中,電網的自愈特征將會對繼電保護的選擇性、可靠性、速動性、靈敏性提出更高的要求,對常規繼電保護的配置方法提出新的要求,常規保護在這幾個方面根據實際情況的不同會有所側重。特高壓電網的建設、電網規模的擴大,將導致短路電流增大很多,因此,應對短路電流增大造成的定值可靠系數降低、短路電流抑制設備的運行等問題進行分析研究,提出相應對策。分布式電源的靈活接入、多變壓器的運行方式帶來的后備保護配合、雙向潮流、系統阻抗的變化等問題均會給繼電保護定值整定帶來困難,保護定值的適應能力也將受到嚴峻考驗。
同時,智能電網將給繼電保護的發展帶來新的契機,智能電網中所采用的新型傳感器技術,例如電子式或光電式互感器不受傳統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,簡化了保護的數據算法,縮短了數據處理時間。智能電網的數據同步技術、時鐘同步技術、通信技術、計算機技術以及IEC 61850 標準的應用,可以提供區域范圍內數據采集的高精度同步,滿足數據采集傳輸的實時性,保障數據傳輸過程的冗余和可靠性;也可為新原理的實現、工業控制技術在電力系統的應用提供技術支持,為廣域保護的新原理、新算法和實際應用提供了基礎支撐。
4 智能電網下廣域繼電保護應采取的措施及技術考慮
廣域繼電保護應用于實際時,若在整個系統內實現集中保護,由于系統規模增大造成的大量數據采集點、海量數據、傳輸距離和速度等因素,會增加廣域繼電保護實現的難度,也將增加保護配置、運行和維護的難度,保護可靠性難以得到保證。因此,還應該結合實際系統進行廣域繼電保護區域結構的確立,綜合考慮、合理利用智能電網新技術,使廣域繼電保護更有利于實際應用。
4. 1 保證時間及數據同步
常規微機繼電保護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裝置,由裝置內部唯一的系統時鐘經控制總線驅動各個通道的模數轉換器,數據采集的同步精度很高。廣域保護涉及到的保護將不局限于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保持時間和數據的同步將是研究重點。變電站內現有的對時主要以GPS 時間信號作為主時鐘的外部時間基準,采用3種對時方式:脈沖對時、串口對時、編碼對時,對時精度可達到ms 級。
網絡化的變電站,采用分布式電子式互感器及合并單元的數據采集模式,數據經網絡傳送至保護等電子式設備的方式傳輸,為了實現數據采集的同步以及各保護之間信息交互與相互配合,需要一個統一精確的時鐘作為系統的時鐘源,并通過精密對時技術實現各數據采集單元時鐘、各保護裝置的時鐘的準確同步。
IEEE 1588 標準的精密時鐘同步協議更有利于實現高精度的時鐘同步,更有利于數據同步的實現。處于第一道防線中的保護系統要求的數據同步精度最高,實現IEEE 1588 在電力系統中的應用應滿足保護系統的需求,結合廣域保護對數據同步的精度要求研究IEEE 1588 協議的應用:
a. 根據IEEE 1588 協議的核心原理研究IEEE1588 標準的時鐘同步誤差,量化分析時鐘誤差對數據同步的影響度,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償算法。
b. 制訂IEEE 1588 在數字化變電站內采用與數據通信同一的以太網應用方案,根據IEEE 1588對時鐘級別的定義給出時鐘設備的配置方法及其功能實現,研究其實際系統架構,并從全網的角度探討該協議的具體應用策略。
c. 開發典型的IEEE 1588 PTP 測試環境,構建IEEE 1588 測試系統。
d. 進行繼電保護裝置應對對時系統異常時鐘信息的算法原理研究,使保護裝置具有識別防誤功能。
4. 2 劃分區域結構
區域的劃分有利于廣域繼電保護的應用研究,對站域、小區域內廣域繼電保護應用的可行性進行分析,同時分析系統內繼電保護配置現狀、廣域測量系統配置現狀、網絡通信設備及通信技術;制訂系統內的廣域保護區域結構劃分,從電網結構冗余度、保護配置冗余度、通信冗余度等方面進行可行性研究。
參照經典變電站結構模型,在系統范圍內形成分層分布式的區域保護配置方案。使廣域繼電保護具備區域決策功能,適應具有決策功能的智能變電站建設的形勢。
可利用多代理(Multi Agent ) 技術[12 ] 實現,Agent是一種具有知識、目標和能力,并能單獨或在人的少許指導下進行推理決策的能動實體,一些A2gent 通過協作完成某些任務或達到某些目標而構成的系統。Agent 具有不同的問題求解能力,Agent之間按照約定協議進行通信和協調,使得整個系統成為一個性能優越的整體,可以解決單個Agent 難以解決的問題。多Agent 技術應用于廣域保護區域劃分時應注意以下幾點:
a. 區域結構的擴展性,應能夠適應電網結構的擴充;
b. 區域主站保護的決策能力;
c. 區域內保護之間的通信壓力;
d. 區域內、區域間的協作機制。
4. 3 調整后備保護或研究應用新保護
利用區域信息的采集,根據后備保護配置現狀,綜合考慮網絡拓撲變化造成的后備保護適應,綜合利用網絡節點開關信息、區域內保護動作信息,研究后備保護新原理,使保護應對主保護拒動、開關拒動等現象具有快速反應能力,制訂區域內各保護之間的協作機理,對區域內故障的快速隔離研究保護跳閘策略,使本地保護跳區域內開關策略具有可行性。基于新傳感原理電子式互感器的特性,對原有基于傳統互感器特性的保護判據進行調整或進行新保護判據的研發:
a. 電磁式電流互感器在區外故障時,由于飽和可能會造成保護誤動,保護判據中具有區外故障躲TA 飽和判據,電子式互感器不易受飽和的影響,TA 飽和判據應作適當調整。
b. 保護裝置針對數據異常的處理,模擬式互感器數據異常判據包括電壓電流正負序分量的斷線判據等,保護判據可利用的信息量不豐富。采用電子式互感器數據采集和通信網絡數據傳輸,保護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的異常信息,需要對這些信息綜合進行新的保護判據研究。
4. 4 與傳統保護的配合
智能電網建設過程及建成后,不可避免遇到傳統微機保護與數字化變電站內保護實現保護配合及協作問題,應考慮不同類型保護之間的互操作問題,包括:
a. 線路差動保護中,一側保護采用電磁式電流互感器,另一側保護采用電子式互感器,當區外發生故障時,電磁式電流互感器一端很可能發生單端飽和現象,因此,線路兩端的差動保護應具有判單端飽和和防止保護誤動的功能。
b. 原有線路差動保護數據同步的算法基于兩側都是模擬式互感器,存在兩側不同互感器類型的數據同步問題,需要進行新保護算法的研究。
4. 5 在線調整保護定值
保護定值在復雜運行方式及復雜電網結構下可能存在定值無法整定的現象,解決方案是參照幾種典型運行方式分別進行保護定值整定,在保護裝置內部將定值存放于不同定值區,在區域主站的站控層構建保護定值專家系統庫。
當系統的運行方式發生變化時,本地保護能夠根據本地參量(開關節點信息、電氣量信息等) 判斷此時的運行方式,向區域主站發出定值是否調整的申請信息,由區域主站綜合區域內系統運行方式判斷是否調整、采用哪種典型方式定值,并向區域內需要調整定值的各個保護給予調整授權,實現在線調整。
5 結束語
傳統的保護系統成為各個互聯電網不可缺少的保護穩定、避免災難性事故的保護手段。智能電網新形勢新特點給傳統保護帶來了機遇和挑戰,可善傳統保護的廣域繼電保護應用逐漸受到關注。廣域繼電保護(穩控) 系統已有近20 年的歷史,新形勢下廣域繼電保護的研究重點有所變化,隨著智能電網的建設,廣域繼電保護將得到進一步拓展、深化和應用,將在智能電網中發揮重要作用。