浅谈电力系统继电保护的发展

　　摘要:本文主要论述电力系统继电保护的发展趋势, 分析了广域保护的概念和结构、通讯网络结构。

　　关键词: 继电保护 广域保护

　　1 前言

　　随着时代的不断进步，电力系统的发展也随着扩大, 继电保护技术是随着电力系统的发展而发展起来的。电力系统在运行中, 可能发生各种故障和不正常运行状态, 最常见同时也是最危险的故障是发生各种形式的短路。在电力系统中, 除应采取各项积极措施消除或减少发生故障的可能性以外, 故障发生时,必须迅速而有选择性地切除故障元件,这是保证电力系统安全运行的最有效方法之一。

　　2继电保护技术发展趋势

　　2. 1 计算机化

　　随着计算机硬件的迅猛发展,微机保护硬件也在不断发展。电力系统对微机保护的要求不断提高,除了保护的基本功能外,还应具有大容量故障信息和数据的长期存放空间,快速的数据处理功能, 强大的通信能力, 与其它保护、 控制装置和调度联网以共享全系统数据、 信息和网络资源的能力,高级语言编程等。这就要求微机保护装置具有相当于一台PC 机的功能。该类装置的优点有: ( 1) 具有 486PC机的全部功能,能满足对当前和未来微机保护的各种功能要求。( 2) 尺寸和结构与目前的微机保护装置相似,工艺精良、 防震、 防过热、 防电磁干扰能力强,可运行于非常恶劣的工作环境, 成本可接受。

　　(3)采用 STD 总线或PC 总线, 硬件模块化, 对于不同的保护可任意选用不同模块, 配置灵活、 容易扩展。继电保护装置的微机化、 计算机化是不可逆转的发展趋势。

　　2. 2 网络化

　　因继电保护的作用不只限于切除故障元件和限制事故影响范围, 还要保证电力系统的安全稳定运行。这就要求每个保护单元都能共享整个电力系统的运行和故障信息的数据,各个保护单元与重合闸装置在分析这些信息和数据的基础上协调动作,确保系统的安全稳定运行。显然,实现这种系统保护的基本条件是将整个系统各主要设备的保护装置用计算机网络联接起来,亦即实现微机保护装置的网络化。这在当前的技术条件下是完全可能的。保护装置实现计算机联网, 能提高保护的可靠性,同时可大大提高保护性能和可靠性,这是微机保护发展的必然趋势。

　　2. 3 保护、 控制、 测量、 数据通信一体化

　　在实现继电保护的计算机化和网络化的条件下,保护装置实际上就是一台高性能、 多功能的计算机,是整个电力系统计算机网络上的一个智能终端。它可从网上获取电力系统运行和故障的任何信息和数据, 也可将它所获得的被保护元件的任何信息和数据传送给网络控制中心或任一终端。因此, 每个微机保护装置不但可完成继电保护功能, 而且在无故障正常运行情况下还可完成测量、 控制、 数据通信功能,亦即实现保护、 控制、 测量、 数据通信一体化。

　　2. 4 智能化

　　近年来, 人工智能技术如神经网络、 遗传算法、进化规划、 模糊逻辑等在电力系统各个领域都得到了应用,在继电保护领域应用的研究也已开始。人工智能技术在继电保护领域的应用, 可以解决用常规方法难以解决的问题。

　　3 广域保护

　　3. 1 广域保护研究的理论背景

　　继电保护装置以判断被保护对象内部故障,及时可靠地切除故障为己任。但是目前的安全自动装置都是在检测到系统产生不正常运行状态以后再采取控制措施,例如低频、 低压减载装置是在系统频率或母线电压降低、 偏离正常值一定程度且持续一定时间后才执行切负荷或切机操作,属于事故后控制措施。在特殊情况下如果频率或电压下降速度过快,可能安全自动装置来不及动作,系统已经发生严重的崩溃事故。此外, 目前使用的安全自动控制判据大都是基于本地量构成, 反映的只是系统某点或很小一个区域的运行状态, 不能反映较大区域电网的安全运行水平,装置之间缺乏相互协调和配合, 难以做到对系统进行优化控制。这样将会导致系统某点发生故障后安全水平下降, 造成继电保护和安全自动装置相继动作。由于这些装置之间缺乏相互的配合协调,可能进一步扩大故障影响范围,引起系统发生连锁跳闸等严重事故。去年北美以及世界范围内的几次大停电事故让人们认识到: 事故的发生并不是因为继电保护和安全自动装置误动作, 恰恰相反,它们都能正确动作,但是仍然不能避免大规模停电事故的发生。其原因就在于它们之间缺乏相应的配合协调, 基于本地量的装置难以反映区域电力系统的运行状况。

　　3. 2 广域保护系统概述

　　广域保护是在电网互联趋势下提出的对继电保护系统更高的要求,这是一个新的研究方向,国外早在1997 年开展了相关研究探讨;国内在这一领域的研究起步较晚,直到最近一两年才陆续有相关的论文发表。

　　广域保护系统可以分为两类: 一类是利用广域信息,主要完成安全监视、 控制、 稳定边界计算、 状态估计等功能,其侧重点在广域信息的利用和安全功能的实现;另一类则是利用广域信息完成继电保护功能。但是目前多数研究进行的只是概念性的讨论,对于具体问题如系统结构、 通信网络配置、 广域信息的采集和利用、 广域保护和控制算法等方面并没有进行详细深入分析,尚未形成完整的理论体系。

　　3. 3 广域保护系统基本结构

　　广域保护系统是一个复杂的系统,如果以广域信息的采集、 传送、 分析和使用为主线,整个系统的构成基本上可以分为三大部分。第一部分是电力系统实时动态监测系统,即对电力系统动态过程进行监测和分析的系统。由安装在各变电站的同步相量测量装置( PMU) 之间相互通讯, 及与安装在电力系统调度中心、 变电站或发电厂的主站( main s tat ion)通讯,构成电网广域测量系统(WAMS) , 实现对地域广阔的电力系统运行状态的监测和分析。第二部分包括广域继电保护算法和广域自动控制策略( 基于广域信息切负荷、 切机等) , 安装在各变电站的 CDE相互通讯,就地实现常规保护功能,且主站根据采集到的电网中分布的各变电站PMU 实时测量数据, 检测故障,分析扰动, 提出投切线路、 负荷和机组等控制策略。第三部分是电力系统实时控制系统, 由安装在各变电站的自动控制装置与安装在调度的控制中心联网,实现广域自动控制策略。广域保护系统功能结构: 该系统由相量测量( PMU)、 安全稳定控制装置、 厂站安全稳定监控子站、 通信线路、 电网安全稳定监测与控制主站、 网络服务器及资料分析站等组成,具体功能如下:

　　( 1)相量测量装置( PMU )。GPS 同步采样记录电压电流相量、 功率和开关量动作情况,计算正序电压电流等相量,通过安全稳定监控子站和通信线路将各种数据上送到安装在调度的电网安全稳定监测与控制主机。

　　( 2)安全稳定控制装置。在电网故障条件下, 安全稳定监控子站根据厂站运行状态,查找预先整定的控制策略表,控制变电站安全稳定控制装置, 直接进行切机和切负荷操作;电网频率或电压变化后,安全稳定控制装置自动进行无级切机和调负荷控制;也可由调度人员远方操作,维护电网安全稳定运行。

　　(3) 厂站安全稳定监控子站。安全稳定监控子站安装在变电站,向上通过光纤与电网安全稳定监测与控制主机通信, 向下通过以太网与相量测量装置( PMU)及安全稳定控制装置通讯, 是发电厂变电站安全稳定监测与控制系统的决策中心和通讯桥梁。可就地实现一些广域保护算法, 安全稳定监控子站之间可以相互通讯。

　　(4) 电网安全稳定监测与控制主站。电网安全稳定监测与控制主机安装在调度室内, 与安全稳定监控子站通讯, 获取各种数据, 进行广域保护计算,及对多站间的实时功角及各站模拟和开关信号进行在线监测,记录有关数据,并存入数据库。并将实时监测到的电压电流相量和功角传送到EMS 系统,供EMS 系统进行静态和动态安全稳定分析, 并把EMS系统的安全稳定控制命令传达到发电厂变电站的安全稳定控制装置,进行投切机组和负荷控制。

　　4 广域保护应用

　　广域保护的应用总的来说还处于起步阶段, 目前国内外还没实现大规模应用,典型应用如:华东电网公司研发了一套针对华东电网的广域动态监测系统, 目前该系统已进入运行阶段。在试运行中, 该系统成功捕捉了2006年 桑美 台风登陆浙江、 福建造成的电网短路故障、 浙江乌沙山电厂60万千瓦机组的甩负荷试验状况,并经历了华东电网电力市场第二次调电试验考验,为华东电网安全稳定动态监视、预警和在线决策提供了技术手段, 为运行方式的研究、 电力交易的稳定校核和离线事故分析提供了技术支持。

　　5总结

　　由于微机保护具有强大的逻辑分析、 判断和数值计算的能力,并可以利用网络进行通信, 通过广域保护和电网的信息交换来提高保护装置的性能的自适应、 基于多agent 的保护以及广域保护引起了国内外电力界学者和工程技术人员的广泛重视, 经过长期不懈地努力,已取得初步的成果。

　　[参考文献]

　　[ 1] 贺家李,宋从矩. 电力系统继电保护原理[M] .北京: 中国电力出版社, 2003.

　　[ 2] 陈德树,张哲, 尹项根. 微机继电保护[M] . 北京:中国电力出版社, 2000.

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