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1、电力系统广域继电保护综述电力系统广域继电保护综述 摘要:针对传统继电保护系统面临的主要问题, 文章讨论了广域保护的概念以及与传统继电保护的区别,介绍了广域继电保护系统的两种结构形式集中式和分布式，论述了广域继电保护算法的研究现状。展望了今后广域继电保护的应用前景。 关键词:电力系统 广域测量系统 广域继电保护保护算法 中图分类号： F407.6 文献标识码： A 1 引言 目前使用的继电保护和自动装置控制判据,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。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
2、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1。北美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,而是这些装置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。 广域继电保护是近几年国内外新兴的一个研究课题,它的提出是建立在计算机和通信技术发展基础上，是为了解决现有保护装置与安全自动装置之间缺乏相应的配合协调，对系统进行优化控制。近年来,广域测量系统(widearea measurement system, WAMS)的出现为电力系统保护设计提供了一个全新的思路。WAMS可以获取全
3、网同步动态信息,使从电网整体最优的角度设计保护成为可能;并且高速数据传输使主站的数据更新时间为2050ms,这一点对于后备保护尤为重要,因为其出口延时使它有足够的时间来获取系统中的同步信息3。 2广域保护概念及与传统继电保护区别 广域保护可定义为:依赖电力系统多点的信息,对故障进行快速、可靠、精确的切除,同时分析故障切除对系统安全稳定运行的影响,并采取相应的控制措施,可提高输电线可用容量或系统可靠性,这种同时实现继电保护和自动控制功能的系统,称为广域保护系统,又称为稳控系统。它在电网保护控制中是基本定位于常规保护及SCA-DA/EMS之间的系统保护控制手段,国际大电网会议将广域保护的功能及控制
4、手段等进行了定义,其动作时间范围在100 ms100 s之间2,如图1所示。 图1广域保护的定义 传统的继电保护主要集中于元件保护,以线路、母线、变压器、发电机和电动机等为保护对象。传统的保护以切除被保护元件内部故障为己任,主要通过开关动作来实现故障隔离,各电力设备的主保护相互独立,不顾及故障元件被切除后,剩余电力系统中的潮流转移引起的后果。比如故障元件被保护装置正确切除或正常元件被保护装置误切除后,由于功率的转移引起相邻电力元件的过载,导致过载保护动作等,这是传统继电保护的固有弊端。广域保护更注重保护整个系统的安全稳定运行,可识别系统的各种运行状态(正常状态、警戒状态等),通过调节系统的P-
5、、Q-v和各种保护措施,同时实现继电保护和自动控制的功能,其中可能会有本地、远程开关的动作,以避免局部或整个系统大面积停电或崩溃等严重事故的发生,保证电网在故障后仍能保持所需的安全稳定工况。 3 广域继电保护系统的结构形式 广域继电保护系统的结构主要分为集中式4、分布式5两种类型。在集中式结构中,每个变电站设置一个中央处理单元,即广域保护模块,本子站的所有广域保护算法都集中在中央处理单元中。集中式结构实际上只在功能决策环节进行了集中,而从信息的采集和通信角度则属于分层分布式的结构。在分布式结构中,变电站各测量点装设智能电子装置(intelligent electronic devices, I
6、ED),在变电站内不设中央单元。每个IED的地位是平等的, IED之间进行对等通信。两种结构各有优缺点,应根据实现功能的不同进行选取: a)集中式结构充分结合了电力系统分层分区控制的结构,测量和命令执行功能被分散到多个终端设备中完成,中央单元只保留决策功能,这种方式对全局性事件有较好的应对能力。但这种结构对中央单元的依赖程度很高,一旦中央单元故障,则整个变电站失去保护,后果非常严重,因此需要对中央单元进行双机或多机备用配置。同时,在控制中心建立的系统模型较复杂,收集的信息量大,通信量较大,实时性较差,控制中心成为系统处理和通信的瓶颈。 b)分布式结构将保护和控制功能完全分散到各个终端设备IED
7、中完成,对IED的要求比较高,需要独立完成信息的采集、通信、算法的执行、策略的生成以及跳合闸命令的执行功能。分布式结构的系统受IED故障的影响较小,某个IED故障一般不会影响到整个保护系统的工作,因此除了特别重要的测量点,一般没有必要对IED进行双机或多机备用配置。在分布式结构中,只要确定好信息交换的范围,不会出现信息在IED之间多次往返的情况,因此通信延时不会较长。但对于分布式结构,由于IED数量比较多,其通信及功能划分等方面的设计较为复杂,较适用于进行局部性的优化决策。 4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。 4.1广域
8、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6:(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14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
9、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。 4.2广域距
10、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78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IED发断路器失灵
11、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。 4.3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。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.Se
12、rizawa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。 5结束语 随着电网的大范围互联,电力系统的安全稳定问题越来越突出。利用广域测量可以实现自适应的纵联保护、距离保护、自动重合闸及失步保护等。自适应保护原理可以提高灵敏性和选择性,广域测量可以用于实现继电保护自适应功能。广域保护系统能有效遏制潜在的大规模电力系统连锁故障的风险,提高系统功角、电压稳定性,是未来系统保护的发
13、展方向之一。目前,广域保护系统的研究取得了很多成果,随着计算机技术和通信技术的快速发展,广域保护系统如何保障电网整体安全运行,仍将是需要深入研究的课题。 参考文献: .1 徐慧明,毕天姝,黄少锋,等基于WAMS的潮流转移识别算法J.电力系统自动化,2006,30(14):14-19 2张保会加强继电保护与紧急控制系统的研究提高互联电网安全防御能力J.中国电机工程学报,2004,24(7):1-6 3易俊,周孝信电力系统广域保护与控制综述J.电网技术,2006,30(8):7-12 4林霞,高厚磊新型广域后备保护方案的研究J.继电器,2005,33(7):84-88 5王晓茹, HOPKINSON K M, THORP J S,等利用Agent实现新的电网后备保护J.电力系统自动化,2005,29(21):57-61 6苏盛,段献忠,曾祥君,等基于多Agent的广域电流差动保护系统J.电网技术,2005,29(14):15-19 7陈振宇,梁强基于多代理系统的继电保护J.继电器,2005,33(3):40-42 8丛伟,潘贞存,赵建国.基于纵联比较原理的广域继电保护算法研究J.中国电机工程学报,2006,26(21):814 作者简介： 肖源（1983年），男，湖北宜昌人，工程师，就职于宜昌电力勘测设计院有限公司，长期从事变电站继电保护工作。-最新【精品】范文
