智能電網環境下繼電保護的發展現狀

摘要：隨著智能電網建設的發展，給傳統電力系統繼電保護帶來了新的挑戰，繼電保護是保障電力系統的安全穩定運行的重要手段，所以對智能電網環境下繼電保護的研究具有一定的現實意義，文章闡述了繼電保護為適應智能電網需要發生的相關變化，在分析智能電網環境下繼電保護構成的基礎上，對目前繼電保護的研究現狀進行探討，為相關研究和電力工作者提供借鑒。

關鍵詞：智能電網 繼電保護

0 引言

智能電網由于具有自愈性、安全性、經濟性，在世界范圍內得到了廣泛的推廣和應用，它的獨特優點還體現在交互性、兼容性、高效性穩定性等方面。隨著電力技術的不斷發展，我國已經開始智能化變電站建設，隨著電力市場的改革深入，電力環境日益發生著各種變化。電力系統繼電保護主要是研究電力系統在發生故障和危及安全運行的異常工況時，能夠通過自動化措施快速地、有選擇性地做出反事故對策，是保障電網安全運行最基本、最有效、最重要的技術手段。電力系統繼電保護的功能和作用隨著電力系統對其要求的提高而發展，其實現技術隨著相關學科的技術發展而變化。而繼電保護能否完全滿足智能電網發展的要求高可靠性地完成保護任務，涉及一系列的技術環節。文章著重闡述了繼電保護為適應智能電網需要發生的相關變化，分析智能電網環境下繼電保護構成的基礎上，探討目前智能電網條件下繼電保護研究的新進展。

1 智能電網條件下繼電保護的構成

繼電保護向保護、控制、測量和數據通信一體化發展，它是實現電力網絡及相關設備監測保護的重要技術，計算機化、網絡化、智能化是未來該領域的長期發展趨勢。智能電網的分布式發電、交互式供電對繼電保護提出了要求。

第一，對保護裝置而言，保護功能一方面需要相關聯的其他設備的運行信息，另一方面還需要本保護對象的運行信息。能夠快速隔離故障、自我恢復，避免大面積停電的發生，但前提是在保證故障的準確實時識別，還保證在沒有或少量人工干預下。所以智能電網繼電保護裝置保護動作不一定只跳本保護對象，也有可能只發連跳命令跳開其他關聯節點，不跳開本保護對象，更有可能在跳本保護對象時還需發連跳命令跳開其他關聯節點。

第二，各行各業的日益普及也為探索新的保護原理提供了條件，通信和信息技術的長足發展，數字化技術及應用得到廣泛發展，智能電網中可對日常運行狀況進行實時監控。主要是利用傳感器對發電、輸電、配電、供電等關鍵設備來完成的。利用這些信息可對運行狀況進行監測，把獲得的數據通過網絡系統進行收集、整合和分析，實現對保護功能和保護定值的遠程動態監控和修正。

2 智能電網環境下繼電保護的相應變化

智能電網與傳統電力系統產生了本質的差別，主要是由于信息化和數字化的不同特征造成的，智能電網應用，使得電能傳輸某些特點也發生了較大的改變，所以為了與智能電網的發展相適應，在電力系統繼電保護方面也需要發生相應變化。

2.1 保護定值的適時調整

傳統的保護定值是人工根據系統的運行方式，潮流方向，相關線路的運行狀況等相關信息制定修正的。

智能電網的靈活運行方式，不確定的潮流流向要求保護定值具有自適應功能。以智能電網網絡結構圖1為例，圖1中D為智能電網的一個電源點，既可以接入電網，也可以微網孤島運行，這樣與電源點D相連線路的潮流就具有不確定性，實現距離保護、電流保護原理時，就必須保證保護定值能根據運行方式的變化作實時的調整，這樣，一條線路的繼電保護裝置的信息除了本線路的電氣量外，還必須包括與該線路相關的所有線路的運行狀況，綜合所有相關信息對保護定值進行實時修正。節點N4從系統解開，N4點所安裝的2個線路保護裝置就應該全部退出運行，線路L1、L2的潮流將重新分配，2條線路合成1條線路，但運行的方式變為L1和L2合成1條線路后，就由節點N3、N2處安裝的保護裝置來實現線路L1、L2的保護，但相應線路的長度和阻抗就發生了變化，相應N3、N2節點處保護裝置的定值、保護范圍都應該根據運行方式作相應的調整。

最后，引入環境條件對保護定值的影響。必須實時調整輸電線路過負荷保護的定值，智能電網監控輸電線路的溫度和容量來調整功率流，利用散布在電網中的傳感器得到實時信息，使其更接近運營極限，以適應溫度和容量變化帶來的影響。

2.2 安全自動裝置性能的提高

為電力系統防御和緊急控制提供了廣域信息的是先進的相量測量（PMU）和廣域測量技術（WAMS），可以利用其已建成的網絡來進行安全自動裝置的性能的提高和對時間敏感性不強的后備保護，從而使得大停電等惡性事故的發生得以避免，同時現有保護和安全自動裝置的延時整定原則得以改變。

2.3 繼電保護功能的發展

隨著單個電力元件容量的增加，減少元件故障率越來越重要，目前的繼電保護性能再優越也不能減少故障的發生。內部故障的發生往往是多種因素積累、絕緣性能下降造成的，對于一些集中參數的元件如變壓器、發電機等，繼電保護預保護功能的發展，能夠使事故的發生減少，這樣很可能滿足智能電網的新要求，做到預警、保護為一體，提高防護的功能。

3 智能電網條件下繼電保護新進展

電網復雜網架的建設提供了多運行方式下超大功率的輸電能力，在智能電網的建設中，保持故障切除后網架的強大越來越重要。使得階段式原理的后備保護保證選擇性越來越困難，經常擔心智能電網會出現這樣或那樣的問題。這項工作占據了保護人員絕大部分的精力，后備保護的整定、調試和運行管理必須同時完成，以下是集中式后備保護與重合閘最佳重合時間的研究進展，以此推動繼電保護配置配合方式的發展。

3.1 集中式后備保護

整個變電站配置一套（或雙備份）集中式后備保護，每個電力元件僅僅配備主保護，快速切除被保護元件的故障。它為相鄰變電站元件提供遠后備保護功能，還為本變電站元件提供近后備和開關失靈保護功能。集中式后備保護接收相鄰變電站的故障方向、距離段信息、斷路器狀態信息，采集本變電站元件的電壓和電流信息、斷路器狀態信息。根據實時信息，做出跳開本側和遠端斷路器的策略，獨立判別在近、遠后備范圍內元件的故障。集中式后備保護還可為避免各后備保護間的整定配合，且可以快速動作，采用以下具有絕對選擇性的原理。

擴展方向與距離比較式原理：變電站所有連接設備，計算本端兩元件判別結果和接收遠端送來的兩元件判別結果，除配備方向元件外，配備距離二段，后備保護對所有設備的故障判別系數進行容錯運算和專家推理，之前要先對每個設備的兩元件判別結果進行首次容錯運算獲得設備故障判別系數，得到后備范圍內有無故障、故障在何設備上的結論。該方法在同時2個信息錯誤時，大多可以給出合理的跳閘次序。容許任一元件判別失誤、任一信息失效時，保護都正確動作。

當所有設備的遠端功率方向指向本變電站時，比較變電站所有連接設備兩（或三）端功率方向，這時表明后備保護范圍內有故障；再比較每個連接設備的兩（或三）端功率方向，困難在于保證每個方向元件的靈敏度和信息傳送的可靠性，方向相同的為故障設備。

擴展電流差動原理：當整個變電站所有設備的遠端電流之和大于門檻值時，需要同步采集全變電站連接設備兩（或三）端的電流信息，表明后備保護范圍有故障。再對每個設備使用差動原理，這種方法通信量大且要求同步準確、誤碼率低，但缺點是需要傳送對端的同步電流信息，但它可以甄別出故障設備。

3.2 最佳重合時間的整定

目前大量使用的重合閘的延時時間，沒有考慮重合或跳開對系統搖擺的沖擊。而主要是為了保證熄弧和設備的安全，考慮永久性故障時斷路器，再次安全跳開時間中的大者，以及瞬時性故障時，故障點絕緣強度恢復時間等。

已有的研究表明，存在一個最佳重合時間，那就是指永久性故障和瞬時性，在保證熄弧和設備安全的前提下完成重合。永久故障時，可以有效地阻尼系統搖擺，增加網絡的傳輸能力，從而提高系統的暫態穩定極限；在這個時間重合瞬時故障可以使系統很快進入穩定狀態。

暫態能量函數，當能量函數的值超過系統所能吸收的最大值時，表現為不穩定，暫態能量值越大，表明系統的搖擺越嚴重，可以描述電力系統在最后一次網絡操作系統搖擺的激烈程度。使系統在最后一次網絡操作后能量最小，則相應的系統搖擺最輕，系統若能選擇一合適的時刻重合閘。無法區分故障時，永久故障對系統的沖擊較瞬時故障嚴重，式（1）的能量函數值最小對應的時刻為最佳重合時刻。

其中：Δω■為角速度在重合時刻與再次跳閘時刻之間的增量；P■■，C■■為重合失敗再次跳閘后的等效功率、聯系電導；Pi，Cij為重合于故障期間的等效功率、聯系電導；tcc為重合失敗再次跳閘的時間；th為重合閘合閘時間。

3.3 小結

為滿足智能電網發展對繼電保護的新要求，以極小的二次系統代價獲取一次系統的很大效益，需要重新審視習以為常的配置配合方式，在廣域信息網絡條件下解決以上問題是可能的，所提的集中式后備保護，具有很高的容錯性和較高的可靠性。另外，應該大膽使用，采用最佳重合時間是無成本提高暫穩極限的有效措施。

4 結語

目前，繼電保護作為電力系統安全穩定的第一道防線，在各項技術方面仍存在著諸多的問題和不成熟，雖然我國智能電網建設已取得了重要的進展，但仍存在很多不足的地方。文中主要對近兩年繼電保護的研究進展進行分析總結，以供大家借鑒。同時，繼電保護課題需要不斷的進行深入的研究，以保證繼電保護適應智能電網的發展，維持電力系統的安全穩定運行。

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