智能電網體系下廣域保護的應用與發展

杜亮

(浙江大唐烏沙山發電有限責任公司,浙江寧波 315722)

智能電網體系下廣域保護的應用與發展

杜亮

(浙江大唐烏沙山發電有限責任公司,浙江寧波 315722)

分析當前我國電力系統面臨的向多能源并網的新型智能電網發展的必然性以及在智能電網環境下新型繼電保護方式的重要性。討論了繼電保護中關于廣域保護發展的必要性,廣域保護的原理以及算法,以及廣域保護發展的方向。并針對當前我國特色的電力事業發展提出相適應的廣域保護的功能定位和系統構成模式。

智能電網 繼電保護 廣域保護

0 引言

繼電保護是保障電網安全的第一道防線,如果保護裝置在故障發生時正確、快速、可靠動作、將有效遏制系統的狀態惡化,起到保障電網安全穩定運行的作用,反之則可能擴大事故,甚至導致電網大面積停電。美國對1996年西部電網大停電、2003年美加電網大停電等20年來大系統停電進行可統計調查發現,雖然引發電網大面積停電的因素很多,保護誤動、拒動以及電網大范圍潮流轉移過程中發生的保護連鎖動作,是導致事故擴大乃至引發系統大面積停電的關鍵因素之一。傳統保護采用離線整定方式確定保護定值,由于系統結構復雜,需考慮的運行方式眾多,難以兼顧靈敏性和選擇性的要求,無法保證定值性能始終處于最佳狀態,且離線整定模式下的定值修改需依靠人工完成存在安全隱患。

電力系統在本質上是一個廣域系統,系統中所有的電氣量是互相關聯的一個整體,這在根本上決定了系統保護是一個全局問題,應該將系統作為一個整體考慮。此外,電力系統的運行狀態是不斷變化的,不同運行狀態下的相同事件對電網的影響也不同。因此,系統的穩定運行問題實際上是系統在當前運行狀態下的穩定運行問題,需要通過不斷獲得的實時數據來實時確定保護控制策略。

近年來,隨著廣域同步測量和數字化變電站技術的發展與成熟,為根本上提高和改善繼電保護的性能提供了契機。因此,在復雜電網環境下審視傳統繼電保護存在的問題,研究能夠快速識別與隔離故障、簡化保護整定計算的廣域保護原理和配置方案,是保障電網安穩運行的重要內容。同時,故障的快速定位與隔離、系統運行方式更新后的保護在線自適應整定也是未來智能電網要實現的主要自愈功能使得電網的安全正受到前所未有的威脅。

1 我國智能電網的特點

近年來在政策鼓勵和社會需求雙重助力推動下智能電網得到了大力的發展,尤其表現在超特高壓電網投運、大規模新能源并網和智能配用電方面,同時智能電網的建設也面臨著一些特殊問題。

1.1 構建以超/特高壓為骨架的大電網

我國能源與負荷呈逆向分布,煤炭、水力和風能等資源主要分布在西部和北部地區,而用電負荷集中在中、東部地區和南部沿海地區,中間相隔上千公里,從客觀上決定了需要采取遠距離、交直流混合、超/特高壓的輸電方式實現能源資源的優化配置。

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,使廣域保護更有利于實際應用。

1.2 新能源接入大電網的平衡問題

我國總體上缺少與新能源電力互補的可快速調節的電源,如水電站和燃氣電站。新能源電力波動性大難以穩定輸出,如果缺少足夠的就地互補電源,則會出現以下問題：已建成的新能源裝機無法充分并網,風電棄風現象嚴重;新能源接入后為了達到電力供需平衡,燃煤機組需要頻繁調整出力,運行工況變化大,造成設備老化加快和發電煤耗增加;此外新能源電力并網造成的系統調峰容量下降還會降低電網安全裕度。因此要盡量實現新能源電力的就地平衡,根據實際條件,應積極探索風、光、水、氣、火、儲組合的優化互補方案,以減少波動性輸出對系統的影響。

1.3 智能電網體系下輸配用電發展的不平衡

配電網直接面向用戶,是保證供電質量、提高運行效率的關鍵環節。長期以來我國采用單向的電力供應消費模式,電網和用戶之間缺乏有效互動,導致負荷“峰谷”差額大,用電負荷率低。建設智能配用電系統,加強電網與用戶的雙向互動,調動用戶積極性,能夠有效提升發輸電效率,降低電力投資,節約社會資源。如通過開展用電激勵機制,使電動車采用白天行駛、夜間充電的運行方式,有利于電網峰谷平衡,改善電網負荷特性,減少為維持電網低負荷運轉而產生的調峰費用。此外,大量分布式電源接入后,配電網應該具有滿足用戶向電網反向送電的能力,為了應對配電網由單電源模式向多電源模式的轉變,配網保護及控制技術也要進行相應調整。

2 廣域保護在智能電網下的發展

廣域保護是近年來繼電保護領域的研究熱點,以高速實時的信息通信為平臺,將多點多類型信息納入保護系統,從根本上革新了繼電保護的配置方式,能夠顯著提升繼電保護的動作性能。

廣域保護融合與故障有關的多點、多類型信息,通過對信息的綜合判斷,實現開放/閉鎖保護、調整保護動作特性、制定跳閘策略等功能。由于檢測故障的角度更加全面,使保護在適應系統運行方式變化、減少保護對定值依賴、克服過負荷和振蕩影響,以及提升保護動作速度等方面有更加良好的表現。

廣域保護的定位應該以承擔后備保護功能為重點,主要基于三個原因：1)元件主保護對快速性有很高要求,廣域保護通過多信息交互和集中判斷來實現,若作為主保護在快速性方面沒有優勢;2)目前電網主保護以電流差動保護和方向/距離縱聯保護為主,具有絕對選擇性,保護性能相對完善,不需要通過廣域的方式來實現;3)傳統后備保護以單端量原理為主,其整定配合復雜、動作延時長、適應性運行方式變化能力差、過負荷易誤動等缺陷成為了大電網的安全隱患,已直接和間接地導致了數次大停電事故的發生,急需予以革新。

因此,從可行性和必要性兩方面出發,廣域保護更適合承擔后備保護功能,而主保護仍然隨被保護設備獨立分散配置。當然,這并不妨礙廣域保護在原主保護檢修等特殊情況下臨時充當主保護,以及在某些場合中作為第二套主保護配置。

2.1 數據采集的實時性

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。如何在較大范圍內保持時間和數據同步將是研究重點,變電站內現有的對時主要以GPS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、各保護裝置時鐘的準確同步。

2.2 劃分區域分區保護

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。

2.3 與傳統繼電保護配合使用

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。

3 結語

廣域保護已經逐步成為現代電力系統保護和控制領域研究的一個熱點,有著廣闊的應用前景。智能電網的建設影響了我國電力系統發、輸、配、用各個環節,使繼電保護的運行環境發生了顯著變化,對保護提出了更高要求。同時智能電網搭建了先進的信息平臺,繼電保護具備了集成廣域信息的條件,有望通過轉變實現方式大幅度提升保護性能。

廣域保護系統從提出到現在近15年,其成功應用可有效遏制日益頻發的大規模電力系統連鎖故障,可以提高系統的功角、電壓穩定性和現有輸電網絡的利用率。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,將在保障智能電網的安全穩定運行中發揮重要作用。

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