智能電網繼電保護技術研究

江盈文

摘要：分析智能電網網絡結構、傳統電網繼電保護與智能電網繼電保護構成的區別，以及智能電網關鍵技術，針對我國智能電網繼電保護面臨的挑戰進行探討，為提高繼電保護的智能性、靈敏性、可靠性及迅速性提供參考。

關鍵詞：智能電網；繼電保護；構成；技術；挑戰

中圖分類號：TM77 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）06-0049-03

智能電網作為當今世界電力系統發展變革的最新動向，已由最初模糊的概念發展到了具體實施階段。相應地，智能電網的網絡拓撲結構、智能電網的繼電保護以及智能電網的關鍵性技術都成為其發展研究的重要內容。

1 智能電網的網絡結構模型

傳統電網中，典型的網絡拓撲結構有總線型、環型、星型線路，等效模型見圖1。這些均為線型模型，運行方式相對比較單一，每一個電源點的潮流流向是單向的，因而能方便地利用電流保護、距離保護實現。

智能電網中，網狀結構使每個點既可能是電源點又可能是最終的用戶點，因此線路潮流的流向是雙向的；另外，分布式電源作為網狀電網的一個點，也可能會從系統中解列出來，形成微網單獨運行，等效模型如圖2所示。這種電網的運行方式是不確定和易變的，從而造成系統運行阻抗的千變萬化，最終導致傳統的過流保護、距離保護定值無法整定，保護不能單獨使用。基于此，必須考慮新的保護方案，避免受電網運行方式變化的影響。

2 智能電網繼電保護構成

2.1 傳統電網繼電保護構成

傳統電網中，電源點的潮流流向是確定的。通常保護輸入的是本側的電氣量，包括：三相電流Ia，Ib和Ic；三相電壓Ua，Ub和Uc。通過對這些電氣量的判別，滿足相關保護的要求。線路光纖差動保護最多是輸入被保護線路對側的電流，所以傳統繼電保護電氣判別量基本固定不變。其構成示意圖如圖3所示。

2.2 智能電網繼電保護構成

智能電網的分布式發電、交互式供電對繼電保護提出了更高要求。通信和信息技術的長足發展，數字化技術及其應用在各行各業的日益普及，也為探索新的保護原理提供了條件。智能電網中，可利用傳感器對發電、輸電、配電、供電等關鍵設備的運行狀況進行實時監控，然后把獲得的數據通過網絡系統進行收集、整合，最后對數據進行分析。利用這些信息可對運行狀況進行監測，實現對保護功能和保護定值的遠程動態監控與修正。

另外，對于保護裝置而言，保護功能除了需要本保護對象的運行信息外，還需要相關聯的其他設備的運行信息。一方面是保證故障的準確實時識別，另一方面是保證在沒有或少量人工干預下，能夠快速隔離故障、自我恢復，避免大面積停電的發生。所以，智能電網繼電保護裝置保護動作時不一定只跳本保護對象，也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，還有可能只發連跳命令跳開其他關聯節點而不跳開本保護對象。

圖4為智能電網繼電保護構成示意圖。在智能電網中，通過監控系統對本保護對象和其關聯節點的運行狀況進行分析和決策，實時調整相應繼電保護裝置的保護功能和保護定值，使保護裝置適應靈活變化的運行工況。同時由保護功能決定參與故障判斷的電氣量信息和保護動作策略。

3 智能電網關鍵技術

未來智能配電網的發展，要求智能電網繼電保護技術與先進的信息、通信和控制等技術加以融合。為了滿足智能電網繼電保護的技術要求，需要有對應的關鍵技術解決以往電網中存在的問題。

3.1 通信技術

建立高速、雙向、實時、集成的通信系統是實現智能電網的基礎。智能電網通過高速雙向通信系統這個平臺，能夠不斷地自我監測和校正，實現自愈。它能夠監測到各種擾動，進行無功補償、潮流分配，避免傳統大電網中大范圍停電等情況的發生。該通信系統能夠保證電力電子控制器、保護系統、用戶以及各種不同的設備進行網絡化通信。

3.2 參考量測技術

參考量測技術是智能電網基本的組成部分，其作用是將測量數據轉換為數據信息，供給智能電網各個方面使用。參考量測技術給電力系統運行人員和規劃人員提供更多的數據支持，包括功率因數、電能質量、相位關系、設備健康狀況、故障定位、變壓器和線路負荷、關鍵元件的溫度、停電確認等數據。

3.3 設備技術

設備技術主要包括電力電子技術和分布式能源接入技術。電力電子技術是利用電力電子器件對電能進行變換及控制的一種現代技術，其節能效果明顯，以SVC為代表的柔性交流輸電技術和高壓直流輸電技術體現尤為明顯。將電力電子技術和現代控制技術結合，通過對電力系統參數的連續調節控制，可大幅降低輸電損耗、提高輸電系統輸送能力和保證電力系統穩定水平。

3.4 控制技術和決策支持技術

先進的控制技術是指智能電網中分析、診斷和預測狀態并確定及采取適當的措施以消除、減輕和防止供電中斷和電能質量擾動的裝置和算法。這一技術可以管理電網的有功和無功。先進的控制技術分析和診斷功能將引進專家系統，在專家系統允許的范圍內采取自動的控制行動，實現電網的自愈性。決策支持技術將復雜的電力系統數據轉化為系統運行人員一目了然的可理解的信息，以動畫技術、動態著色技術、虛擬現實技術以及其他數據展示技術來幫助系統運行人員認識、分析和處理緊急問題。

4 繼電保護發展面臨的挑戰

4.1 大電網、超/特高壓影響

1） 特高壓電網故障時諧波分量大，非周期分量衰減緩慢，暫態過程明顯，影響保護動作的可靠性和快速性；2） 超/特高壓長線路分布電容對電流差動保護和按集中參數模型構成的保護產生不利影響；3） 同塔雙回或多回線路的跨線故障以及互感和線路參數不平衡會對保護造成影響；4） 變壓器保護利用諧波含量區分內部故障與勵磁涌流的難度增大；5） 電網間的相互影響使故障特性更為復雜，故障計算誤差增加；6） 對于繼電保護設備，要求具有更高的可靠性、安全性和電磁兼容能力。

4.2 電力電子設備影響

1） FACTS元件的安裝位置、投入運行與否以及所涉及參數的調整變化會對電網短路電流的特征和分布產生影響；2） 直流輸電系統的控制和保護問題仍然很突出，交、直流系統的故障會互相影響；3） 風機類型、風機的工作狀態、風機所采用的控制方法及故障類型等因素，會對不同時段的保護以及選相功能等產生影響。

4.3 電網的控制策略影響

FACTS元件大量應用，直流輸電工程投入運行，以及規模化風電場、光伏電站的并網運行，使得電網的繼電保護必須與這些設備或元件的控制策略進行協調與配合。其中包括FACTS元件的保護與控制，及其與系統保護的協調配合；直流輸電系統的控制與保護，以及交直流混聯系統保護的協調與配合；風電、光伏電站的并網控制對接入系統保護的影響；此外，電網一、二、三道防線之間的協調配合也需要考慮。

4.4 網絡拓撲和運行方式影響

目前以光纖差動為代表的主保護已臻于完善，然而受電網運行方式和網絡拓撲影響的傳統后備保護卻面臨很多困難。為保證其可靠性，不得不按照最嚴酷的情況進行配置和整定；為了保證其選擇性，不得不犧牲后備保護的快速性和靈敏性。

參考文獻

[1] 余文軍.智能電網繼電保護研究綜述[J].電源技術應用，2013（2）：303.

[2] 劉強.智能電網繼電保護技術探討[J].江蘇電機工程，2010（3）：82-84.

[3] 王增平，姜憲國，張執超，等.智能電網環境下的繼電保護[J].電力系統保護與控制，2013（2）：13-18.

摘要：分析智能電網網絡結構、傳統電網繼電保護與智能電網繼電保護構成的區別，以及智能電網關鍵技術，針對我國智能電網繼電保護面臨的挑戰進行探討，為提高繼電保護的智能性、靈敏性、可靠性及迅速性提供參考。

關鍵詞：智能電網；繼電保護；構成；技術；挑戰

中圖分類號：TM77 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）06-0049-03

智能電網作為當今世界電力系統發展變革的最新動向，已由最初模糊的概念發展到了具體實施階段。相應地，智能電網的網絡拓撲結構、智能電網的繼電保護以及智能電網的關鍵性技術都成為其發展研究的重要內容。

1 智能電網的網絡結構模型

傳統電網中，典型的網絡拓撲結構有總線型、環型、星型線路，等效模型見圖1。這些均為線型模型，運行方式相對比較單一，每一個電源點的潮流流向是單向的，因而能方便地利用電流保護、距離保護實現。

智能電網中，網狀結構使每個點既可能是電源點又可能是最終的用戶點，因此線路潮流的流向是雙向的；另外，分布式電源作為網狀電網的一個點，也可能會從系統中解列出來，形成微網單獨運行，等效模型如圖2所示。這種電網的運行方式是不確定和易變的，從而造成系統運行阻抗的千變萬化，最終導致傳統的過流保護、距離保護定值無法整定，保護不能單獨使用。基于此，必須考慮新的保護方案，避免受電網運行方式變化的影響。

2 智能電網繼電保護構成

2.1 傳統電網繼電保護構成

傳統電網中，電源點的潮流流向是確定的。通常保護輸入的是本側的電氣量，包括：三相電流Ia，Ib和Ic；三相電壓Ua，Ub和Uc。通過對這些電氣量的判別，滿足相關保護的要求。線路光纖差動保護最多是輸入被保護線路對側的電流，所以傳統繼電保護電氣判別量基本固定不變。其構成示意圖如圖3所示。

2.2 智能電網繼電保護構成

智能電網的分布式發電、交互式供電對繼電保護提出了更高要求。通信和信息技術的長足發展，數字化技術及其應用在各行各業的日益普及，也為探索新的保護原理提供了條件。智能電網中，可利用傳感器對發電、輸電、配電、供電等關鍵設備的運行狀況進行實時監控，然后把獲得的數據通過網絡系統進行收集、整合，最后對數據進行分析。利用這些信息可對運行狀況進行監測，實現對保護功能和保護定值的遠程動態監控與修正。

另外，對于保護裝置而言，保護功能除了需要本保護對象的運行信息外，還需要相關聯的其他設備的運行信息。一方面是保證故障的準確實時識別，另一方面是保證在沒有或少量人工干預下，能夠快速隔離故障、自我恢復，避免大面積停電的發生。所以，智能電網繼電保護裝置保護動作時不一定只跳本保護對象，也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，還有可能只發連跳命令跳開其他關聯節點而不跳開本保護對象。

圖4為智能電網繼電保護構成示意圖。在智能電網中，通過監控系統對本保護對象和其關聯節點的運行狀況進行分析和決策，實時調整相應繼電保護裝置的保護功能和保護定值，使保護裝置適應靈活變化的運行工況。同時由保護功能決定參與故障判斷的電氣量信息和保護動作策略。

3 智能電網關鍵技術

未來智能配電網的發展，要求智能電網繼電保護技術與先進的信息、通信和控制等技術加以融合。為了滿足智能電網繼電保護的技術要求，需要有對應的關鍵技術解決以往電網中存在的問題。

3.1 通信技術

建立高速、雙向、實時、集成的通信系統是實現智能電網的基礎。智能電網通過高速雙向通信系統這個平臺，能夠不斷地自我監測和校正，實現自愈。它能夠監測到各種擾動，進行無功補償、潮流分配，避免傳統大電網中大范圍停電等情況的發生。該通信系統能夠保證電力電子控制器、保護系統、用戶以及各種不同的設備進行網絡化通信。

3.2 參考量測技術

參考量測技術是智能電網基本的組成部分，其作用是將測量數據轉換為數據信息，供給智能電網各個方面使用。參考量測技術給電力系統運行人員和規劃人員提供更多的數據支持，包括功率因數、電能質量、相位關系、設備健康狀況、故障定位、變壓器和線路負荷、關鍵元件的溫度、停電確認等數據。

3.3 設備技術

設備技術主要包括電力電子技術和分布式能源接入技術。電力電子技術是利用電力電子器件對電能進行變換及控制的一種現代技術，其節能效果明顯，以SVC為代表的柔性交流輸電技術和高壓直流輸電技術體現尤為明顯。將電力電子技術和現代控制技術結合，通過對電力系統參數的連續調節控制，可大幅降低輸電損耗、提高輸電系統輸送能力和保證電力系統穩定水平。

3.4 控制技術和決策支持技術

先進的控制技術是指智能電網中分析、診斷和預測狀態并確定及采取適當的措施以消除、減輕和防止供電中斷和電能質量擾動的裝置和算法。這一技術可以管理電網的有功和無功。先進的控制技術分析和診斷功能將引進專家系統，在專家系統允許的范圍內采取自動的控制行動，實現電網的自愈性。決策支持技術將復雜的電力系統數據轉化為系統運行人員一目了然的可理解的信息，以動畫技術、動態著色技術、虛擬現實技術以及其他數據展示技術來幫助系統運行人員認識、分析和處理緊急問題。

4 繼電保護發展面臨的挑戰

4.1 大電網、超/特高壓影響

1） 特高壓電網故障時諧波分量大，非周期分量衰減緩慢，暫態過程明顯，影響保護動作的可靠性和快速性；2） 超/特高壓長線路分布電容對電流差動保護和按集中參數模型構成的保護產生不利影響；3） 同塔雙回或多回線路的跨線故障以及互感和線路參數不平衡會對保護造成影響；4） 變壓器保護利用諧波含量區分內部故障與勵磁涌流的難度增大；5） 電網間的相互影響使故障特性更為復雜，故障計算誤差增加；6） 對于繼電保護設備，要求具有更高的可靠性、安全性和電磁兼容能力。

4.2 電力電子設備影響

1） FACTS元件的安裝位置、投入運行與否以及所涉及參數的調整變化會對電網短路電流的特征和分布產生影響；2） 直流輸電系統的控制和保護問題仍然很突出，交、直流系統的故障會互相影響；3） 風機類型、風機的工作狀態、風機所采用的控制方法及故障類型等因素，會對不同時段的保護以及選相功能等產生影響。

4.3 電網的控制策略影響

FACTS元件大量應用，直流輸電工程投入運行，以及規模化風電場、光伏電站的并網運行，使得電網的繼電保護必須與這些設備或元件的控制策略進行協調與配合。其中包括FACTS元件的保護與控制，及其與系統保護的協調配合；直流輸電系統的控制與保護，以及交直流混聯系統保護的協調與配合；風電、光伏電站的并網控制對接入系統保護的影響；此外，電網一、二、三道防線之間的協調配合也需要考慮。

4.4 網絡拓撲和運行方式影響

目前以光纖差動為代表的主保護已臻于完善，然而受電網運行方式和網絡拓撲影響的傳統后備保護卻面臨很多困難。為保證其可靠性，不得不按照最嚴酷的情況進行配置和整定；為了保證其選擇性，不得不犧牲后備保護的快速性和靈敏性。

參考文獻

[1] 余文軍.智能電網繼電保護研究綜述[J].電源技術應用，2013（2）：303.

[2] 劉強.智能電網繼電保護技術探討[J].江蘇電機工程，2010（3）：82-84.

[3] 王增平，姜憲國，張執超，等.智能電網環境下的繼電保護[J].電力系統保護與控制，2013（2）：13-18.

摘要：分析智能電網網絡結構、傳統電網繼電保護與智能電網繼電保護構成的區別，以及智能電網關鍵技術，針對我國智能電網繼電保護面臨的挑戰進行探討，為提高繼電保護的智能性、靈敏性、可靠性及迅速性提供參考。

關鍵詞：智能電網；繼電保護；構成；技術；挑戰

中圖分類號：TM77 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）06-0049-03

智能電網作為當今世界電力系統發展變革的最新動向，已由最初模糊的概念發展到了具體實施階段。相應地，智能電網的網絡拓撲結構、智能電網的繼電保護以及智能電網的關鍵性技術都成為其發展研究的重要內容。

1 智能電網的網絡結構模型

傳統電網中，典型的網絡拓撲結構有總線型、環型、星型線路，等效模型見圖1。這些均為線型模型，運行方式相對比較單一，每一個電源點的潮流流向是單向的，因而能方便地利用電流保護、距離保護實現。

智能電網中，網狀結構使每個點既可能是電源點又可能是最終的用戶點，因此線路潮流的流向是雙向的；另外，分布式電源作為網狀電網的一個點，也可能會從系統中解列出來，形成微網單獨運行，等效模型如圖2所示。這種電網的運行方式是不確定和易變的，從而造成系統運行阻抗的千變萬化，最終導致傳統的過流保護、距離保護定值無法整定，保護不能單獨使用。基于此，必須考慮新的保護方案，避免受電網運行方式變化的影響。

2 智能電網繼電保護構成

2.1 傳統電網繼電保護構成

傳統電網中，電源點的潮流流向是確定的。通常保護輸入的是本側的電氣量，包括：三相電流Ia，Ib和Ic；三相電壓Ua，Ub和Uc。通過對這些電氣量的判別，滿足相關保護的要求。線路光纖差動保護最多是輸入被保護線路對側的電流，所以傳統繼電保護電氣判別量基本固定不變。其構成示意圖如圖3所示。

2.2 智能電網繼電保護構成

智能電網的分布式發電、交互式供電對繼電保護提出了更高要求。通信和信息技術的長足發展，數字化技術及其應用在各行各業的日益普及，也為探索新的保護原理提供了條件。智能電網中，可利用傳感器對發電、輸電、配電、供電等關鍵設備的運行狀況進行實時監控，然后把獲得的數據通過網絡系統進行收集、整合，最后對數據進行分析。利用這些信息可對運行狀況進行監測，實現對保護功能和保護定值的遠程動態監控與修正。

另外，對于保護裝置而言，保護功能除了需要本保護對象的運行信息外，還需要相關聯的其他設備的運行信息。一方面是保證故障的準確實時識別，另一方面是保證在沒有或少量人工干預下，能夠快速隔離故障、自我恢復，避免大面積停電的發生。所以，智能電網繼電保護裝置保護動作時不一定只跳本保護對象，也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，還有可能只發連跳命令跳開其他關聯節點而不跳開本保護對象。

圖4為智能電網繼電保護構成示意圖。在智能電網中，通過監控系統對本保護對象和其關聯節點的運行狀況進行分析和決策，實時調整相應繼電保護裝置的保護功能和保護定值，使保護裝置適應靈活變化的運行工況。同時由保護功能決定參與故障判斷的電氣量信息和保護動作策略。

3 智能電網關鍵技術

未來智能配電網的發展，要求智能電網繼電保護技術與先進的信息、通信和控制等技術加以融合。為了滿足智能電網繼電保護的技術要求，需要有對應的關鍵技術解決以往電網中存在的問題。

3.1 通信技術

建立高速、雙向、實時、集成的通信系統是實現智能電網的基礎。智能電網通過高速雙向通信系統這個平臺，能夠不斷地自我監測和校正，實現自愈。它能夠監測到各種擾動，進行無功補償、潮流分配，避免傳統大電網中大范圍停電等情況的發生。該通信系統能夠保證電力電子控制器、保護系統、用戶以及各種不同的設備進行網絡化通信。

3.2 參考量測技術

參考量測技術是智能電網基本的組成部分，其作用是將測量數據轉換為數據信息，供給智能電網各個方面使用。參考量測技術給電力系統運行人員和規劃人員提供更多的數據支持，包括功率因數、電能質量、相位關系、設備健康狀況、故障定位、變壓器和線路負荷、關鍵元件的溫度、停電確認等數據。

3.3 設備技術

設備技術主要包括電力電子技術和分布式能源接入技術。電力電子技術是利用電力電子器件對電能進行變換及控制的一種現代技術，其節能效果明顯，以SVC為代表的柔性交流輸電技術和高壓直流輸電技術體現尤為明顯。將電力電子技術和現代控制技術結合，通過對電力系統參數的連續調節控制，可大幅降低輸電損耗、提高輸電系統輸送能力和保證電力系統穩定水平。

3.4 控制技術和決策支持技術

先進的控制技術是指智能電網中分析、診斷和預測狀態并確定及采取適當的措施以消除、減輕和防止供電中斷和電能質量擾動的裝置和算法。這一技術可以管理電網的有功和無功。先進的控制技術分析和診斷功能將引進專家系統，在專家系統允許的范圍內采取自動的控制行動，實現電網的自愈性。決策支持技術將復雜的電力系統數據轉化為系統運行人員一目了然的可理解的信息，以動畫技術、動態著色技術、虛擬現實技術以及其他數據展示技術來幫助系統運行人員認識、分析和處理緊急問題。

4 繼電保護發展面臨的挑戰

4.1 大電網、超/特高壓影響

1） 特高壓電網故障時諧波分量大，非周期分量衰減緩慢，暫態過程明顯，影響保護動作的可靠性和快速性；2） 超/特高壓長線路分布電容對電流差動保護和按集中參數模型構成的保護產生不利影響；3） 同塔雙回或多回線路的跨線故障以及互感和線路參數不平衡會對保護造成影響；4） 變壓器保護利用諧波含量區分內部故障與勵磁涌流的難度增大；5） 電網間的相互影響使故障特性更為復雜，故障計算誤差增加；6） 對于繼電保護設備，要求具有更高的可靠性、安全性和電磁兼容能力。

4.2 電力電子設備影響

1） FACTS元件的安裝位置、投入運行與否以及所涉及參數的調整變化會對電網短路電流的特征和分布產生影響；2） 直流輸電系統的控制和保護問題仍然很突出，交、直流系統的故障會互相影響；3） 風機類型、風機的工作狀態、風機所采用的控制方法及故障類型等因素，會對不同時段的保護以及選相功能等產生影響。

4.3 電網的控制策略影響

FACTS元件大量應用，直流輸電工程投入運行，以及規模化風電場、光伏電站的并網運行，使得電網的繼電保護必須與這些設備或元件的控制策略進行協調與配合。其中包括FACTS元件的保護與控制，及其與系統保護的協調配合；直流輸電系統的控制與保護，以及交直流混聯系統保護的協調與配合；風電、光伏電站的并網控制對接入系統保護的影響；此外，電網一、二、三道防線之間的協調配合也需要考慮。

4.4 網絡拓撲和運行方式影響

目前以光纖差動為代表的主保護已臻于完善，然而受電網運行方式和網絡拓撲影響的傳統后備保護卻面臨很多困難。為保證其可靠性，不得不按照最嚴酷的情況進行配置和整定；為了保證其選擇性，不得不犧牲后備保護的快速性和靈敏性。

參考文獻

[1] 余文軍.智能電網繼電保護研究綜述[J].電源技術應用，2013（2）：303.

[2] 劉強.智能電網繼電保護技術探討[J].江蘇電機工程，2010（3）：82-84.

[3] 王增平，姜憲國，張執超，等.智能電網環境下的繼電保護[J].電力系統保護與控制，2013（2）：13-18.