未來繼電保護：基于高速通信網和大數據信息平臺的集成廣域保護控制——訪國網許繼集團有限公司智能電網首席專家薄志謙

／本刊記者 賈常艷／

電力系統的安全可靠運行直接關系各行各業的生產、千家萬戶的生活甚至于人們的生命安全，對于保障電網安全第一道防線的繼電保護無疑承載了重要責任。日前，國家發展改革委、國家能源局印發《關于促進智能電網發展的指導意見》，明確表示“到2020年，初步建成安全可靠、開放兼容、雙向互動、高效經濟、清潔環保的智能電網體系。”智能電網的建設將給繼電保護專業領域帶來革命性的變化，伴隨著相關研究的深入，繼電保護技術需要適應電網需求，跟進電網建設步伐，為智能電網建設提供技術支持。為了更加系統全面地了解我國繼電保護的發展，本刊專訪了國網許繼集團有限公司智能電網首席專家薄志謙，他為我們深刻剖析了繼電保護的發展現狀及方向。

《電器工業》：繼電保護作為電力裝備制造業的重要部分是為國民經濟各行業提供技術裝備的戰略性產業。近年來，隨著國家智能電網以及新能源建設的啟動，同時受益于電網投資持續增加，繼電保護及自動化設備行業發展比較景氣。請您詳細談談當前我國繼電保護的發展現狀。

薄志謙：繼電保護是隨著電力系統的發展而發展起來的。20世紀初，隨著電力系統的發展，繼電器開始廣泛應用于電力系統中。在隨后的幾十年內，繼電保護技術不斷發展創新，實現了從電磁式保護裝置到晶體管式繼電保護裝置再到集成電路繼電保護裝置的轉變。在過去的二三十年間，以微處理器為基礎的數字式繼電器逐步取代了傳統繼電器，并隨之出現了行波保護、自適應保護、暫態保護等新型保護理念和方案，在理論創新與工程應用上均實現了繼電保護技術的重大突破。

近年來，我國電網規模不斷膨脹、特高壓互聯網的建設穩步推進、柔性交直流輸電技術快速發展，加之新能源在電網中的滲透率大幅提升和“能源互聯網”概念的提出，以及對電網應對災變能力要求的提高，這些都對電力系統維持自身的安全可靠運行提出了更嚴格的要求。此外，在輸電網側，我國220kV及以上電壓等級的樞紐變電站數目持續增長，整個輸電網絡正朝著高傳輸容量利用率、高運行可靠性、交直流深度混聯的方向發展，電力系統發電手段與輸配電形式也日趨靈活多變。而在配電網側，可再生能源以分布式電源形式大量接入，微網技術和直流配網技術逐步成熟并投入實際應用，電動汽車廣泛接入電網，以及V2G技術迅速發展，使得配電系統不斷向高度靈活性、高源荷友好性、高智能數字化的方向迅速邁進。這些新技術的應用，在推進我國電力產業跨越式發展的同時，無疑也為繼電保護以及安全穩定控制帶來了新的挑戰。

近十年間，通信技術的快速發展使得大范圍內的廣域信息交互成為可能，廣域保護和集成保護的研究與實踐也隨之興起。此外，信息技術在電網中的廣泛應用為電網信息大數據環境下的信息處理和應用提供了卓越的技術條件和平臺。在此背景下，提出了通過廣域信息實現繼電保護和穩定控制功能的廣域保護控制系統，力圖實現對整個電網更全面、更靈活的保護和控制。因此，未來的繼電保護的發展方向將是基于高性能計算機技術和先進通信網絡的集成廣域保護控制。

《電器工業》：繼電保護產業關聯度高、技術資金密集，是各行業產業升級、技術進步的重要保障和國家綜合實力的集中體現。目前我國繼電保護技術的水平是怎樣的？與國外比較有何差距？

薄志謙：廣域測量與數據信息交換是實現智能電網保護控制系統的關鍵技術。在目前已經實現或者正在建設中的通信標準與技術中，IEC61850和IEC61970通信協議集中體現了電力通信標準化的發展水平。IEC61970定義了EMS相關的公用信息模型和組件接口規范，其主要目的是實現對控制中心內部、以及控制中心之間的信息交互。IEC61850主要針對變電站自動化分層分布控制體系，定義了數據通信接口與交換技術。集成保護、廣域保護和廣域控制就是基于通信和信息技術集成上發展起來的。

（1）集成保護的實現——站域保護

近年來站域保護的應用實踐實現了變電站層的集成保護。在信息層面，實現了多種數字通道的傳輸接入，極大地豐富了保護控制信息的獲得渠道，確立了以對象數據模型為基礎的數據庫體系結構，以及針對SCADA系統數據快捷處理的實時數據庫設計，形成了可靠靈活、多樣互補的站內集屮式保護控制系統；在結構技術層面，基于IEC61850的功能分布式思想，在數字化變電站中基本實現了集中式保護與站域保護相結合，以及多Agent的集成保護功能；通過非常規互感器、合并單元、以太網和多功能，實現了整個變電站保護和控制系統的集成。

國內繼電保護設備生產企業在一次設備與二次設備的制造工藝上較國外知名公司還有一定差距，但在保護新原理、新技術的研制與開發方面具有自身獨特的優勢。

（2）廣域保護

近年來，廣域保護的研究進展較為明顯，在電流差動原理、方向比較原理、縱聯比較原理、潮流轉移識別以及專家系統集中決策等方面均獲得了豐碩的研究成果，其中部分成果已經投入實際生產應用，并取得了良好的效果。目前，廣域保護研究又有了新的發展，如遵循IEC61850標準建立適用于廣域信息傳輸的通信系統，將風險觀點引入廣域保護的研究中，提升廣域保護動作的可靠性，利用方向和距離冗余信息提高廣域后備保護容錯性，運用通信信息優化的保護分區原則和方法，建立分層分布多Agent主動型通信的安全防御框架、蜂窩式分區域集中決策有限廣域繼電保護系統等等。

（3）廣域控制

通過增加廣域測量系統的布點數量，使得電力系統廣域運行與控制水平得到了顯著提升。基于RTU和PMU混合量測的先進狀態估計技術，實現了動態模型的在線估計和驗證，信息實時阻塞管理，以及系統狀態的實時穩定估計。通過GPS全球定位系統將電壓和電流相量信息高精度同步到統一的時間軸，實現了廣域測量信息在時間維度上的標準化，為廣域范圍內不同變電站間的協同控制實現奠定了基礎。因此，通過配置統一的廣域監控系統，便可以實現具有高可靠性的集成廣域保護控制功能。

國外繼電保護發展時間較長，技術相對成熟，適用性較強，往往能夠通過在一套保護裝置中嵌入不同軟件來實現不同的保護功能，且具有較高的可靠性與穩定性。國內繼電保護設備生產企業在一次設備與二次設備的制造工藝上較國外知名公司還有一定差距，但在保護新原理、新技術的研制與開發方面具有自身獨特的優勢。近年來，隨著國內制造企業與科研院所、高校以及電力部門之間的合作不斷深化，其在生產工藝與產品質量方面均取得了長足的進步，與國際知名公司同類產品間的差距進一步縮小。

《電器工業》：日前，國家發展改革委、國家能源局印發《關于促進智能電網發展的指導意見》，明確表示“到2020年，初步建成安全可靠、開放兼容、雙向互動、高效經濟、清潔環保的智能電網體系。”這無疑對保護電網安全的第一道防線繼電保護提出新的要求，請您談談當前繼電保護發展中存在的問題及解決方法？

薄志謙：電力系統保護控制三道防線是在不同程度擾動或故障條件下維持系統穩定的準則，第一道防線：快速可靠的繼電保護、有效的預防性控制措施，快速切除故障，全面保障負荷供電；第二道防線：采用穩定控制裝置及切機、切負荷等緊急控制措施，防止穩定破壞和參數越限；第三道防線：設置失步解列、頻率及電壓緊急控制裝置，防止事故擴大及大面積停電。然而，“三道防線”中的繼電保護與穩定控制之間各自獨立，缺乏協調配合與整體設計，二者在功能與結構上均處于相對割裂的狀態，為新形勢下的電網安全運行埋下了諸多隱患。

（1）繼電保護存在的問題

控制保護信息孤島，難以滿足未來復雜、動態的大型電網繼電保護與安全穩定控制需求；

傳統保護采用靜態整定配合，不具備自適應電網狀態動態變化的能力；

繼電保護和自動裝置動作行為失配，將威脅電網安全運行；

忽略電網安全的繼電保護策略，在某些情況下反而會對電網穩定造成不利影響；

后備保護靈敏度低、動作慢，無法滿足任意工況下系統安全穩定控制的要求；

靜態的安全裕度，無法根據電網情況實時調整，造成電網運行效率不高。

（2）智能變電站保護存在的問題

現階段智能變電站的保護及自動化的功能實現基本沿襲了傳統綜合自動化系統的構成，智能變電站的優勢未能得到充分體現。

110kV及以下電壓等級線路普遍采用基于本地量的就地主保護（如階段式電流保護與距離保護），不能對被保護線路全長進行故障的瞬時切除。

隨著可再生能源滲透率的大幅提高，傳統綜合自動化系統功能上的局限性日益突出，如后備保護整定值無法適應系統動態變化，大量后備保護之間整定配合困難，整定時間過長等等。

故障檢測技術具有很強的局限性，故障判斷和定位在時間與空間維度上的準確性不強。

變電站內缺乏高效的全景信息整合及與外部系統進行信息互聯的信息數據綜合分析與交互手段。

各站之間故障分析與保護動作行為相對獨立，缺乏對保護動作后所產生的全局影響進行有效的預測與評估。

為解決這些問題，應該從“三道防線”協調配合的角度對電網保護和控制功能進行統籌考慮。借助高效、實時、可靠的網絡通信技術和信息技術，實現各種異構保護控制設備的網絡集成和信息共享，根據豐富的電網信息做出實時判斷，以時間域、空間域、功能域相統一的原則構建最優保護控制策略，提升繼電保護性能和系統安全穩定運行能力，使全局穩定控制和全局繼電保護等一些嶄新的功能成為可能，并進一步模糊現有電力系統保護與控制設備之間的界限。但電力系統各種保護控制設備的信息差異很大，通過網絡傳輸控制信息將存在時延不確定、路徑不確定、數據包丟失、信息因果性喪失等問題，在走向實際應用前必須著力對這些問題進行充分的理論研究和挖掘。

《電器工業》：請您結合當前的發展趨勢，談談未來繼電保護的發展方向。

薄志謙：現代科學技術的發展是電力系統保護控制技術發展的核心驅動力，繼微處理機技術之后，信息通信技術的廣泛應用將是刺激繼電保護快速發展的新主題。通信結構網絡化帶來的最直接變化是變電站二次設備接線形式的變革，數據采集和控制命令的下發由點對點專線傳輸模式轉化為通過通信網絡進行交互的網絡傳輸模式。二次設備的接口規范化、簡單化使得二次系統維護和擴展的便捷性較從前更大幅提升。此外，不同廠商生產的設備都將采用相同的數據接口，實現了信息的無縫連接，進一步加速了電力通信系統網絡化進程。采集裝置對所采集到的模擬信號進行前期處理，再將處理結果量通過網絡發送至眾多二次設備中，利用先進的信息技術進行綜合分析。因此，變電站二次設備的組成及二次設備中的分析軟件也將發生革命性的變化。

集成廣域保護控制系統信息平臺的建立將導致電網全局信息的獲取成本大幅降低，獲取信息的速度也將越來越快，系統級的新功能也將基于該平臺得以實現。最終，網絡化通信技術的廣泛應用將使電力系統中的任何數據與信息的獲取極大簡化，變電站內的數字設備將被功能強大的標準化計算設備所替代。繼電保護研發部門的主要工作將落腳于開發各類功能強大的保護控制軟件，保護控制設備的安裝和升級也可能由管理中心的值班人員在遠距離完成。

因此，高速同步廣域通信網和廣域數據信息共享平臺是支撐集成廣域保護控制發展的兩項重要技術。這兩項技術的發展不僅將會在未來的繼電保護系統中發揮舉足輕重的作用，并且對以互聯網為代表的通信技術領域和以大數據云計算為代表的信息技術領域都將是一個巨大的挑戰。原因之一在于支撐集成廣域保護控制系統的高速同步實時通信網對通信技術的要求是前所未有的；二是在于盡管繼電保護系統所需的數據采樣節點數量有限，但考慮到繼電保護系統對數據采樣高速率與高頻率的技術要求，其對數據量的需求已經遠遠超越了大數據的標準。而至目前為止，這兩項技術在電力系統中的應用都是沒有先例的。

此外，隨著上述技術的發展，未來電網保護的三道防線將走向融合，集中-就地保護的動作行為也會向協調配合的方向發展，繼電保護與安穩控制一體化設計將成為繼電保護技術的發展趨勢。當然，這個發展過程對變電站乃至電力系統的安全性和可靠性都將提出更高的要求，以此來滿足超前多變的用戶需求。

當前我國繼電保護的國產化率非常高，理論研究方面已經處于國際領先水平，實際應用方面也正在隨著眾多國際項目的開展發生著深刻的變革。面對電力領域國際化需求步伐的加快，我們不僅需要進一步提升電力企業的創新能力及產品制造工藝水平，需要具有國際市場背影的市場營銷人才，更多地參與到我國繼電保護國際化事業的發展中來，不斷加強國內外繼電保護研究與生產領域的交流合作，從而使得繼電保護產業能夠率先引領中國電力設備走向世界。