論智能電網(wǎng)環(huán)境下的繼電保護(hù)

摘要：繼電保護(hù)作為電力系統(tǒng)的第一道防線，在防止故障及擾動(dòng)上發(fā)揮著重要作用，是電力系統(tǒng)的重要組成部分，其正常工作與否將對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行造成重大影響。本文介紹了我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)的特殊問(wèn)題，分析了超/特高壓輸電、電子器件滲透和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洚愖儗?duì)繼電保護(hù)造成的影響，指出繼電保護(hù)的幾個(gè)關(guān)鍵研究方向。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；新能源電力；繼電保護(hù)

智能電網(wǎng)的提出和建設(shè)是21世紀(jì)電力工業(yè)的新舉創(chuàng)，是世界范圍內(nèi)應(yīng)對(duì)能源環(huán)境問(wèn)題和提升電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量的有力措施。在我國(guó)智能電網(wǎng)發(fā)展具有如下特征：發(fā)電方面，我國(guó)發(fā)電裝機(jī)中以燃煤火電機(jī)組占主要比重，而一次化石能源供需缺口拉大、環(huán)境污染嚴(yán)重的問(wèn)題正日益突出，需要積極開(kāi)發(fā)風(fēng)電、太陽(yáng)能等可再生能源電力，優(yōu)化能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)，降低節(jié)能減排壓力；輸電方面，我國(guó)能源與負(fù)荷呈逆向分布，能源中心和負(fù)荷中心之間相距上千公里，需要建設(shè)超/特高壓跨區(qū)域輸電網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)能源資源的優(yōu)化配置，提高經(jīng)濟(jì)效益；配用電方面，隨著分布式電源接入，配網(wǎng)由單電源模式轉(zhuǎn)變?yōu)槎嚯娫茨Ｊ剑绷鞣植及l(fā)生了很大變化，智能用電服務(wù)的推廣增加了電網(wǎng)與用戶之間的雙向互動(dòng)，電能消費(fèi)方式出現(xiàn)了轉(zhuǎn)變。智能電網(wǎng)的建設(shè)影響了我國(guó)電力系統(tǒng)發(fā)、輸、配、用各個(gè)環(huán)節(jié)，給作為電網(wǎng)安全運(yùn)行第一道防線的繼電保護(hù)帶來(lái)了挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)保護(hù)存在的諸多不足逐漸暴露。

一、我國(guó)智能電網(wǎng)建設(shè)面臨的特殊問(wèn)題

近幾年，在政策鼓勵(lì)和社會(huì)需求雙重助力推動(dòng)下智能電網(wǎng)得到了大力的發(fā)展，尤其表現(xiàn)在超特高壓電網(wǎng)投運(yùn)、大規(guī)模新能源并網(wǎng)和智能配用電方面，同時(shí)智能電網(wǎng)的建設(shè)也面臨著一些特殊問(wèn)題。

（1）遠(yuǎn)距離、交直流混合、超/特高壓輸電構(gòu)成的大電網(wǎng)

我國(guó)能源與負(fù)荷呈逆向分布，煤炭、水力和風(fēng)能等資源主要分布在西部和北部地區(qū)，而用電負(fù)荷集中在中、東部地區(qū)和南部沿海地區(qū)，中間相隔上千公里，從客觀上決定了需要采取遠(yuǎn)距離、交直流混合、超/特高壓的輸電方式實(shí)現(xiàn)能源資源的優(yōu)化配置。然而隨著電網(wǎng)規(guī)模日益復(fù)雜，其安全問(wèn)題也更加突出。電力系統(tǒng)越龐大，事故發(fā)生概率越高，且大型互聯(lián)電力系統(tǒng)在增強(qiáng)輸電能力的同時(shí)也激生了由局部擾動(dòng)衍生為全局故障的潛在威脅，數(shù)次大停電事故證明了這一個(gè)威脅的高發(fā)性。直流輸電傳輸容量大，線路走廊利用率高，社會(huì)綜合效益突出，但交直流系統(tǒng)的相互作用也會(huì)給交直流線路的控制和繼電保護(hù)造成影響，需要加以考慮。如下圖1：我國(guó)第一個(gè)風(fēng)火打捆、直流送出工程：哈密～鄭州±800kV直流輸電工程，工程額定功率 8000MW，額定電壓±800kV，額定電流 5000A。工程西起新疆維吾爾自治區(qū)哈密地區(qū)天山換流站，東至河南省鄭州市中州換流站，輸電距離約2110km。新疆本地煤電以及新能源發(fā)電（風(fēng)電、太陽(yáng)能等）大功率東送至華中腹地，即促進(jìn)西部經(jīng)濟(jì)發(fā)展，又增強(qiáng)了中、東部地區(qū)的能源供給，達(dá)到雙贏效果。

圖1 哈鄭直流接入電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

（2）波動(dòng)性新能源電力以規(guī)模化接入電網(wǎng)為主要利用方式

新能源發(fā)電的目的是優(yōu)化能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)，減少電力系統(tǒng)對(duì)一次化石能源的消耗。2014年底我國(guó)風(fēng)電機(jī)組累計(jì)并網(wǎng)容量達(dá)96370 MW，太陽(yáng)能發(fā)電并網(wǎng)容量達(dá)26520 MW，新能源全年總發(fā)電量超過(guò)3000億kWh。以風(fēng)電、太陽(yáng)能電源為代表的新能源電力與負(fù)荷間呈現(xiàn)逆向分布的特點(diǎn)，且以規(guī)模化接入電網(wǎng)為主要利用方式。新能源電力具有間歇性、隨機(jī)性和可調(diào)度性差的特點(diǎn)，在電網(wǎng)接納能力不足的情況下，會(huì)給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定造成威脅。新能源電力并網(wǎng)時(shí)，線路中的潮流會(huì)發(fā)生較大變化，進(jìn)而影響電網(wǎng)有功和無(wú)功功率的分布，增加了系統(tǒng)控制難度。所采用的逆變?cè)O(shè)備和大量的電力電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生一定的諧波分量和直流分量，接入系統(tǒng)后會(huì)影響電能質(zhì)量，還可能導(dǎo)致保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作。另外，與常規(guī)電源相比，新能源電力運(yùn)行控制方式有較大區(qū)別，給常規(guī)暫態(tài)穩(wěn)定控制措施帶來(lái)挑戰(zhàn)。

（3）新能源電力缺少就地平衡的互補(bǔ)電源

我國(guó)總體上缺少與新能源電力互補(bǔ)的可快速調(diào)節(jié)的電源，如水電站和燃?xì)怆娬尽Ｐ履茉措娏Σ▌?dòng)性大、難以穩(wěn)定輸出，如果缺少足夠的就地互補(bǔ)電源，則會(huì)出現(xiàn)以下問(wèn)題：已建成的新能源裝機(jī)無(wú)法充分并網(wǎng)，風(fēng)電棄風(fēng)現(xiàn)象嚴(yán)重；新能源接入后為了達(dá)到電力供需平衡，燃煤機(jī)組需要頻繁調(diào)整出力，運(yùn)行工況變化大，造成設(shè)備老化加快和發(fā)電煤耗增加；此外新能源電力并網(wǎng)造成的系統(tǒng)調(diào)峰容量下降還會(huì)降低電網(wǎng)安全裕度。因此要盡量實(shí)現(xiàn)新能源電力的就地平衡，根據(jù)實(shí)際條件，應(yīng)積極探索風(fēng)、光、水、氣、火、儲(chǔ)組合的優(yōu)化互補(bǔ)方案，以減少波動(dòng)性輸出對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響。

二、繼電保護(hù)面臨的挑戰(zhàn)和機(jī)遇

在智能電網(wǎng)快速發(fā)展的新形勢(shì)下，繼電保護(hù)作為保障電網(wǎng)安全運(yùn)行的第一道防線，也同時(shí)面臨著挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

（1）大電網(wǎng)、超/特高壓對(duì)繼電保護(hù)提出了更高要求

超/特高壓互聯(lián)大電網(wǎng)是智能電網(wǎng)中的重要特征之一，也對(duì)繼電保護(hù)產(chǎn)生了一定影響：1）特高壓電網(wǎng)故障時(shí)諧波分量大，非周期分量衰減緩慢，暫態(tài)過(guò)程明顯，影響保護(hù)動(dòng)作的可靠性和快速性；電流、電壓互感器在暫態(tài)下的傳變特性更差，故障狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)容易造成保護(hù)誤動(dòng)作；2）超/特高壓長(zhǎng)線路分布電容對(duì)電流差動(dòng)保護(hù)和按集中參數(shù)模型構(gòu)成的保護(hù)產(chǎn)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(shù)不平衡會(huì)對(duì)保護(hù)造成影響；4）變壓器保護(hù)利用諧波含量區(qū)分內(nèi)部故障與勵(lì)磁涌流的難度增大；5）電網(wǎng)間的相互影響使故障特性更為復(fù)雜，故障計(jì)算誤差增加；6）對(duì)繼電保護(hù)設(shè)備，要求具有更高的可靠性、安全性和電磁兼容能力。

（2）電力電子設(shè)備對(duì)故障電流造成影響

智能電網(wǎng)的建設(shè)使一次系統(tǒng)中出現(xiàn)了大量電力電子設(shè)備，這些設(shè)備使電網(wǎng)短路電流的特征和分布發(fā)生了質(zhì)的變化：1）FACTS元件的安裝位置、投入運(yùn)行與否以及所涉及參數(shù)的調(diào)整變化會(huì)對(duì)電網(wǎng)短路電流的特征和分布產(chǎn)生影響；2）直流輸電系統(tǒng)的控制和保護(hù)問(wèn)題仍然很突出，交、直流系統(tǒng)的故障會(huì)互相影響；3）風(fēng)機(jī)類(lèi)型、風(fēng)機(jī)的工作狀態(tài)、風(fēng)機(jī)所采用的控制方法、故障類(lèi)型以及風(fēng)電場(chǎng)的弱電源特征是影響風(fēng)電接入電力系統(tǒng)故障電流的幾個(gè)重要因素，會(huì)對(duì)不同時(shí)段的保護(hù)以及選相功能等產(chǎn)生影響。

（3）繼電保護(hù)需要和電網(wǎng)的控制策略相協(xié)調(diào)配合

FACTS元件的大量應(yīng)用、直流輸電工程投入運(yùn)行，以及規(guī)模化風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站的并網(wǎng)運(yùn)行使得電網(wǎng)的繼電保護(hù)必須與這些設(shè)備或元件的控制策略進(jìn)行協(xié)調(diào)和配合。其中包括FACTS元件的保護(hù)與控制及其與系統(tǒng)保護(hù)的協(xié)調(diào)配合；直流輸電系統(tǒng)的控制與保護(hù)，以及交直流混聯(lián)系統(tǒng)保護(hù)的協(xié)調(diào)與配合；風(fēng)電、光伏電站的并網(wǎng)控制對(duì)接入系統(tǒng)保護(hù)的影響；此外電網(wǎng)一、二、三道防線之間的協(xié)調(diào)配合也需要考慮。三峽直流協(xié)控安控系統(tǒng)就具有典型代表性，如下圖2所示：

圖2三峽直流協(xié)控安控系統(tǒng)

特高壓、換流站、地區(qū)電網(wǎng)之間需要強(qiáng)力的協(xié)調(diào)和統(tǒng)管，并且在各個(gè)變電站內(nèi)部，交、直流繼電保護(hù)與安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)之間存在著故障起動(dòng)、策略響應(yīng)、功率調(diào)檔、遠(yuǎn)傳命令、執(zhí)行策略等密切配合關(guān)系。

三、結(jié)束語(yǔ)

總之，隨著互聯(lián)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和容量的增大以及電壓等級(jí)的增高，電力系統(tǒng)故障所影響的地域范圍和用戶數(shù)量也日益增多。保證電網(wǎng)正常運(yùn)行，使繼電保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高速、準(zhǔn)確、可靠動(dòng)作將變得越來(lái)越重要，因此，如何提高繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性也就成為人們?nèi)找骊P(guān)注的課題。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

王碧鋒（1980-），男，陜西渭南人，工程師，長(zhǎng)期從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)和工業(yè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)。