浅谈智能电网背景下的继电保护新技术

江新强

摘 要：智能电网的不断发展给电网的发、输、供、配等环节都带来了巨大的革新，也给电网继电保护技术提出了更高的要求。文章结合对智能电网特征和技术体系的分析，结合智能电网下特高压交直流输电、可再生能源并网、灵活多变的电网运行方式变化、大量电力电子元件应用等新形势，分析了继电保护发展新技术和新趋势。

关键词：智能电网；继电保护；新技术

中图分类号：TM774 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）23-0095-01

随着世界能源危机的加剧，发展新型的智能电网已经成为世界各国关注的热点问题。2009年，我国提出建设“坚强智能电网”的战略规划，加强建设以特高压为骨干网架、各级电网协调发展的信息化、自动化、互动化的一流电网，也给继电保护技术的发展提出了新的机遇和挑战。

1 智能电网主要特征及其技术支撑体系

智能电网（Smart Grid）与传统电网相比，更加灵活、自愈、清洁，它是高度自动化、信息化、电力潮流和信息量双向流动的电能供应系统。

1.1 智能电网的主要特征

与目前电网的功能相比较，智能电网具有以下特征：

①对外界干扰的快速自愈能力。传统电网在面对突发事件、自然灾害、恐怖袭击时相对脆弱，如2003年的美加大停电，由于网架结构、电网设备和调度、保护控制等方面的原因，从美国克利夫兰开始迅速蔓延为北美历史上最大范围的停电，造成了巨大的经济损失。智能电网具有快速自愈能力，传感器和智能设备可以自动预警，并具有持续监测和自我测试能力。

②较强的预测和抗干扰能力。传统电网在面对干扰时，可以动作于保护跳闸，智能电网则可以独立的识别系统干扰并进行检测分析，可以对干扰实现预测，并进行主动的预防性控制。

③电网能源结构更加优化。传统电网中，以一次不可再生能源为主，含有少量的分布式能源和储能形式，智能电网可以兼容所有的发电和储能形式，支持分布式电源的即插即用，大量清洁能源，包括风电、光伏、潮汐等将接入电网运行。

④透明而灵活的分时电价。传统电网中，电价相对不透明，不可以实现实时定价，用户不能积极参与电网的优化和运行，智能电网由于能够采集充分的电价信息，可以实现分时电价，方案相对灵活。

1.2 智能电网的技术体系

结合上文所述，可以将智能电网的支撑技术总结为六大系统：灵活的网络拓扑系统；高度集成的通信系统；发达的传感和测量系统；新型继电保护系统；快速故障诊断和排除系统；实时运行决策系统。

作为智能电网支撑技术的六大系统之一，继电保护技术领域因智能电网的发展而发生了深刻变革。特高压交直流输电、可再生能源并网、灵活多变的电网运行方式变化、大量电力电子元件应用等新的发展形势，催生了智能电网背景下的继电保护新技术发展。

2 智能电网背景下的继电保护新技术

2.1 适应超高压交直流混联

我国已经成为世界上交直流运行电压等级最高的国家，根据规划，2015年，“三华”同步电网将建设成为“三纵”、“三横”的网架结构，超高压交直流混联对继电保护提出了更高要求。

首先，随着电压等级的升高，在发生故障时，电网的非周期分量衰减逐渐变慢，暂态特性更加复杂，并带来巨大的谐波分量，给保护的互感器传变特性提出更高要求。应用于特高压的互感器要求具有更强的性能，并针对电网特性进行更好的滤波和直流分量处理。

其次，电网暂态特性日益复杂，给继电保护内部使用谐波判据的难度变大，例如，对变压器保护来说，传统的二次谐波制动和波形识别等判据可能失效，内部故障与励磁涌流的区分更加复杂。

此外，高压交直流混联还带来许多新的特殊问题，例如超高压长线路的串联补偿和电容电流问题、同杆双回线路的零序互感和跨线故障问题、交直流互联暂态特性与计算误差问题、高压直流输电控制保护的特殊性问题等，都需要继电保护设备进行特殊处理。

2.2 考虑可再生能源并网

智能电网发展的一个突出特征，就是以风电、光伏、新型储能为代表的新能源的大规模接入。新能源具有清洁、高效、可再生的特点，然而，新能源由于来源不稳定、并网技术不成熟等原因，在接入电网时，可能给电能质量、电网运行、故障电流带来一定影响。

以风电为例，风电接入后给接入点下游电流保护带来助增电流，可能导致保护误动，给接入点上游带来的分支电流影响可能导致电流保护II段拒动，此外，当风机接入点相邻馈线故障时，还存在方向电流，可能导致保护反向误动。此外，风机的接入类型、工作状态、控制策略和故障类型不同，对故障电流产生的影响也不同，电网的潮流分布和短路电流特征更加复杂，有风电接入的继电保护装置必须考虑这些变化并在判据中加以优化，使得保护既能够适应单向潮流，又能够适应双向潮流的影响。

2.3 大量电力电子元件应用

随着智能电网建设的不断深入，大量电力电子元件应用也日益增多，如无功补偿器、可控串补、潮流控制器、换流器等，电力电子元件的应用有利于改进电能质量、提升控制策略的灵活性，但与此同时，也给电网运行特性带来了质的变化。

电力电子器件具有较高的开关频率，在系统中将产生大量的谐波，此外，FACTS元件在风能、光伏并网、直流输电等中的应用，还存在继电保护设备与电网控制策略协调的问题，继电保护装置设计时，必须考虑电力电子元件带来的谐波影响，尤其是直流线路中，行波保护作为直流线路的主保护，受到接线方式、波速和FACTS元件特性影响，依然存在行波信号不确定的问题。

2.4 定值配合式保护有待改进

智能电网背景下，灵活多变的网络拓扑和系统运行方式使得很多传统保护的缺点暴露，不再适应电网发展。目前，以光纤电流差动为代表的主保护依然是电力系统主流的保护方法，然而，很多传统的后备保护表现出了较大的局限性。主要体现在以下几个方面：

首先，后备保护与系统的整定和配合比较复杂，为了确保后备保护的可靠性，常常需要牺牲其选择性和灵敏性，导致后备保护的动作时间过长。其次，后备保护对系统运行方式变化的适应性较差，对于智能电网下运行方式的灵活变化带来的电网潮流改变，经常不能很好的区分，导致越级跳闸或拒动。

2.5 广域保护的发展和应用

广域保护是近年来继电保护技术的研究热点，它改变了传统继电保护仅能利用单端量和双端量的现状，能够通过高速、实时、准确的信息通信，采集多点和多类型信息，从而实现对保护的开放/闭锁，以及相关的逻辑判别，并动作于告警或跳闸。

广域保护具有集中式、IED分布式、站域集中和分布相配合的三种模式，由于对故障的检测更加全面，所以，广域保护能够更好的适应系统运行方式的变化，降低继电保护装置对定值整定的依赖，并有利于提升系统躲过负荷和振荡等异常情况的能力，由于广域保护采集的量相对较多，信息交互时间较长，所以保护的快速性很难达到主保护要求，但可以较好的承担后备保护的功能，或充当第二套主保护。

3 结 语

作为电网运行的第一道防线，继电保护和安全自动装置在智能电网发展背景下，也在不断探索与进步。新能源的开发利用、特高压交直流混联、电力电子元件应用成为智能电网的突出特征，智能电网背景下的继电保护技术，依然存在巨大的发展空间。

参考文献：

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