智能电网体系下广域保护的应用与发展

杜亮

(浙江大唐乌沙山发电有限责任公司,浙江宁波 315722)

智能电网体系下广域保护的应用与发展

杜亮

(浙江大唐乌沙山发电有限责任公司,浙江宁波 315722)

分析当前我国电力系统面临的向多能源并网的新型智能电网发展的必然性以及在智能电网环境下新型继电保护方式的重要性。讨论了继电保护中关于广域保护发展的必要性,广域保护的原理以及算法,以及广域保护发展的方向。并针对当前我国特色的电力事业发展提出相适应的广域保护的功能定位和系统构成模式。

智能电网 继电保护 广域保护

0 引言

继电保护是保障电网安全的第一道防线,如果保护装置在故障发生时正确、快速、可靠动作、将有效遏制系统的状态恶化,起到保障电网安全稳定运行的作用,反之则可能扩大事故,甚至导致电网大面积停电。美国对1996年西部电网大停电、2003年美加电网大停电等20年来大系统停电进行可统计调查发现,虽然引发电网大面积停电的因素很多,保护误动、拒动以及电网大范围潮流转移过程中发生的保护连锁动作,是导致事故扩大乃至引发系统大面积停电的关键因素之一。传统保护采用离线整定方式确定保护定值,由于系统结构复杂,需考虑的运行方式众多,难以兼顾灵敏性和选择性的要求,无法保证定值性能始终处于最佳状态,且离线整定模式下的定值修改需依靠人工完成存在安全隐患。

电力系统在本质上是一个广域系统,系统中所有的电气量是互相关联的一个整体,这在根本上决定了系统保护是一个全局问题,应该将系统作为一个整体考虑。此外,电力系统的运行状态是不断变化的,不同运行状态下的相同事件对电网的影响也不同。因此,系统的稳定运行问题实际上是系统在当前运行状态下的稳定运行问题,需要通过不断获得的实时数据来实时确定保护控制策略。

近年来,随着广域同步测量和数字化变电站技术的发展与成熟,为根本上提高和改善继电保护的性能提供了契机。因此,在复杂电网环境下审视传统继电保护存在的问题,研究能够快速识别与隔离故障、简化保护整定计算的广域保护原理和配置方案,是保障电网安稳运行的重要内容。同时,故障的快速定位与隔离、系统运行方式更新后的保护在线自适应整定也是未来智能电网要实现的主要自愈功能使得电网的安全正受到前所未有的威胁。

1 我国智能电网的特点

近年来在政策鼓励和社会需求双重助力推动下智能电网得到了大力的发展,尤其表现在超特高压电网投运、大规模新能源并网和智能配用电方面,同时智能电网的建设也面临着一些特殊问题。

1.1 构建以超/特高压为骨架的大电网

我国能源与负荷呈逆向分布,煤炭、水力和风能等资源主要分布在西部和北部地区,而用电负荷集中在中、东部地区和南部沿海地区,中间相隔上千公里,从客观上决定了需要采取远距离、交直流混合、超/特高压的输电方式实现能源资源的优化配置。

广域继电保护应用于实际时,若在整个系统内实现集中保护,由于系统规模增大造成的大量数据采集点、海量数据、传输距离和速度等因素,会增加广域继电保护实现的难度,也将增加保护配置、运行和维护的难度,保护可靠性难以得到保证。因此,还应该结合实际系统进行广域继电保护区域结构的确立,综合考虑合理利用智能电网新技术,使广域保护更有利于实际应用。

1.2 新能源接入大电网的平衡问题

我国总体上缺少与新能源电力互补的可快速调节的电源,如水电站和燃气电站。新能源电力波动性大难以稳定输出,如果缺少足够的就地互补电源,则会出现以下问题：已建成的新能源装机无法充分并网,风电弃风现象严重;新能源接入后为了达到电力供需平衡,燃煤机组需要频繁调整出力,运行工况变化大,造成设备老化加快和发电煤耗增加;此外新能源电力并网造成的系统调峰容量下降还会降低电网安全裕度。因此要尽量实现新能源电力的就地平衡,根据实际条件,应积极探索风、光、水、气、火、储组合的优化互补方案,以减少波动性输出对系统的影响。

1.3 智能电网体系下输配用电发展的不平衡

配电网直接面向用户,是保证供电质量、提高运行效率的关键环节。长期以来我国采用单向的电力供应消费模式,电网和用户之间缺乏有效互动,导致负荷“峰谷”差额大,用电负荷率低。建设智能配用电系统,加强电网与用户的双向互动,调动用户积极性,能够有效提升发输电效率,降低电力投资,节约社会资源。如通过开展用电激励机制,使电动车采用白天行驶、夜间充电的运行方式,有利于电网峰谷平衡,改善电网负荷特性,减少为维持电网低负荷运转而产生的调峰费用。此外,大量分布式电源接入后,配电网应该具有满足用户向电网反向送电的能力,为了应对配电网由单电源模式向多电源模式的转变,配网保护及控制技术也要进行相应调整。

2 广域保护在智能电网下的发展

广域保护是近年来继电保护领域的研究热点,以高速实时的信息通信为平台,将多点多类型信息纳入保护系统,从根本上革新了继电保护的配置方式,能够显著提升继电保护的动作性能。

广域保护融合与故障有关的多点、多类型信息,通过对信息的综合判断,实现开放/闭锁保护、调整保护动作特性、制定跳闸策略等功能。由于检测故障的角度更加全面,使保护在适应系统运行方式变化、减少保护对定值依赖、克服过负荷和振荡影响,以及提升保护动作速度等方面有更加良好的表现。

广域保护的定位应该以承担后备保护功能为重点,主要基于三个原因：1)元件主保护对快速性有很高要求,广域保护通过多信息交互和集中判断来实现,若作为主保护在快速性方面没有优势;2)目前电网主保护以电流差动保护和方向/距离纵联保护为主,具有绝对选择性,保护性能相对完善,不需要通过广域的方式来实现;3)传统后备保护以单端量原理为主,其整定配合复杂、动作延时长、适应性运行方式变化能力差、过负荷易误动等缺陷成为了大电网的安全隐患,已直接和间接地导致了数次大停电事故的发生,急需予以革新。

因此,从可行性和必要性两方面出发,广域保护更适合承担后备保护功能,而主保护仍然随被保护设备独立分散配置。当然,这并不妨碍广域保护在原主保护检修等特殊情况下临时充当主保护,以及在某些场合中作为第二套主保护配置。

2.1 数据采集的实时性

广域保护涉及到的保护将不局限于1个或2个装置,不局限于1个或2个变电站。如何在较大范围内保持时间和数据同步将是研究重点,变电站内现有的对时主要以GPS作为主时钟的外部时间基准,采用3种对时方式：脉冲对时、串口对时、编码对时、对时精度可达到ms级。

网络化的变电站,采用分布式电子式互感器及合并单元的数据采集模式,数据经网络传送至保护等电子式设备的方式传输,为了实现数据采集的同步以及各保护之间信息交互与配合,需要一个统一精确的时钟作为系统的时钟源,并通过精密对时技术实现各数据采集单元时钟、各保护装置时钟的准确同步。

2.2 划分区域分区保护

区域的划分有利于广域继电保护的应用研究,对站域、小区域内广域继电保护应用的可行性进行分析,同时分析系统内继电保护配置现状、广域测量系统配置现状、网络通信设备及通信技术,制订系统内的广域保护区域结构划分,从电网结构冗余度、保护配置冗余度、通信冗余度等方面进行可行性研究。

2.3 与传统继电保护配合使用

智能电网建设过程及建成后,不可避免遇到传统微机保护与数字化变电站内保护实现保护配合及协作问题,应考虑不同类型保护之间的互操作问题包括：

a．线路差动保护中,一侧保护采用电磁式电流互感器,另一侧保护采用电子式互感器,当区外发生故障时,电磁式电流互感器一端很可能发生单端饱和现象。因此,线路两端的差动保护应具有判单端饱和和防止保护误动的功能。

b．原有线路差动保护数据同步的算法基于两侧都是模拟式互感器,存在两侧不同互感器类型的数据同步问题,需要进行新保护算法的研究。

3 结语

广域保护已经逐步成为现代电力系统保护和控制领域研究的一个热点,有着广阔的应用前景。智能电网的建设影响了我国电力系统发、输、配、用各个环节,使继电保护的运行环境发生了显著变化,对保护提出了更高要求。同时智能电网搭建了先进的信息平台,继电保护具备了集成广域信息的条件,有望通过转变实现方式大幅度提升保护性能。

广域保护系统从提出到现在近15年,其成功应用可有效遏制日益频发的大规模电力系统连锁故障,可以提高系统的功角、电压稳定性和现有输电网络的利用率。随着智能电网的建设,广域继电保护将得到进一步拓展、深化和应用,将在保障智能电网的安全稳定运行中发挥重要作用。

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