未来继电保护：基于高速通信网和大数据信息平台的集成广域保护控制——访国网许继集团有限公司智能电网首席专家薄志谦

／本刊记者 贾常艳／

电力系统的安全可靠运行直接关系各行各业的生产、千家万户的生活甚至于人们的生命安全，对于保障电网安全第一道防线的继电保护无疑承载了重要责任。日前，国家发展改革委、国家能源局印发《关于促进智能电网发展的指导意见》，明确表示“到2020年，初步建成安全可靠、开放兼容、双向互动、高效经济、清洁环保的智能电网体系。”智能电网的建设将给继电保护专业领域带来革命性的变化，伴随着相关研究的深入，继电保护技术需要适应电网需求，跟进电网建设步伐，为智能电网建设提供技术支持。为了更加系统全面地了解我国继电保护的发展，本刊专访了国网许继集团有限公司智能电网首席专家薄志谦，他为我们深刻剖析了继电保护的发展现状及方向。

《电器工业》：继电保护作为电力装备制造业的重要部分是为国民经济各行业提供技术装备的战略性产业。近年来，随着国家智能电网以及新能源建设的启动，同时受益于电网投资持续增加，继电保护及自动化设备行业发展比较景气。请您详细谈谈当前我国继电保护的发展现状。

薄志谦：继电保护是随着电力系统的发展而发展起来的。20世纪初，随着电力系统的发展，继电器开始广泛应用于电力系统中。在随后的几十年内，继电保护技术不断发展创新，实现了从电磁式保护装置到晶体管式继电保护装置再到集成电路继电保护装置的转变。在过去的二三十年间，以微处理器为基础的数字式继电器逐步取代了传统继电器，并随之出现了行波保护、自适应保护、暂态保护等新型保护理念和方案，在理论创新与工程应用上均实现了继电保护技术的重大突破。

近年来，我国电网规模不断膨胀、特高压互联网的建设稳步推进、柔性交直流输电技术快速发展，加之新能源在电网中的渗透率大幅提升和“能源互联网”概念的提出，以及对电网应对灾变能力要求的提高，这些都对电力系统维持自身的安全可靠运行提出了更严格的要求。此外，在输电网侧，我国220kV及以上电压等级的枢纽变电站数目持续增长，整个输电网络正朝着高传输容量利用率、高运行可靠性、交直流深度混联的方向发展，电力系统发电手段与输配电形式也日趋灵活多变。而在配电网侧，可再生能源以分布式电源形式大量接入，微网技术和直流配网技术逐步成熟并投入实际应用，电动汽车广泛接入电网，以及V2G技术迅速发展，使得配电系统不断向高度灵活性、高源荷友好性、高智能数字化的方向迅速迈进。这些新技术的应用，在推进我国电力产业跨越式发展的同时，无疑也为继电保护以及安全稳定控制带来了新的挑战。

近十年间，通信技术的快速发展使得大范围内的广域信息交互成为可能，广域保护和集成保护的研究与实践也随之兴起。此外，信息技术在电网中的广泛应用为电网信息大数据环境下的信息处理和应用提供了卓越的技术条件和平台。在此背景下，提出了通过广域信息实现继电保护和稳定控制功能的广域保护控制系统，力图实现对整个电网更全面、更灵活的保护和控制。因此，未来的继电保护的发展方向将是基于高性能计算机技术和先进通信网络的集成广域保护控制。

《电器工业》：继电保护产业关联度高、技术资金密集，是各行业产业升级、技术进步的重要保障和国家综合实力的集中体现。目前我国继电保护技术的水平是怎样的？与国外比较有何差距？

薄志谦：广域测量与数据信息交换是实现智能电网保护控制系统的关键技术。在目前已经实现或者正在建设中的通信标准与技术中，IEC61850和IEC61970通信协议集中体现了电力通信标准化的发展水平。IEC61970定义了EMS相关的公用信息模型和组件接口规范，其主要目的是实现对控制中心内部、以及控制中心之间的信息交互。IEC61850主要针对变电站自动化分层分布控制体系，定义了数据通信接口与交换技术。集成保护、广域保护和广域控制就是基于通信和信息技术集成上发展起来的。

（1）集成保护的实现——站域保护

近年来站域保护的应用实践实现了变电站层的集成保护。在信息层面，实现了多种数字通道的传输接入，极大地丰富了保护控制信息的获得渠道，确立了以对象数据模型为基础的数据库体系结构，以及针对SCADA系统数据快捷处理的实时数据库设计，形成了可靠灵活、多样互补的站内集屮式保护控制系统；在结构技术层面，基于IEC61850的功能分布式思想，在数字化变电站中基本实现了集中式保护与站域保护相结合，以及多Agent的集成保护功能；通过非常规互感器、合并单元、以太网和多功能，实现了整个变电站保护和控制系统的集成。

国内继电保护设备生产企业在一次设备与二次设备的制造工艺上较国外知名公司还有一定差距，但在保护新原理、新技术的研制与开发方面具有自身独特的优势。

（2）广域保护

近年来，广域保护的研究进展较为明显，在电流差动原理、方向比较原理、纵联比较原理、潮流转移识别以及专家系统集中决策等方面均获得了丰硕的研究成果，其中部分成果已经投入实际生产应用，并取得了良好的效果。目前，广域保护研究又有了新的发展，如遵循IEC61850标准建立适用于广域信息传输的通信系统，将风险观点引入广域保护的研究中，提升广域保护动作的可靠性，利用方向和距离冗余信息提高广域后备保护容错性，运用通信信息优化的保护分区原则和方法，建立分层分布多Agent主动型通信的安全防御框架、蜂窝式分区域集中决策有限广域继电保护系统等等。

（3）广域控制

通过增加广域测量系统的布点数量，使得电力系统广域运行与控制水平得到了显著提升。基于RTU和PMU混合量测的先进状态估计技术，实现了动态模型的在线估计和验证，信息实时阻塞管理，以及系统状态的实时稳定估计。通过GPS全球定位系统将电压和电流相量信息高精度同步到统一的时间轴，实现了广域测量信息在时间维度上的标准化，为广域范围内不同变电站间的协同控制实现奠定了基础。因此，通过配置统一的广域监控系统，便可以实现具有高可靠性的集成广域保护控制功能。

国外继电保护发展时间较长，技术相对成熟，适用性较强，往往能够通过在一套保护装置中嵌入不同软件来实现不同的保护功能，且具有较高的可靠性与稳定性。国内继电保护设备生产企业在一次设备与二次设备的制造工艺上较国外知名公司还有一定差距，但在保护新原理、新技术的研制与开发方面具有自身独特的优势。近年来，随着国内制造企业与科研院所、高校以及电力部门之间的合作不断深化，其在生产工艺与产品质量方面均取得了长足的进步，与国际知名公司同类产品间的差距进一步缩小。

《电器工业》：日前，国家发展改革委、国家能源局印发《关于促进智能电网发展的指导意见》，明确表示“到2020年，初步建成安全可靠、开放兼容、双向互动、高效经济、清洁环保的智能电网体系。”这无疑对保护电网安全的第一道防线继电保护提出新的要求，请您谈谈当前继电保护发展中存在的问题及解决方法？

薄志谦：电力系统保护控制三道防线是在不同程度扰动或故障条件下维持系统稳定的准则，第一道防线：快速可靠的继电保护、有效的预防性控制措施，快速切除故障，全面保障负荷供电；第二道防线：采用稳定控制装置及切机、切负荷等紧急控制措施，防止稳定破坏和参数越限；第三道防线：设置失步解列、频率及电压紧急控制装置，防止事故扩大及大面积停电。然而，“三道防线”中的继电保护与稳定控制之间各自独立，缺乏协调配合与整体设计，二者在功能与结构上均处于相对割裂的状态，为新形势下的电网安全运行埋下了诸多隐患。

（1）继电保护存在的问题

控制保护信息孤岛，难以满足未来复杂、动态的大型电网继电保护与安全稳定控制需求；

传统保护采用静态整定配合，不具备自适应电网状态动态变化的能力；

继电保护和自动装置动作行为失配，将威胁电网安全运行；

忽略电网安全的继电保护策略，在某些情况下反而会对电网稳定造成不利影响；

后备保护灵敏度低、动作慢，无法满足任意工况下系统安全稳定控制的要求；

静态的安全裕度，无法根据电网情况实时调整，造成电网运行效率不高。

（2）智能变电站保护存在的问题

现阶段智能变电站的保护及自动化的功能实现基本沿袭了传统综合自动化系统的构成，智能变电站的优势未能得到充分体现。

110kV及以下电压等级线路普遍采用基于本地量的就地主保护（如阶段式电流保护与距离保护），不能对被保护线路全长进行故障的瞬时切除。

随着可再生能源渗透率的大幅提高，传统综合自动化系统功能上的局限性日益突出，如后备保护整定值无法适应系统动态变化，大量后备保护之间整定配合困难，整定时间过长等等。

故障检测技术具有很强的局限性，故障判断和定位在时间与空间维度上的准确性不强。

变电站内缺乏高效的全景信息整合及与外部系统进行信息互联的信息数据综合分析与交互手段。

各站之间故障分析与保护动作行为相对独立，缺乏对保护动作后所产生的全局影响进行有效的预测与评估。

为解决这些问题，应该从“三道防线”协调配合的角度对电网保护和控制功能进行统筹考虑。借助高效、实时、可靠的网络通信技术和信息技术，实现各种异构保护控制设备的网络集成和信息共享，根据丰富的电网信息做出实时判断，以时间域、空间域、功能域相统一的原则构建最优保护控制策略，提升继电保护性能和系统安全稳定运行能力，使全局稳定控制和全局继电保护等一些崭新的功能成为可能，并进一步模糊现有电力系统保护与控制设备之间的界限。但电力系统各种保护控制设备的信息差异很大，通过网络传输控制信息将存在时延不确定、路径不确定、数据包丢失、信息因果性丧失等问题，在走向实际应用前必须着力对这些问题进行充分的理论研究和挖掘。

《电器工业》：请您结合当前的发展趋势，谈谈未来继电保护的发展方向。

薄志谦：现代科学技术的发展是电力系统保护控制技术发展的核心驱动力，继微处理机技术之后，信息通信技术的广泛应用将是刺激继电保护快速发展的新主题。通信结构网络化带来的最直接变化是变电站二次设备接线形式的变革，数据采集和控制命令的下发由点对点专线传输模式转化为通过通信网络进行交互的网络传输模式。二次设备的接口规范化、简单化使得二次系统维护和扩展的便捷性较从前更大幅提升。此外，不同厂商生产的设备都将采用相同的数据接口，实现了信息的无缝连接，进一步加速了电力通信系统网络化进程。采集装置对所采集到的模拟信号进行前期处理，再将处理结果量通过网络发送至众多二次设备中，利用先进的信息技术进行综合分析。因此，变电站二次设备的组成及二次设备中的分析软件也将发生革命性的变化。

集成广域保护控制系统信息平台的建立将导致电网全局信息的获取成本大幅降低，获取信息的速度也将越来越快，系统级的新功能也将基于该平台得以实现。最终，网络化通信技术的广泛应用将使电力系统中的任何数据与信息的获取极大简化，变电站内的数字设备将被功能强大的标准化计算设备所替代。继电保护研发部门的主要工作将落脚于开发各类功能强大的保护控制软件，保护控制设备的安装和升级也可能由管理中心的值班人员在远距离完成。

因此，高速同步广域通信网和广域数据信息共享平台是支撑集成广域保护控制发展的两项重要技术。这两项技术的发展不仅将会在未来的继电保护系统中发挥举足轻重的作用，并且对以互联网为代表的通信技术领域和以大数据云计算为代表的信息技术领域都将是一个巨大的挑战。原因之一在于支撑集成广域保护控制系统的高速同步实时通信网对通信技术的要求是前所未有的；二是在于尽管继电保护系统所需的数据采样节点数量有限，但考虑到继电保护系统对数据采样高速率与高频率的技术要求，其对数据量的需求已经远远超越了大数据的标准。而至目前为止，这两项技术在电力系统中的应用都是没有先例的。

此外，随着上述技术的发展，未来电网保护的三道防线将走向融合，集中-就地保护的动作行为也会向协调配合的方向发展，继电保护与安稳控制一体化设计将成为继电保护技术的发展趋势。当然，这个发展过程对变电站乃至电力系统的安全性和可靠性都将提出更高的要求，以此来满足超前多变的用户需求。

当前我国继电保护的国产化率非常高，理论研究方面已经处于国际领先水平，实际应用方面也正在随着众多国际项目的开展发生着深刻的变革。面对电力领域国际化需求步伐的加快，我们不仅需要进一步提升电力企业的创新能力及产品制造工艺水平，需要具有国际市场背影的市场营销人才，更多地参与到我国继电保护国际化事业的发展中来，不断加强国内外继电保护研究与生产领域的交流合作，从而使得继电保护产业能够率先引领中国电力设备走向世界。