广域继电保护系统研究综述曾翔

广域继电保护系统研究综述曾翔

曾翔王滋

（国网陕西省电力公司宝鸡供电公司陕西省宝鸡市721001）

摘要：分析了目前广域继电保护的主要保护原理，包括广域电流差动保护原理、广域方向比较保护原理和基于广域信息的自适应继电保护，并针对它们的研究现状及存在问题提出建议。然后从应用角度上，阐述了广域继电保护的系统结构，以及信息区域划分方法，并讨论如何基于广域冗余信息实现系统容错和优化。

关键词：广域；继电；保护系统

一、前言

随着我国电力需求的与日俱增，电力市场改革的深化与发展以及电力系统规模的不断扩大，电力系统日渐接近极限运行，其运行与控制更为复杂，发生扰动以及故障的可能性更大，这些都对电力系统安全提出了更高的要求，对我国的继电保护以及安全稳定控制带来了新的挑战。与此同时在进入21世纪以后，国际上已发生多起大面积长时间的停电事故，使得电力工作者更进一步认识到应当从整体或区域电网的角度加强继电保护和安全稳定装置的功能和性能。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系统。近年来，我国以特高压电网为骨干网架的各级电网在迅速协调发展，建立以信息化、自动化、互动化为特征的统一坚强智能电网的要求十分迫切。智能电网的建设必须依托更精确，更快速，更完善的通讯系统以及信息共享平台，这为基于广域信息的广域保护系统的发展提供了契机。

二、广域保护系统

广域保护系统的概念提出后引起了广泛地关注，国内外学者从不同角度对广域保护的定义、功能和实现手段等进行了探讨。瑞典学者BertilIngelsson于1997年最先提出广域保护的概念，其论述的广域保护系统主要用来预防互联电网的长期电压崩溃，系统通过SCADA实现电压稳定控制功能。此后，国际大电网会议（CIGRE）将广域保护定义为主要完成系统的稳定控制功能。广域保护系统的研究初期都是将广域信息应用到稳定控制领域，直到21世纪初，才有学者将广域信息应用到继电保护中，并提出开发广域后备保护专家系统，通过人工智能技术，确定并消除故障，防止电力系统的连锁跳闸，避免电力系统大停电；之后指出广域继电保护并不是取代传统保护，而是充分利用电网多点信息，对传统主保护和后备保护进行补充。在2003年欧美接连发生大停电事故之后，提出系统终端保护（SystemProtectionTerminal，SPT）思想，将广域保护接于变电站控制系统，利用广域信息将继电保护和稳定控制相结合，实现区域电网的整体保护；而在国内学者提出的满足“三道防线”。要求广域保护系统中，也指出继电保护和自动控制装置应当相互配合、协调控制；对于广域信息的利用，指出应该有效采集和处理广域静态和动态信息，然后进行信息协调、分析和控制。本文重点讨论利用广域信息实现继电保护功能，即充分利用广域范围内采集的各种信息，应用各种保护原理来丰富保护功能和提高保护性能，防止发生大范围长时间停电事故。目前广域继电保护系统的研究已经取得了不少研究成果。本文对广域继电保护各方面取得的主要技术成果进行梳理和综述，对广域继电保护今后需要解决的问题提出了自己的看法。

三、基于故障元件识别的广域后备保护

这里要首先明确的是：由于广域信息传递存在延时性、可靠性及安全性等局限，且现有主保护的正确动作率较高，广域继电保护与传统主保护相比无明显优势。因此，将广域信息引入到后备保护更符合实际。广域后备保护应与传统主。后备保护相协调，共同承担电网“第一道防线”的职责。广域后备保护的核心思想在于通过电网中的多点同步测量信息，确定故障元件的具体位置，在相邻保护之间通过简单的时序配合来保证保护动作的正确性。目前的研究主要是基于主保护算法的拓展，将方向比较纵联保护和电流差动保护原理引伸到广域后备保护中，并结合智能算法提高信息的容错性。广域后备保护根据所基于的系统结构不同，可分为区域集中式、变电站集中式、分布式3类。而由于系统结构的不同，相同算法在实现过程中也有所差别。广域方向比较纵联保护以区域调度中心为后备保护系统中心，通过采集区域内各变电站线路保护装置的方向判别信息，构建故障方向关联矩阵，从而快速判断出故障线路并做出动作决策。网络仿真软件（NS2）的仿真结果表明主站到子站的端对端通信时延为4.6ms满足广域后备保护的通信要求。进一步阐述了这一系统的硬、软件设计方案，该系统已通过了动模试验并在河南省投入实际运行。采用变电站集中式结构构建广域后备保护系统，将母线和变压器保护也纳入系统中。通过发电厂的主接线形式和方向元件位置形成关联矩阵，结合故障方向信息确定具体的故障元件，并通过采集间接相关元件的信息保证算法的容错性。在电网拓扑结构发生变化时，集中式结构的广域后备保护都只需调整关联矩阵对应的行和列即可与之适应。针对集中式结构存在中心站单点失效风险的问题，提出基于分布式结构的广域后备保护系统。各断路器和他对应的智能电子设备（IED）不仅完成安装点的信息采集和运算，而且自行完成故障定位和判断。算法首先确定各IED的最小和最大保护区域，从而保证各IED只与其相关范围内的其他IED交互信息，并定义动作系数和关联系数，再通过相应判据算出被保护对象是否存在故障。

四、广域继电保护信息域划分

在广域继电保护中，接收电网信息范围并不是越大越好，主要有两点原因：（1）电网发生扰动时，通常扰动点周围的电网信息对于扰动的判断至关重要，离扰动越远信息的重要性相对来说要低一些；（2）继电保护的快速性要求使得保护系统进行大量信息的接收和处理是有限的。因此信息域的分区对于构造广域继电保护系统来说是必要的。本文梳理了三种信息域的划分方法：基于拓扑树的划分方法、基于专家系统的在线划分方法和变电站集中式或区域集中式分区方法。

五、基于广域信息的系统容错和优化

广域信息的采集范围决定了其不可能达到传统保护装置精密的抗干扰措施，尽管随着广域测量系统（WAMS）的完善以及数字化变电站通信的逐渐成熟保证了通信的实时性及低误码率，但是依然会出现部分信息丢失，量测错误，通信误差等情况，影响广域继电保护的故障判断。因此信息采集的广域性决定了保护原理必须具有极强的容错性能。

六、广域继电保护的信息处理技术

广域继电保护的应用需要采集广域范围内的数据，通过通信系统实现信息交换和共享，并利用计算机技术进行信息分析、功能决策，因此广域继电保护对通信技术，信息处理技术以及计算机技术提出了许多新的要求。

七、结论

本文重点对广域继电保护系统的研究现状进行了梳理和综述。基于广域信息的继电保护与稳定控制有机协调构成的广域保护已经成为现代电力系统的研究热点，是未来保护与控制的发展方向。当前智能电网的蓬勃发展也为广域保护研究提供了更好的基础，相信随着研究地深入，广域继电保护将取得更多成熟的研究成果。

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