广域保护与电力系统的安全稳定性

广域保护与电力系统的安全稳定性马勇华能济宁运河发电有限公司摘 要：从PMU数据中挖掘深层信息，快速明确识别故障范围、故障性质和故障地点,则后备保护无须靠时间配合来保证选择性，这必将大大提高互联电网的安全水平。本文对广域保护及其应用现状进行了回顾，分析了电力系统的稳定性、安全性及主要的控制措施，讨论了PMU在广域保护系统中的应用，最后对广域后备保护系统的未来发展做了展望。关键词：广域保护；功角稳定性；频率安全控制；电压安全控制；PMU引言电力系统是一个分布地域很广、包含元件很多、结构很复杂和动态响应速度很快的大系统，系统中某处某个元件发生扰动就可能迅速波及全系统。近年来全球出现多次的大范围停电事故，包括2003年发生在北美和意大利等国家的一些影响巨大的停电事故。图1-1揭示了导致电力系统大停电的因素及其发展示意图。广域保护的提出是电力系统对安全运行要求的提高和通信技术迅速发展的结果。电网互联的发展趋势对系统稳定性提出了更高的要求。大电网不仅要求故障发生时保护装置能更快、更可靠的切除故障，还要求因故障发生带来较大暂态扰动时，能保证系统安全稳定的运行。如果将要发生或已经发生稳定破坏的情况，应能够采取适当的控制措施，防止系统失稳或将不稳定的系统拉回稳定状态。广域保护(wide-area protection)概念最早出现在瑞典学者Bertil Ingelsson1997年发表的学术论文广域保护应对电压崩溃（Wide-Area Protection Against Voltage Collapse）1中。1998年的IEEE国际会议上还专门设置了“广域保护与紧急控制专题”，讨论了使用广域信息完善紧急控制的方法。此后，ABB公司的Mehmet Kaba发表了关于广域保护系统应用于稳定控制系统的研究成果的论文2。美国许继公司的蔡运清等人也分别发表了广域保护评论性论文3-8。相继发生的一些大停电事故使得广域保护从提出之日起就受到了广泛关注，相关人员进行了大量的理论研究和工程实践。1 广域保护及其应用现状1.1 广域保护的概念如果系统的扰动不仅是涉及某个具体设备，而是涉及广大区域，如一个变电站、部分系统或整个系统，设备保护不能保证系统安全，而需在大范围内采取相应保护控制措施，防止事故扩大，确保系统安全运行。广域保护系统也被CIGRE称为系统保护方案9(system protection schemes, SPS)，西方各国也曾使用特殊保护系统SPS (special protection system)，或补救行动方案RAS(remedial action scheme)10，而在我国则一般称作安全自动装置11，有时也称为安全稳定控制装置。自适应继电保护是在20世纪80年代提出的一个较新的研究课题。自适应继电保护定义为能根据电力系统运行方式和故障状态的变化而实时改变保护性能、特性或定值的保护。其基本思想就是使保护尽可能地适应电力系统的各种变化，进一步改善保护的性能。因此，广域保护应借鉴自适应继电保护的先进成果。广域信息对于主保护来说，无法满足时间要求，不具备工程和现实意义，所以本文后面提到的广域后备保护系统是指在广域后备保护(广域设备保护)上还集成了广域系统保护的部分功能。1.2 广域常规保护（设备保护）随着灵活交流输电系统的引入和电力市场改革的深入，传统后备保护在保护范围和时间的整定上变得尤为困难。在主保护没有正确动作的情况下，传统后备保护很难准确隔离故障。分析传统后备保护的设计思想可知,后备保护主要是靠其动作时间的配合来满足选择性要求的。若后备保护能明确识别故障范围,则无须靠时间配合来保证选择性。但是，广域常规保护能有效利用广域信息判断故障的位置，一旦判定为外部故障则闭锁保护装置。日本学者Yoshizumi Serizawa等人于1998年在其文献12,13中提出使用GPS信号进行精确的时间同步，通过专用的光纤信道传送多点电流信息，构成广域电流差动后备保护的观点，以克服现有的面向单一电气元件的电流差动保护无法提供快速后备保护功能的问题。英国贝尔法斯特皇后大学的K.Kangvansaichol和Peter A.Crossley在文献14,15中提出了兼有分段距离保护和元件差动保护优点的分段差动保护系统，并计及了因通信设备和数据传输故障引起的数据丢失问题。我国广西大学的谭建成教授(Tan J C)在其文献16-19提出了建立基于专家系统的广域后备保护系统。在给定网络的拓扑结构、相邻几级变电站中继电器的动作情况以及断路器的开合状态的前提下,利用所定义的动作因子AF(action factor)的大小来判定故障位置，并能处理诸如断路器失灵、保护拒动等问题给故障判断带来的影响。此广域后备保护系统不必通过牺牲快速性来保证选择性，它可以很好的解决后备保护动作时间过长、故障切除范围较大等问题，还可以防止故障后相邻线路过负荷导致后备保护误动作的情况。西南交通大学的王晓茹等提出建立基于多Agent的广域后备保护系统20。基于多Agent的广域后备保护系统相当于在传统的保护装置基础上增加了网络通信、同步相量测量、广域后备保护算法等功能构成的智能体，通过网络获取其它Agent的信息进行故障判断和决策。此外，文献21-23从代理的定义和分类、结构配置以及模拟运行等方面对采用广域代理方式实现的主保护和后备保护之间的协调问题作了较为详细的描述。上述广域常规保护的实现都依赖于全局信息的获取和通信系统的可靠性。到目前为止，对所提出的方法都只通过仿真方式进行了验证，还没有见到实际应用的报道。1.3 广域稳控系统（系统保护）随着通信技术和PMU 技术的不断发展，基于PMU的广域稳控系统得到了广泛的关注。文献24对系统保护方案的发展历史、设计标准、建模与分析工具、可靠性评估、实现时应考虑的软硬件及通信要求、未来需求等方面做了全面的论述。文献25提出的系统保护方案还需要能够处理大量非预计发生的扰动，并充分利用电力系统所具有的对扰动初期影响的承受力，实现基于系统响应的实时分析和预测，并提供自适应性控制措施。1.4 现有广域保护的不足继电保护和安全自动装置始终是电力系统中至关重要的环节。虽然目前它们基本上实现了微机化，总体性能指标有了很大的提高，但仍存在一些问题没有得到很好的解决：(1) 常规的输电线路后备保护虽有较大的保护范围，但其选择性的获得要以牺牲动作快速性为代价，动作时间过长，有时难以发挥应有的保护作用。此外，目前后备保护的配置原则使其容易受过负荷等不正常运行状态的影响，导致非故障条件下的误动作。(2) 常规的主设备(发电机和变压器)后备保护（包括后备阻抗保护）在灵敏度和选择性上远不及主保护，可以说现有的各种主设备后备保护在技术性能上“没有资格”充当后备作用。根本原因是发电机和变压器内部短路时，端口三相电流可能不大，三相电压可能不低，相应的测量阻抗就可能较大，这明显表现出主设备保护和线路保护的不同。(3) 基于本地量工作的继电保护和安全自动控制装置对电力系统运行方式的变化缺乏适应能力，难以对运行方式不断变化的系统做出客观全面的反映，容易导致因保护和自动装置动作不当带来的停电。(4) 继电保护以切除故障为目标，对故障切除后系统的运行情况不予考虑，无法起到保护故障后电力系统安全稳定运行的作用，甚至可能会出现因继电保护正确动作切除故障而造成其它元件的工作异常，接着被相应的保护装置正确动作连锁切除而使得系统崩溃。(5) 安全自动装置种类较多，每种装置通常只完成一种或少数几种功能，多数仅反映本地运行状况，装置间缺乏配合，无法正确应对故障事件或异常情况。开展基于广域信息的继电保护和安全自动控制算法、策略是解决上述问题的有效途径之一，将传统的“三道防线”功能有机地集成到一个系统中完成，同时加强各道防线之间的配合、协调可以解决长期以来继电保护和自动装置之间相互独立、各自为政的局面，为互联电网提供更为有效的安全稳定的控制措施。2 电力系统的稳定性与安全性IEEE和CIGRE关于稳定名词和定义的联合工作组在2003年提出一个报告电力系统稳定性的定义和分类，对电力系统稳定性的分类如图3-126。目前已有不少文献分别针对功角稳定、频率稳定和电压稳定建立广域稳控系统。另外，预防过负荷连锁跳闸也是研究热点。2.1 功角稳定性传统的PSS是通过控制发电机励磁系统的本地阻尼控制器（Local PSS，LPSS）发挥作用的，由于不能直接利用相对功角和角速度形成闭环控制，因此受限于本地信息，缺乏动态协调能力，不能发挥有效的阻尼控制作用。研究表明，除本地信号以外，加入远方信号可以提高阻尼。文献27采用广域测量信号形成闭环控制能够有效地抑制区域间低频振荡，提高互联系统的传输容量。文献28提出了一种两级PSS 设计方案，实现SLPSS(Supervisory Level PSS) 和LPSS 的协调控制，可以在线追踪区域间系统的动态过程，有效抑制本地及区域间的系统振荡。对于大型互联系统，实现全局动态协调阻尼控制时在系统动态协调设计和模型辨识方面都还有不少困难。文献29介绍了首次应用状态空间系统辨识技术建立的小信号稳定分析模型，并以此为基础设计的全局稳定控制器。文献30介绍了一套美国早期的、利用广域测量的自适应失步保护。随后文献31对该套保护系统的设计和运行经验进行了总结，并对其在多机系统中应用的未来发展方向进行了展望。文献32提出了一种应用于广域保护的、基于自回归模型的失步预测新方法，利用了变电站间电压相位差以及发电机转角这两类时序数据。2.2电压安全控制电压不稳定是电力系统安全运行的主要威胁之一。文献33介绍了基于模糊逻辑控制的广域电压控制系统，以实现快速的基于响应的电压稳定控制方案。文献34提出基于广域测量系统的长期监测系统动态行为的方法，提出基于方程求解动态电压稳定问题的预测算法，该算法可精确地提前发现不稳定问题，以便于及早更好地采取补救措施。文献35则提出了一种基于模型预防控制和启发式树检索方法的、用以防止电压崩溃的广域系统保护方案，与传统的SPS 相比可以大大减少切负荷量。2.3频率安全控制预防频率不稳定的最常用方法是低频减载UFLS(under-frequency load shedding)，其最大缺点是需要频率下降到整定值后才动作。此外，还存在着整定值调整困难和缺乏自适应能力等缺点。文献36提出了基于广域测量提取相关信息的预测频率稳定控制方法。其惯量、负荷的频率和电压特性均由广域测量系统在线提供，并且要求测量实际的负荷分布及负荷的精确切除数量。然而该方法采用了负荷静态模型，需要在全部母线节点安装PMU，且没有考虑实际切负荷的选择问题，与实际应用还有一定距离。2.4过负荷连锁跳闸输电线路和设备过负荷连锁跳闸是导致系统崩溃的重要因素之一，近年来各国发生的许多次大停电事故充分说明了这一点。广域后备保护防止连锁跳闸的方法是：精确的故障定位，只有必须断开以切除故障的断路器才跳间；通过闭锁传统后备保护继电器的跳闸信号来避免不必要的跳闸，这些跳闸通常由尚未发现的故障或过负荷引起。文献37针对潮流转移引起的连锁跳闸问题，提出了一种基于广域同步测量系统(WAMS)的预防连锁跳闸控制策略。利用网络支路电流与注入电流之间的关系，提出了最佳切机、切负荷控制点的选取原则，在此基础上推导了切机、切负荷控制量的计算方法，并提出了这一预防连锁跳闸控制策略的流程；同时，给出了控制策略中涉及到的动态过程中切机、切负荷前支路电流的计算方法。文献38提出了基于广域信息的防连锁过载跳闸保护原理。该原理以重要母线为单元，利用正常运行时存储在广域网调度中心的节点阻抗矩阵中的相关元素估算各支路的过载电流系数，以分析过载支路开断后有无引起连锁跳闸的可能，及时告知调度中心采取防连锁跳闸的措施，以防大面积停电。无论是广域常规保护还是广域稳控系统，其研究还仅仅是刚刚开始，还有许多理论上、工程上的难题等待我们去克服。3 广域后备保护系统的发展前景基于GPS的稳定控制只有针对多机大系统才能发挥其优势，而多机系统稳定控制方法一直没有形成一套快速、有效、系统的理论体系，目前各国的电力暂态稳定在线控制的研究许多是基于在线预决策或暂态安全分析(TSA)的框架，而没有在利用GPS同步监测系统提供的相量信息上有所突破。目前GPS在电力系统中的应用，以及通讯技术的飞速发展，为自适应继电保护的发展提供了前所未有的良机。在自适应继电保护中系统运行状态和故障过程变化的信息，可以从就地PMU或利用各种通信方式从调度或相邻变电站PMU得到。就地获取信息简单易行，应首先予以考虑。终上所述，广域稳控系统和广域常规保护的发展都急切需要在PMU数据挖掘上取得突破。PMU数据挖掘将有利于：(1) 故障诊断的研究。根据广域信息，快速准确诊断出故障元件、故障性质和故障地点，为广域后备保护系统的快速正确隔离故障提供支持。并方便后期恢复供电。(2) 在线决策的研究。根据电网故障诊断的结果，在线实时给出消除过载或失步、稳定电压和频率、保证系统安全运行的方案。并且，目前基本上是孤立的研究功角、幅值和频率。将其综合起来研究，还有很大的难度。(3) 故障事件可视化的研究。故障事件可视化的目的是通过图形化等方式让调度员在最短的时间内了解系统的现状以及发展趋势，明辨系统的薄弱环节，以便调度员快速采取合理的措施。(4) 电气设备健康状态评估39。根据设备运行时各参数的变化，承载负荷及经受短路的情况，量化设备的健康状况水平，最终实现由传统的定期检修向状态检修的完全过渡。4 结语随着相量测量装置(PMU)和网络、通信技术的广泛应用，出现了研究广域保护（wide-area protection）的热潮。充分利用计算机的计算速度、数据处理能力、通信能力和硬件集成度不断提高等优势，结合模糊理论、自适应原理、行波原理、小波技术和波形特征等，设计出性能更为优良和维护工作量更少的广域后备保护系统，将多点、多种信息综合起来实现闭环控制。参考文献1. 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