（电力系统及其自动化专业论文）可预防级联跳闸的广域保护系统研究.pdf

山东大学硕士学位论文 i v 关键词：广域测量系统，广域保护，潮流转移，线路相关集，级联跳闸 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e c e n t l y , t h ec o n s e c u t i v ew h o p p i n gp o w e r f a i l u r e si nt h ew o r l dr e v e a lt h e l i m i t a t i o no fr e l a y i n gp r o t e c t i o na n ds t a b i l i t yc o n t r o lm e a s u r e s w i d ea r e a p r o t e c t i o ns y s t e mh a sa t t r a c t e dt h ea t t e n t i o ns i n c ei ti sp r o p o s e di nt h el a t e2 0 t h c e n t u r y i tm a k e sr e l a y i n gp r o t e c t i o na n ds t a b i l i t yc o n t r o lm e a s u r e so p e r a t ei na n e ww a y , a n di ti st h ed i r e c t i o no fr e l a yp r o t e c t i o nd e v e l o p m e n t t h er e l a yp r o t e c t i o ns y s t e mo fe l e c t r i cg r i di no u rc o u n t r yi sa d o p t e dt h e m a i np l u sb a c k u pp r o t e c t i o n t h eb a c k u pp r o t e c t i o ni sd e p e n d i n go nt h es i n g l e - e n de l e c t r i cq u a n t i t yt oe s t a b l i s ht h em u l t i - z o n ed i s t a n c ep r o t e c t i o no rt h et i m e - l a d d e r e do v e r - c u r r e n tp r o t e c t i o n t h i st h e s i si l l u s t r a t e st h ed e f i n i t i o n ，f u n c t i o n s ， s t r u c t u r e s ，c o m m u n i c a t i o n ss c h e m e so fw i d ea r e ap r o t e c t i o n ，a n dc a r r i e so na s t u d yt on o v e lr e l a yp r o t e c t i o nt h e o r yb a s e do nm u l t i q u a n t i t yo fw i d ea r e a i t o p e r a t e sm o r er e l i a b l y , q u i c k l y , a n dr e d u c e sb l a c k o u td i s t r i c t c o n v e n t i o n a lp r o t e c t i o nr e l a y sg e n e r a l l yt a k ea c t i o n st op r o t e c ta ne l e c t r i c c o m p o n e n tw i t h o u tc o n s i d e r i n gt h ei m p a c to nt h ew h o l es y s t e m o n c es o m ek e y l i n e sw i t hh e a v yl o a da r et r i p p e db e c a u s eo ff a u l t ，c a s c a d i n gt r i p s ，e v e n c a t a s t r o p h i cb l a c k o u ta r ep o s s i b l yt r i g g e r e df o rt h ea c c u m u l a t i v ee f f e c t o ff l o w t r a n s f e r r i n ga n di r r a t i o n a la c t i v a t i o no fb a c k u pp r o t e c t i o n t h i st h e s i sa n a l y s e s t h er e d i s t r i b u t i o no fl o a df l o wa f t e rt h ef a u l tl i n ei si s o l a t e d t h ed e f i n i t i o no f l o a df l o wt r a n s f e r r i n gf a c t o ra n dr e l a t i v ec l u s t e ri sb r o u g h tf o r w a r d t h em e t h o d v 山东大学硕士学位论文 o fj u d g i n gt h eo v e rl o a d i n gl i n e so fr e l a t i v ec l u s t e rb e c a u s eo fl o a df l o w t r a n s f e r r i n gi si n t r o d u c e d t h i st h e s i sp r o p o s e dan e ww i d ea r e ap r o t e c t i o ns c h e m ew h i c hc a np r e v e n t c a s c a d i n gt r i p s d i f f e r e n t f r o mc o n v e n t i o n a l p r o t e c t i o nr e l a y s ，w i d e a r e a p r o t e c t i o ns y s t e m sh a v ew i d ev i e wo ft h ep o w e rg r i d p r o t e c t i o nr e l a y sa n d s t a b i l i t yc o n t r o lm e a s u r e st a k ea c t i o n sc o o p e r a t i v e l y t h ee m u l a t o ri ni e e e - 3 9 p r o v e st h ep r o p o s e ds c h e m ei sf e a s i b l e k e yw o r d s ：w a m s ；w i d ea r e ap r o t e c t i o n ：p o w e rf l o wt r a n s f e r r i n g ； r e l a t i v ec l u s t e ro fat r a n s m i s s i o nl i n e ： c a s c a d i n go v e r l o a dt r i p v i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：整! ：量互 日 期： 2 0 8 弓 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：孙卉宁翩签盛a 日期2 矿， 山东大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 随着互联电网区域和交换容量的扩大，由互联电网故障引起的特大停电 事故对社会生活的影响几乎成为社会灾难，而保障互联电网的运行安全，避 免重大、特大停电事故的发生却变的越来越困难。仅2 0 0 3 年短短2 个月 内，就发生了数起大停电事故，包括意大利大停电、瑞典丹麦大停电、英 国伦敦地铁大停电以及美、加大停电，其中美加“8 1 4 大停电损失负荷 6 1 8 g w ，严重影响了5 0 0 0 万人的生产、生活，停电持续长达2 9 小时，损 失极其惨重【1 】。 美、加大停电引起了世界范围内对于防止大面积停电事故的研究热潮， 各国学者从不周角度对造成大面积停电的原因做过各种层次的分析f 2 1 2 】。 究其原因，是由于电网安全自动装置、后备过负荷保护各自独立判别、分 散动作。当前的继电保护以电力元件为保护对象，并不顾及发生故障或运行 异常的元件被切除后剩余系统的安全性，缺乏系统级的协调配合，造成连锁 跳闸。这些年一系列大停电事故表明，电力系统由简单故障引起失去功角稳 定或电压稳定从而导致大面积停电事故已越来越少，它们大多是由故障的连 锁反应引起的 1 3 ，1 4 。 从几次大停电的经验教训，我们可以看出，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，但仍存在一些问题得不到解决： 山东大学硕士学位论文 基于纵联比较和电流差动原理的主保护，虽然有很好的选择性和较 快的动作速度，但只能反映被保护设备内部的故障，对系统其它部 分的故障无法提供后备保护。 常规的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。 基于本地量工作的继电保护和安全自动装置和安全自动装置对电力 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，容易导致因为保护和控制装置动作不当带 来的停电。 继电保护系统以切除系统故障为目标，对故障切除以后系统的潮流 转移等运行情况不予反映，无法起到保护故障后电力系统的作用， 甚至可能会因为出现因为继电保护装置正确动作切除故障元件而造 成其它元件的工作异常，并被保护装置正确动作连锁切除而使系统 瓦解的情况。 美加政府联合组成的“8 1 4 事故调查组在最终事故调查报告中指出： “输电线路由于故障被切除导致相邻线路过负荷运行，但线路配置的距离i 段保护由于整定原则的原因，使得过负荷运行时的测量阻抗进入到距离i i i 段 保护的动作圆之内，又因为距离i i i 段保护的动作延时较小，与安全自动装置 没有配合，造成距离i i i 段保护( 和某些整定原则类似的距离i i 段保护) 误动 作切除处于过负荷状态的线路 。虽然保护装置的动作不当不是导致本次事 2 山东大学硕士学位论文 故的主要原因，但毫无疑问，潮流转移以及后备保护的误动作在客观上加速 了这次事故的发展。同时可以看出后备保护无法识别潮流转移和故障引起的 过负荷，这需要我们从全局的观点出发，使继电保护装置与安全自动装置协 调工作，相互配合，避免连锁过载跳闸的发生。换言之，当某元件运行异常 出现过载时，如果确定是由于故障过负荷，则允许保护切除；如果是因为潮 流转移过载，则应临时闭锁后备保护，并采取紧急控制措施消除过载，避免 连锁跳闸的发生。 现代电网的供电覆盖面积越来越大，各子网之间的联系也越来越紧 密，其中的任何一部分发生故障都可能威胁到整个电网的安全性和稳定性。 协调电网中各种继电保护设备和安全自动装置的运行，实现装置间的自动、 优化配合也成为电力系统面临的一个重要问题。要实现这样的目的，必须着 眼于整个电网或系统的结构，详细分析系统中某点发生故障或某个元件、线 路退出运行后产生的影响，根据可能发生的情况采取相应的控制措施。这样 的控制措施是预防性的控制措施，它可在系统发生故障的同时做出优化控制 决策并执行这些控制命令，使系统从一个运行状态平稳地过渡到另一个稳定 的运行状态，不必等待系统参数偏离正常值之后再采取措施。 开展基于广域信息的继电保护和安全控制算法、策略和系统的研究是解 决上述问题的有效途径之一。将继电保护和安全控制在一个系统中完成，相 互协调、配合可以解决长期以来保护控制装置之间相互独立、各自为政的局 面，为互联电网提供更有效的安全稳定控制措施。 广域保护系统 1 5 - 1 7 是基于广域测量和广域通信的新一代保护系统， 该系统中继电保护和安全稳定控制不再是两个独立的功能。广域保护必须对 3 山东大学硕士学位论文 系统安全和电气设备安全综合考虑，在系统发生故障或异常情况时，不但要 保证电气设备的安全，更要确保电力系统的稳定运行。到目前为止学术界对 广域保护系统尚无统一的定义，文献【1 8 】提出建立满足“三道防线”要求的 广域保护系统，并定义如下：借助通信获得电力系统多测点的信息，对故障 进行快速、可靠、准确的切除，完成传统意义上的继电保护功能；同时根据 故障切除前后电网潮流分布和拓扑结构的变化，判断切除故障可能对系统安 全稳定运行产生的影响，进而有选择地采取切机、切负荷、电网重构等预防 性地控制措施，是受扰动地系统从一个运行状态平稳地过渡到另一个稳定的 运行状态，在预防性措施万一不能奏效的情况下，可根据系统多测点电气量 变化的情况，采取协调统一的控制措施，防止发生大规模的连锁跳闸和崩 溃，即把传统的“三道防线 功能融合到一个系统中完成。 1 2 广域保护的研究现状 广域保护系统在功能上将安全稳定控制和继电保护结合在一起，但是从 主要用途和控制实时性上，目前提出的广域保护系统可以分为两大类：一类 是基于广域信息和在线安全分析的广域安全稳定控制和紧急控制系统；一类 是基于广域信息和安全继电保护策略的广域继电保护系统。 ( 1 ) 广域保护用于控制领域的研究 文章广域保护应对电压崩溃【1 9 首次提出了广域保护( w i d ea r e a p r o t e c t i o n ) 的概念。该文论述的广域保护系统是用来预防互联电网的长期 电压崩溃，这里的“保护”不是电气元件的继电保护，而是指广义上对系统 层面的保护，这样的广域保护系统完成的是电压稳定控制功能而非继电保护 4 山东大学硕士学位论文 功能。该系统的通信功能是基于s c a d a 的，通过远方终端单元( r t u ) 获 取所需节点的信息，经过集中式的决策后再由r t u 返回诸如甩负荷、无功 调节、启动s v c 或同步调相机等控制命令。s c a d a 采集的数据是非实时 的，数据刷新频率较慢，因为用于长期电压崩溃的预防，不需要进行快速、 实时的交换数据，因此这样的通信系统满足要求。 水巩t 墨，j ， 电磁暂态 暂态稳定 小信号稳定 电压稳定 手动操作 自动控制 1 动作范围7 常规保护 。 1 动作范围 7 动作范围 自动)：功投切 分掴 头控制 切发电机 低频切负荷 1氐压切负j苛 王程切负 ， 自动解列 e a c t ：；的运行 1 0 d o s 0 0 0 l s0 0 1 s0 1 s l s l o sl o o s 图1 1 广域保护( w a p ) 的定义 此后美国许继公司的蔡运清等人分别发表了广域保护系统应用与稳定控 制系统的研究论文【2 0 】。他们所论述的广域保护系统是被定位在常规保护及 数据采集和监测控制系统能量管理系统( s c a d a e m s ) 之间的系统保护和 控制手段，其定义如图1 1 所示。传统上这类保护和控制系统被称为特殊保 护系统( s p e c i a lp r o t e c t i o ns y s t e m ，s p s ) ，随着计算机技术和通信技术的发 5 山东大学硕士学位论文 展，借助广域测量系统( w a m s ) 及在线动态安全分析技术逐渐发展成为广 域保护技术。 从图1 1 对广域保护系统的定义中可以看到，广域保护的动作时间范围 在0 1 到1 0 0 s 之间，主要完成的是系统的稳定控制功能。控制措施包括自 动无功控制、变压器自动调压控制、切发电机、低频低压切负荷、远程切 负荷、系统解列和f a c t s 等。与传统的稳定控制策略相比，广域保护系统 在信息的获取、控制策略的形成和控制措施的执行的整个过程中，涉及到较 广阔的地理范围，需要更加复杂的计算。 文i f 扶 1 2 提出从系统层面考虑对电网的保护，研究t x 寸输电断面的安全 保护，预防级联跳闸大停电的发生。文章介绍了输电断面的在线快速搜索方 法，对输电断面连锁过载进行有效的实时预测，防治输电断面连锁跳闸的实 时紧急控制。 ( 2 ) 广域保护用于继电保护领域的研究 国外，文献 2 1 ，2 2 提出用g p s 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。 他所提出的广域差动保护主要完成后各保护功能，通过分散安装的终端设备 t e ( t e r m i n a le q u i p m e n t ) 采集所在位置的电流信息，然后通过通信系统将 电流信息传送给中央设备c e ( c e n t r a le q u i p m e n t ) ，电流采样值数据通过外 部的g p s 时钟进行同步，以异步通信( a t m ) 的方式传递。c e 根据获得多 点电流值进行差动计算，做出的决策再进行通信系统下达至相关的t e ，由 t e 跳开所控制的断路器。 6 山东大学硕士学位论文 在我国，广西大学的谭建成提出了建立基于专家系统的广域后备保护系 统 2 3 ，2 4 1 。该系统也采用了集中决策的结构形式，通过采集故障相邻区域四 段距离保护( 正向三段加上反向一段) 的判断结果，运用专家系统的知识进 行决策，判断故障具体位置，并能处理诸如断路器失灵、保护拒动等问题给 故障判断带柬的影响。广域后备保护系统不必通过牺牲快速性来保证选择 性，它可以较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。基于专家系 统的广域后备保护结构如图1 2 所示。 号 图1 2 基于专家系统的广域后备保护系统结构 此外，西南交通大学的王晓茹等提出建立基于多a g e n t 系统的广域后备 保护系统 2 5 1 。a g e n t 是自治的、能相互作用或协作的软件，具有网络通信 能力。自治是指在一定环境汇总的独立行为能力。数字保护继电器就是一个 自治的元件，也被认为是智能电子装置i e d ( i n t e l l i g e n te l e c t r o n i c d e v i c e s ) 。基于多a g e n t 系统的广域后备保护系统相当于在传统的保护装置 7 山东大学硕士学位论文 基础上增加了网络通信、同步相量测量、广域后备保护等功能构成的智能 体，通过网络获取其它a g e n t 的信息进行故障判断和决策。 1 。3 本文所做工作 目前广域保护的理论和技术已经获得了初步的发展，很多学者在此方面 做出了卓有成效的研究。本文在此基础上主要做了以下工作： ( 1 ) 在分析了历次大停电事故的基础上，深层次研究级联跳闸大停电的原 因，结合当前继电保护和安全自动装置系统存在的问题，论述了广域保护的 结构、功能和通信方式的实现。 ( 2 ) 针对目前后备保护基于本地量工作，通过多段式保护的动作时限、动 作定值和动作区的相互配合来实现，本文研究了基于广域多点信息的继电保 护算法。 ( 3 ) 目前继电保护装置不关心线路切除后的系统状况，为此本文详细分析 了故障切除后网络拓扑变化及其潮流转移情况，阐述了潮流转移系数概念， 详细推导潮流转移系数矩阵的在线计算方法，给出了潮流转移相关线路集的 定义。 ( 4 ) 基于广域测量系统( w a m s ) ，研究判断相关集内线路潮流转移过负荷 的方法。将继电保护装置和安全自动装置相互配合，提出预防级联跳闸的广 域保护方案，介绍了其工作过程，并给出工作流程图。 ( 5 ) 简单介绍了p s a s p 的功能及使用，通过对i e e e - - 3 9 节点系统上的仿 真，验证了本文提出方案的可行性 8 山东大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章广域保护系统结构与算法 当前的继电保护运行规程要求继电保护不能依赖通信( 电流差动保护和 纵联保护的点对点通信除外) ，这主要是由于基于对通信系统不够可靠等因 素的考虑。通信技术是近年来发展最迅速的技术领域之一，以太网 ( e t h e r n e t ) 正逐步取代工业控制的现场总线，在许多变电站内都组建了基 于以太网的变电站局域网。许多地区还在高压变电站间铺设了s d h ( s y n c h r o n o u sd i g i t a lh i e r a r c h y ) 光纤环网，将各变电站局域网连接起来构 成电力系统的广域网，并承载a t m ( a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e ) 业务。 近年来一些有关通信方面的标准和规约也纷纷出台，其目的就是保证变电站 内和变电站间信息的快速、可靠交换，例如国际电工委员会的i e c 6 1 8 5 0 。 同步相量测量装置( p m u ) 将被广泛用在电力系统中，以实现全互联电网 范围的同步数据采集，将进一步推动广域保护的发展。 广域保护系统就是在计算机、通信以及同步测量技术不断完善的基础 上、满足大规模互联电网对安全稳定运行的要求、改善现有安全稳定控制系 统和继电保护性能等若干问题的背景下提出的。 2 2 广域同步相量测量系统的发展及应用【2 6 ，2 7 】 基于全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 的相量测量单元 ( p h a s o rm e a s u r e m e n tu n i t ，p m u ) 能将电网中各点的相量测量值( 电流、 9 山东大学硕士学位论文 电压、功角等折算到某个时间参考点的坐标下，它可以在相同的时标下记录 电网不同位置的相量。p m u 利用g p s 所发出的高精度对时信号( 对时精度 可达1us 以内) ，将电压、电流和功角等同步量测量的更新速度由秒级提升 到毫秒级，带来了在电力系统测量方式上的一场革命 2 8 3 4 】。 借助于高速通信网络，可以将p m u 子站分散的相量数据集中起来，构 成电网同一时间断面上的测量信息；随着在电网中p m u 安装数量的增加， 从而可以形成时空坐标下电网全局性的实时动态信息，逐渐构成了广域同步 测量系统( w i d ea r e am e a s u r e m e n ts y s t e m ，w a m s ) 。w a m s 区别于传统电网 监测技术( 如基于r t u 的s c a d a 系统和故障录波器) 的关键点在于：它能在 时空多维坐标下观察系统全局的实时动态机电过程。 2 3 广域保护系统功能 广域保护系统完成两种功能：广域继电保护功能和广域控制功能，继电 保护装置和安全自动装置相互协调工作。 在广域保护系统中，智能电子装置( 1 e d ) 是实现广域保护功能的基本 单元，每个断路器对应一台i e d 。在广域保护系统中，i e d 不再是某电气元 件的保护单元，而可以看作是断路器的控制器。在不同的广域保护系统结构 中，l e d 有不同的功能配置。通常i e d 具备的主要功能有：1 ) 收集对应测 点的电流、电压等模拟量信息和对应断路器的状态量信息；2 ) 根据自身的 故障计算结果和相邻i e d 的信息完成广域继电保护功能；3 ) 作为通信单元 具备与相邻i e d 和上级控制中心通信的功能：4 ) 通过网络交换所需要的各 类信息，执行广域控制功能。l e d 的典型结构如图2 - 1 所示： 1 0 山东大学硕士学位论文 母 线 断路器 变电站局域网 图2 1i e d 功能结构示意图 2 3 1 广域继电保护功能 广域保护系统中的继电保护功能也包括主保护功能和后备保护功能。 主保护功能为依赖通信的基于电流差动或纵联比较原理的单元快速保护。 当前基于电流差动和纵联比较的主保护原理简单可靠，动作延时小 ( 1 0 - - 一3 0 m s 以内) ，动作正确率较高( 9 9 8 6 以上) ，在电力系统继电保护 中占有重要的地位。广域继电保护系统并不能取代现有的主保护系统，而可 以与之协同工作。电力系统发生故障时，主保护应快速、可靠地切除故障元 件，这对于减小扰动对系统的冲击，保证系统安全稳定运行至关重要。如果 w a m s 信息应用于主保护中，一方面，w a m s 获取数据的延时将增加继电保护装 置出口跳闸的时间，延长系统持续故障时间：另一方面，引入w a m s 信息将导致 主保护系统整体设计与原理复杂化，降低保护动作的可靠性。因此，采用本地 山东大学硕士学位论文 量测量，构成快速、简单可靠的主保护是非常必要的，这已在历次电力系统事 故中得到了证明 3 5 。因此，广域继电保护的主保护可以常规主保护并行、 独立工作，认为是双重或多重主保护配置中的“一重 。 广域后备保护在主保护拒动、断路器失灵等条件下启动，后备保护的选 择性通过获取广域故障信息来保证，而不必整定较长的动作延时。需要指出 的是，在满足故障计算和判断的前提下，广域继电保护系统所接收和利用外 部的信息量越少越好，这主要是基于继电保护快速性和可靠性要求考虑的。 广域继电保护系统中的后备保护功能也需要借助通信完成，利用空间多点信 息的比较而不是动作时间上的配合来保证后备保护的选择性，从而达到缩短 后备保护的动作时间，缩小故障切除范围的目的。在通信系统故障、i e d 无 法获得所需信息的情况下，广域后备保护应该将功能降级为常规的不依赖通 信的后备保护，如距离和零序电流的i i 段、i 段等，确保电力系统不会因为 通信系统故障而失去保护。有了丰富的信息做支撑，广域继电保护系统还可 以方便的实现其它功能如自适应保护，通过获取广域信息保护整定值的在线 设定和检验变的更加简单方便，能进一步提高保护系统的性能。 2 3 2 广域控制系统功能 系统的故障被成功切除后可能会恢复到正常的运行状态，但如果切除的 是重负荷线路或互联电网的主要联络线，会发生潮流的转移，被切除支路上 的潮流将按照一定的规律流向其它线路，可能导致相关线路出现过负荷等不 正常运行状态，而进入后备保护的动作范围，发生连锁跳闸大停电事故。在 这这种情况下，广域保护系统还应能够对支路切除后的电网进行拓扑和潮流 分析，判别由于潮流转移引起的过负荷，对可能误动作的保护发出闭锁信 1 2 山东大学硕士学位论文 号，进而采取相应的控制措施，使潮流进入到正常范围。借助通信手段，广 域控制系统能快速收集到多点电气量信息，较全面的反映出系统当前运行状 态，便于实现更优化的控制。广域控制系统的运行方式如下： 与继电保护系统配合动作：除了以系统频率、母线电压等电气参数的变 化量( 率) 为启动信号外，继电保护和断路器的动作信号也能触发广域 控制系统启动。当有继电保护动作或开关变位时，广域控制系统能及时 进行计算分析，根据系统当前状况( 如潮流转移等) 采取预防性控制措 施使系统稳定在正常的运行状态，不必等待参数偏离正常值以后再采取 控制措施，对提高系统稳定性有重要意义。 完成优化控制功能：当前各种控制策略多为离线整定，难以对变化多样 的系统做出准确的反映和优化的控制。广域控制系统能获得电网多点信 息，比较客观的反映系统运行状态，能根据当前状况做出优化的控制决 策，提高系统运行的可靠性和稳定性。 监视系统相角稳定：借助相量测量单元p m u 和通信系统，广域控制系 统能够方便的监视电力系统相角稳定性，当相角增大将要失去稳定时， 能即使采取解列措施。 广域继电保护和控制功能由广域保护一套系统完成，在系统受到扰动的 不同阶段，广域保护起不同的作用。 2 4 广域保护系统结构 根据广域保护系统所完成功能的不同以及各种功能对动作延时、动作范 围和可靠性要求的不同，广域保护系统可分为集成式、集中式和分布式三种 1 3 山东大学硕士学位论文 结构形式 3 6 1 。 2 4 1 集成式结构 集成式结构如图2 2 所示。一个变电站只设一台l e d ，将目前变电站内 配置的各种保护和控制功能都集中到一台i e d 完成。该i e d 负责变电站内 模拟量和数字量信息的采集、与其它i e d 和管理系统通信交换信息、广域 继电保护算法的执行和广域控制策略的生成、跳闸命令的执行等一系列功 能。这样的结构能够大大节省硬件成本和投资，易于实现许多附加功能，但 i e d 需要有足够快的运算速度、足够可靠的硬件结构，并且变电站的内部接 线较为复杂，在变电站内采用电子式互感器和过程总线传输采样值，并采用 双机或多机备用。随着电子技术的发展，运算速度快、可靠性高的c p u 及 外围电路在性能不断提高的同时价格却在逐渐降低，在不久的将来完全有可 能采用这种高集成度的变电站一体化自动装置。 1 4 变电站a变电站b 图2 2 集成式结构示意图 山东大学硕士学位论文 2 4 2 集中式结构 集中式结构如图2 3 所示。在变电站的每一个测量点处都装设终端设 备，在每个变电站或几个变电站构成的区域主站设置中央单元。终端设备完 成的功能主要有： 采集安装点的模拟量信息和开关量信息； 对信息进行简单的处理： 与中央单元通信上传信息，接收来中央单元的命令信息； 根据接收的命令信息执行跳、合开关的操作。 图2 3 集中式结构示意图 中央单元接收来自多个终端设备的信息，完成广域保护系统的各种功 能，做出保护和控制决策后再经通信系统下达至终端设备执行。集中式结构 实际上只在功能决策环节进行了集中，而从信息的采集和通信角度看则属于 分层分布式的结构。 山东大学硕士学位论文 2 4 3 分布式结构 分布式结构如图2 4 所示。在分布式结构中，只在变电站各测量点装设 i e d ，不设中央单元。每个i e d 的地位是平等的，它们的完成的功能主要 - j - o 伺： 采集安装点的模拟量信息和开关量信息； 与其它i e d 进行对等( p e e r t o p e e r ) 通信； 根据自身的信息和通过通信系统接收到的来自其它i e d 的信息做出保护 和控制策略； 根据做出的保护和控制策略执行跳、合开关的操作。 在这种结构中保护和控制策略都是以i e d 为中心完成的，可以设上位 机，但它们只对分布式的i e d 进行管理和监视，并不参与保护和控制策略 的形成过程。 器 图2 4 分布式结构示意图 2 4 4 三种结构的比较 集成式结构能极大的节约硬件投资，简化变电站接线，采用高性能的设 1 6 山东大学硕士学位论文 备后能完成较复杂的功能和多种附加功能，但广域保护功能对集成i e d 的 依赖程度高，一旦集成i e d 故障，将导致整个变电站失去保护，后果十分 严重。因此在集成式结构中必须对集成i e d 实行双机或多机备用。集成式 结构受硬件性能和可靠性等因素的制约，在目前实现起来有一定的困难，但 将来随着电子技术的发展或许能够成为一种可行的结构模式。 在集中式结构中，测量、通信和命令执行功能被分散到多个终端设备中 完成，中央单元只保留决策功能。这种结构对中央单元的依赖程度仍然较 高，因此也需要对中央单元进行双机或多机备用配置。在这种结构下，中央 单元要通过通信系统获取各终端设备的信息，做出决策后再由通信系统将控 制命令下达至终端设备，这样如何控制好信息交换的延时就成为影响到广域 保护系统性能的重要因袭。一般的，在对动作延时要求不高但算法较复杂的 控制系统中宜采用这种结构，如广域稳定控制系统。 分布式结构将保护和控制功能完全分散到各个i e d 中完成，它对i e d 的要求比较高，需要独立完成信息的采集、通信、算法的执行、策略的生成 以及跳、合闸命令的执行功能。分布式结构的系统受i e d 故障的影响较 小，某个i e d 故障一般不会影响到整个保护系统的工作，因此除了特别重 要的测量点，一般没有必要对i e d 进行双机或多机备用设置。在分布式结 构中，只要确定好信息交换的范围，不会出现信息在i e d 之间多次往返的 情况，因此通信延时不会较长。分布式结构使用于功能不复杂但动作延时有 较高要求的场合，如广域继电保护系统。 鉴于上述三种结构的特点，本文所讨论的广域保护系统采取集中式结构 和分布式结构相结合的形式。 1 7 山东大学硕士学位论文 2 5 基于不同保护原理的广域继电保护算法 广域继电保护系统算法包括采用的保护原理、信息的交互过程和相关区 动态形成规则等。采用的保护原理不同决定了保护系统交换数据以及交换对 象的不同，采用一个好的保护原理能够减少整个继电保护系统通信信息，能 够有更好的性能，使广域保护系统的实现有更好的理论基础。而采用的保护 原理需考虑广域电力系统的特点( 如线路一般较长，串补电容和并联电抗器 等各种控制器件的使用 ) ，这些特点对保护原理是否可行有重大影响。 广域保护系统信息交换要求的延时很短，对通信系统的要求较高，同时 要考虑到电网拓扑结构的变化会影响到信息交换的范围。 研究广域继电保护算法，首先需要解决两个方面的问题，第一，每个 i e d 都需要获取谁的信息：第二，获得的信息如何利用。 其中第一个问题是确定保护区域的问题。在广域继电保护系统中，故障 信息接收范围的扩大有助于进行故障判断，但这并不意味着接收信息的范围 越大越好。应该为每个i e d 划分属于它的保护区域，故障发生后该i e d 只 接收来自其保护区域内其它i e d 的信息。为每个i e d 划分保护区域主要是 考虑到两个方面的原因：一是保护区域划分越大，通信网络上的数据量越 多，容易产生网络阻塞问题；二是因为继电保护系统对快速性有很高的要 求，越是电压等级高的系统，要求故障切除的时间也越短，因此没有足够的 时间等待接收更大范围内的故障信息；三是对电力系统来说，某点发生故障 所影响的区域是有限的，只有与故障点相邻的区域受故障影响最大，随着与 故障点距离的增大，受故障的影响也逐渐减弱。所以对继电保护系统而言， 1 8 山东大学硕士学位论文 故障点相邻、相近区域内的信息对故障判断意义最大，而远离故障区域的信 息对该故障点位置的判断则无关紧要，甚至没有意义。因此有必要根据一定 的原则为每个l e d 事先划分好保护范围，也就是限定信息的交换范围。当 然，l e d 的保护区域不应该是固定不变的，而应随着网络结构的变化动态调 整。 第二个问题就是如何利用广域的信息构成广域继电保护算法的问题，主 要包括交换信息的内容、形式和故障判断的方法、判据等。构成广域继电保 护算法要遵循如下几个原则： ( 1 ) 在满足故障判断的前提下，所利用的信息越少越好； ( 2 ) 所利用的信息在形式上越简单越好； ( 3 ) 故障判断和计算过程越简明越好，最好是通过一次信息的收集和简 单的运算就能明确故障位置； ( 4 ) 能应对各种非正常情况，如l e d 拒动和误动、断路器失灵、变电站 直流电源故障等； ( 5 ) 新的广域继电保护算法应比现有的保护算法在性能上更优越，能够 解决某些常规保护算法难以解决的问题。 目前，对广域继电保护算法的研究主要有：基于纵联方向原理、基于距 离元件以及基于电流差动保护原理的广域继电保护系统。 2 5 1 广域纵联保护原理 文献【3 7 】提出一种利用广域故障方向信息的方法来实现故障判别的广域 纵联保护，它包括以下步骤： 1 9 山东大学硕士学位论文 ( 1 ) 对每个l e d 事先划定好各自的保护区域，以便故障发生后与其它 i e d 进行有目的的信息交换： ( 2 ) 对每个i e d 都列出其最大保护区域内所包含的被保护设备( 线路、母 线、变压器等) 与i e d 的对应关系表； ( 3 ) 在所研究的i e d 内部，将其它i e d 传来的故障方向信息按对应表中 的关系进行比较计算，确定出故障发生的区段。 基于这种设计思想，在电力系统故障时，故障点邻近的所有i e d 都能 够确切地判断出故障点所在的位置，然后根据预定的逻辑执行相应的操作。 为增加故障方向元件输出的可靠性，在每个i e d 中可采用多种原理的故障 方向判断算法。 基于方向元件的广域纵联保护由于传送的是动作信号及开关量，所以在 广域系统中的传输数据较少，对网络的带宽要求不高，但是方向元件本身在 某些特定的条件下可能会误动作，例如：系统振荡时方向元件很容易误动， 另外反映正序故障分量的方向元件，当正向故障时，如果保护背侧有大电 源，可能会将正向故障判为反向故障等。而且该算法没有给出具体的保护区 域动态形成规则，当电力系统拓扑发生变化后，保护不能动态的调整通信对 象，很容易导致广域保护系统的误判。 2 5 2 基于距离元件的广域继电保护原理 基于距离元件的广域继电保护是利用相关区域l e d 的所有距离元件的 动作信息和开关信息综合判断来实现故障判别。 谭建成在文献 2 9 】中提出通过收集相关区域的保护各元件及开关信息， 山东大学硕士学位论文 利用变电站内的专家系统来判断故障元件及相应采取的后备保护动作。他主 要关注的是保护算法，这种保护算法的特点是：利用己有的距离保护各元件 的动作情况，通过定义距离保护中各段的动作系数a f ( a c t i o nf a c t o r ) ，首次 把概率的思想运用到保护中，利用己有的距离保护各元件的动作情况，根据 主判据来判断元件或区域出现故障概率，某个电力元件出现概率越大，则最 先切除该元件，同时监视断路器是否失灵，如果发生断路器失灵，就向相邻 i e d 发断路器失灵触发信号，相邻的i e d 根据所在位置是否存在故障电流 确定是否跳开所控制的断路器。它不需要严格的同步技术，而且在现有保护 的基础上改动较小，但是，距离元件在系统振荡时容易误动作，且带过渡电 阻能力弱，而且论文未对广域保护信息的交互过程做进一步的研究。 2 5 3 广域电流差动保护原理 基于基尔霍夫电流定律的常规电流差动保护原理简单可靠，灵敏度高， 被广泛用作为输电线路、母线和电气设备的主保护，运行效果良好。广域电 流差动保护原理跟常规保护基本一样，也是满足基尔霍夫电流定律，不同点 是，常规电流差动保护的保护对象是单个电气元件，而广域电流差动保护的 保护对象由单个元件扩展到某个区域。 y s e r i z a w a 提出的广域电流差动保护包括主保护和后备保护，以获得更 好的选择性，更快的故障切除时间，更小的停电范围。用1 5 5 m b p s a t m ( 异 步传输模式) 网路链路层的局域网以及g p s ( 全球定位系统) 接收器来实现各 远端的电流同步采样，在不同的电网状况和通信条件下都有较满意的行为效 果。但该文没有对广域电流差动保护的算法做进一步的研究，他所采用的广 2 1 山东大学硕士学位论文 域电流差动保护在电力系统中的应用还很不成熟( 如电容电流、电流互感器 饱和问题等1 。 分相电流差动保护原理简单可靠，具有天然的选相能力，保护灵敏度高 且动作速度快，能适应电力系统振荡、非全相运行、双回线跨线等各种复杂 的故障和不正常运行状态，在保护原理上有较明显的优越性。但是要把差动 保护运用到广域电力系统中去，还需考虑很多广域电力系统的特点( 如线路 一般较长，补电容和并联电抗器等各种控制器件的使用) ，对差动保护原理 还需进一步的研究。 2 6 本章小结 本章论述了广域保护系统的结构以及功能配置，通过几种结构的分析比 较，本文讨论的广域保护系统采取分布式和集中式相结合的结构。智能电子 装置( i e d ) 是广域保护系统的基础装置，它负责模拟量和数字量的采集、 故障的判断、跳闸或闭锁命令的执行；位于主站的保护中心负责对系统的拓 扑分析并制定相应的控制策略。本章分析了广域继电保护的几种算法原理， 可以得出，广域继电保护目前虽然无法取代主保护的作用，但为后备保护的 改进提供了方向。 山东大学硕士学位论文 3 1 前言 第三章线路切除后网络潮流的分析计算 近几年发生的大停电事故己充分显现出连锁过载跳闸的危害，分析表明 事故的源头是某条线路因故障断开后，导致其它线路因为潮流转移过负荷， 从而引起后备保护连锁动作。所以对某条线路断开后负荷转移的规律进行研 究，判断是否会引起其它线路过载是很有必要的。当线路因故障或其它原因 断开后，其潮流转移将引起全网系统潮流的重新分布。实际上，当某条输电 线路发生开断时，只有部分线路受潮流变化的影响较大，也只可能导致部分 线路过负荷 3 8 1 。 本章将对线路切除后网络潮流的变化规律进行探讨，为预防级联跳闸的 保护策略提供理论依据。首先从电网的拓扑结构和网络参数出发，对潮流在 系统中的转移特性进行分析，阐述用于反映潮流在电网中各支路之间转移关 系的潮流转移系数的定义 3 9 1 。由各支路之间的潮流转移系数构成整个电网 的潮流转移系数矩阵，从而可以直观显现整个电网的潮流转移关系，是判断 潮流转移和预防连锁跳闸控制的基础。 3 2 潮流转移系数的概念 3 2 1 潮流转移的物理过程分析 系统中某条线路被切除后，其原来的潮流必将转移到系统其它支路上 去，那么未切除支路上承担的潮流转移量与被切除的支路潮流有什么样内在 山东大学硕士学位论文 联系呢? 我们通过图3 -