广域保护综述与展望

1、第18卷 第9期 牡丹江大学学报 Vol.18 No.9 2009年9月 Journal of Mudanjiang University Sep. 2009113文章编号:1008-8717(200909-0113-03广域保护综述与展望倪 红(恩施职业技术学院机电工程系,湖北 恩施 445000摘 要:本文论述了广域保护的概念以及与传统继电保护的区别与联系,分析了广域保护的性能要求,讨论了广域保护关键技术,探讨了未来广域保护的发展方向。关键词:广域保护;概念; 关键技术;发展方向 中图分类号:TM77 文献标识码:A 引言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

2、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。目前,电网规模越来越大,各大区域电网逐渐互联,然而,各个区域电网的联系仍非常脆弱,往往仅通过数条超高压、远距离输电线路相联,在夏季等重负荷时期,在这些关键的联络线上传输的功率常接近其输送功率极限。在这种情况下运行的系统抗扰动的能力将大大降低,很容易因为一条联络线发生偶然事故断开后造成其余线路过负荷而相继断开,从而使事故蔓延,甚至造成系统崩溃。现有的保护及安全自动装置互相之间又缺乏有效的协调,在某些情况下(如发生连锁故障时会恶化系统的运行状况,因此不适应电力系统发展的要求。很多文献1-4都对广域保护系统进行了定义,即获取电力

3、系统的多点信息,利用这些信息对故障进行快速、可靠、精确的切除,同时分析切除故障对系统安全稳定运行的影响并采取相应的控制措施,可提高输电线可用容量或系统可靠性,这种同时实现继电保护和自动控制功能的系统称为广域保护系统,又称为稳控系统。它在电网保护控制中是基本定位于常规保护及SCADA/EMS 之间的系统保护控制手段,其动作时间范围在100 ms100 s 之间。一、广域保护与传统继电保护的区别与联系 传统的继电保护主要集中于元件保护,以线路、母线、变压器、发电机和电动机等为保护对象。其工作方式是采集装置安装处的系统电流、电压量,经过计算后得到一些反映系统状况的参数值,然后与预先整定的门槛值进行比

4、较,若超过门槛值则执行某种动作。传统的保护以切除被保护元件内部故障为己任,主要通过开关动作来实现故障隔离,各电力设备的主保护相互独立,不顾及故障元件被切除后,剩余电力系统中的潮流转移引起的后果。比如故障元件被保护装置正确切除或正常元件被保护装置误切除后,由于功率的转移引起相邻电力元件的过载,导致过载保护动作等,这是传统继电保护的固有弊端。广域保护更注重保护整个系统的安全稳定运行,可识别系统的各种运行状态(正常状态、警戒状态等,通过调节系统的P-、Q-v 和各种保护措施,同时实现继电保护和自动控制的功能,其中可能会有本地、远程开关的动作,以避免局部或整个系统大面积停电或崩溃等严重事故的发生,保证

5、电网在故障后仍能保持所需的安全稳定工况。传统的线路及装置保护的任务是将故障与系统隔离,快速性是其最基本的要求之一,而广域保护因为需要通信并进行相对复杂的计算,在时间上很难达到传统保护的要求,因此,广域保护并不能替代传统保护。但另一方面,广域保护将系统作为一个整体考虑的优势也是传统保护所不具备的。若能将两者结合起来,充分利用双方的优点,将是一个不错的选择。1.目前的线路和装置保护动作门槛值都是依靠离线收稿日期:2009-02-25作者简介:倪红(1965,女,高级讲师,主要从事电力系统研究。计算事先整定的,不能根据系统运行状况的变化而改变,因此也就产生了互相之间缺乏配合的问题,连锁故障的发生大多

6、就是因为这个原因。若能利用广域保护对系统运行状况的计算结果实时修改保护的门槛值,就能有效防止级联事故的发生。2.广域保护可以作为线路和装置保护的后备保护,当线路主保护或断路器出现故障不能正常断开故障线路或装置时,广域保护可以根据它得到的线路两端的电压、电流值依据方向或差动保护的原理隔离故障。二、广域保护的性能要求一个成功的广域保护系统应具有以下的性能特点2。(1可测性:有足够的采样点来准确获得所需的系统状态,包括正常运行状态及故障状态(如跳线等。(2选择性:能根据运行准则准确判别不安全的系统状态(包括对预警及安全运行域的确定。这是广域保护(稳控系统的核心要求。它不仅需要准确可靠的测量数据,还依

7、赖于系统的实时分析能力。同时,还必须选择正确的控制策略,以避免大面积的甩负荷。(3安全性:广域保护(稳控系统在不必须时能随时退出运行,它不能作为紧急控制的手段,除非在系统崩溃的情况下。(4可靠性:整个广域保护(稳控系统要有足够的可靠性。这牵涉到各个环节,包括数据采集、通信系统、软件分析和执行终端(切机、切负荷等。应考虑适当的冗余及备份,并保证关键设备故障时备用件能自动切换。(5有效性:主要指稳控措施的实施速度和精度。任何稳控措施的实施都有速度要求,满足这样的要求需要硬件和软件的协调配合。稳控措施的实施精度直接影响到稳控的效果,因而也需仔细考虑。(6鲁棒性:即稳控系统在动态运行或稳态运行的情况下

8、能可靠、安全、稳定地运行。广域保护(稳控系统的设计应考虑到各种可能的系统运行方式,对未考虑的运行方式应有反误动措施。(7易维护及易扩展性:这些要求是显而易见的。采用开放式及模块式的系统结构能较好地满足这样的要求。(8其他:在广域保护(稳控系统的设计中,还应考虑其他的一些因素,例如,和现有稳控系统的协调、外部等值网的处理等。三、广域保护系统应解决的关键问题广域保护系统应解决的关键问题一般包括如下几方面1。1.对电网大面积停电事故发生的根本原因缺乏了解以及有效的判别方法,导致广域保护设置的困难。(1连锁故障的发生。在国外最近发生的几次大停电事故中,事故的起因通常是很小的随机事件,然而由这些小事件引

9、发的连锁故障却很快造成了系统崩溃。目前,这样的连锁故障己经成为电网安全运行的杀手之一,对连锁故障发生的根本原因还认识不够,更缺乏有效的预防手段。(2电网暂态电压稳定性的破坏。电力受端系统的暂态电压稳定性破坏是引起大面积停电的主要诱因之一。在暂态电压不稳定的判别方面,由于负荷动态行为的复杂性,迄今还没有任何理论和方法经过实际检验可作为电网暂态电压稳定性评估的科学判据。2.如何实现可靠的实时通信。相对于传统的监测与控制系统,广域保护系统对通信提出了更高的要求。暂态功角首摆不稳定从开始到系统失稳的整个过程仅持续14 s左右,这就要求广域保护系统从发现事故到确定系统稳定状况再到发出并执行控制指令所消耗

10、的时间不能超过数百毫秒,而且除去PMU的数据刷新时间(目前实际应用的系统大约每40 ms刷新一次数据和控制中心计算所需的时间,留给数据通信的时间就更少了。同时,系统发生事故时正是系统数据传输最繁忙的时候,各种遥测、遥信、报警信息纷纷涌向控制中心,通信网络可能因为数据量太大而发生阻塞。这时,如何保证优先、可靠地传送最关键的数据也是需要解决的一个问题。此外,在通信系统发生故障时,如何避免影响数据通信、造成数据丢失也需要进一步研究。3.对电网的监测与控制方法。对电网的监测与控制方法是广域保护的核心,目前这方面的工作主要包括以下几个方面。(1PMU的配置。由于成本原因,在系统的每个节点都配备PMU是不

11、现实的,而且也没有必要,所以如何利用有限的PMU在实现系统可观测性的前提下尽可能提高各种基于PMU的高级应用的精度和鲁棒性就成为迫切需要解决的问题。(2如何充分利用PMU提供的新的系统信息。目前,世界上很多国家的电力系统都己经安装了PMU,但这些PMU所提供的新的系统信息还没有得到充分的利用。(3如何协调系统中各种保护及安全自动装置的动作。系统中存在的各种保护及安全自动装置的动作原理和动作时间均不相同,对系统产生的影响也不一样,如果协调不好,它们之间的相互影响可能反而会使系统的运行状态更加恶化。四、未来广域保护系统的发展方向5-71.广域保护与SCADA/EMS的整合。如何利用SCADA/EM

12、S中现有的数据?如何利用状态估计、动态安114全分析得到的结果确定相应的控制方案?如何将“域保护确定的控制方案对系统稳定性的影响反馈给EMS,以便更充分地利用电网的输电能力?2.广域后备保护。广域后备保护系统可采集多点信息,不必牺牲动作时间来保证选择性,它可以根据广域信息对故障定位,克服主保护拒动、断路器失灵等情况下后备保护动作时间过长、停电范围扩大的问题,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现象。由于不完成主保护功能,因此,广域后备保护对信号传输延时的要求稍低。3.广域差动保护。纵联差动保护是较为理想的快速保护,差动保护对各测点信息的同步性有严格要求,因此,如何保证信息的同步采

13、样和同步传输是关键问题。基于 GPS 的同步采样技术和基于 ATM的异步传输技术可以应用到广域差动保护系统中,以保证信号传输的同步性和快速性。在系统构成上,广域差动保护系统可以采用集中式和分布式两种结构。4.广域保护的另一种应用是进行紧急控制6-7。当前的紧急控制策略考虑的范围较小,当系统进入紧急状态时,只能以小范围的局部系统为控制对象,这样的控制策略有两个明显的缺点:(1无法做到优化控制;(2面向局部的紧急控制难以防止大规模连锁崩溃事故的发生。基于广域信息的紧急控制系统不仅可以提高对重要负荷供电的可靠性,减小停电范围,而且广域紧急控制策略对防止大规模互联系统发生连锁崩溃事故意义重大。不同于继

14、电保护系统,紧急控制系统对实时性要求并不严格,许多复杂的计算功能需要依赖后台计算机完成,因此在结构上最适合采用集中控制模式。参考文献:1易俊,周孝信.电力系统广域保护与控制综述.电网技术,2006,30(8:7-12.2丛伟,潘贞存,丁磊.满足“三道防线”要求的广域保护系统及其在电力系统中的应用.电网技术,2004,28(18: 29-33.3张晶晶,丁明.广域保护系统研究.合肥工业大学学报, 2006,29(4:440-443.4蔡运清,汪磊,Kip Morison,等.广域保护(稳控技术的现状及展望J.电网技术,2004,28(8:20-25.5Zima M,Larsson M,Korba

15、 P,et al. Design aspects for wide-area monitoring and control systemsCj. Proceedings of the IEEE ,2005,5: 980-996.6Bertsch J, Carnal C, Karlsson D,et al. Wide-area protection and power system utilizationC. Proceedings of the IEEE, 2005, 5: 997-1003.7崔沅,程林,孙元章等.电力系统实时决策系统中的实时通信J.电力系统自动化,2002,26(8:6-1

16、0.(上接112页表2 子模型法和一阶法优化后的计算结果 子模型近似法2338.29mm312.57mm204.73MPa一阶法2325.31mm312.68mm206.66MPa理论值2323mm312.7mm 207MPa由表2可以看出,通过子模型法和一阶法优化后的计算结果都与理论值比较接近,一阶法精度更好,但由于迭代次数较多,计算时间比子模型法更长一些。五、结论本文对一自由端受集中力偶作用的悬臂梁机构进行了基于有限元分析的截面形状优化设计,最终的优化结构:总体积由初始的3098mm3变化为2338.29mm3和2325.31mm3;最大挠度由初始的5.7mm变化为12.57mm 和12.68mm;最大应力由初始的180MPa变化为204.73MPa和206.66MPa。与理论值比较,优化结果是合理的,其中