电力系统广域保护综述与展望

1、电力系统广域保护综述与展望（电气工程信息学院，江苏大学，江苏省 镇江市）The Summary and Outlook of Wide-area power system protectionAbstract: Because of the development of power system, the connection between them has become more common. It increased the possibility of malfunctions and accidents of power systems, and put forward new d

2、emand of protection. The growing of communications technology and measuring technology makes Wide-area power system protection which based on wide area measurement has a quick development. This paper gives a comprehensive review and synthesis on the concept and principle of several kinds of Wide-are

3、a power system protection and makes an outlook of them.Keywords: Power system, Wide-area power system protection, protection 摘要：随着电力系统的发展，电力系统之间的互联也越发普遍，电网构造越发复杂。这加大了系统发生故障和事故的可能性。这对继电保护提出了新的要求。通信技术与测量技术的发展使得基于广域测量的广域保护技术得到迅速发展。文中对广域保护概念与目前主要几种广域保护的原理及其应用进行了较全面的回顾与综述。并且对于其发展前景做出展望。关键词：电力系统，广域保护，继电保护

4、0 引言常规继电保护用于在电力系统发生故障后实现对故障元件的自动和快速切除，以隔离故障、保证人身和设备安全以及无故障部分的正常运行。当故障发生及切除后，往往会对系统产生大的扰动，严重时还会使系统遭受因过载、过/低频，过/低压，系统负荷调整，功率振荡等引起的系统解列，甚至整个系统的崩溃1。在我国的电力系统中，故障切除后的稳定与控制功能通常是由安全自动装置来实现的，传统的安全自动装置一般属于事故后控制，如低频卸载。在某些特殊情况下，如果系统恶化的速度很快，可能在自动装置采取措施之前系统就已经发展成为严重的崩溃事故。此外，在传统的保护和自动装置中，所采用的动作判据通常是基于本地测量数据的，无法很好地

5、把握全局动态特性和实现各级安全装置之间的协调与配合，以保证系统全局的安全稳定运行，防止事故的进一步扩大。随着电力需求的不断增长、电力市场的改革与发展以及电力系统规模的不断扩大，电力系统日渐接近其极限运行，其运行和控制更为复杂，发生扰动和故障的可能性更大，后果也更加严重4。这对电力系统安全运行带来了更大的挑战，传统的继电保护方法已经不能为之提供可靠有效的保护。因为资金和环境的约束以及竞争的压力，输电系统扩展越来越困难。为此要求更充分地利用现有电力网络资源，这对稳定控制提出了更高的要求。随着测量技术和计算机及通信技术的快速发展，为建立更完善的保护控制系统提供了有利条件。基于广域测量的广域保护就是在

6、这种背景下应运而生的。本文接下来将对广域的概念，以及几种目前主要应用的广域保护的原理做出综述，并且根据目前的发展形式和需求状况对未来广域保护的发展做出展望。1 广域保护的概念1.1 广域保护的定义图 1 广义保护的定义广域保护WAP （Wide Area Protection）的概念最早由瑞典学者 Bertil Ingelsson 等学者提出，但到目前为止，对广域保护系统还没有一个公认的定义，各种文献给出了不同的定义。从总体上讲，对广域保护系统的定义可以归结为两类：一类仅涉及故障或扰动后的系统保护，即稳定控制；另一类则包含了稳定控制和常规保护。但不同定义有一个共同点，即都是以广域信息收集为基础

7、的。目前官方对广域保护的定义大都属于第一类由图1表示。1.2 广域保护与现有继电保护的区别传统的继电保护主要集中于元件保护，以发电机、线路、母线、变压器和电动机等为保护对象，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。而广域保护利用广域测量系统的相量测量信息，实现对故障进行快速、可靠和精确的切除， 同时能对切除故障后或经受大扰动的系统进行在线实时安全分析，必要时采用适当的措施防止系统发生大范围或全系统停电。目前提出的广域保护系统可以分为两类：一类是利用广域信息，主要具有安全监视、控制、稳

8、定边界计算及状态估计等功能，其侧重点在广域信息的利用和安全功能的实现；另一类则是利用广域信息，完成继电保护功能2。2 广域测量技术相量是电路分析的基本工具，即使电力系统处于某些非稳定状态，如功率摇摆 ( power swing) 状态，由于电压和电流值的变化比较缓慢，因此仍可将这些变化看作一系列稳定状态，这样仍可用相量来描述系统的行为。系统范围内的广域同步相量测量由于具有描述系统动态行为的能力，因而在电力系统中得到了越来越广泛的应用。如状态估计、自适应保护、在线不稳定预测、故障录波、扰动录波、输电和发电系统计算模型验证等。这为电力系统规划、控制和保护以及运行与维护的进一步发展提供了很好的基础。

9、PMU是完成同步相量测量的基本设备，可以安装在电力系统中选定的不同地点，精确地同步实时测量系统的电压和电流值，然后将这些信息发送到一个中心点集中进行比较、评估及其它处理。PMU利用接收到的同步信号通过对测量数据加时标的方式来实现测量同步，其结构图如图 2所示。在同步信号源方面，多推荐使用全球定位卫星系统 ( GPS )。该系统为美国国防局无线电导航系统，具有高可用性、冗余性、可靠性和准确性等特点，其连续时间精度可达毫秒级，因此特别适合同步相量测量系统。此外，还有其它一些精确的可选同步信号源，俄罗斯的GLONASS系统和欧洲的 Galileo系统。图 2 向量测量单元PMU设备以及在它们之间建立

10、通信连接的费用是比较昂贵的。考虑到现代电力网络本身是一个很庞大的系统，在系统中的所有变电站都装设PMU设备成本太高，而且一般也没有必要。因此，需要研究最优的 PMU配置方案OPP，寻求一个既能满足监测系统的可观测性要求，同时数量最少的 PMU 配置方案。 国内外对这个问题已经开展了广泛的研究，许多文献研究了 PMU在状态估计中的应用。在建立三层结构的广域保护系统时，一般都是先实现广域监视，此 WAMS得到广泛应用。WAMS一般以 PMU为基础， WAMS应用中，分布在整个系统中的大量 PMU设备都连接到一台被称为数据集中器 ( data concentrator) 的个人计算机上，而可在线获取

11、整个系统的动态行为。这为评估和维持系统稳定，止发生电压、功角或频率不稳定、过载和振荡等提供了一个平台。通过在数据集中器上增加控制和保护功能，提供与上层系统进行通信的 Hub接口，该数据集中器就可以转化成为一个本地保护中心 ( LPC)。目前国内已有自主研制的 WAMS系统并已投入实际运行，如由四方公司与清华大学合作开发的我国第一套真正意义上的 WAM S系统 CSS-200电网动态安全监测系统， 2003年起已相继在三峡送出、华中华北联网、华北电网、东北电网和江苏电网等地投运。3 主要应用的广域保护3.1 分散式广域保护系统分散式 WAPS 是指把数据分析和决策过程放在分散于电力系统各处的系统

12、保护终端SPT （System Protection Terminal） 上执行的WAPS5。SPT放置在不同变电站中，通过环型通信网络相连。SPT 从CT、VT或PMU获得本地测量数据，并通过网络获得其他 SPT 数据库的数据，在丰富信息的基础上，通过相对简单的算法和判据，可以实现多功能、可靠、灵敏的系统保护， 如广域电压稳定控制、 自动负荷控制、自动汽轮机投入、变压器抽头调节闭锁等。分散式 WAPS 的 SPT 结构及其信息交互情况如图 3所示。由于通信系统失效的可能性不能排除，所以 SPT 和通信系统应该保持相对独立，SPT 应能检测到通信系统的故障，而且即使通信系统部分或全部失效，保护

13、终端依旧可以通过本地数据和本地准则执行保护措施。在分散式结构中，即使一个保护终端失效，邻近终端也可以作为此终端的后备。该结构可以较好地克服集中控制方式中对控制中心设备要求过高的问题，但是SPT获得的信息有限，而且数据分析能力和决策能力有限，不能做到全局最优的控制。图 3 分散式WAPS的SPT结构及其通信接口3.2 集中式 WAPS集中式 WAPS 从整个电力系统采集数据，在控制中心集中进行数据分析和控制决策，然后把控制命令发给各个 SPT 以实施控制。由于是从整个系统的角度来分析和决策，因此可以做到全局最优控制，更能体现广域保护的优势。在通信系统和分析决策系统的能力能够达到要求的前提下，集中

14、式结构是优于分散式结构的， 因此集中式 WAPS 是未来 WAPS 的发展方向。从结构上来看，集中式WAPS应该包含以下几个子系统如图 4所示。3.2.1 数据采集系统数据采集系统负责 WAPS 所需数据的收集，可能包含电流、电压幅值及相位，频率，开关位置，发电机投切状态，继电器信号等。相量测量单元 PMU 的引入和大量应用为 WAPS 的实施创造了条件。PMU 可以实时采样电流、电压的幅值和正序功角， 更新速率至少 1/30s （额定频率为60Hz的电网） 或1/25s（额定频率为50Hz的电网），而且带有 GPS 对时功能，可以保证不同地点采样数据的同步性。但由于 PMU 成本较高，目前不

15、可能在电力系统的所有节点装备 PMU，而实际上也不需要在所有节点安装 PMU，关于 PMU 安装点的选择，有文献提出了多种方法。3.2.2在线数据分析和决策系统在线数据分析和决策系统：在收集到大量数据之后，必须经过处理才能得到需要的系统参数，例如系统的潮流分布等。数据分析的难点在于从大量的数据中滤掉不正常数据，并正确估计出电力系统的状态，从而判定系统是否处于不安全的状态。然后从电力系统状态及不安全状态的诱导因素迅速识别出广域扰动的种类，并根据扰动激烈程度和现象持续时间把扰动分成不同等级，以选择相应的保护和控制措施，并且确定其中调节性措施的控制量大小。多重控制措施可能会被同时选择，这就需要预测后

16、果并协调各种措施，以避免控制效果相互抵消。在控制命令发出之后，还需要根据实时采集数据不断估计系统状态，以调整控制措施。图 4 集中式WAPS的构成3.2.3 执行系统执行系统是控制措施的实施者，由分散于电力系统各处的多个 SPT 以及相应的电力系统执行元件组成。 不同于分散式 WAPS 的 SPT，此 SPT 不需要有数据处理和决策功能，也不需要和其它 SPT 通信，只需接收从控制中心发来的命令，执行相应控制7。SPT 及其执行元件的控制速度和精度将直接影响控制措施的效果，因此是衡量执行系统性能的重要指标。3.2.4 通信系统通信系统，需要实现采集数据的上传和控制命令或 SPT 整定值的下传。

17、由于 SPT没有决策能力，因此集中式 WAPS 对通信系统的依赖程度很高，通信系统的可靠性和实时性对整个 WAPS 的功能实现与否至关重要。3.3三层式 WAPS图 5 三层式 WAPS 结构将集中式WAPS分层，可以结合分散式和集中式 WAPS 的优点。比较理想的情况是把WAPS分为三层，即三层结构，如图5所示。底层为大量的 PMU 和 SPT 或附带保护功能的PMU；中间层为几个本地保护中心 （LPC, Local Protection Center），每个 LPC 与多个 PMU 通信，完成数据收集以及区域控制和保护功能，多个 LPC 相互配合共同实现系统保护方案；上层为一个系统保护中心

18、 （SPC, System Protection Center），它对各本地保护中心起到协调作用，实施系统安全防御。三层式WAPS可以把大量原始数据的处理分散在LPC 进行，从而把大量原始数据传输限制在各个有限区域之内。LPC把运算结果和少量的原始数据上传到SPC。SPC的系统控制命令下传到 LPC，再转发给 SPT。目前 WAMS 已经得到广泛应用，而WAMS一般以 PMU 为基础，因此三层结构的广域保护系统可在 WAMS 的基础上实现。在WAMS应用中，分布在一个区域的所有PMU设备都连接到一台被称为数据集中器（DC，Data Concentrator）的计算机上，DC 使用数据库大量储存

19、相量数据6。 LPC 可直接访问 DC 的数据以获取整个系统的动态行为。也可以直接在 DC 上增加控制和保护功能，使DC转化成一个 LPC，再把这些 LPC 连接到SPC 就可以整合成广域保护系统。4 广域保护多 Agent 系统动态协作机制图 6 广域保护协作流程图广域保护多 Agent 系统的动态协作机制。基于分区域分布集中式多 Agent 广域保护系统结构，结合多信息融合的广域故障识别保护算法，研究广域保护主站和子站，子站与子站间的信息动态协作机制，图 6描述了保护系统对故障识别、容错处理和执行处理等动态协作机制的处理过程，并利用状态机描述多 Agent 系统的整体协作机制。5 广域保护

20、的发展前景随着广域测量系统及动态安全分析技术的快速发展，广域保护有着广泛的应用前景3。未来的广域保护将应用于以下领域。5.1 系统监测及事故记录这是广域测量系统最基本的应用之一。记录下的数据可用来复现事故过程，对控制及保护系统进行评估，从而提高电力系统的安全性。5.2 状态估计由于功角测量设备可以得到实时同步的系统工况 ( 电压/电流相量的幅值及正序功角 )，在此基础上进行状态估计可大大提高结果的精度。5.3 自适应保护广域保护技术在原理上非常适应于自适 应保护的整定,特别是当这类保护的整定值依赖于大区域系统的运行状况时。5.4 与传统保护和SCADA/EMS系统的整合传统的线路及装置保护的任

21、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，广域保护可以作为线路和装置保护的后备保护。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。此外利用广域测量可以实现自适应的纵联保护、距离保护、自动重合闸及失步保护等。5.5 与多Agent体系结构相结合Agent是一些具有自主性、社会性、反应性、目的性和适应性的实体，多个Agent可以构成多Agent系统，它们之间共享信息、 知识及任务描述，多Agent通过单个Agent的能力及某种通信方法来协调它们的作用、分配和收集信息，以实现总体目标。多Agent体系结构可以使广域保护系统更加开放、 更具模块化，还能缓解对通信统的压力，增强对大事故的处理能力。5.6 建立新的信息交换及预警机制分析北美电网一年的次扰动可知