電改新形勢下的繼電保護(hù)探析

我國的電網(wǎng)運(yùn)行存在幾個(gè)突出特點(diǎn):一是發(fā)電裝機(jī)中以燃煤火電機(jī)組為主,發(fā)電導(dǎo)致的環(huán)境污染問題日益突出;二是能源中心與負(fù)荷中心逆向分布;三是配電模式還是以單電源模式為主,電能消費(fèi)依舊是由電力部門主導(dǎo)。智能化電網(wǎng)的建設(shè),將在電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、配等環(huán)節(jié)進(jìn)行改革,逐步降低一次化石能源在發(fā)電系統(tǒng)的占比,積極發(fā)展風(fēng)能、太陽能等綠色能源;同時(shí)通過建設(shè)超/特高壓輸電網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)電力資源的優(yōu)化配置;積極推廣多電源配電模式,強(qiáng)化電網(wǎng)的服務(wù)職能。為適應(yīng)智能化電網(wǎng)建設(shè)的需要,電網(wǎng)的繼電保護(hù)要積極構(gòu)建更加合理可靠的保護(hù)系統(tǒng),研究適應(yīng)智能化電網(wǎng)改革需要的繼電保護(hù)方法。

1我國智能化電網(wǎng)建設(shè)現(xiàn)狀

自從提出電網(wǎng)的智能化改革以來,我國的電網(wǎng)智能化取得了許多成就,特別是在超/特高壓電網(wǎng)的建設(shè)及投運(yùn)、新能源(例如風(fēng)能)電力的并網(wǎng)運(yùn)行以及智能化的配用電方面進(jìn)行了一系列深遠(yuǎn)而有意義改革。但是,隨著改革的進(jìn)一步推進(jìn),電網(wǎng)的智能化也面臨著不少的困難和問題,其中主要體現(xiàn)在以下幾方面。

(1)長距離電力輸送系統(tǒng)對電力的安全運(yùn)行形成挑戰(zhàn)。我國的能源集中地主要是在西部、北部等經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū),而經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的東部及南部沿海地區(qū)能源明顯不足,這就在客觀上決定了我國必須要建設(shè)大量的交直流混合、超/特高壓的輸電網(wǎng)絡(luò)。長距離、交直流混合以及超/特高壓輸電網(wǎng)絡(luò)成為我國電力輸送的一大特點(diǎn),而實(shí)踐證明,這種大型、互聯(lián)的電力系統(tǒng)容易激生由于局部擾動(dòng)而導(dǎo)致全線故障的隱患,同時(shí),直流輸電會(huì)對交直流線路的控制能力以及繼電保護(hù)造成不同程度的影響,給電力系統(tǒng)的長期安全運(yùn)行形成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

(2)新能源電力并網(wǎng)給電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來挑戰(zhàn)。近幾年,我國加大了新能源電力并網(wǎng)運(yùn)行的速度,僅就2011年,新能源全年總發(fā)電量超過了900億kW/h,大量的新能源電力通過規(guī)?；尤腚娋W(wǎng)作為主要的利用方式。而新能源電力具有幾個(gè)明顯的特點(diǎn),即:間歇性、隨機(jī)性以及可調(diào)度差,這就給電力系統(tǒng)的控制增加了難度,同時(shí),新能源電力系統(tǒng)本身采用的逆變設(shè)備等會(huì)產(chǎn)生諧波分量以及直流分量,不但會(huì)影響原有電能的質(zhì)量,而且可能會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的誤動(dòng)作,嚴(yán)重影響電網(wǎng)的穩(wěn)定、安全運(yùn)行。

(3)電網(wǎng)和用戶有效互動(dòng)不足,配電網(wǎng)保護(hù)及控制技術(shù)還不能滿足智能化的需求。我國傳統(tǒng)的配電模式是單向的電力供應(yīng)用戶消費(fèi),在智能化電網(wǎng)中,要求提升供電質(zhì)量的同時(shí)還需要提高電力資源的運(yùn)行效率,這就需要將單向的消費(fèi)模式轉(zhuǎn)變?yōu)殡p向互動(dòng)模式,電網(wǎng)和用戶一起積極采取措施“削峰平谷”,例如鼓勵(lì)居民使用節(jié)能電器,減少電能使用;鼓勵(lì)工廠錯(cuò)峰生產(chǎn),提升電力使用效率。隨著大量分布式電源接入,智能化電網(wǎng)將具有用戶反向送電能力,而現(xiàn)有的配電網(wǎng)保護(hù)及控制系統(tǒng)還不能滿足這一需求。

2智能化電網(wǎng)改革對電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的面臨的挑戰(zhàn)

智能化電網(wǎng)改革給電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)工作帶來新的挑戰(zhàn),其中主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

(1)超/特高壓互聯(lián)大電網(wǎng)對現(xiàn)有的繼電保護(hù)提出了更高的要求。大電網(wǎng)故障時(shí)暫態(tài)過程明顯,同時(shí),電網(wǎng)相互間影響使得故障特性復(fù)雜化,繼電保護(hù)動(dòng)作的可靠性、快速性不能有效發(fā)揮,在故障狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)容易導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作。因此,大電網(wǎng)對繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備的可靠性、安全性以及電磁兼容能力提出了更高要求。

(2)智能化電網(wǎng)使用的大量新型電力電子設(shè)備會(huì)導(dǎo)致故障電流的特征和分布發(fā)生重大變化,從而影響到繼電保護(hù)裝置的判斷力。例如電網(wǎng)中柔性交流輸電系統(tǒng)(FACTS)的安裝位置、運(yùn)行以及系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整等都會(huì)對電網(wǎng)短路電流特征及分布產(chǎn)生明顯影響;電網(wǎng)中風(fēng)機(jī)類型、控制方法以及故障發(fā)生等也會(huì)對電網(wǎng)故障電流產(chǎn)生影響,影響到不同時(shí)段的繼電保護(hù)、選項(xiàng)功能等。

(3)電網(wǎng)繼電保護(hù)的需要和智能化電網(wǎng)的控制策略的平衡對繼電保護(hù)的有效、可行提出了挑戰(zhàn)。智能化電網(wǎng)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng),其中包括了大量的具有獨(dú)特功能系統(tǒng)單元,例如柔性交流輸電系統(tǒng)、直流輸電系統(tǒng)、新能源并網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)、電網(wǎng)故障保護(hù)系統(tǒng)等,繼電保護(hù)需要綜合考慮與各個(gè)系統(tǒng)單元的相互平衡以及各個(gè)系統(tǒng)單元之間相互協(xié)調(diào)對平衡關(guān)系的影響。

(4)由于傳統(tǒng)后備保護(hù)不能消除電網(wǎng)運(yùn)行方式改變和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋷淼挠绊?已經(jīng)成為電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重大隱患。在實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行中,傳統(tǒng)的后備保護(hù)系統(tǒng)存在一些嚴(yán)重的問題。例如后備保護(hù)系統(tǒng)整定動(dòng)作復(fù)雜、時(shí)間較長,不能滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定的切除時(shí)間需求;受制于系統(tǒng)運(yùn)行方式,難以兼顧保護(hù)的選擇性和靈敏性;對區(qū)內(nèi)故障以及故障消除后導(dǎo)致的潮流轉(zhuǎn)移過負(fù)荷區(qū)分不清,容易導(dǎo)致連鎖跳閘。

3智能化繼電保護(hù)系統(tǒng)的研究重點(diǎn)在智能化電網(wǎng)積極推進(jìn)的背景下,電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)需要確定自己的研究重點(diǎn),以適應(yīng)電網(wǎng)發(fā)展需要,對智能化電網(wǎng)提供全面全過程的安全保障。當(dāng)前,電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)需要研究的重點(diǎn)是單元件保護(hù)和廣域保護(hù)。

(1)單元件保護(hù)。單元件保護(hù)指的是對電力系統(tǒng)中的單個(gè)設(shè)備、線路的保護(hù)。單元件保護(hù)研究的主要內(nèi)容包括:①發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部短路保護(hù),后備保護(hù)中的過激磁、反時(shí)限過流保護(hù)與機(jī)組承受能力的平衡,定、轉(zhuǎn)子接地保護(hù),失磁、失步保護(hù)與電網(wǎng)保護(hù)的配合保護(hù)等;②變壓器保護(hù)主要關(guān)注勵(lì)磁涌流識(shí)別;③交流電路方面注意高阻接地對距離保護(hù)的影響,零序互感對交流線路跨線故障的影響等問題。④直流線路保護(hù)方面需要研究線路端非線性元件的動(dòng)態(tài)時(shí)延以及采樣率限制、過渡電阻對直流線路的影響等。

(2)廣域保護(hù)。廣域保護(hù)通過高速實(shí)時(shí)的信息通信,將多點(diǎn)多類型信息接入繼電保護(hù)系統(tǒng),從而顯著提升了繼電保護(hù)的動(dòng)作性能,是對傳統(tǒng)繼電保護(hù)配置方式的全面革新,具有廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)繼電保護(hù)系統(tǒng)的信息來源都是被保護(hù)設(shè)備本身,包括單端量和雙端量,越來越不能適應(yīng)復(fù)雜電網(wǎng)繼電保護(hù)的需要。而智能化電網(wǎng)的推廣,為繼電保護(hù)信息通信搭建了多通道平臺(tái),從而使得廣域保護(hù)成為可能。

廣域保護(hù)系統(tǒng)可以對多點(diǎn)、多信息綜合判斷,自動(dòng)實(shí)現(xiàn)開放/閉鎖保護(hù)、對保護(hù)動(dòng)作特性自行調(diào)節(jié)并制定跳閘程序。廣域繼電保護(hù)研究的重點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)廣域后備保護(hù),因?yàn)閺V域保護(hù)的自身特點(diǎn),更適合用來作為電力系統(tǒng)的后備保護(hù):一是廣域保護(hù)主要通過信息交互并作出判斷,在反應(yīng)速度方面不夠迅速;二是目前電力系統(tǒng)繼電主保護(hù)采用的電流差動(dòng)保護(hù)和方向/距離縱聯(lián)保護(hù),實(shí)踐證明,保護(hù)性能比較穩(wěn)定;三是當(dāng)前電力系統(tǒng)后備保護(hù)存在較多問題,亟需改善。

智能化電網(wǎng)是我國電網(wǎng)改革的方向,也是我國電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展、創(chuàng)新發(fā)展的重要契機(jī),電網(wǎng)繼電保護(hù)系統(tǒng)作為電網(wǎng)安全的保障,需要加大研究力度,發(fā)展適合智能化電網(wǎng)繼電保護(hù)的新技術(shù)。