继电保护培训教材(大电网广域保护系统 )

1、 传统三道防线与大停电机理传统三道防线与大停电机理1 继电保护研究现状与协调优化继电保护研究现状与协调优化23 广域保护的提出与研究广域保护的提出与研究 为满足三级标准的要求，首先应建设一个结构合理的为满足三级标准的要求，首先应建设一个结构合理的电网，好的网架是电力系统运行的基础，同时在我国已经电网，好的网架是电力系统运行的基础，同时在我国已经形成了三道防线的概念，电网的建设按三道防线规划和配形成了三道防线的概念，电网的建设按三道防线规划和配置，电网运行按三道防线调度管理。置，电网运行按三道防线调度管理。电力系统运行状态与三道防线的关系示意图系统稳定控制过程示意图 正是由于重视了三道防线，特别

2、是应用紧急控制和校正控制，在必要时用牺牲局部来保全整体，相当薄弱的我国电网却没有发生过北美“8.14”那样的大停电。但也往往会付出过度控制的代价。 目前的“三道防线”一般都由相对独立的装置和功能软件构成，彼此缺乏配合与协调，各保护和控制装置大都基于本地电气量工作，难以反映电力系统的整体运行情况，有时会造成不必要的停电或系统失稳。 2003 2003年年8 8月月1414日美国、加拿大大停电是历史上最大的停电事故，事日美国、加拿大大停电是历史上最大的停电事故，事故期间上百台机组跳机，故期间上百台机组跳机，50005000万人失电。下面根据事故调查的中期万人失电。下面根据事故调查的中期报告对此次事

3、件进行分析。事故序列分为以下几个阶段。报告对此次事件进行分析。事故序列分为以下几个阶段。 当日当日1515：0505以前在以前在First Energy(First Energy(北部北部OhioOhio州调度中心，简称州调度中心，简称FE)FE)控控制区域，尽管若干主力机组和线路停运，系统稳定运行并且能够应制区域，尽管若干主力机组和线路停运，系统稳定运行并且能够应付大约付大约800800个个N-1N-1故障。但此时系统已经处于重载状况。此外，属于故障。但此时系统已经处于重载状况。此外，属于PJMPJM（宾州、新泽西州、马里兰州）控制区域的（宾州、新泽西州、马里兰州）控制区域的AEPAEP（美

4、国电力公司）（美国电力公司）与与DPLDPL（代屯电气公司）之间的（代屯电气公司）之间的345kV345kV线路线路Stuart-AtlantaStuart-Atlanta因接地故因接地故障而跳闸，但障而跳闸，但MISO(MISO(负责负责OhioOhio， MichiganMichigan， MinnesotaMinnesota， IndianaIndiana， IllinoisIllinois等区域的调度中心，等区域的调度中心，FEFE的上级调度的上级调度) )没有监视此线路状态，没有监视此线路状态，状态估计没有正确反映，导致后来状态估计错误。状态估计没有正确反映，导致后来状态估计错误。F

5、EFE的的EMSEMS也没有也没有正常运行。正常运行。 1515：0505至至1515：3939，风速减小，线路散热减慢，输电走廊的植物生长，风速减小，线路散热减慢，输电走廊的植物生长也超过预计，线路重载自然下垂加剧。线路潮流在长期极限内，但也超过预计，线路重载自然下垂加剧。线路潮流在长期极限内，但一系列线路接地故障仍然发生，造成一系列线路接地故障仍然发生，造成3 3条条345kV345kV重要线路过载并跳闸。重要线路过载并跳闸。此时，如果减载此时，如果减载1500MW2500MW1500MW2500MW，系统也许还可以继续稳定运行，系统也许还可以继续稳定运行，但但FEFE由于计算机故障，没有

6、认识到事件严重性，没有这样做。在此由于计算机故障，没有认识到事件严重性，没有这样做。在此期间，由于缺乏期间，由于缺乏FEFE系统数据，系统数据，PJMPJM和和AEPAEP也没有正确认识到系统的危也没有正确认识到系统的危险程度。险程度。 1515：3939至至1616：0808，主干线路跳闸后，主干线路跳闸后，138kV138kV系统立即过载并跳闸，系统立即过载并跳闸，随后更多的随后更多的345kV345kV线路受到影响继续跳闸，形成连锁反应。在此期线路受到影响继续跳闸，形成连锁反应。在此期间，系统潮流剧变，导致保护误判，扩大了线路跳闸范围。间，系统潮流剧变，导致保护误判，扩大了线路跳闸范围。

7、 1616：0808至至1616：1111，大批线路跳闸导致系统电压降低，机群之间振荡，大批线路跳闸导致系统电压降低，机群之间振荡，三段距离保护动作，最后故障波及整个东北网络，大批机组跳机，三段距离保护动作，最后故障波及整个东北网络，大批机组跳机，负荷减载，系统解列为若干孤岛。负荷减载，系统解列为若干孤岛。调查认为以下是大停电事故主要原因：调查认为以下是大停电事故主要原因： FEFE因为计算机故障没有进行因为计算机故障没有进行N-1N-1事故分析，调度员对系统状态失去事故分析，调度员对系统状态失去监控。当发现系统危险时，调度员的沟通花费了宝贵的事故处理时监控。当发现系统危险时，调度员的沟通花费

8、了宝贵的事故处理时间，在沟通时，系统继续恶化。计算机系统故障且没有良好的备用间，在沟通时，系统继续恶化。计算机系统故障且没有良好的备用计算机系统是计算机系统是“8.14”8.14”大停电有别于美国历史上其他故障的地方。大停电有别于美国历史上其他故障的地方。 FEFE没有有效地监视植物生长对系统安全的影响。这也是以前多次北没有有效地监视植物生长对系统安全的影响。这也是以前多次北美大停电事故的原因。美大停电事故的原因。 MISOMISO由于没有及时维护状态估计器，未能对系统危险状态进行紧密由于没有及时维护状态估计器，未能对系统危险状态进行紧密监视，也未能向监视，也未能向FEFE提供正确的系统信息。

9、提供正确的系统信息。MISOMISO采用离线数据进行输采用离线数据进行输电断面输送容量计算，这使得电断面输送容量计算，这使得MISOMISO没有准确掌握系统信息。没有准确掌握系统信息。PJMPJM和和MISOMISO缺少处理控制区域之间联络线过载的预案。缺少处理控制区域之间联络线过载的预案。调查还发现：调查还发现： FEFE和和MISOMISO调度员缺少良好培训，特别是应付调度员缺少良好培训，特别是应付8 8月月1414日这样恶性紧急日这样恶性紧急事故的培训。事故的培训。 发电机因为以下几个原因而跳机：低频或者高频保护（这是主要的发电机因为以下几个原因而跳机：低频或者高频保护（这是主要的跳机原

10、因），励磁系统低压保护（防止励磁线圈过热），厂用电电跳机原因），励磁系统低压保护（防止励磁线圈过热），厂用电电压过低影响电厂热力系统和辅机系统。压过低影响电厂热力系统和辅机系统。 事故前，事故前，MISOMISO区域无功备用少。区域无功备用少。FEFE控制区域电压下限为控制区域电压下限为0.920.92（标幺（标幺值），而一般北美控制区域采用值），而一般北美控制区域采用0.950.95（标幺值）。（标幺值）。 没有发现通过互联网进行信息攻击的现象。信息安全问题如果存在，没有发现通过互联网进行信息攻击的现象。信息安全问题如果存在，也不严重。也没有发现人为破坏情况。所有核电机组都正确跳机，也不严重

11、。也没有发现人为破坏情况。所有核电机组都正确跳机，没有带来核危险。没有带来核危险。 这次大停电事故可以得到如下启示：这次大停电事故可以得到如下启示： 事故起因在于线性静态安全分析和状态估计工具不力，调度员无法事故起因在于线性静态安全分析和状态估计工具不力，调度员无法应对，线路因为过载和接地故障而连锁跳闸，属于应对，线路因为过载和接地故障而连锁跳闸，属于MISOMISO区域静态问区域静态问题。题。 MISOMISO接地故障和线路连锁跳闸导致事故期间全系统振荡以及潮流串接地故障和线路连锁跳闸导致事故期间全系统振荡以及潮流串动，引起扰动的扩散，并且最终发展为大停电。尽管在事故期间电动，引起扰动的扩散

12、，并且最终发展为大停电。尽管在事故期间电压稳定发生，但其是压稳定发生，但其是N-3N-3和和N-4N-4事故的结果而不是起因。事故的结果而不是起因。 当系统失去许多线路后，自然发生暂态稳定和电压稳定问题。此时，当系统失去许多线路后，自然发生暂态稳定和电压稳定问题。此时，进行暂态稳定计算和电压稳定计算已经多余并且也不可能（因为需进行暂态稳定计算和电压稳定计算已经多余并且也不可能（因为需要进行要进行N-XN-X事故仿真，这里事故仿真，这里X X很大）。很大）。 对北美这样联系紧密的系统，从现有技术来看，开发能够全面阻止对北美这样联系紧密的系统，从现有技术来看，开发能够全面阻止大停电的稳定控制系统还

13、有难度，主要困难表现在控制策略的设计。大停电的稳定控制系统还有难度，主要困难表现在控制策略的设计。当然，暂态紧急稳定控制系统能够将某些局部事故的影响降低。因当然，暂态紧急稳定控制系统能够将某些局部事故的影响降低。因此，制定周密的解列计划应当得到重视。此，制定周密的解列计划应当得到重视。 保护动作设计不尽完善，加剧了事故影响，特别是三段距离保护设保护动作设计不尽完善，加剧了事故影响，特别是三段距离保护设计。计。 系统低频减载是为了维持系统供需平衡设计的，而发电机组低频和系统低频减载是为了维持系统供需平衡设计的，而发电机组低频和高频跳机是为了保护发电机组免受损失。显然，低频或者高频保护高频跳机是为

14、了保护发电机组免受损失。显然，低频或者高频保护应当适当协调以减少损失，但停电发生期间纽约的频率曾经在应当适当协调以减少损失，但停电发生期间纽约的频率曾经在57Hz63Hz57Hz63Hz变化，说明低频或者高频发电机保护没有很好协调。变化，说明低频或者高频发电机保护没有很好协调。 美国纽约州、缅因州公共事业委员会原主席美国纽约州、缅因州公共事业委员会原主席-彼得彼得. .布雷福德提出布雷福德提出了有关输电管理的问题。美国有很多规模大小不同的电力公司，在了有关输电管理的问题。美国有很多规模大小不同的电力公司，在发生大停电的区域中就有数十家电力公司，其中至少有发生大停电的区域中就有数十家电力公司，其

15、中至少有2020家电力公家电力公司拥有输电线路。因此，司拥有输电线路。因此，有关区域的电力供应、输电、配电整个系有关区域的电力供应、输电、配电整个系统的安全，都是由拥有产权的公司来管理和维护。另一方面，整个统的安全，都是由拥有产权的公司来管理和维护。另一方面，整个系统的标准设定，由国家电力可靠性委员会负责。系统的标准设定，由国家电力可靠性委员会负责。这是由美国所有这是由美国所有的电力公司自发组成的一个委员会。这些电力公司既有国营也有私的电力公司自发组成的一个委员会。这些电力公司既有国营也有私营，营，但是，是否遵循这个可靠性委员会所制定的规定，则是自愿的，但是，是否遵循这个可靠性委员会所制定的规

16、定，则是自愿的，而不是义务的。而不是义务的。通过这次事故发生之后，这种自愿性遵守可靠性规通过这次事故发生之后，这种自愿性遵守可靠性规章的制度一定要进行改变。还有一件更令人不解的事情，就是电价章的制度一定要进行改变。还有一件更令人不解的事情，就是电价由联邦能源管制委员会来制定，而输电线路在哪里建设则是由各个由联邦能源管制委员会来制定，而输电线路在哪里建设则是由各个州政府来执行。州政府来执行。 8.148.14大停电引发了世界范围内对于防止大电网大面积停电的研究热大停电引发了世界范围内对于防止大电网大面积停电的研究热潮阶。我国电力系统本属于弱联系系统，但却面临着大区域互联和潮阶。我国电力系统本属于

17、弱联系系统，但却面临着大区域互联和电力市场改革的严峻挑战，互联后的系统也将同目前的西方电网一电力市场改革的严峻挑战，互联后的系统也将同目前的西方电网一样潜伏着大停电的危险，因此研究大电网的安全防御已成为当务之样潜伏着大停电的危险，因此研究大电网的安全防御已成为当务之急。急。 我国电网虽有很多不足之处，但却从未发生过世界级别的大停电我国电网虽有很多不足之处，但却从未发生过世界级别的大停电事故，这个结果并非偶然，主要归功于以下几条经验：事故，这个结果并非偶然，主要归功于以下几条经验： （1 1）有集中的调度体制。）有集中的调度体制。 我国实行的集中调度体制是安全运行的重要保证。在美国只有省我国实行

18、的集中调度体制是安全运行的重要保证。在美国只有省调，其上层没有网调，出现问题时平级协调，称作协议调度。因此，调，其上层没有网调，出现问题时平级协调，称作协议调度。因此，发生故障时，各自保护自身的利益，难以统一行动。发生故障时，各自保护自身的利益，难以统一行动。（2 2）将）将“安全第一安全第一”作为调度的首要任务。作为调度的首要任务。 电力系统是典型的非线性复杂系统，其状态间的变化关系复杂，电力系统是典型的非线性复杂系统，其状态间的变化关系复杂，影响安全运行的偶然因素多，难以预测，因而在决策过程中就有可影响安全运行的偶然因素多，难以预测，因而在决策过程中就有可能做出保守和乐观的两种选择。将安全

19、作为首要任务是保守的，但能做出保守和乐观的两种选择。将安全作为首要任务是保守的，但另一方面也消除了发生大面积停电的隐患。今后的电力发展中，市另一方面也消除了发生大面积停电的隐患。今后的电力发展中，市场的比重将不断加大，不可能象从前那样能消除所有的重大危险于场的比重将不断加大，不可能象从前那样能消除所有的重大危险于萌芽之中，因此必须面对可能时刻发生的潜在危险。从这个意义上萌芽之中，因此必须面对可能时刻发生的潜在危险。从这个意义上讲，我们不能放松对大停电的警惕。讲，我们不能放松对大停电的警惕。 （3 3）调度员处理事故时敢于舍弃切机、切负荷、解列，保全整体。）调度员处理事故时敢于舍弃切机、切负荷、

20、解列，保全整体。 决策选择是乐观还是保守，不仅表现在平时的预防性控制中，更决策选择是乐观还是保守，不仅表现在平时的预防性控制中，更表现在紧急事故处理中。由于受各种外界因素的制约，国外调度员表现在紧急事故处理中。由于受各种外界因素的制约，国外调度员在处理事故时不敢轻易做出放弃，容易错过放弃局部、保全整体的在处理事故时不敢轻易做出放弃，容易错过放弃局部、保全整体的最佳时机，因而产生了扩大危险的可能。多年的运行经验也说明，最佳时机，因而产生了扩大危险的可能。多年的运行经验也说明，在处理紧急事故时敢于舍弃并不是权宜之计，而恰恰是防止发生大在处理紧急事故时敢于舍弃并不是权宜之计，而恰恰是防止发生大停电的

21、有效手段。停电的有效手段。（4 4）稳定控制效果显著。）稳定控制效果显著。 在电网安全稳定控制研究方面，我国取得了很多在国际上领先在电网安全稳定控制研究方面，我国取得了很多在国际上领先的研究成果。这些最先进技术的应用，加之调度员对安全稳定控制的研究成果。这些最先进技术的应用，加之调度员对安全稳定控制工作的重视，保证了我国电网安全稳定控制的高水平。据统计，工作的重视，保证了我国电网安全稳定控制的高水平。据统计，19961996年以来，我国未出现过大范围的电力系统稳定事故。年以来，我国未出现过大范围的电力系统稳定事故。（5 5）互联电网多为弱联系系统。）互联电网多为弱联系系统。 我国虽地域广阔，但

22、电网却为弱联系系统，大区电网间的交换我国虽地域广阔，但电网却为弱联系系统，大区电网间的交换功率小，并且在联络线上都装有解列装置，因此在故障发生后，大功率小，并且在联络线上都装有解列装置，因此在故障发生后，大区域电网能尽早解列，有效地隔离事故，防止事故波及到相邻的大区域电网能尽早解列，有效地隔离事故，防止事故波及到相邻的大区电网，有效防止了大事故发展为恶性事故。区电网，有效防止了大事故发展为恶性事故。 防止大停电的经验是宝贵的，但它又不是简单的总结能彻底说防止大停电的经验是宝贵的，但它又不是简单的总结能彻底说明的。如果能将大停电后的定量分析报告与结论性的经验总结相结明的。如果能将大停电后的定量分

23、析报告与结论性的经验总结相结合，整理出一些具有普遍性的结论汇编成专著，必将为调度员提供合，整理出一些具有普遍性的结论汇编成专著，必将为调度员提供非常有价值的参考资料。非常有价值的参考资料。 全球极端外部灾害事件明显增多，包括大范围自然灾害、大全球极端外部灾害事件明显增多，包括大范围自然灾害、大规模恐怖活动和战争。其物理特点是广域性、长时性、群发性、规模恐怖活动和战争。其物理特点是广域性、长时性、群发性、破坏性；其经济特点是损失极其严重；其社会特点是直接涉及破坏性；其经济特点是损失极其严重；其社会特点是直接涉及各种公共事业，容易扩展为综合性社会灾难。极端灾害的应对各种公共事业，容易扩展为综合性社

24、会灾难。极端灾害的应对成为了停电防御系统研究中的一个新重点。成为了停电防御系统研究中的一个新重点。 在一般的大停电在一般的大停电( (例如北美例如北美“8 814”14”案例案例) )中，相继开断和停中，相继开断和停电的规模在初始故障发生后的电的规模在初始故障发生后的1 h1 h或更短的时间内就不再显著增或更短的时间内就不再显著增加，并开始在恢复控制下逐渐减小。其相继开断的主要原因是：加，并开始在恢复控制下逐渐减小。其相继开断的主要原因是：被开断支路上的潮流转移而引起新的过载，可调抽头变压器控被开断支路上的潮流转移而引起新的过载，可调抽头变压器控制与感应电动机堵转引起无功缺乏的正反馈，以及继电

25、保护、制与感应电动机堵转引起无功缺乏的正反馈，以及继电保护、自动控制或人为操作的失误。因此，可以根据电力系统本身的自动控制或人为操作的失误。因此，可以根据电力系统本身的分析来预测那些最可能发生的相继开断，并评估其风险。在这分析来预测那些最可能发生的相继开断，并评估其风险。在这类大停电中，相继开断的线路数一般不会超过数十，故孤立电类大停电中，相继开断的线路数一般不会超过数十，故孤立电网的数量较少；此外，由于倒塔故障很少发生，故被开断的线网的数量较少；此外，由于倒塔故障很少发生，故被开断的线路较易恢复送电。路较易恢复送电。 但在极端外部条件但在极端外部条件( (例如例如20082008年初中国南方

26、的冰灾年初中国南方的冰灾) )下，线路相下，线路相继开断的主要原因往往是大规模的外力破坏，故容易造成大面积继开断的主要原因往往是大规模的外力破坏，故容易造成大面积的群发性断线和倒塔。显然，要分析其概率和风险，就不可能绕的群发性断线和倒塔。显然，要分析其概率和风险，就不可能绕过具体外部灾害的机理，也必须依靠外部环境的相应信息。过具体外部灾害的机理，也必须依靠外部环境的相应信息。在这次冰灾持续的在这次冰灾持续的2020多天中，气象部门孤立地预报了各场冻雨，多天中，气象部门孤立地预报了各场冻雨，但对其持续性和强度明显估计不足。输电线路的覆冰不断积累，但对其持续性和强度明显估计不足。输电线路的覆冰不断

27、积累，相继故障的频度和规模不断增加，进而形成多个电力孤岛及大范相继故障的频度和规模不断增加，进而形成多个电力孤岛及大范围停电。同时，电力和商业通信网络也都受到大量破坏，严重影围停电。同时，电力和商业通信网络也都受到大量破坏，严重影响了对灾难的有效应对。截至响了对灾难的有效应对。截至20082008年年2 2月月9 9日，国家电网公司就有日，国家电网公司就有2825km2825km通信光缆、通信光缆、8 8座通信站和座通信站和154154台台( (套套) )通信设备受损。通信设备受损。 冰灾暴露了目前电力规划在投资原则、设计标准、风险意识等冰灾暴露了目前电力规划在投资原则、设计标准、风险意识等方

28、面的缺陷，也引起了对电力规划的反思。例如，输电线路的设方面的缺陷，也引起了对电力规划的反思。例如，输电线路的设计标准应该提高到什么水平计标准应该提高到什么水平? ?电源规划与电网规划之间应该如何电源规划与电网规划之间应该如何协调协调? ?通信系统的可靠性与电网可靠性应该如何协调通信系统的可靠性与电网可靠性应该如何协调? ?对冰灾的反思应该引申到其他的极端外部灾害，如雷击、污闪、对冰灾的反思应该引申到其他的极端外部灾害，如雷击、污闪、洪水、泥石流、台风、地震、大规模恐怖活动和战争等。不要总洪水、泥石流、台风、地震、大规模恐怖活动和战争等。不要总是等到某种灾害成为事实后，才如梦初醒。只有掌握了形成

29、各种是等到某种灾害成为事实后，才如梦初醒。只有掌握了形成各种灾害的不同机理，以及造成电力系统群发性故障的不同途径和特灾害的不同机理，以及造成电力系统群发性故障的不同途径和特点，才有可能可靠预报相应的风险，优化预防控制决策。为此，点，才有可能可靠预报相应的风险，优化预防控制决策。为此，需要大量的跨领域研究，提取相关的特征变量，并用可观察、特需要大量的跨领域研究，提取相关的特征变量，并用可观察、特别是电力企业能实现自动监测的特征量来描述。别是电力企业能实现自动监测的特征量来描述。 总体来看，当前水平的防御系统可以通过减少一般故障下的停总体来看，当前水平的防御系统可以通过减少一般故障下的停电概率和停

30、电范围来降低风险，但尚不具备减少极端外部环境下电概率和停电范围来降低风险，但尚不具备减少极端外部环境下的停电概率和停电时间的能力。的停电概率和停电时间的能力。其不足主要反映在：其不足主要反映在：1)信息采集子系统：信息采集子系统：仅采集和处理电力系统内部的电气量，还仅采集和处理电力系统内部的电气量，还没有与没有与GIS、规划信息系统、电力交易信息融合，也缺乏与外部、规划信息系统、电力交易信息融合，也缺乏与外部环境非电气信息的结合；不能识别极端外部环境的程度、范围及环境非电气信息的结合；不能识别极端外部环境的程度、范围及变化；没有相应的风险分析功能，故无法实现对极端外部条件的变化；没有相应的风险

31、分析功能，故无法实现对极端外部条件的预警。此外，信息传输通道本身的可靠性也存在严重的隐患。预警。此外，信息传输通道本身的可靠性也存在严重的隐患。 2)分析预警子系统：分析预警子系统：目前仅根据实时断面分析下一个潜在故障，目前仅根据实时断面分析下一个潜在故障，从而随着工况的变化而间接地分析相继故障，因此仅能应对缓慢从而随着工况的变化而间接地分析相继故障，因此仅能应对缓慢而简单的相继开断。虽然可针对当前运行条件评估潜在孤立故障而简单的相继开断。虽然可针对当前运行条件评估潜在孤立故障的风险，但不能准实时地对多重相继故障，特别是群发性相继故的风险，但不能准实时地对多重相继故障，特别是群发性相继故障的影

32、响进行预评估及预警。除了与障的影响进行预评估及预警。除了与EMS集成外，预警子系统集成外，预警子系统还需要与动态培训仿真器、电力市场的支持系统和动态仿真器等还需要与动态培训仿真器、电力市场的支持系统和动态仿真器等实现信息融合。实现信息融合。 3)决策控制子系统：决策控制子系统：虽然考虑了预防控制、继电保护、紧急控虽然考虑了预防控制、继电保护、紧急控制和校正控制的优化，以尽量避免停电或减小停电范围，但对多制和校正控制的优化，以尽量避免停电或减小停电范围，但对多级调度协调控制的考虑还不够。现有的成果未涉及旨在尽量缩短级调度协调控制的考虑还不够。现有的成果未涉及旨在尽量缩短停电时间的恢复控制，缺乏对

33、其自适应优化的支持。目前的恢复停电时间的恢复控制，缺乏对其自适应优化的支持。目前的恢复控制仍然只能依靠离线准备的少量典型预案，这在简单的停电模控制仍然只能依靠离线准备的少量典型预案，这在简单的停电模式下还可对付，但很难应对极端外部灾害引起的复杂停电模式。式下还可对付，但很难应对极端外部灾害引起的复杂停电模式。2.3 2.3 继电保护的协调优化继电保护的协调优化 2.2 2.2 智能电网对继电保护的影响智能电网对继电保护的影响2.1 2.1 继电保护的研究现状继电保护的研究现状 上世纪上世纪60 60 年代到年代到80 80 年代是晶体管继电保护蓬勃发展和广泛采用的时代。其中天津大学年代是晶体管

34、继电保护蓬勃发展和广泛采用的时代。其中天津大学与南京电力自动化设备厂合作研究的与南京电力自动化设备厂合作研究的500kV 500kV 晶体管方向高频保护和南京电力自动化研究院晶体管方向高频保护和南京电力自动化研究院研制的晶体管高频闭锁距离保护研制的晶体管高频闭锁距离保护, ,运行于葛洲坝运行于葛洲坝500kV 500kV 线路上线路上, ,结束了结束了500kV 500kV 线路保护完全线路保护完全依靠从国外进口的时代。依靠从国外进口的时代。在在20 20 世纪世纪70 70 年代中年代中, ,基于集成运算放大器的集成电路保护已开始研究。到基于集成运算放大器的集成电路保护已开始研究。到80 8

35、0 年代末集年代末集成电路保护已形成完整系列成电路保护已形成完整系列, ,逐渐取代晶体管保护。到逐渐取代晶体管保护。到90 90 年代初集成电路保护的研制、生年代初集成电路保护的研制、生产和应用仍处于主导地位产和应用仍处于主导地位, ,这是集成电路保护时代。我国从这是集成电路保护时代。我国从20 20 世纪世纪70 70 年代末即已开始了年代末即已开始了计算机继电保护的研究计算机继电保护的研究,1984 ,1984 年原华北电力学院研制的输电线路微机保护装置首先通过鉴年原华北电力学院研制的输电线路微机保护装置首先通过鉴定定, ,并在系统中获得应用并在系统中获得应用, ,揭开了我国继电保护发展史

36、上新的一页揭开了我国继电保护发展史上新的一页, ,为微机保护的推广开辟为微机保护的推广开辟了道路。了道路。从从90 90 年代开始我国继电保护技术已进入了微机保护的时代。不同原理、不同机型的微机年代开始我国继电保护技术已进入了微机保护的时代。不同原理、不同机型的微机线路和主设备保护各具特色线路和主设备保护各具特色, ,为电力系统提供了一批新一代性能优良、功能齐全且工作可为电力系统提供了一批新一代性能优良、功能齐全且工作可靠的继电保护装置。随着微机保护装置的研究靠的继电保护装置。随着微机保护装置的研究, ,在微机保护软件、算法等方面也取得了很在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果。多理论

37、成果。电力系统继电保护发展趋势电力系统继电保护发展趋势计算机化计算机化 电力系统对微机保护的要求不断提高，除了保护的基本功能外，还应具有大容电力系统对微机保护的要求不断提高，除了保护的基本功能外，还应具有大容量故障信息和数据的长期存放空间，快速的数据处理功能，强大的通信能力，与量故障信息和数据的长期存放空间，快速的数据处理功能，强大的通信能力，与其它保护、控制装置和调度联网以共享全系统数据、信息和网络资源的能力，高其它保护、控制装置和调度联网以共享全系统数据、信息和网络资源的能力，高级语言编程等。这就要求微机保护装置具有相当于一台级语言编程等。这就要求微机保护装置具有相当于一台PCPC机的功能

38、。机的功能。随着计算机硬件的迅猛发展，微机保护硬件也在不断发展，原华北电力学院研随着计算机硬件的迅猛发展，微机保护硬件也在不断发展，原华北电力学院研制的微机线路保护硬件经历了从制的微机线路保护硬件经历了从8 8位单位单CPUCPU结构到多结构到多CPUCPU结构再到总线不出模块的结构再到总线不出模块的大模块结构，性能大大提高。现在用同微机保护装置结构完全相同的一种工控机大模块结构，性能大大提高。现在用同微机保护装置结构完全相同的一种工控机作为继电保护的时机已经成熟，这将是微机保护的发展方向之一。作为继电保护的时机已经成熟，这将是微机保护的发展方向之一。网络化网络化到目前为止，除了差动保护和纵联

39、保护外，所有继电保护装置都只能反应保护到目前为止，除了差动保护和纵联保护外，所有继电保护装置都只能反应保护安装处的电气量。继电保护的作用也只限于切除故障元件，缩小事故影响范围。安装处的电气量。继电保护的作用也只限于切除故障元件，缩小事故影响范围。这主要是由于缺乏强有力的数据通信手段。继电保护的作用不只限于每个保护单这主要是由于缺乏强有力的数据通信手段。继电保护的作用不只限于每个保护单元都能共享全系统的运行和故障信息的数据，各个保护单元与重合闸装置在分析元都能共享全系统的运行和故障信息的数据，各个保护单元与重合闸装置在分析这些信息和数据的基础上协调动作，确保系统的安全稳定运行。显然实现这种系这些

40、信息和数据的基础上协调动作，确保系统的安全稳定运行。显然实现这种系统保护的基本条件是将全系统各主要设备的保护装置用计算机网络连接起来，亦统保护的基本条件是将全系统各主要设备的保护装置用计算机网络连接起来，亦即实现微机保护装置的网络化，这在当前的技术条件下是完全可能的。即实现微机保护装置的网络化，这在当前的技术条件下是完全可能的。对于一般的非系统网络，实现保护装置的计算机联网也有很大好处。继电保护对于一般的非系统网络，实现保护装置的计算机联网也有很大好处。继电保护装置能够得到的系统故障信息越多，则对故障位置的判断和故障距离的检测愈准装置能够得到的系统故障信息越多，则对故障位置的判断和故障距离的检

41、测愈准确。确。微机保护装置网络化可大大提高保护性能和可靠性，这是微机保护发展的必然微机保护装置网络化可大大提高保护性能和可靠性，这是微机保护发展的必然趋势。趋势。保护、控制、测量、数据通信一体化保护、控制、测量、数据通信一体化在实现继电保护的计算机化合网络化的条件下，保护装置实际上就是一台高性在实现继电保护的计算机化合网络化的条件下，保护装置实际上就是一台高性能、多功能的计算机，是整个电力系统计算机网络上的一个智能终端。每个微机能、多功能的计算机，是整个电力系统计算机网络上的一个智能终端。每个微机保护装置不但可完成继电保护功能，而且在无故障正常运行情况下还可以完成测保护装置不但可完成继电保护功

42、能，而且在无故障正常运行情况下还可以完成测量、控制、数据通信功能，即实现保护、控制、测量、数据通信一体化。量、控制、数据通信功能，即实现保护、控制、测量、数据通信一体化。例如为了测量、保护和控制的需要，室外变电站的所有设备，如变压器、线路例如为了测量、保护和控制的需要，室外变电站的所有设备，如变压器、线路等的二次电压、电流都必须用控制电缆引到主控室。如果将上述保护、控制、测等的二次电压、电流都必须用控制电缆引到主控室。如果将上述保护、控制、测量、数据通信一体化的计算机装置就地安装在室外变电站的被保护设备旁，将被量、数据通信一体化的计算机装置就地安装在室外变电站的被保护设备旁，将被保护设备的电压

43、、电流量在此装置内转换成数字后，通过计算机网络送到主控室，保护设备的电压、电流量在此装置内转换成数字后，通过计算机网络送到主控室，则可免除大量的控制电缆及避免二次电路过于复杂。则可免除大量的控制电缆及避免二次电路过于复杂。智能化智能化随着计算机技术的飞速发展及计算机在电力系统继电保护领域中的普遍应用随着计算机技术的飞速发展及计算机在电力系统继电保护领域中的普遍应用, ,新的控制原理和方法不断被应用于计算机继电保护中新的控制原理和方法不断被应用于计算机继电保护中, ,近年来人工智能技术如专近年来人工智能技术如专家系统、人工神经网络、遗传算法、模糊逻辑、小波理论等在电力系统各个领域家系统、人工神经

44、网络、遗传算法、模糊逻辑、小波理论等在电力系统各个领域都得到了应用都得到了应用, ,从而使继电保护的研究向更高的层次发展从而使继电保护的研究向更高的层次发展, ,出现了引人注目的新趋出现了引人注目的新趋势。例如电力系统继电保护领域内出现了用人工神经网络势。例如电力系统继电保护领域内出现了用人工神经网络(ANN) (ANN) 来实现故障类型来实现故障类型的判别、故障距离的测定、方向保护、主设备保护等。在输电线两侧系统电势角的判别、故障距离的测定、方向保护、主设备保护等。在输电线两侧系统电势角度摆开情况下发生经过渡电阻的短路就是一非线性问题度摆开情况下发生经过渡电阻的短路就是一非线性问题, ,距离

45、保护很难正确作出距离保护很难正确作出故障位置的判别故障位置的判别, ,从而造成误动或拒动从而造成误动或拒动; ;如果用神经网络方法如果用神经网络方法, ,经过大量故障样本经过大量故障样本的训练的训练, ,只要样本集中充分考虑了各种情况只要样本集中充分考虑了各种情况, ,则在发生任何故障时都可正确判别。则在发生任何故障时都可正确判别。微机保护在我国已获得极其广泛的应用。微机保护在发展过程中继承、借鉴了微机保护在我国已获得极其广泛的应用。微机保护在发展过程中继承、借鉴了模拟式保护的成熟经验模拟式保护的成熟经验, , 由于微机的优越性把继电保护的技术向前推进。实践已由于微机的优越性把继电保护的技术向

46、前推进。实践已证明微机保护的性能显著优于传统的保护证明微机保护的性能显著优于传统的保护, , 总结和充分认识微机保护的优点总结和充分认识微机保护的优点, , 必必将带来一些观念上的更新将带来一些观念上的更新, , 有利于更好地应用和开发微机保护。有利于更好地应用和开发微机保护。微机保护的特点微机保护的特点众所周知众所周知, , 微机具有以下的优越性能微机具有以下的优越性能: : 自检能力自检能力; ; 记忆能力记忆能力; ; 数值计算数值计算能力和逻辑处理能力。微机保护和传统保护相比还有能力和逻辑处理能力。微机保护和传统保护相比还有2 2大特点：大特点：(1) (1) 保护中的各项功能保护中的

47、各项功能( (相应于传统保护中的元件相应于传统保护中的元件) ) 都是由软件实现的都是由软件实现的; ;(2) (2) 保护中的各项功能是按程序规定的顺序依次串行保护中的各项功能是按程序规定的顺序依次串行( (在传统保护中是并行在传统保护中是并行) ) 工工作的。作的。正是由于以上特点使微机保护和传统保护有很大的差别正是由于以上特点使微机保护和传统保护有很大的差别, , 推动了技术进步，也带推动了技术进步，也带来了一些新概念。来了一些新概念。增加功能实现多重判别增加功能实现多重判别, , 完善保护性能完善保护性能在传统的保护中每一元件都由独自的硬件构成在传统的保护中每一元件都由独自的硬件构成,

48、 ,为了不使保护过于复杂为了不使保护过于复杂, ,希望所希望所采用的元件的性能适应各种工况下的各种故障。在微机保护中既然各项功能都是采用的元件的性能适应各种工况下的各种故障。在微机保护中既然各项功能都是由软件实现的由软件实现的, ,而软件又十分可靠而软件又十分可靠, ,所以只要机时允许就可以增加功能实现多重判所以只要机时允许就可以增加功能实现多重判别别, ,获得更完善的保护性能。获得更完善的保护性能。例如用姆欧继电器选相无疑优于用电流选相。但是在大电源引出的长线上用姆例如用姆欧继电器选相无疑优于用电流选相。但是在大电源引出的长线上用姆欧继电器选相欧继电器选相, ,在出口单相经接地电阻短路接地时

49、超前相选相元件要误选相。为在出口单相经接地电阻短路接地时超前相选相元件要误选相。为了解决这个问题，需限制姆欧继电器的动作特性圆在第了解决这个问题，需限制姆欧继电器的动作特性圆在第象限的动作区。在微机象限的动作区。在微机保护中可以增加电流选相功能保护中可以增加电流选相功能, ,担任在很大短路电流下的选相任务。程序先用电担任在很大短路电流下的选相任务。程序先用电流选相流选相, ,再用阻抗选相。在短路电流很大时电流选相一定成功。只有短路电流不再用阻抗选相。在短路电流很大时电流选相一定成功。只有短路电流不很大很大, ,电流选相失败电流选相失败, ,再由阻抗选相再由阻抗选相, ,这样阻抗选相就不会遇到上

50、述的问题。在微这样阻抗选相就不会遇到上述的问题。在微机保护中增加一个电流选相判据机保护中增加一个电流选相判据, ,比修正姆欧继电器的动作特性更方便比修正姆欧继电器的动作特性更方便, ,简单明了。简单明了。只担任在很大短路电流下的选相只担任在很大短路电流下的选相, ,电流选相判据也是很容易整定的。在传统的保电流选相判据也是很容易整定的。在传统的保护中护中, ,电流元件虽然简单电流元件虽然简单, ,也要增加硬件也要增加硬件, ,就不合算了。就不合算了。增加功能实现多重判别增加功能实现多重判别, ,完善保护性能完善保护性能从原理上讲方向纵联保护对外部故障的选择性是依靠近故障侧向远离故障侧发从原理上讲

51、方向纵联保护对外部故障的选择性是依靠近故障侧向远离故障侧发出闭锁信号得到保证的。从实用上说远离故障侧的保护每逢这种情况就出闭锁信号得到保证的。从实用上说远离故障侧的保护每逢这种情况就 “ “冒险冒险”一次一次, ,把避免误动寄托在由对侧发来的闭锁信号上。因此限制正方向的保护范围把避免误动寄托在由对侧发来的闭锁信号上。因此限制正方向的保护范围又不降低在区内故障时对接地电阻的反应能力又不降低在区内故障时对接地电阻的反应能力, ,对提高方向纵联保护的安全性有对提高方向纵联保护的安全性有重大实际意义。为此在方向纵联保护中重大实际意义。为此在方向纵联保护中, ,除了用方向元件判别故障方向外除了用方向元件

52、判别故障方向外, ,再用电再用电抗元件限制保护范围抗元件限制保护范围, ,保护的安全选择性必大为提高保护的安全选择性必大为提高, ,而且电抗元件对过渡电阻的而且电抗元件对过渡电阻的反应能力强反应能力强, ,保护的灵敏性不受影响。若是传统保护增加电抗元件相当复杂保护的灵敏性不受影响。若是传统保护增加电抗元件相当复杂, ,其复其复杂性相当于距离纵联保护而且还要考虑多一个元件拒动的负面效应杂性相当于距离纵联保护而且还要考虑多一个元件拒动的负面效应, ,在微机保护在微机保护中电抗元件是由软件实现的中电抗元件是由软件实现的, ,不会带来不良后果。保护范围被限制后不会带来不良后果。保护范围被限制后, ,区

53、外故障功区外故障功率倒向也不会成问题了。这种配置实际把方向纵联保护和距离纵联保护的优点都率倒向也不会成问题了。这种配置实际把方向纵联保护和距离纵联保护的优点都吸收了吸收了, ,因此可以称为方向距离纵联保护。因此可以称为方向距离纵联保护。不拘泥于保护原理的统一不拘泥于保护原理的统一从来保护是按照其动作原理分类的从来保护是按照其动作原理分类的, ,而传统的保护装置一般也是一个型号采用而传统的保护装置一般也是一个型号采用一种原理一种原理, ,实际上这种配置已逐渐被打破。例如纵联保护不能对相邻线故障起后实际上这种配置已逐渐被打破。例如纵联保护不能对相邻线故障起后备作用备作用, ,从原理上讲是天经地义的

54、事从原理上讲是天经地义的事, ,但是对使用者来说这不能说不是一个缺陷。但是对使用者来说这不能说不是一个缺陷。所以现在纵联保护都配有作为对相邻线故障起作用的后备段。在纵联保护中配置所以现在纵联保护都配有作为对相邻线故障起作用的后备段。在纵联保护中配置速断保护速断保护( (国外称为独立方式国外称为独立方式) )实际上也是突破了纵联保护的原理。实际上也是突破了纵联保护的原理。在平行线上在平行线上, ,利用每回线的距离第利用每回线的距离第段的相互闭锁回路实现全线纵续动作段的相互闭锁回路实现全线纵续动作, ,在原在原理上属于一种横联保护。它是在每回线各自的距离保护的基础上增加简单的逻辑理上属于一种横联保

55、护。它是在每回线各自的距离保护的基础上增加简单的逻辑回路完成的回路完成的, ,因而自然适合于单回线运行因而自然适合于单回线运行, ,各方面的性能都比传统的横联差动电流各方面的性能都比传统的横联差动电流方向保护和电流平衡保护优越。方向保护和电流平衡保护优越。不拘泥于保护原理的统一不拘泥于保护原理的统一又如在平行线上零序互感对每回线的接地距离继电器测量的正确性带来影响。又如在平行线上零序互感对每回线的接地距离继电器测量的正确性带来影响。如何利用另一回线的零序电流对接地距离继电器进行补偿长期来是人们关心的一如何利用另一回线的零序电流对接地距离继电器进行补偿长期来是人们关心的一个课题。主要由于平行线运

56、行方式的多变使邻线零序电流的补偿无所适从。实际个课题。主要由于平行线运行方式的多变使邻线零序电流的补偿无所适从。实际上既然已取得了邻线的零序电流上既然已取得了邻线的零序电流, ,为什么一定要拘泥于用它来改善接地距离继电为什么一定要拘泥于用它来改善接地距离继电器的性能呢器的性能呢? ?为什么在有了邻线零序电流的信息时不能用其它原理来保护接地故为什么在有了邻线零序电流的信息时不能用其它原理来保护接地故障呢障呢? ?例如增加一个零序电流平衡保护的功能就能完满地解决这个问题例如增加一个零序电流平衡保护的功能就能完满地解决这个问题, ,而不必再而不必再在使接地距离继电器不受零序互感的影响上做文章。由于在

57、正常负荷状态下没有在使接地距离继电器不受零序互感的影响上做文章。由于在正常负荷状态下没有零序电流零序电流, ,零序电流平衡保护的逻辑回路会很简单。充其量用接地距离第零序电流平衡保护的逻辑回路会很简单。充其量用接地距离第段闭段闭锁锁, ,牺牲对高电阻接地故障的灵敏度牺牲对高电阻接地故障的灵敏度, ,就绝对安全了。即使这样就绝对安全了。即使这样, , 其对接地电阻的其对接地电阻的反应能力仍然远胜过接地距离第反应能力仍然远胜过接地距离第、段段, ,而且电流平衡保护本身能快速而且电流平衡保护本身能快速( (包括纵包括纵续动作续动作) )切除全线故障。若是传统保护切除全线故障。若是传统保护, ,至少要增

58、加一个电流平衡继电器至少要增加一个电流平衡继电器, ,使硬件使硬件复杂复杂, ,就值得商榷了。就值得商榷了。不同工况采用适合于该工况的最佳保护方案不同工况采用适合于该工况的最佳保护方案传统的保护中每一继电器都是独立的硬件构成的传统的保护中每一继电器都是独立的硬件构成的, ,一般在各种工况下都在测量。一般在各种工况下都在测量。为了节约硬件为了节约硬件, ,总希望每一继电器总希望每一继电器, ,至少是主要的至少是主要的, ,复杂的继电器能适应更多的工复杂的继电器能适应更多的工况。微机保护是按程序的规定串行工作的。可按照工况选择最佳的保护方案。例况。微机保护是按程序的规定串行工作的。可按照工况选择最

59、佳的保护方案。例如在全相运行状态可以同时采用突变量保护和零序电流保护如在全相运行状态可以同时采用突变量保护和零序电流保护, ,后者反应的是稳态后者反应的是稳态量。这样反应突变量和稳态量的两种保护可以相互衬充量。这样反应突变量和稳态量的两种保护可以相互衬充, ,由于零序方向元件在两由于零序方向元件在两相运行的负荷电流的作用下要动作相运行的负荷电流的作用下要动作, ,在进入两相运行后只采用反应突变量的方向在进入两相运行后只采用反应突变量的方向元件。元件。不同工况采用适合于该工况的最佳保护方案不同工况采用适合于该工况的最佳保护方案传统的习惯距离保护装置在手动和自动合闸时可加速保护的第传统的习惯距离保

60、护装置在手动和自动合闸时可加速保护的第段或第段或第段。段。这是由于各相这是由于各相, ,各段距离继电器都已分别设置好各段距离继电器都已分别设置好, ,在合闸时跳过其时间元件就可实在合闸时跳过其时间元件就可实现快速跳闸。在微机保护中在进入合闸于故障的程序后没有必要再去计算各相、现快速跳闸。在微机保护中在进入合闸于故障的程序后没有必要再去计算各相、各段复杂的距离继电器。由于合闸时保护范围可以超越全线路各段复杂的距离继电器。由于合闸时保护范围可以超越全线路, ,一般合闸后又不一般合闸后又不会立即带上重负荷会立即带上重负荷, ,而且合闸成功后这种保护就退出而且合闸成功后这种保护就退出, ,所以即使在距