智能电网对继电保护发展的影响

2010-08-15邵宝珠王优胤

东北电力技术 2010年2期

邵宝珠,王优胤,宋丹

（1.东北电力科学研究院有限公司,辽宁沈阳 110006; 2.华北电力大学,河北保定 071003;3.东北电网有限公司,辽宁沈阳 110181）

智能电网是当今世界电力系统发展变革的最新动向,被认为是21世纪电力系统重大科技创新和发展趋势。作为全球最大的公用事业企业,国家电网公司根据我国特高压电网建设规划,结合大力发展风电等清洁新能源政策,充分考虑世界电网发展新趋势及我国电网现状,提出了建设以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强电网为基础,利用先进的通信、信息和控制技术,构建以信息化、自动化、数字化、互动化为特征的自主创新、国际领先的坚强智能电网的战略发展目标;形成了“一个目标、两条主线、三个阶段、四个体系、五项内涵、六个应用环节”的发展战略框架;制定了从发电到用户各应用环节和通信信息平台的发展路线;明确了总体发展目标、分阶段建设目标和重点工程,并对社会综合经济效益进行了初步分析评估。

智能电网将极大地改变传统电力系统的形态,电子式互感器、数字化变电站技术、广域测量技术、交直流灵活输电及控制技术的大量应用,必然对电力系统继电保护带来影响。

1 智能电网的定义和特点

尽管各国专家针对提高电网智能化水平及等级已经达成共识,但是,智能电网仍处于起步研究阶段,尚无明确的定义。由于发展环境和驱动因素不同,各国的电网企业和组织均以自己的方式理解智能电网。对智能电网进行研究和实践,各国智能电网发展的思路和重点也各不相同。因此,智能电网的概念处于不断丰富、发展阶段。

1.1 美国

美国电力科学研究院定义的智能电网可以描述为以下5个主要特征。

a.自愈性

复杂的电网监控系统能够预测并及时应对系统问题以避免或减少故障失电和电压不稳等电力供应质量问题。

b.安全性

电网可以在自然状态和计算机监控状态下更安全运行,新技术的应用和新设备的配置能够更好地识别和应对人为破坏及自然侵害。

c.兼容性

电网能够支持广泛分散电源的使用。标准化的电力网络通信平台和通信界面接点将使用户可以就地连接燃料电池、风能、生物能等可再生能源发电及其它分散的电源,并以简单的“即插即用”方式使用。

d.交互性

用户可以更好地控制自己的用电设备、装置,无论是家庭用户还是工商业用户,电网将与智能建筑物的能源管理系统相连,以帮助用户管理其能源使用,并减少能耗开销。

e.高效性

电网将达到更优化的输配量比,从而减少电力成本。电网的升级将提高输电网的输送能力,使输送容量最优化,减少损耗,使最低成本发电的电源得到最高利用率。同时可以更好地协调电力输送与当地负荷的匹配、地区间能源流动与通信传输量之间的关系。

1.2 欧盟

欧盟委员会将智能电网的特性概括为：一是灵活性,满足用户对电力的多样化需求;二是易接入性,保证所有用户都可接入电网,尤其是高效清洁的太阳能、生物能等可再生能源发电能够就地入网;三是可靠性,提高电力供应的可靠性与安全性;四是经济性,通过改革及竞争调节实现最有效的能源管理,提高电网的经济效益。

1.3 我国国家电网公司

国家电网公司对坚强智能电网的基本特征的定义为技术上体现信息化、数字化、自动化、互动化;管理上体现集团化、集约化、精益化、标准化。信息化是坚强智能电网的实施基础,实现实时及非实时信息的高度集成、共享与利用;数字化是坚强智能电网的主要实现形式,定量描述电网对象、结构、特性及状态,实现各类信息的精确高效采集与传输;自动化是坚强智能电网的重要实现手段,依靠先进的自动控制策略,实现电网运行控制自动化水平的全面提高与管理水平的全面提升;互动化是坚强智能电网的内在要求,实现电源、电网和用户的友好互动和相互协调。坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动是坚强智能电网的基本内涵。坚强可靠是具有坚强的网架结构、强大的电力输送能力和安全可靠的电力供应能力;经济高效是提高电网运行和输送效率,降低运营成本,促进能源资源和电力资产的高效利用;清洁环保,促进可再生能源开发和利用,降低能源消耗和污染物排放,提高清洁电能在终端能源消费中的比重;透明开放是电网、电源和用户的信息透明共享,电网无歧视开放;友好互动是实现电网运行方式的灵活调整,友好兼容各类电源和用户接入与退出,促进发电企业和用户主动参与电网运行调节。

2 智能电网对继电保护的影响

智能电网是以物理电网为基础,充分利用先进的传感测量技术、通信技术、信息技术、计算机技术、控制技术、新能源技术,把发、输、配、用各环节互联成一个高度智能化的新型网络。作为电力系统安全稳定第一道防线的继电保护,按传统电网进行设计和配置不能适应于智能电网。智能电网的技术特点将影响现有继电保护的应用。

a.数字化

智能电网的一个重要特征是数字化,对继电保护而言：一是测量手段的数字化,广泛采用电子式互感器和数字接口;二是信息传输方式的数字化,传统变电站采用的模拟量电缆传输和状态量电缆传输方式将被以光纤为媒介的网络数字传输所代替。

电子式互感器的优越性在于其采用光电转换原理进行测量,体积小、绝缘性能好。对继电保护其最大的优势是传输频带宽、暂态性能好,不存在电磁式互感器和电容式电压互感器等传统互感器的测量误差和暂态特性,能很好地将电力系统运行状态信号传到二次侧。随着智能电网的建设及智能化仪器、设备的推广,传统的互感器将逐步退出运行。

电子式互感器采用网络接口,通过网络保护装置和智能断路器连接,大大简化了二次回路接线,易于维护。

b.网络化

近年来基于IEC61850标准的数字化变电站建设逐步铺开,已出现500 kV全数字化示范变电站,各网、省公司都在大力推广数字化变电站建设。

数字化变电站最大的特点是IEC61850采用分布分层的结构体系,面向对象的数据统一建模,数据自描述,采用抽象通信服务接口（ACSI）和特殊通信服务映射（SCSM）技术,实现智能设备间的互操作能力,面向未来的开放体系结构。

对继电保护来说,数字化变电站的网络化带来了2方面的变革：一是信息获取,虽然继电保护主保护的功能仍然是“自扫门前雪”,但由于网络数据传输的共享性,可以获取全站相关设备元件的信息（电气量信息）;二是信息发送,由于采用带数字接口的智能断路器,跳合闸等控制信号的传输方式也由二次电缆改为数字信号的网络传输。

c.广域化

近年来,随着我国电网信息化进程不断推进,大多数网、省公司都在大力推进基于PMU的WAMS网络建设,继电保护信息专用网络也已初步建成,将成为智能电网控制的重要环节。虽然WAMS网络和继电保护信息系统建设的初衷不是为继电保护服务,但利用其提供的广域信息来提高后备保护的性能、提高安全自动装置的性能却值得思考。

d.输电灵活化

智能电网的一个最大特点就是输电效率的提高,控制手段的灵活。智能电网中必然大量采用诸如可控串联补偿装置、静止无功补偿装置、电能质量控制装置、统一潮流控制器及STATCOM等交流灵活输电技术。另外,我国电网的交直流混合输电的特征也使电网中非线性可控电力元件数量大大增加。以电力电子器件的广泛应用为特征的智能电网的故障暂态过程与仅有同步发电机等旋转元件的传统电力系统将有显著的不同。

电网暂态过程的复杂性及电网运行方式灵活控制造成的多变性,使现有继电保护装置面临较大考验。

3 值得关注的继电保护相关问题

近年来,由于信息技术和电子技术的发展,继电保护专业得到了较大的发展,继电保护装置的可靠性、功能的完善性、操作的方便性及操作界面的人性化等要求已基本满足。我国继电保护在原理上能够满足我国电网运行的要求。

智能电网的规划和发展改变了电能传输的某些特点,信息化和数字化的特征使智能电网与传统电力系统产生了本质的差别,作为继电保护专业,也需要适应其发展,进行相关的研究工作。

a.利用数字化提高保护性能

互感器传输性能的提高和互感器故障的减少使继电保护不需要再考虑电流互感器饱和、二次回路断线、二次回路接地等互感器故障问题。电气量信息传输的真实性也为继电保护装置性能的提高带来了便利条件。如何简化继电保护的辅助功能,利用数字化传感器提高继电保护的整体性能,是未来继电保护发展需要研究的核心问题。

b.网络化将改变继电保护的配置形态

基于IEC61850网络的数字化变电站改变了传统继电保护信息获取和信号发送的媒介,利用网络上共享的站内其它相关电气元件的信息提高主保护的性能,利用共享的控制信号网络简化继电保护配置,是智能电网中继电保护研究的前沿性问题。

网络化带来共享信息的同时,也带来基于网络信息传输的可靠性和安全性问题。与传统二次电缆的传输方式不同,控制信号传输网络的可靠性必须得到保证。数字化变电站条件下继电保护的可靠性问题及如何进行保护配置保证可靠性是网络化二次回路的关键问题。

c.提高安全自动装置性能

PMU和WAMS网络为电力系统防御和紧急控制提供广域信息,能够利用其已建成的网络,提高对时间敏感性不强的后备保护和安全自动装置的性能,改变现有保护和安全自动装置的延时整定原则,使其能够在某些情况下及时判断系统故障,采取措施避免大停电等恶性事故的发生。

d.继电保护新原理与新技术

风能、太阳能、生物能等新能源接入的随机性,使电网接入安全问题日益受到重视,相应的调度方式在智能电网背景下将更快、更灵活地调整传输方式和潮流方向。以电力电子控制为依托的电网灵活控制方式将改变传统电网的故障暂态特征,研究适应智能电网灵活控制的继电保护新原理与新技术是智能电网中继电保护相关研究的一个关键问题。