关于广域后备保护研究的综述

李骏，葛志超，刘映龙，傅亚玲

(三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)

关于广域后备保护研究的综述

李骏，葛志超，刘映龙，傅亚玲

(三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002)

分析基于广域信息的后备保护的主要保护原理，包括:广域电流差动保护、基于广域信息的自适应保护、基于专家系统的广域后备保护、基于潮流转移识别的广域后备保护以及基于复杂网络原理的广域后备保护。简单说明了各种广域后备保护优缺点。基于广域信息的后备保护已成为目前研究的热点，随着智能电网的不断发展，广域后备保护技术将会得到不断的改善。

广域信息;电流差动;自适应;潮流转移;后备保护

1 引言

电力系统是国民经济支柱，是社会生活运行的基础。随着我国电网的不断发展，西电东送、南北互供、全国联网工程的实施，电网互联已成为电力系统的发展趋势。电网互联产生了巨大经济效益的同时，也使电网的网络结构变得更为复杂，给电力系统的安全稳定运行带来了新的挑战。“十二五”期间，国家电网将初步建成构建以特高压为骨干网架、各级电网协调发展的统一坚强智能电网。现代电网的特征是以超高压、长距离输电、大范围互联和大容量的区域交换。随着电网对输电效率的提高以及大量分布式电源的接入，电网的运行方式和潮流分布将变得复杂，发生扰动的可能性增加。电网不能得到安全稳定运行的保证，必将导致巨大的经济、社会损失。

2 大规模电网互联造成的问题

近年来，国内外发生过多起大范围停电事故。美国东部时间2003年8月14日下午约4时20分开始，美国东北部和加拿大部分地区发生大面积停电。这次历史上最大规模的停电波及美国的很多城市，加拿大安大略省的部分城市也受到影响，影响约5000万人口、损失负荷61．8GW、停电范围为8个州1个省［1］;2006年11月4日，德国能源公司为了让一艘新出厂的巡航邮轮安全通过一条河上的高压输电线下方，断开了河上从Conneforde到Diele的380kV双回线路，结果造成欧洲电力网其他输电线路负荷过重，而西部电力输入严重不足，引发西欧多个国家产生了大规模的链式停电事故。西欧大片人口密集的地区顿时陷入黑暗之中，至少有1000多万人受到停电影响［2］;2012年7月30日，印度遭遇大面积停电，逾3．7亿人受到影响。事故均起源于北部和西部电网400kV联络线线路跳闸，导致部分输电线路和变电站过负荷，随后发生连锁反应，最终导致北部电网崩溃。31日，在印度北部恢复供电数小时后，该国东部和北部地区13个邦又陷入电力瘫痪状态，全国近一半地区的供电出现中断，影响约6亿人口用电。此次大面积停电被认为是印度11年来最严重的停电事故，也有报道称这是全球历来规模最大的停电事故之一［3，4］;2006年7月1日，华中电网因继电保护误动作、安全稳定控制装置拒动等原因引发一起重大电网事故，导致华中电网多条500kV线路和220kV线路跳闸、多台发电机组退出运行，电网损失部分负荷，系统发生较大范围、较大幅度的功率振荡［5］。这次事故没有造成全网大停电，却是近20年来我国电网事故中影响范围最广的罕见电网事故。引发这起电网事故的原因是继电保护装置的不合理误动，元件切除后随之而来的潮流转移造成其他线路的过负荷跳闸，使得系统的状况进一步恶化。最终，潮流转移和继保装置的不合理动作相互作用造成电网连锁事故的发生。

传统继电保护基于就地信息，以单个元件为保护对象，其动作无法从整个电网的角度出发，但电力系统的各元件是相互关联的，元件退出运行会改变电网的网络结构，系统的潮流会重新分布，故障元件之前承担的潮流将转移到其他正常运行的元件上，而这又会造成原本正常的元件过载。再加上现有保护设计的局限性，保护装置无法区别是区内故障还是由于潮流转移造成的过负荷，根据整定原则将元件切除。虽然保护装置按预定原则正确动作，但客观上促进了连锁跳闸继而危及电力系统。随着大规模电网的互联，电力系统间元件的关系不断加强，各区域电网间可能存在几个传输断面，当某一个传输断面被完全切除后，该断面本承担的潮流会转移到其他断面上，但这些转移的潮流可能又会加重其他断面内的元件的过载，保护装置将过载的元件切除，从而造成区域电网各自独立，再加上供电和负荷功率的不平衡可能会进一步引起电压、频率失稳，从而导致电网的崩溃，最终发生大停电事故。

电网连锁故障问题得到各国学者和政府的普遍重视。随着现代通信技术和数字化变电站技术的发展，广域监测系统(Wide Area Measurement System，WAMS)以及同步相量测量装置(Phasor Measurement Unit，PMU)［6］的出现，为广域后备保护提供了新的思路。国内外学者已经将广域信息引入后备保护的研究中。

3 广域后备保护的研究现状

目前国内外关于广域保护的的定义还没有达成统一的认识，按照国际大电网会议对广域保护及其作用的描述:基于广域信息来改进继电保护和安全紧急控制方面的内容［7，8］。迄今为止，广域保护的研究工作主要在初步的理论和探讨阶段，取得了卓有成效的研究成果，进一步应该开展广域继电保护在面对实际电网，解决工程应用方面的理论与技术研究。就重点解决后备保护的性能而言也是广域继电保护关注的重要研究方向之一。将广域信息引入后备保护，主要作用有两个:一是准确区分电网潮流转移与区内短路故障，避免潮流转移引起的后备保护过负荷跳闸;二是改善现有保护性能，简化传统后备保护的整定配合关系。随着通信技术和数字化变电站技术的发展，为迅速、可靠的提取大范围的系统信息创造了可能，PMU的出现实现了广域数据在时间上的同步，提高并改善继电保护的性能。目前国内外研究广域后备保护的主要分为以下几个方向。

3．1 基于电流差动原理

广域电流差动保护是通过测量某个区域电流的差动值来判断故障点是在区内还是在区外。该保护原理基于基尔霍夫电流定律，简单可靠、动作性能优越。目前提出的广域继电保护原理主要是通过快速收集全网信息，并利用网络通信进行多点综合比较判断，通过引入广域信息，将保护范围从单一的电气元件扩展到多个相邻电气元件组成的区域，实现快速、灵敏的后备保护，克服现有后备保护的不足。文献［9］较早地对广域电流差动保护进行了探讨，通过与传统输电线路后备保护比较显示，广域差动电流保护原理构成的后备保护能够有效地减少后备保护动作的延时，并减小停电范围。通过光纤网络将各远端的测量电气量传给保护中心装置，同时利用全球定位系统(Global Positioning System，GPS)对测量电流的采样时间进行同步。但是该保护方案对保护区域进行了固定的划分，如果电网的运行方式发生变化，该保护方案缺乏适应能力。文献［10］提出对由于通讯等因素所产生的错误数据通过利用基尔霍夫电流定律对保护终端测量的数据进行校对和重构。在保护中心数据丢失的情况下通过引入跳闸优先权来解决跳闸次序决策问题，即优先切除出现错误数据或传输中断的测量单元所在位置的断路器来进确定故障元件的位置，最后达到减少停电区域的目的。文献［11］以图论为基础，提出了划分广域继电保护区域的准则和搜索方法，将保护终端IED(Intelligent Electric Device)作为研究对象，根据判据从最小范围开始依次在各个区域进行比较判断，如果满足判据则停止比较最后确定故障位置;否则比较继续进行，直到区域内的保护终端全部完成比较，如果还不满足判据，则可以确定该区域没有发生故障。该方法类似于图论中的深度优先搜索，没有考虑系统存在环网的情况。

虽然差动保护原理简单可靠、动作性能优越，当发生潮流转移的情况下可以保证可靠不动作，但是对通信质量要求很高。不但要保持各侧电流时间同步，而且对信息的连续性有很高的要求。当出现特殊情况造成数据错误或数据中断，差动保护将闭锁一段时间才能重新投入运行，如果此时区内发生故障保护装置将拒动。大量的数据传输并且时间同步，使广域电流差动后备保护的通讯设备和系统的设计变得十分复杂。

3．2 基于在线自适应

继电保护的动作行为受系统运行方式影响很大，传统电网的继电保护以一套定值应对各种运行方式。为了满足选择性和灵敏性的要求，针对最不利的运行方式进行定值整定和定值校验，并且同时采取各种措施来防止继电保护在各种可能出现的极端运行情况出现拒动或误动，如此则很难同时满足系统对保护动作的选择性、速动性、灵敏性和可靠性的要求。于是，人们在20世纪80年代，一些专家和学者在IEEE会刊上撰文，正式给出了自适应保护定义［12，13］，即能够根据电力系统运行方式和故障状态的变化而实时改变保护性能、特性或定值的保护。其主要目的是使继电保护尽可能地适应电力系统运行方式和故障状态的各种变化，从而达到改善保护性能的目的［14，15］。

文献［15］首次提出了采用分层式的系统架构来实现输电线路自适应保护的概念，构想了通过与SCADA/EMS接口互联逐步实现自适应保护系统的工程应用。文献［16］提出了两种自适应速断保护的整定方法，利用当地的电压、电流量在线实时求出系统综合阻抗，然后再确定系统综合阻抗。文献［17］针对电力系统最不利的运行方式存在、动作值选择等问题提出了在扰动区域确定继电保护的整定计算范围并进行重新整定计算。文献［18］提出了基于EMS/DTS的在线继电保护智能预警系统，通过跟踪电网的实时运行方式，在线校核保护的配置与定值，并能通过预想事故扫描，自动发现保护中的连锁故障隐患。上述策略主要依据继电保护的整定原则形成，对保护性能的改善有限。另外，对于电网运行方式快速变化的场合，因为计算量的缘故会导致速度不能达到要求。文献［19］提出了利用广域信息来评价保护动作的“安全性”与“可靠性”。通过PMU提供的广域信息，并利用“投票”表决的方式来判断系统的运行状态，进而对基点保护动作的“安全性”与“可靠性”进行调整。该方法旨在减少隐藏故障的可能性。但该方案难以有效避免由于潮流转移引起的连锁跳闸的情况。文献［20］针对因潮流转移引起的距离保护III段误动的问题，提出了自适应调节后备保护动作的特性的方法。该方法可以有效防止距离III段因潮流转移引起的过负荷跳闸，同时也保证线路发生故障时不失去线路后备保护的功能。但是，当潮流转移的负荷功率为无功性质的情况下，该方法难以形成可靠的自适应调整策略。

3．3 基于专家系统

基于专家系统的广域后备保护是以广域信息和人工智能技术推理为基础，针对传统后备保护整定配合关系复杂，动作时间过长并且可能造成较大面积停电等问题，及时有效地与主保护配合，准确、快速、智能地确定故障范围，判断各种保护动作是否合理，降低故障对系统的不良影响，有效的防止传统后备保护产生的连锁跳闸情况。

文献［21］较早提出了针对保护不合理动作以及广域信息的缺失引起的无法对故障元件定位的问题，根据保护动作逻辑和相互配合关系建立用以描述各保护元件发生故障可能性的动作因子。通过利用远程终端设备对一个区域的变电站的继电保护的动作信息和断路器的开合状态信息的收集并计算动作因子。如系统发生故障，则计算各保护单元的动作因子，再根据专家规则和动作因子来对故障元件进行定位。该方法可以实现对故障元件的快速定位及隔离。文献［22］提出了基于开关状态量的集合保护原理并结合专家规则的广域后备保护，利用与某保护相关的其他保护和断路器的信息来提高保护性能。实现识别线路故障与潮流转移引起的过负荷，并通过与控制系统同时作用预防过负荷保护动作引起的连锁跳闸。文献［23］提出了基于纵联比较原理与专家系统相结合的广域后备保护。在被保护系统的每一个断路器或电流互感器处，都装设一个测量故障方向的IED且每个IED都有各自的保护区域，通过广域通信网络实现各区域的IED的信息交换，将IED传来的故障方向信息结合专家系统来实现故障定位。该方法可以有效避免单个IED拒动对故障定位带来的影响，可是如果电网的拓扑结构发生变化则需要实时更新相关区域的信息。

基于专家系统的广域后备保护所需的信息为二进制代码构成，在时间同步上没有很高的要求，传输的数据量较小。该方案可以对故障点进行准确的定位并避免潮流转移引起的过负荷跳闸，最后达到减少停电面积的目的。但是由于受到建立的专家知识的局限，不同的保护配置方案，可能需要不同的专家系统。最后，专家规则难以应对所有的故障情况，可能出现失配现像。

3．4 基于潮流识别

文献［24］针对连锁跳闸问题，提出了基于广域测量系统的潮流转移识别算法，引入潮流因子的概念，并给出了其严格的定义与计算方法。文献［25］在潮流转移的基础上进一步提出了一种广域同步测量的预防连锁跳闸的控制策略。利用网络支路电流与注入电流之间的关系，提出了最佳切机、切负荷控制点的选取原则。但潮流转移过负荷识别需要获取全网拓扑结构及相应参数。文献［26］针对潮流转移引起的距离III段误动的问题，提出了用系统阻抗矩阵计算各种潮流转移分布系数，然后预先计算出潮流转移后各支路潮流分布结果，根据分布结果提出相应距离III段保护闭锁元件方法。该方案从系统层面分析了其可行性，但其没有提出相应的潮流转移的控制策略。

2．5 基于复杂网络理论

随着关于复杂网络的研究的进展，电网作为一个复杂物理网络，是大量国内外学者广泛研究的对象。该类方法主要从网络结构的角度来研究网络对于各种攻击的承受能力是否具有发生连锁故障的可能等问题。文献［27］提出了一个电网有初始转台向自组织临界状态转化的模型，成为最优潮流方法(OPA)模型。该模型分别对电网状态演化过程中，用户符合的增加、电网容量改变、故障的修复，以及故障发生时电网对功率的分配的控制等过程都进行了建模分析。文献［28］提出了CASCADE模型，该模型比OPA模型简单，但是可以研究电网中在不同的负载条件下故障规模的概率分布特征。文献［29］基于复杂网络理论和系统生存性评估理论，对电网关键线路的识别方法进行研究，为广域后备保护提供了新的思路。该类方法提供了网络的宏观结构参数来研究网络，对电网的规划建设或对实际电网的当前结构进行评估有一定的指导意义。但电力系统网络中的节点与一般网络不尽相同，该类方法得到的节点和边不一定与电力网络中的相符合。

4 总结

本文对广域后备保护的研究现状进行归纳。从研究成果来看，广域后备保护还处于理论研究和探讨阶段。虽然取得了一定的成果，但有些问题没有得到解决。伴随着智能电网的发展可以为广域后备保护提供进步的空间，信息随着研究的深入，广域后备保护存在的的问题将会得到解决。

［1］ U．S．-Canada power system outage task force．Final report on the August14，2003 blackout in the United States and Canada:causes and recommendations［EB/OL］．http://www．nerc．com/．

［2］ E．ON Netz GmbH．Reporton the statusof the investigations of the sequence of events and causes of the failure in the continental European electricity grid on Saturday，Nov 4，2006，after 22:10 hours．Bayreuth(Germany):E．ON Netz GmbH，2006．

［3］ Amew．Power system operation corporation limited［R］．New Delhi:National Load Despatch Centre，2012 －07 －30T11:50．

［4］ Amew．Power system operation corporation limited［R］．New Delhi:National Load Despatch Centre，2012 －07 －31T18:30．

［5］ 周勇，陈震海．华中(河南)电网/7．10事故分析与思考［J］．湖南电力，2008，28(3):28 －30，47

［6］ Phadke A G，Thorp JS．Synchronized phasormeasurements and their applications［M］．New York:Springer，2008:3 － 25．

［7］ Massoud Amin．Special issue on energy infrastructure defense systems．Proceedings of the IEEE，2005，5:855 －860．

［8］ HaoLi，Rosenwald GW，Juhwan Jung，et al．Strategic power infrastructure defense system．Proceedings of the IEEE，2005，5:918 －933．

［9］ Serizawa Y，Myoujin M，Kitamura K，et al．Wide-area current differential backup protection employingbroadband communicationsand time transfer systems［J］．IEEE Transactions on Power Delivery，1998，13(4):1046 －1052．

［10］ Kangvansaichol K，Crossley P A．Multi-zone Current Differential Protection for Transmission Networks［C］．2003 IEEE PES Transmission and Distribution Conference，Dallas，Texas，2003，2003(1):359 －364．

［11］ 丛伟，潘贞存，赵建国．基于电流差动原理的广域继电保护系统［J］．电网技术，2006，30(5):91 －95．

［12］ Horowitz SH，Phadke AG，Thorp JS．Adaptive transmission system relaying［J］．IEEE Transactions on Power Delivery，1988，3(4):1436 － 1446．

［13］ Rockefeller GD，Wagner CL，Linders JR，et al．Adaptive transmission relaying:concepts for improved performance［J］．IEEE Transactions on PowerDelivery，1988，3(4):1446 －1456．

［14］ 葛耀中．自适应继电保护及其前景展望［J］．电力系统自动化，1997，21(9):42 －46．

［15］ Rockefeller G D，Wagner C L，Linders JR，et al．Adaptive transmission relaying:concepts for improved performance［J］，IEEE Transactions on Power Delivery，1988，3(4):1446 －1456．

［16］ 葛耀中，杜兆强，刘浩芳．自适应速断保护的动作性能分析［J］．电力系统自动化，2001，25(18):28 －32．

［17］ 曹国臣，蔡国伟，王海军．继电保护整定计算方法存在的问题与解决对策［J］．中国电机学报，2003，32(10):51 －56．

［18］ Sachdev M．S．，Thorp J．S．，Sidhu T．S．Advancements in microprocessor based protection and communication［C］．America:IEEE Power Engineering Society，1997:127 －132．

［19］ Bernabeu E E，Thorp JS，Centeno V．Methodology for a security/dependability adaptive protection scheme based on data mining［J］．IEEE Transactions on Power Delivery，2012，27(1):104 －111．

［20］ 孙景钌，李永丽，李盛伟，等．含分布式电源配电网保护方案［J］．电力系统自动化，2009，1(33):81 －84，89．

［21］ Tan JC，Crossley P A，Kirschen D，et al．An expert system for the back-up protection of a transmission network ［J］．IEEE Transactions on Power Delivery，2000，15(2):508 －514．

［22］ 王慧芳，何奔腾．利用状态量信息的集合保护规范化判据研究［J］．中国电机工程学报，2008，28(22):81 －86．

［23］ 从伟，潘贞存，赵建国．基于纵联比较原理的广域继电保护算法研究［J］．中国电机工程学报，2006，26(21):8 －14．

［24］ 徐慧明，毕天姝，黄少锋，等．基于潮流转移因子的广域后备保护方案［J］．电网技术，2006，30(15):65 －71．

［25］ 徐慧明，毕天姝，黄少锋，等．基于广域同步测量系统的预防连锁跳闸控制策略［J］．中国电机学报，207，27(19):31 －38．

［26］ Seong-Il Lim，Chen-Ching Liu，and Seung-Jae Lee et al．Blocking of Zone 3 Relays to Prevent Cascaded Events．IEEE Transactions on Power Systems，2008，23(2):747 －754．

［27］ Dobson I，Chen J，Thorp JS，et al．Examining criticality of blackouts in power system models with cascading events．Proceedings of 35th Hawaii International conference on System Sciences，2002，63 －72．

［28］ Dobson I，Carreras B A，Newman D E．A loading-dependentmodel of cascading failure and possible implications for blackouts．proceedings of35th Hawaii International Conference on System Science，2003，1 －8．

［29］ 杨文辉，毕天姝，黄少锋，等．基于电网生存性评估的关键线路识别方法［J］．中国电机工程学报，2011，31(7):29 －35．

Overview on W ide-Area Relaying Protection

LIJun，GE Zhi-chao，LIU Ying-long，FU Ya-ling
(China Three Gorges University，Yichang 443002，China)

This paper analyzes themain protection principle of backup protection based on wide area information，including wide-area current differential protection，wide-area information based adaptive protection，wide-area backup protection based on expert system，wide area backup protection based on flow Transferring relativity factor and wide area backup protection based on complex network theory．This paper briefly explains the advantages and the disadvantages of a variety ofwide-area backup protection．Wide Area Information-based backup protection has become a hot topic at present，with the continuous development of smart grid，wide-area backup protection technology will continue to improve．

wide area information;current differential;self-adaption;flow transferring;backup protection

TM71

B

1004－289X(2013)04－0001－05

2013－05－20

李骏(1987－)，男，硕士研究生，主要研究继电保护;

葛志超(1987－)，男，硕士研究生，主要研究微网继电保护;

刘映龙(1987－)，男，硕士研究生，主要研究高电压;

傅亚玲(1990－)，女，硕士研究生，主要研究继电保护。