智能电网继电保护技术研究
2014-11-28江盈文
江盈文
摘要：分析智能电网网络结构、传统电网继电保护与智能电网继电保护构成的区别，以及智能电网关键技术，针对我国智能电网继电保护面临的挑战进行探讨，为提高继电保护的智能性、灵敏性、可靠性及迅速性提供参考。
关键词：智能电网；继电保护；构成；技术；挑战
中图分类号：TM77 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）06-0049-03
智能电网作为当今世界电力系统发展变革的最新动向，已由最初模糊的概念发展到了具体实施阶段。相应地，智能电网的网络拓扑结构、智能电网的继电保护以及智能电网的关键性技术都成为其发展研究的重要内容。
1 智能电网的网络结构模型
传统电网中，典型的网络拓扑结构有总线型、环型、星型线路，等效模型见图1。这些均为线型模型，运行方式相对比较单一，每一个电源点的潮流流向是单向的，因而能方便地利用电流保护、距离保护实现。
智能电网中，网状结构使每个点既可能是电源点又可能是最终的用户点，因此线路潮流的流向是双向的；另外，分布式电源作为网状电网的一个点，也可能会从系统中解列出来，形成微网单独运行，等效模型如图2所示。这种电网的运行方式是不确定和易变的，从而造成系统运行阻抗的千变万化，最终导致传统的过流保护、距离保护定值无法整定，保护不能单独使用。基于此，必须考虑新的保护方案，避免受电网运行方式变化的影响。
2 智能电网继电保护构成
2.1 传统电网继电保护构成
传统电网中，电源点的潮流流向是确定的。通常保护输入的是本侧的电气量，包括：三相电流Ia，Ib和Ic；三相电压Ua，Ub和Uc。通过对这些电气量的判别，满足相关保护的要求。线路光纤差动保护最多是输入被保护线路对侧的电流，所以传统继电保护电气判别量基本固定不变。其构成示意图如图3所示。
2.2 智能电网继电保护构成
智能电网的分布式发电、交互式供电对继电保护提出了更高要求。通信和信息技术的长足发展，数字化技术及其应用在各行各业的日益普及，也为探索新的保护原理提供了条件。智能电网中，可利用传感器对发电、输电、配电、供电等关键设备的运行状况进行实时监控，然后把获得的数据通过网络系统进行收集、整合，最后对数据进行分析。利用这些信息可对运行状况进行监测，实现对保护功能和保护定值的远程动态监控与修正。
另外，对于保护装置而言，保护功能除了需要本保护对象的运行信息外，还需要相关联的其他设备的运行信息。一方面是保证故障的准确实时识别，另一方面是保证在没有或少量人工干预下，能够快速隔离故障、自我恢复，避免大面积停电的发生。所以，智能电网继电保护装置保护动作时不一定只跳本保护对象，也有可能在跳本保护对象时还需发连跳命令跳开其他关联节点，还有可能只发连跳命令跳开其他关联节点而不跳开本保护对象。
图4为智能电网继电保护构成示意图。在智能电网中，通过监控系统对本保护对象和其关联节点的运行状况进行分析和决策，实时调整相应继电保护装置的保护功能和保护定值，使保护装置适应灵活变化的运行工况。同时由保护功能决定参与故障判断的电气量信息和保护动作策略。
3 智能电网关键技术
未来智能配电网的发展，要求智能电网继电保护技术与先进的信息、通信和控制等技术加以融合。为了满足智能电网继电保护的技术要求，需要有对应的关键技术解决以往电网中存在的问题。
3.1 通信技术
建立高速、双向、实时、集成的通信系统是实现智能电网的基础。智能电网通过高速双向通信系统这个平台，能够不断地自我监测和校正，实现自愈。它能够监测到各种扰动，进行无功补偿、潮流分配，避免传统大电网中大范围停电等情况的发生。该通信系统能够保证电力电子控制器、保护系统、用户以及各种不同的设备进行网络化通信。
3.2 参考量测技术
参考量测技术是智能电网基本的组成部分，其作用是将测量数据转换为数据信息，供给智能电网各个方面使用。参考量测技术给电力系统运行人员和规划人员提供更多的数据支持，包括功率因数、电能质量、相位关系、设备健康状况、故障定位、变压器和线路负荷、关键元件的温度、停电确认等数据。
3.3 设备技术
设备技术主要包括电力电子技术和分布式能源接入技术。电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行变换及控制的一种现代技术，其节能效果明显，以SVC为代表的柔性交流输电技术和高压直流输电技术体现尤为明显。将电力电子技术和现代控制技术结合，通过对电力系统参数的连续调节控制，可大幅降低输电损耗、提高输电系统输送能力和保证电力系统稳定水平。
3.4 控制技术和决策支持技术
先进的控制技术是指智能电网中分析、诊断和预测状态并确定及采取适当的措施以消除、减轻和防止供电中断和电能质量扰动的装置和算法。这一技术可以管理电网的有功和无功。先进的控制技术分析和诊断功能将引进专家系统，在专家系统允许的范围内采取自动的控制行动，实现电网的自愈性。决策支持技术将复杂的电力系统数据转化为系统运行人员一目了然的可理解的信息，以动画技术、动态着色技术、虚拟现实技术以及其他数据展示技术来帮助系统运行人员认识、分析和处理紧急问题。
4 继电保护发展面临的挑战
4.1 大电网、超/特高压影响
1） 特高压电网故障时谐波分量大，非周期分量衰减缓慢，暂态过程明显，影响保护动作的可靠性和快速性；2） 超/特高压长线路分布电容对电流差动保护和按集中参数模型构成的保护产生不利影响；3） 同塔双回或多回线路的跨线故障以及互感和线路参数不平衡会对保护造成影响；4） 变压器保护利用谐波含量区分内部故障与励磁涌流的难度增大；5） 电网间的相互影响使故障特性更为复杂，故障计算误差增加；6） 对于继电保护设备，要求具有更高的可靠性、安全性和电磁兼容能力。
4.2 电力电子设备影响
1） FACTS元件的安装位置、投入运行与否以及所涉及参数的调整变化会对电网短路电流的特征和分布产生影响；2） 直流输电系统的控制和保护问题仍然很突出，交、直流系统的故障会互相影响；3） 风机类型、风机的工作状态、风机所采用的控制方法及故障类型等因素，会对不同时段的保护以及选相功能等产生影响。
4.3 电网的控制策略影响
FACTS元件大量应用，直流输电工程投入运行，以及规模化风电场、光伏电站的并网运行，使得电网的继电保护必须与这些设备或元件的控制策略进行协调与配合。其中包括FACTS元件的保护与控制，及其与系统保护的协调配合；直流输电系统的控制与保护，以及交直流混联系统保护的协调与配合；风电、光伏电站的并网控制对接入系统保护的影响；此外，电网一、二、三道防线之间的协调配合也需要考虑。
4.4 网络拓扑和运行方式影响
目前以光纤差动为代表的主保护已臻于完善，然而受电网运行方式和网络拓扑影响的传统后备保护却面临很多困难。为保证其可靠性，不得不按照最严酷的情况进行配置和整定；为了保证其选择性，不得不牺牲后备保护的快速性和灵敏性。
参考文献
[1] 余文军.智能电网继电保护研究综述[J].电源技术应用，2013（2）：303.
[2] 刘强.智能电网继电保护技术探讨[J].江苏电机工程，2010（3）：82-84.
[3] 王增平，姜宪国，张执超，等.智能电网环境下的继电保护[J].电力系统保护与控制，2013（2）：13-18.
摘要：分析智能电网网络结构、传统电网继电保护与智能电网继电保护构成的区别，以及智能电网关键技术，针对我国智能电网继电保护面临的挑战进行探讨，为提高继电保护的智能性、灵敏性、可靠性及迅速性提供参考。
关键词：智能电网；继电保护；构成；技术；挑战
中图分类号：TM77 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）06-0049-03
智能电网作为当今世界电力系统发展变革的最新动向，已由最初模糊的概念发展到了具体实施阶段。相应地，智能电网的网络拓扑结构、智能电网的继电保护以及智能电网的关键性技术都成为其发展研究的重要内容。
1 智能电网的网络结构模型
传统电网中，典型的网络拓扑结构有总线型、环型、星型线路，等效模型见图1。这些均为线型模型，运行方式相对比较单一，每一个电源点的潮流流向是单向的，因而能方便地利用电流保护、距离保护实现。
智能电网中，网状结构使每个点既可能是电源点又可能是最终的用户点，因此线路潮流的流向是双向的；另外，分布式电源作为网状电网的一个点，也可能会从系统中解列出来，形成微网单独运行，等效模型如图2所示。这种电网的运行方式是不确定和易变的，从而造成系统运行阻抗的千变万化，最终导致传统的过流保护、距离保护定值无法整定，保护不能单独使用。基于此，必须考虑新的保护方案，避免受电网运行方式变化的影响。
2 智能电网继电保护构成
2.1 传统电网继电保护构成
传统电网中，电源点的潮流流向是确定的。通常保护输入的是本侧的电气量，包括：三相电流Ia，Ib和Ic；三相电压Ua，Ub和Uc。通过对这些电气量的判别，满足相关保护的要求。线路光纤差动保护最多是输入被保护线路对侧的电流，所以传统继电保护电气判别量基本固定不变。其构成示意图如图3所示。
2.2 智能电网继电保护构成
智能电网的分布式发电、交互式供电对继电保护提出了更高要求。通信和信息技术的长足发展，数字化技术及其应用在各行各业的日益普及，也为探索新的保护原理提供了条件。智能电网中，可利用传感器对发电、输电、配电、供电等关键设备的运行状况进行实时监控，然后把获得的数据通过网络系统进行收集、整合，最后对数据进行分析。利用这些信息可对运行状况进行监测，实现对保护功能和保护定值的远程动态监控与修正。
另外，对于保护装置而言，保护功能除了需要本保护对象的运行信息外，还需要相关联的其他设备的运行信息。一方面是保证故障的准确实时识别，另一方面是保证在没有或少量人工干预下，能够快速隔离故障、自我恢复，避免大面积停电的发生。所以，智能电网继电保护装置保护动作时不一定只跳本保护对象，也有可能在跳本保护对象时还需发连跳命令跳开其他关联节点，还有可能只发连跳命令跳开其他关联节点而不跳开本保护对象。
图4为智能电网继电保护构成示意图。在智能电网中，通过监控系统对本保护对象和其关联节点的运行状况进行分析和决策，实时调整相应继电保护装置的保护功能和保护定值，使保护装置适应灵活变化的运行工况。同时由保护功能决定参与故障判断的电气量信息和保护动作策略。
3 智能电网关键技术
未来智能配电网的发展，要求智能电网继电保护技术与先进的信息、通信和控制等技术加以融合。为了满足智能电网继电保护的技术要求，需要有对应的关键技术解决以往电网中存在的问题。
3.1 通信技术
建立高速、双向、实时、集成的通信系统是实现智能电网的基础。智能电网通过高速双向通信系统这个平台，能够不断地自我监测和校正，实现自愈。它能够监测到各种扰动，进行无功补偿、潮流分配，避免传统大电网中大范围停电等情况的发生。该通信系统能够保证电力电子控制器、保护系统、用户以及各种不同的设备进行网络化通信。
3.2 参考量测技术
参考量测技术是智能电网基本的组成部分，其作用是将测量数据转换为数据信息，供给智能电网各个方面使用。参考量测技术给电力系统运行人员和规划人员提供更多的数据支持，包括功率因数、电能质量、相位关系、设备健康状况、故障定位、变压器和线路负荷、关键元件的温度、停电确认等数据。
3.3 设备技术
设备技术主要包括电力电子技术和分布式能源接入技术。电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行变换及控制的一种现代技术，其节能效果明显，以SVC为代表的柔性交流输电技术和高压直流输电技术体现尤为明显。将电力电子技术和现代控制技术结合，通过对电力系统参数的连续调节控制，可大幅降低输电损耗、提高输电系统输送能力和保证电力系统稳定水平。
3.4 控制技术和决策支持技术
先进的控制技术是指智能电网中分析、诊断和预测状态并确定及采取适当的措施以消除、减轻和防止供电中断和电能质量扰动的装置和算法。这一技术可以管理电网的有功和无功。先进的控制技术分析和诊断功能将引进专家系统，在专家系统允许的范围内采取自动的控制行动，实现电网的自愈性。决策支持技术将复杂的电力系统数据转化为系统运行人员一目了然的可理解的信息，以动画技术、动态着色技术、虚拟现实技术以及其他数据展示技术来帮助系统运行人员认识、分析和处理紧急问题。
4 继电保护发展面临的挑战
4.1 大电网、超/特高压影响
1） 特高压电网故障时谐波分量大，非周期分量衰减缓慢，暂态过程明显，影响保护动作的可靠性和快速性；2） 超/特高压长线路分布电容对电流差动保护和按集中参数模型构成的保护产生不利影响；3） 同塔双回或多回线路的跨线故障以及互感和线路参数不平衡会对保护造成影响；4） 变压器保护利用谐波含量区分内部故障与励磁涌流的难度增大；5） 电网间的相互影响使故障特性更为复杂，故障计算误差增加；6） 对于继电保护设备，要求具有更高的可靠性、安全性和电磁兼容能力。
4.2 电力电子设备影响
1） FACTS元件的安装位置、投入运行与否以及所涉及参数的调整变化会对电网短路电流的特征和分布产生影响；2） 直流输电系统的控制和保护问题仍然很突出，交、直流系统的故障会互相影响；3） 风机类型、风机的工作状态、风机所采用的控制方法及故障类型等因素，会对不同时段的保护以及选相功能等产生影响。
4.3 电网的控制策略影响
FACTS元件大量应用，直流输电工程投入运行，以及规模化风电场、光伏电站的并网运行，使得电网的继电保护必须与这些设备或元件的控制策略进行协调与配合。其中包括FACTS元件的保护与控制，及其与系统保护的协调配合；直流输电系统的控制与保护，以及交直流混联系统保护的协调与配合；风电、光伏电站的并网控制对接入系统保护的影响；此外，电网一、二、三道防线之间的协调配合也需要考虑。
4.4 网络拓扑和运行方式影响
目前以光纤差动为代表的主保护已臻于完善，然而受电网运行方式和网络拓扑影响的传统后备保护却面临很多困难。为保证其可靠性，不得不按照最严酷的情况进行配置和整定；为了保证其选择性，不得不牺牲后备保护的快速性和灵敏性。
参考文献
[1] 余文军.智能电网继电保护研究综述[J].电源技术应用，2013（2）：303.
[2] 刘强.智能电网继电保护技术探讨[J].江苏电机工程，2010（3）：82-84.
[3] 王增平，姜宪国，张执超，等.智能电网环境下的继电保护[J].电力系统保护与控制，2013（2）：13-18.
摘要：分析智能电网网络结构、传统电网继电保护与智能电网继电保护构成的区别，以及智能电网关键技术，针对我国智能电网继电保护面临的挑战进行探讨，为提高继电保护的智能性、灵敏性、可靠性及迅速性提供参考。
关键词：智能电网；继电保护；构成；技术；挑战
中图分类号：TM77 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）06-0049-03
智能电网作为当今世界电力系统发展变革的最新动向，已由最初模糊的概念发展到了具体实施阶段。相应地，智能电网的网络拓扑结构、智能电网的继电保护以及智能电网的关键性技术都成为其发展研究的重要内容。
1 智能电网的网络结构模型
传统电网中，典型的网络拓扑结构有总线型、环型、星型线路，等效模型见图1。这些均为线型模型，运行方式相对比较单一，每一个电源点的潮流流向是单向的，因而能方便地利用电流保护、距离保护实现。
智能电网中，网状结构使每个点既可能是电源点又可能是最终的用户点，因此线路潮流的流向是双向的；另外，分布式电源作为网状电网的一个点，也可能会从系统中解列出来，形成微网单独运行，等效模型如图2所示。这种电网的运行方式是不确定和易变的，从而造成系统运行阻抗的千变万化，最终导致传统的过流保护、距离保护定值无法整定，保护不能单独使用。基于此，必须考虑新的保护方案，避免受电网运行方式变化的影响。
2 智能电网继电保护构成
2.1 传统电网继电保护构成
传统电网中，电源点的潮流流向是确定的。通常保护输入的是本侧的电气量，包括：三相电流Ia，Ib和Ic；三相电压Ua，Ub和Uc。通过对这些电气量的判别，满足相关保护的要求。线路光纤差动保护最多是输入被保护线路对侧的电流，所以传统继电保护电气判别量基本固定不变。其构成示意图如图3所示。
2.2 智能电网继电保护构成
智能电网的分布式发电、交互式供电对继电保护提出了更高要求。通信和信息技术的长足发展，数字化技术及其应用在各行各业的日益普及，也为探索新的保护原理提供了条件。智能电网中，可利用传感器对发电、输电、配电、供电等关键设备的运行状况进行实时监控，然后把获得的数据通过网络系统进行收集、整合，最后对数据进行分析。利用这些信息可对运行状况进行监测，实现对保护功能和保护定值的远程动态监控与修正。
另外，对于保护装置而言，保护功能除了需要本保护对象的运行信息外，还需要相关联的其他设备的运行信息。一方面是保证故障的准确实时识别，另一方面是保证在没有或少量人工干预下，能够快速隔离故障、自我恢复，避免大面积停电的发生。所以，智能电网继电保护装置保护动作时不一定只跳本保护对象，也有可能在跳本保护对象时还需发连跳命令跳开其他关联节点，还有可能只发连跳命令跳开其他关联节点而不跳开本保护对象。
图4为智能电网继电保护构成示意图。在智能电网中，通过监控系统对本保护对象和其关联节点的运行状况进行分析和决策，实时调整相应继电保护装置的保护功能和保护定值，使保护装置适应灵活变化的运行工况。同时由保护功能决定参与故障判断的电气量信息和保护动作策略。
3 智能电网关键技术
未来智能配电网的发展，要求智能电网继电保护技术与先进的信息、通信和控制等技术加以融合。为了满足智能电网继电保护的技术要求，需要有对应的关键技术解决以往电网中存在的问题。
3.1 通信技术
建立高速、双向、实时、集成的通信系统是实现智能电网的基础。智能电网通过高速双向通信系统这个平台，能够不断地自我监测和校正，实现自愈。它能够监测到各种扰动，进行无功补偿、潮流分配，避免传统大电网中大范围停电等情况的发生。该通信系统能够保证电力电子控制器、保护系统、用户以及各种不同的设备进行网络化通信。
3.2 参考量测技术
参考量测技术是智能电网基本的组成部分，其作用是将测量数据转换为数据信息，供给智能电网各个方面使用。参考量测技术给电力系统运行人员和规划人员提供更多的数据支持，包括功率因数、电能质量、相位关系、设备健康状况、故障定位、变压器和线路负荷、关键元件的温度、停电确认等数据。
3.3 设备技术
设备技术主要包括电力电子技术和分布式能源接入技术。电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行变换及控制的一种现代技术，其节能效果明显，以SVC为代表的柔性交流输电技术和高压直流输电技术体现尤为明显。将电力电子技术和现代控制技术结合，通过对电力系统参数的连续调节控制，可大幅降低输电损耗、提高输电系统输送能力和保证电力系统稳定水平。
3.4 控制技术和决策支持技术
先进的控制技术是指智能电网中分析、诊断和预测状态并确定及采取适当的措施以消除、减轻和防止供电中断和电能质量扰动的装置和算法。这一技术可以管理电网的有功和无功。先进的控制技术分析和诊断功能将引进专家系统，在专家系统允许的范围内采取自动的控制行动，实现电网的自愈性。决策支持技术将复杂的电力系统数据转化为系统运行人员一目了然的可理解的信息，以动画技术、动态着色技术、虚拟现实技术以及其他数据展示技术来帮助系统运行人员认识、分析和处理紧急问题。
4 继电保护发展面临的挑战
4.1 大电网、超/特高压影响
1） 特高压电网故障时谐波分量大，非周期分量衰减缓慢，暂态过程明显，影响保护动作的可靠性和快速性；2） 超/特高压长线路分布电容对电流差动保护和按集中参数模型构成的保护产生不利影响；3） 同塔双回或多回线路的跨线故障以及互感和线路参数不平衡会对保护造成影响；4） 变压器保护利用谐波含量区分内部故障与励磁涌流的难度增大；5） 电网间的相互影响使故障特性更为复杂，故障计算误差增加；6） 对于继电保护设备，要求具有更高的可靠性、安全性和电磁兼容能力。
4.2 电力电子设备影响
1） FACTS元件的安装位置、投入运行与否以及所涉及参数的调整变化会对电网短路电流的特征和分布产生影响；2） 直流输电系统的控制和保护问题仍然很突出，交、直流系统的故障会互相影响；3） 风机类型、风机的工作状态、风机所采用的控制方法及故障类型等因素，会对不同时段的保护以及选相功能等产生影响。
4.3 电网的控制策略影响
FACTS元件大量应用，直流输电工程投入运行，以及规模化风电场、光伏电站的并网运行，使得电网的继电保护必须与这些设备或元件的控制策略进行协调与配合。其中包括FACTS元件的保护与控制，及其与系统保护的协调配合；直流输电系统的控制与保护，以及交直流混联系统保护的协调与配合；风电、光伏电站的并网控制对接入系统保护的影响；此外，电网一、二、三道防线之间的协调配合也需要考虑。
4.4 网络拓扑和运行方式影响
目前以光纤差动为代表的主保护已臻于完善，然而受电网运行方式和网络拓扑影响的传统后备保护却面临很多困难。为保证其可靠性，不得不按照最严酷的情况进行配置和整定；为了保证其选择性，不得不牺牲后备保护的快速性和灵敏性。
参考文献
[1] 余文军.智能电网继电保护研究综述[J].电源技术应用，2013（2）：303.
[2] 刘强.智能电网继电保护技术探讨[J].江苏电机工程，2010（3）：82-84.
[3] 王增平，姜宪国，张执超，等.智能电网环境下的继电保护[J].电力系统保护与控制，2013（2）：13-18.
