面向智能电网的继电保护系统重构

面向智能电网的继电保护系统重构

熊小伏,陈星田,夏 莹,张荣海

(重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室,重庆市400030)

摘要:现代智能电网的发展要求继电保护系统具有更大的灵活性和可靠性。结合智能电网的特点分析了现有继电保护系统结构存在的问题,提出了在未来智能电网中使继电保护具有可重构功能的建议。分析了继电保护系统在线重构的需求,提出了继电保护重构的含义、准则以及继电保护实施重构的通用模型,给出了重构示例并指出了尚需继续研究的问题。关键词:智能电网;继电保护系统;重构中图分类号:TM774

0 引言

随着市场化改革的推进、气候变化的加剧,环境监管要求日趋严格,可再生能源等分布式发电资源数量不断增加,智能电网概念应运而生,其目标是利用先进的技术容许绿色可再生能源顺利接入电网,提高电力系统的能源转换和传输效率,确保供电质

[123]

量和更高的可靠性。智能电网通常具有如下特点[225]:¹自愈和自适应;º安全稳定和可靠;»兼容性;¼经济协调,优质高效;½与用户友好互动。其中自愈和自适应是要求可以实时掌控电网运行状态,在尽量少的人为干预下实现快速隔离故障、自我恢复,避免大面积停电事故的发生。对继电保护系统而言,就要求其能够自动适应一次系统因分布式能源接入而出现的多变的运行方式,更要求继电保护系统自身出现隐藏故障时也能做到自诊断及自愈,以避免连锁故障的发生。

事实上,为适应电力系统的发展要求,继电保护在提高自身适应能力方面已进行了大量研究。自适应保护在20世纪80年代被提出,其主要目标是根据电力系统运行方式、拓扑结构和故障类型的变化而实时改变保护动作特性或定值,以使继电保护系统尽可能地适应电力系统的各种变化,具有期望的

[629]

动作灵敏性和可靠性。但已有的关于自适应保护的研究局限于根据实际系统反馈回来的信息,重新计算和调整保护定值,只能达到有限的自适应,也不能满足分布式能源接入电网的要求。近年来提出了广域保护的理论和技术[10213],利用电力系统多点的信息,对故障进行快速、可靠、精确的切除,同时分

收稿日期:2009207227;修回日期:2009207230。国家自然科学基金资助项目(50777068)。

析故障切除前后电网潮流分布和拓扑结构的变化对系统安全稳定运行的影响,并采取相应的控制措施,提高输电线可用容量或系统可靠性,因此可同时实现继电保护和控制功能。由于其作用的范围更广,因此广域保护系统自身的可靠性将对系统产生更大影响。

尽管目前继电保护系统的可靠性已达到较高水平,但由继电保护系统隐藏故障导致的连锁跳闸和大面积停电事故仍时有发生。文献[14218]对继电保护装置和系统自身的隐藏故障问题进行了研究,提出了隐藏故障的评估和诊断方法。但对于如何有效地在线处理继电保护系统的隐藏故障却未进行深入研究。

智能电网中建设高级的信息传输平台是其主要任务之一,据此可利用更丰富的信息使继电保护装置和系统具有自适应、自诊断和自恢复功能。为此,本文将为适应电网结构和电源结构变化进行的继电保护配置重组,以及在继电保护系统自身故障后利用健康资源重新组成新的保护系统的过程称为继电保护系统的重构。本文分析了继电保护系统的重构需求,提出了继电保护系统重构的通用模型,给出了重构示例,指出了需继续深入研究的问题。

1 继电保护系统的在线重构需求

近年来继电保护系统在通信和信息处理技术的支撑下,通过采用双重化配置带通道的电流差动和方向比较原理的保护装置,主网保护动作可靠性得到了很大提高,但随着对继电保护系统可靠性的更高要求以及分布式能源的大量接入,继电保护面临的主要问题有:

1)目前继电保护的结构是一种刚性结构,联接

)

33

)

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方式、保护对象、适应的网络条件均是预先设定,自适应能力弱,适应一次系统的变化能力弱。

以图1所示系统为例,其中线路B1装设的带通道的纵联保护由差动保护装置P11和P12及通道T1组成,线路B2类似。纵联保护能区分被保护元件区内及区外故障,可瞬时切除区内故障。

由上可见,现代电网的发展要求继电保护系统具有更大的灵活性和可靠性,其主要功能体现在:

1)继电保护的整定值自适应电网运行方式的变化;

2)可在线配置(启动或停运)继电保护设备以自适应电网结构的变化;

3)对继电保护系统内元件的状态进行在线诊断,识别自身的显性或隐藏故障;

4)在继电保护元件或装置失效时,能自动寻求图1 纵联保护结构

Fig.1 Structurediagramoflongitudinalprotection

当保护系统遇到类似2008年冰灾等突发性故障导致的通道T1失效时,现有保护系统往往还不能自动寻求新的信息通道以重新恢复该线路的纵联保护功能。

2)继电保护系统故障(包括隐藏故障)带来电网大面积停电的风险依然存在。现有继电保护虽然能对一些元件失效进行在线自诊断,但尚不能自动转移或恢复其功能。例如当微机保护装置自检到某个芯片故障时,只能选择报警,而不能寻找替代元件。在采用双重化配置的情况下,虽然一套保护装置故障不必马上停运一次设备,但保护系统的整体可靠性却大大下降。

3)目前的配电网络以配置三段式电流保护为主,在多点接入分布式电源(DG)后,不仅要求继电保护既适应单向潮流又适应双向潮流的运行方式,还要求更快的动作速度、更高的可靠性和灵敏性。

以图2所示配电网中接入DG为例,原有配电系统不再是单侧电源,在d1点发生故障时,系统和DG同时向故障点提供短路电流,DG的接入增加了流过保护2和保护3的短路电流,可能会使保护2处的电流速断保护范围延伸到下一条线路,从而使速断保护动作失去选择性。而当相邻馈线发生故障时,DG提供的反向短路电流有可能导致保护1误动作从而中断非故障线路的正常供电。

图2 DG接入对继电保护系统的影响

Fig.2 ImpactsofDGonrelayprotectionsystem

由于DG的随机性,难以通过调整保护整定值的方式做到DG接入的自适应,可能需要在DG接入时启动相适应的继电保护系统,而在DG退出时恢复原有继电保护系统。)

34)

替代元件或替代系统,以重新恢复其功能。

由上可见,为适应电网电源结构和运行方式的变化以及继电保护自身故障后的自恢复,均要求对继电保护资源进行重新组合,通过继电保护系统的重构满足一次系统的要求。

2 继电保护系统重构方法

2.1 继电保护系统重构准则

继电保护系统的重构应满足下述原则:1)功能完整性

通常重构后的继电保护系统应达到或超过原有的保护系统的功能,同时允许紧急情况下对某些功能(例如保护动作速度、选择性)的降阶或解除,以满足系统最低安全指标。

2)重构的快速性

由于一次系统一刻也不能脱离继电保护,因此继电保护系统自身的重构应快速有效。在有多套保护需要重构时应在维持最低功能的前提下选择分步实施或同时实施策略。

3)重构的可靠性

继电保护重构时要重新选择设备组合,所构建的新系统必须保证可靠性指标满足要求。

4)重构的经济性

继电保护系统的重构需要对设备资源进行重新划分,因此在保证可靠性的同时应尽量减少对资源的占用。

2.2 继电保护重构通用模型

如前所述,继电保护重构是对继电保护资源的重新组合,包含了资源、对资源的组合实现以及如何组合这3个核心要素。

1)继电保护资源

根据继电保护系统的组成,可将传统的继电保护系统划分为不同的功能元件的集合,例如可将继电保护系统分解为互感器、信息通道、测量及比较元件、执行元件、操作电源等功能元件。

继电保护系统内的资源往往可以共享,特别是数字化变电站,其开放、共享的结构特点为资源的多种组合及利用提供了方便。

2)继电保护资源组合的实现

#专题研讨)))智能电网# 熊小伏,等 面向智能电网的继电保护系统重构

对继电保护资源组合的实现是指按给定原则对继电保护内部元件进行重新连接或对内部信号进行重新分配的过程。传统继电保护元件难以满足重构要求,而数字化元件则较易实现。例如,电磁型电流互感器的输出采用固定连接方式,难以在线改变其连接关系,而光电/电子式电流互感器(OCT/ECT)的输出则可通过网络交互实现再分配。

3)资源组合的方法

如何实现继电保护资源的重新组合,是实现继电保护重构的关键。需要根据一次系统的信息、继电流差动保护装置。相应信息通道分别定义为元件

T1,T2,T3,包括端机、光缆等信息传输设备。

图4 输电线路电流差动保护系统

Fig.4 Currentdifferentialprotectionsystem

oftransmissionline

重构方法:在每一变电站设置信息交换设备电保护装置状态诊断的信息进行综合决策。

根据上述3个核心要素,建立继电保护系统重构模型如图3所示,可分为功能元件层、状态检测及重构执行层、协调决策层。

图3 继电保护系统重构模型

Fig.3 Reconstructionmodelofrelayprotectionsystem

许多变电站的继电保护功能元件的集合定义为继电保护重构所需的功能元件层。

状态检测及重构执行层由信息采集及分析决策计算机构成,主要完成对各个继电保护元件的状态信息采集,根据所收集的信息进行状态诊断,由此确定故障或异常元件,并确定其替代元件等重构方案,再将重构命令下达给各功能元件。本层可按电网的拓扑结构设置多个区域决策处理中心。

大多数情况下,区域决策处理中心的计算机可满足本区域的继电保护重构决策要求,当涉及跨区信息时,则可由协调决策层的计算机进行信息交换并进行协调。

2.3 继电保护系统重构举例

图3所示的重构模型中,对任意元件ej,总可以找到(或设置)其替代元件ejc,当监测到ej失效或不适合现有网络结构时,通过协调决策层分析,由重构执行层实现对ej的替代,达到继电保护系统重构目的。

为方便理解继电保护的重构思想,针对几种典型状况举例如下。

1)通信回路失效的重构

以图4所示输电线路电流差动保护系统为例,为简化,首先将该电流差动保护系统分解为保护装置和信号通道2部分。其中P11和P12为线路L1两端电流差动保护装置;P21和P22为线路L2两端电流差动保护装置;P31和P32为线路L3两端

T12,T13,T23,当状态检测与重构执行层检测到某一保护通道例如T1失效时,启动信息交换命令,让线路L1的保护信息通过健康通道T2,T3传输。重构过程示意如图5所示。

图5 通信回路重构示意图

Fig.5 Reconstructionschematicdiagramof

communicationcircuit

2)保护装置硬件失效的重构

以数字化变电站为例,当数字化变电站中某一间隔的OCT/ECT失效且不能立即停电维修时,出于系统安全的需要,希望继续维持对该线路的保护功能。虽然220kV及以上输电线路采用双套互感器、双套保护配置模式,但是由于某种共性原因,2套互感器仍有同时失效的可能。以图6网络为例,根据克希霍夫电流定律有:

i1+i2+i3=0(1)

式中:i1,i2,i3分别为支路L1,L2,L3的电流。

图6 系统网络结构

Fig.6 Systemnetworkarchitecture

任一回路的电流量可通过其他回路的电流量计算得到。这意味着当某一回路的OCT/ECT失效时,可用其他回路的电流来间接获取失效回路的电流[19]

。

)

35

)

2009,33(17)

假设L2互感器失效,可通过将L1和L3互感器的电流送至L2对应的保护装置即可替代L2。互感器故障后重构示意如图7所示,图中:互感器表示OCT/ECT及其合并器;P表示各间隔的继电保护装置。

足一次系统安全稳定的要求时,进行结构性重构或功能性重构以重新达到满足一次系统需要的保护功能,同时也要求重构的保护系统可以满足继电保护选择性、快速性、可靠性、灵敏性的要求。

2)满足重构要求的继电保护功能单元

利用继电保护重构的思想构建满足一次系统要求的保护功能,同时也要求进行重构的保护功能单元满足重构所需的信息开放及信息接口要求。

3)继电保护功能元件的状态诊断

实现对保护单元和系统的异常状态识别及其隐图7 互感器故障后重构示意图Fig.7 Reconstructionschematicdiagram

oftransformerwhenfaultoccurs

3)功能重构

如前所述,在DG接入配电网时,将改变配电网潮流和短路电流的分布,由于DG的出力波动太大以及接入与退出频繁,设置一组整定值或配置一种保护装置可能难以满足不同工况下的保护要求,因此可考虑设置多种保护装置以及多套保护定值,通过切换重构方式确保继电保护所需要的保护灵敏度和可靠性。

设某种一次系统状态下的保护配置为:

fi={ei,,,ej}(2)

fi为一组保护功能元件及其相应整定值的集合,当一次系统结构改变,可通过协调改变保护配置方式或保护整定值构成新的保护系统,即

fic={eic,,,ejc}(3)

根据一次系统的拓扑及运行参数的改变动态计算整定值并在线下传给保护装置,是体现上述重构思想的简单例示,更多情况则需根据系统N-1,N-2甚至N-M情况下维持系统安全需要在线协调重构保护系统。

3 尚需研究的问题

如前所述,在未来智能电网中,继电保护系统应具备更多的柔性和更高的可靠性,而重构是实现这

一目标的必要手段。

要实现继电保护系统的重构,尚需重点研究如下问题:

1)重构的目标及准则

继电保护系统重构的目标是在保护功能无法满)

36)

藏故障诊断,不仅可发现继电保护单元的硬件失效、动作行为错误等异常或故障情况,还可诊断多个保护单元相互协调构成的保护系统(例如广域保护)及信号远程传输通道的故障,为继电保护系统重构提供基本依据,可极大地减少或避免因继电保护系统异常或故障造成的电网事故扩大事件,大大提高电网的安全水平。

4)重构的协调及决策方法

继电保护重构是在无法完成原有保护功能或由于电网结构变化使原有保护不能满足要求的保护功能时,对继电保护元件、通信设备和链路、整定值、控制输出回路要素进行调整。协调决策层是实现重构的关键,协调决策的有效性、快速性、可靠性问题还需深入研究。

4 结语

本文在总结现有继电保护的体系结构基础上,提出了满足未来智能电网要求进行继电保护系统重构的设想,提出了实施继电保护重构的3层模型,举例说明了重构的含义及方法,并指出了尚需重点研究的内容。

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熊小伏(1962)),男,通信作者,博士,教授,博士生导

师,主要研究方向:电力系统保护与监控。E2mail:cquxxf@vip.sina.com

陈星田(1971)),男,博士研究生,主要研究方向:电力系统保护与控制。

夏 莹(1987)),女,硕士研究生,主要研究方向:电力系统继电保护及可靠性。

StudyonReconstructionofRelayProtectionSystemforSmartGrid

XIONGXiaofu,CHENXingtian,XIAYing,ZHANGRonghai

(StateKeyLaboratoryofPowerTransmissionEquipment&SystemSecurityandNewTechnology,

ChongqingUniversity,Chongqing400030,China)

Abstract:Thedevelopmentofmodernsmartgridrequiresmuchmoreflexibilityandreliabilityofrelayprotectionsystem.Problemsexistinginpresentrelayprotectionsystemstructureareanalyzedcombiningwiththecharacteristicsofsmartgrid,andthesuggestionthatmakingrelayprotectionreconfigurableinfuturesmartgridisproposed.Inaddition,analysisofthedemandofrelayprotectionsystemon2linereconstructioniscarriedout.Theimplicationandcriterionofrelayprotectionreconstructionandthegeneralmodelofimplementingreconstructionareputforward.Examplesofreconstructionaregivenandtheproblemstobestudiedinfuturearealsopointedout.

ThisworkissupportedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.50777068).Keywords:smartgrid;relayprotectionsystem;reconstruction

)37)