論智能電網(wǎng)環(huán)境下的繼電保護

摘要：繼電保護作為電力系統(tǒng)的第一道防線，在防止故障及擾動上發(fā)揮著重要作用，是電力系統(tǒng)的重要組成部分，其正常工作與否將對電力系統(tǒng)的運行造成重大影響。本文介紹了我國智能電網(wǎng)建設(shè)的特殊問題，分析了超/特高壓輸電、電子器件滲透和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洚愖儗^電保護造成的影響，指出繼電保護的幾個關(guān)鍵研究方向。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；新能源電力；繼電保護

智能電網(wǎng)的提出和建設(shè)是21世紀(jì)電力工業(yè)的新舉創(chuàng)，是世界范圍內(nèi)應(yīng)對能源環(huán)境問題和提升電網(wǎng)運行質(zhì)量的有力措施。在我國智能電網(wǎng)發(fā)展具有如下特征：發(fā)電方面，我國發(fā)電裝機中以燃煤火電機組占主要比重，而一次化石能源供需缺口拉大、環(huán)境污染嚴(yán)重的問題正日益突出，需要積極開發(fā)風(fēng)電、太陽能等可再生能源電力，優(yōu)化能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)，降低節(jié)能減排壓力；輸電方面，我國能源與負(fù)荷呈逆向分布，能源中心和負(fù)荷中心之間相距上千公里，需要建設(shè)超/特高壓跨區(qū)域輸電網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)能源資源的優(yōu)化配置，提高經(jīng)濟效益；配用電方面，隨著分布式電源接入，配網(wǎng)由單電源模式轉(zhuǎn)變?yōu)槎嚯娫茨Ｊ?，潮流分布發(fā)生了很大變化，智能用電服務(wù)的推廣增加了電網(wǎng)與用戶之間的雙向互動，電能消費方式出現(xiàn)了轉(zhuǎn)變。智能電網(wǎng)的建設(shè)影響了我國電力系統(tǒng)發(fā)、輸、配、用各個環(huán)節(jié)，給作為電網(wǎng)安全運行第一道防線的繼電保護帶來了挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)保護存在的諸多不足逐漸暴露。

一、我國智能電網(wǎng)建設(shè)面臨的特殊問題

近幾年，在政策鼓勵和社會需求雙重助力推動下智能電網(wǎng)得到了大力的發(fā)展，尤其表現(xiàn)在超特高壓電網(wǎng)投運、大規(guī)模新能源并網(wǎng)和智能配用電方面，同時智能電網(wǎng)的建設(shè)也面臨著一些特殊問題。

（1）遠(yuǎn)距離、交直流混合、超/特高壓輸電構(gòu)成的大電網(wǎng)

我國能源與負(fù)荷呈逆向分布，煤炭、水力和風(fēng)能等資源主要分布在西部和北部地區(qū)，而用電負(fù)荷集中在中、東部地區(qū)和南部沿海地區(qū)，中間相隔上千公里，從客觀上決定了需要采取遠(yuǎn)距離、交直流混合、超/特高壓的輸電方式實現(xiàn)能源資源的優(yōu)化配置。然而隨著電網(wǎng)規(guī)模日益復(fù)雜，其安全問題也更加突出。電力系統(tǒng)越龐大，事故發(fā)生概率越高，且大型互聯(lián)電力系統(tǒng)在增強輸電能力的同時也激生了由局部擾動衍生為全局故障的潛在威脅，數(shù)次大停電事故證明了這一個威脅的高發(fā)性。直流輸電傳輸容量大，線路走廊利用率高，社會綜合效益突出，但交直流系統(tǒng)的相互作用也會給交直流線路的控制和繼電保護造成影響，需要加以考慮。如下圖1：我國第一個風(fēng)火打捆、直流送出工程：哈密～鄭州±800kV直流輸電工程，工程額定功率 8000MW，額定電壓±800kV，額定電流 5000A。工程西起新疆維吾爾自治區(qū)哈密地區(qū)天山換流站，東至河南省鄭州市中州換流站，輸電距離約2110km。新疆本地煤電以及新能源發(fā)電（風(fēng)電、太陽能等）大功率東送至華中腹地，即促進西部經(jīng)濟發(fā)展，又增強了中、東部地區(qū)的能源供給，達到雙贏效果。

圖1 哈鄭直流接入電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

（2）波動性新能源電力以規(guī)?；尤腚娋W(wǎng)為主要利用方式

新能源發(fā)電的目的是優(yōu)化能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)，減少電力系統(tǒng)對一次化石能源的消耗。2014年底我國風(fēng)電機組累計并網(wǎng)容量達96370 MW，太陽能發(fā)電并網(wǎng)容量達26520 MW，新能源全年總發(fā)電量超過3000億kWh。以風(fēng)電、太陽能電源為代表的新能源電力與負(fù)荷間呈現(xiàn)逆向分布的特點，且以規(guī)模化接入電網(wǎng)為主要利用方式。新能源電力具有間歇性、隨機性和可調(diào)度性差的特點，在電網(wǎng)接納能力不足的情況下，會給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定造成威脅。新能源電力并網(wǎng)時，線路中的潮流會發(fā)生較大變化，進而影響電網(wǎng)有功和無功功率的分布，增加了系統(tǒng)控制難度。所采用的逆變設(shè)備和大量的電力電子設(shè)備會產(chǎn)生一定的諧波分量和直流分量，接入系統(tǒng)后會影響電能質(zhì)量，還可能導(dǎo)致保護和自動裝置誤動作。另外，與常規(guī)電源相比，新能源電力運行控制方式有較大區(qū)別，給常規(guī)暫態(tài)穩(wěn)定控制措施帶來挑戰(zhàn)。

（3）新能源電力缺少就地平衡的互補電源

我國總體上缺少與新能源電力互補的可快速調(diào)節(jié)的電源，如水電站和燃?xì)怆娬?。新能源電力波動性大、難以穩(wěn)定輸出，如果缺少足夠的就地互補電源，則會出現(xiàn)以下問題：已建成的新能源裝機無法充分并網(wǎng)，風(fēng)電棄風(fēng)現(xiàn)象嚴(yán)重；新能源接入后為了達到電力供需平衡，燃煤機組需要頻繁調(diào)整出力，運行工況變化大，造成設(shè)備老化加快和發(fā)電煤耗增加；此外新能源電力并網(wǎng)造成的系統(tǒng)調(diào)峰容量下降還會降低電網(wǎng)安全裕度。因此要盡量實現(xiàn)新能源電力的就地平衡，根據(jù)實際條件，應(yīng)積極探索風(fēng)、光、水、氣、火、儲組合的優(yōu)化互補方案，以減少波動性輸出對整個系統(tǒng)的影響。

二、繼電保護面臨的挑戰(zhàn)和機遇

在智能電網(wǎng)快速發(fā)展的新形勢下，繼電保護作為保障電網(wǎng)安全運行的第一道防線，也同時面臨著挑戰(zhàn)和機遇。

（1）大電網(wǎng)、超/特高壓對繼電保護提出了更高要求

超/特高壓互聯(lián)大電網(wǎng)是智能電網(wǎng)中的重要特征之一，也對繼電保護產(chǎn)生了一定影響：1）特高壓電網(wǎng)故障時諧波分量大，非周期分量衰減緩慢，暫態(tài)過程明顯，影響保護動作的可靠性和快速性；電流、電壓互感器在暫態(tài)下的傳變特性更差，故障狀態(tài)轉(zhuǎn)換時容易造成保護誤動作；2）超/特高壓長線路分布電容對電流差動保護和按集中參數(shù)模型構(gòu)成的保護產(chǎn)生不利影響；3）同塔雙回或多回線路的跨線故障以及互感和線路參數(shù)不平衡會對保護造成影響；4）變壓器保護利用諧波含量區(qū)分內(nèi)部故障與勵磁涌流的難度增大；5）電網(wǎng)間的相互影響使故障特性更為復(fù)雜，故障計算誤差增加；6）對繼電保護設(shè)備，要求具有更高的可靠性、安全性和電磁兼容能力。

（2）電力電子設(shè)備對故障電流造成影響

智能電網(wǎng)的建設(shè)使一次系統(tǒng)中出現(xiàn)了大量電力電子設(shè)備，這些設(shè)備使電網(wǎng)短路電流的特征和分布發(fā)生了質(zhì)的變化：1）FACTS元件的安裝位置、投入運行與否以及所涉及參數(shù)的調(diào)整變化會對電網(wǎng)短路電流的特征和分布產(chǎn)生影響；2）直流輸電系統(tǒng)的控制和保護問題仍然很突出，交、直流系統(tǒng)的故障會互相影響；3）風(fēng)機類型、風(fēng)機的工作狀態(tài)、風(fēng)機所采用的控制方法、故障類型以及風(fēng)電場的弱電源特征是影響風(fēng)電接入電力系統(tǒng)故障電流的幾個重要因素，會對不同時段的保護以及選相功能等產(chǎn)生影響。

（3）繼電保護需要和電網(wǎng)的控制策略相協(xié)調(diào)配合

FACTS元件的大量應(yīng)用、直流輸電工程投入運行，以及規(guī)模化風(fēng)電場、光伏電站的并網(wǎng)運行使得電網(wǎng)的繼電保護必須與這些設(shè)備或元件的控制策略進行協(xié)調(diào)和配合。其中包括FACTS元件的保護與控制及其與系統(tǒng)保護的協(xié)調(diào)配合；直流輸電系統(tǒng)的控制與保護，以及交直流混聯(lián)系統(tǒng)保護的協(xié)調(diào)與配合；風(fēng)電、光伏電站的并網(wǎng)控制對接入系統(tǒng)保護的影響；此外電網(wǎng)一、二、三道防線之間的協(xié)調(diào)配合也需要考慮。三峽直流協(xié)控安控系統(tǒng)就具有典型代表性，如下圖2所示：

圖2三峽直流協(xié)控安控系統(tǒng)

特高壓、換流站、地區(qū)電網(wǎng)之間需要強力的協(xié)調(diào)和統(tǒng)管，并且在各個變電站內(nèi)部，交、直流繼電保護與安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)之間存在著故障起動、策略響應(yīng)、功率調(diào)檔、遠(yuǎn)傳命令、執(zhí)行策略等密切配合關(guān)系。

三、結(jié)束語

總之，隨著互聯(lián)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和容量的增大以及電壓等級的增高，電力系統(tǒng)故障所影響的地域范圍和用戶數(shù)量也日益增多。保證電網(wǎng)正常運行，使繼電保護系統(tǒng)實現(xiàn)高速、準(zhǔn)確、可靠動作將變得越來越重要，因此，如何提高繼電保護系統(tǒng)的可靠性也就成為人們?nèi)找骊P(guān)注的課題。

參考文獻：

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作者簡介：

王碧鋒（1980-），男，陜西渭南人，工程師，長期從事電力系統(tǒng)繼電保護和工業(yè)自動化設(shè)計。