電氣設備主動保護與控制概念及功能架構

熊小伏

(輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室(重慶大學), 重慶市 400044)

0 引言

現(xiàn)代電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出高壓、大容量、遠距離輸電以及交直流混聯(lián)、高比例新能源接入等重要形態(tài)特征[1-3]。大量電力電子設備被廣泛應用在電力系統(tǒng)中,顯著提升了電能的轉換和傳輸效率,增強了電力系統(tǒng)的調(diào)控能力與靈活性[4-6]。持續(xù)的電源和電網(wǎng)網(wǎng)架建設,加強了電力跨區(qū)輸送、交換和靈活分配能力,為電網(wǎng)安全防御措施提供了更多的手段。分布式電源、分布式儲能和雙向負荷的涌現(xiàn)和接入比例不斷提升,使整個電力系統(tǒng)“源—網(wǎng)—荷—儲”互動耦合特性增強,提高了電網(wǎng)供電冗余性和調(diào)控裕度[7]。

在提升電力系統(tǒng)調(diào)控裕度和調(diào)控靈活性的同時,電力系統(tǒng)復雜程度大幅提升,安全問題也更加突出。顯著增多的運行不確定性因素、遠距離跨區(qū)輸電的復雜外部氣象環(huán)境、交直流故障耦合傳播等影響均給現(xiàn)有的電力系統(tǒng)保護及安全控制帶來了新的挑戰(zhàn)[8-11]。因此,提升保護及安全穩(wěn)定控制裝置的適應性及預見性成為緊迫的要求。

以預先整定的方式應對故障和非正常運行狀態(tài)的常規(guī)繼電保護已不能完全滿足復雜電力系統(tǒng)故障保護靈敏性和選擇性要求。自適應保護成為應對措施之一。動態(tài)調(diào)整保護功能及整定值可更好地適應不同網(wǎng)絡拓撲、運行工況、故障類型與負荷變化等復雜情況。當前的自適應保護研究可大致分為“保護裝置自適應”和“保護系統(tǒng)自適應”兩類[12-13]。

保護裝置自適應是指實時在線整定功能在一定范圍內(nèi)改善保護動作性能的方法[14-17]。文獻[15]提出使用線路兩端故障分量電流之間的相角關系來動態(tài)調(diào)整差動保護判據(jù),以實現(xiàn)自適應的差動保護,有效避免線路分布電容電流及負荷電流的影響;文獻[16-17]分別研究了風電接入電網(wǎng)的自適應距離保護和電流速斷保護,在線計算自適應分支系數(shù)和保護整定修正系數(shù),有效改善了風電接入系統(tǒng)的保護性能。

保護系統(tǒng)自適應則更多利用電網(wǎng)廣域信息,采用人工智能等信息處理技術提高繼電保護系統(tǒng)的自適應能力,可適應較大范圍的系統(tǒng)運行方式變化[18-21]。文獻[20]提出一種基于廣域瞬時量測信息的自適應低頻保護策略,實現(xiàn)在線辨識故障區(qū)域和功率缺額,保證受擾后系統(tǒng)的安全恢復;文獻[21]則將多智能體(Agent)引入到了含分布式電源的配電網(wǎng)保護當中,運用智能體的分布式處理優(yōu)勢和數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控(SCADA)系統(tǒng)的通信功能,構建了一種基于多Agent技術的配電網(wǎng)自適應保護方案。

為了防止大面積停電事故的發(fā)生,文獻[22]提出構建堅強的“系統(tǒng)保護”體系。將保護對象由設備安全衍生到電力系統(tǒng)的安全,強調(diào)繼電保護技術與緊急控制措施緊密結合,使保護具有緊急控制的能力和系統(tǒng)的視角。文獻[23]針對大規(guī)模風電接入電網(wǎng)場景,從系統(tǒng)保護視角提出一種大規(guī)模風電接入電網(wǎng)的繼電保護與控制一體化新方法。同時“系統(tǒng)保護”的思想在廣域保護系統(tǒng)(wide area protection system,WAPS)[24-27]、特殊保護系統(tǒng)(special protection system,SPS)[28-29]等系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制措施上均有所體現(xiàn)。

含大量電力電子設備的配電系統(tǒng)具有控制能力強的特點,文獻[30]提出了一種基于電力電子技術的主動保護。其思路是基于電力電子變換器的拓撲結構和控制原理,將保護動作“融于”變換器控制邏輯,有效利用電力電子變換器的隔離單元和電力電子器件來實現(xiàn)配電系統(tǒng)中多種故障隔離和故障穿越,最大限度保障系統(tǒng)正常運行。其實質(zhì)是保護功能通過電力電子設備的控制來實現(xiàn),是一種保護與控制相結合的“主動”。

高壓設備在運行過程中,其可靠性水平將隨時間和運行環(huán)境而改變。有學者提出提升高壓設備的狀態(tài)感知能力對設備的運行可靠性進行在線評估,將運行可靠性低于一定水平的高壓設備實施主動隔離,使?jié)撛诠收显O備有計劃地退出[31],實現(xiàn)在線運行設備的“主動退出”。

在電力電子元件保護方面,關注電力電子器件的過流、過熱、過壓等情況,結合電力電子元器件的靜電及熱電物理學理論及模型,采取限流等主動式元件級保護措施來防止擊穿[32-34]。

上述思想已一定程度上體現(xiàn)了在線感知設備狀態(tài)進行主動控制的技術趨勢,是改變傳統(tǒng)保護性能、主動適應復雜電網(wǎng)運行方式的有效措施。實現(xiàn)這一思想的關鍵在于如何可靠感知設備及環(huán)境狀態(tài)。在線監(jiān)測技術的發(fā)展為此打下了較好的基礎。

針對輸電線路、變壓器、斷路器、換流閥等電氣設備的在線監(jiān)測技術研究成果顯著,并已經(jīng)取得了豐富的現(xiàn)場實際運行經(jīng)驗[35-37]。監(jiān)測模型的多元化和傳感器的精密化使得在線監(jiān)測技術向高智能、高可靠的方向發(fā)展。

針對電網(wǎng)監(jiān)測與安全態(tài)勢感知需要,同步相量測量裝置技術逐步推廣[38-40],廣域量測系統(tǒng)日趨成熟,將通過對廣域時空范圍內(nèi)涉及電網(wǎng)運行變化的各類參量進行采集與分析,有效地掌握電網(wǎng)的安全態(tài)勢,使得電網(wǎng)的安全管理從被動變?yōu)橹鲃印?/p>

針對系統(tǒng)安全預警與風險評估要求,薛禹勝院士等提出將氣象等非電氣信息引入停電防御系統(tǒng),將停電防御框架拓展到對自然災害的早期預警與決策支持,主動預測相應的電網(wǎng)風險并動態(tài)識別潛在的相繼故障,將孤立的被動應對防御方式轉變?yōu)槎囝I域之間協(xié)調(diào)的主動應對機制[41-43]。

筆者所在團隊也提出了通過計及氣象因素的輸電線路時間相依的故障率模型來主動評估電網(wǎng)運行風險,通過建立電網(wǎng)元件故障與氣象參數(shù)之間的關聯(lián)模型,實現(xiàn)災害天氣下的電網(wǎng)故障預警[44-46]。

由上可見,未來電網(wǎng)的安全防御系統(tǒng)將由過去的三道防線逐漸演變?yōu)槎嗑S度的安全風險防控體系,涵蓋氣象沖擊、電網(wǎng)擾動、設備缺陷等風險源,在短中長不同時間尺度上、在設備級與系統(tǒng)級層面上,實施靜態(tài)、動態(tài)、暫態(tài)等各種保護措施及穩(wěn)定控制。在各種可能的措施之中,如何使保護與控制系統(tǒng)變得“主動”、“智能”和“協(xié)調(diào)”,將成為繼電保護技術未來發(fā)展趨勢。

本文從引發(fā)設備故障的原因、故障的發(fā)展趨勢及后果差異等方面重新認識故障現(xiàn)象,提出研究基于輸變電設備安全域的主動保護與控制方法,目標是通過獲取外部氣象環(huán)境及電網(wǎng)設備運行信息,主動感知影響電力設備本體的特征參數(shù)及其變化規(guī)律,構建輸變電設備的安全域和動態(tài)安全裕度識別方法;根據(jù)設備安全域以及設備運行參數(shù)偏離安全域的程度,預測故障發(fā)生或發(fā)展的趨勢,在充分利用設備及電網(wǎng)冗余性的基礎上,采取有效的控制措施阻斷故障傳播過程,控制故障后果,形成在線、動態(tài)的電氣設備主動保護與控制體系,以適應復雜電網(wǎng)安全運行的需要。

1 設備故障現(xiàn)象的再認識

1.1 故障原因

輸變電設備(包括輸電線路、電力電纜、變壓器、斷路器等)故障是引發(fā)電網(wǎng)大面積停電事故發(fā)生的主要源頭[47]。導致輸變電設備故障的原因可分為外部原因和內(nèi)部原因,如圖1所示。

圖1 輸變電設備故障原因分類Fig.1 Reason classification for failures of transmission and transformer equipment

其中內(nèi)部原因包括以下幾種情況:①輸變電設備絕緣、機械性能老化,在運行中逐漸加劇和發(fā)展導致故障;②輸變電設備自身的內(nèi)絕緣潛伏性缺陷(由于設計制造、運輸、安裝調(diào)試、運維不良等留下的各種缺陷);③來自電網(wǎng)的因素(如負載水平、開關操作引起的過電壓或過電流,頻率異常引起的過勵磁等電網(wǎng)異常工況)。

對暴露于大氣環(huán)境之中的輸變電設備,自然災害、氣象因素是造成設備故障的主要原因,主要有以下幾種形式:①氣象環(huán)境的累積作用,如溫度、日照的逐漸累積、不可逆過程導致導線抗拉強度損失的老化失效、積污以及覆冰等因素;②氣象災害的沖擊作用,如雷擊、臺風、山火等對輸電線的電氣絕緣或物理強度的破壞而導致設備故障;此外還包含人或動物的外力破壞等因素。

相對于傳統(tǒng)輸變電設備,電力電子設備的運行環(huán)境和運行工況更加復雜,面臨高溫、強輻射等環(huán)境條件,處于電壓、電流大波動、高脈沖功率和強機械振動等極端運行工況。相關統(tǒng)計表明[48-50],光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的非計劃檢修有37%是由電力電子變換器故障引發(fā);在交流變頻驅(qū)動和風力發(fā)電系統(tǒng)中,電力電子設備導致的故障分別占到38%和13%;由于電力電子設備大多是系統(tǒng)的能源轉換接口,一旦裝置發(fā)生故障,將會導致整個系統(tǒng)停運,其運維成本極高、停運損失極大。

電力電子設備本體故障同樣可分為外部和內(nèi)部原因,如圖2所示。

圖2 電力電子設備故障原因分類Fig.2 Reasons classification for failures of power electronic equipment

以大容量換流器本體故障為例,主要由于變流器中絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)模塊封裝的多層結構及異質(zhì)材料的熱膨脹系數(shù)不同,在反復熱循環(huán)沖擊下,多層材料內(nèi)部疲勞損傷積累造成老化可引發(fā)故障。

1.2 故障差異

針對不同類型、不同位置、不同元件的故障,其差異性主要表現(xiàn)在以下三個方面。

1)故障發(fā)生過程差異

輸變電設備從正常狀態(tài)發(fā)展到故障失效狀態(tài)稱為故障的發(fā)生過程。故障發(fā)生過程一般分為漸進過程和突變過程。例如,變壓器內(nèi)部的過熱、過壓力以及過勵磁屬于早期漸變故障,發(fā)生過程緩慢,可借助在線監(jiān)測等手段識別并找出原因、采取合適措施抑制故障的發(fā)生;變壓器繞組短路、鐵芯故障以及外部系統(tǒng)短路引發(fā)的過流等情況屬于突變型過程,必須迅速感知和判斷故障,快速地將故障隔離,從而將變壓器的損壞程度降至最小。

2)故障后果差異

故障后果不僅指設備的損壞程度,也包括對電網(wǎng)安全運行的影響程度。故障后果的影響范圍及程度可分為大范圍擴散型和小范圍單一型。例如,架空線路與電纜發(fā)生的故障后果影響可能不同;高壓電纜溝內(nèi)往往有多條電纜,相對密閉的空間使得一條電纜出現(xiàn)故障后,引起電纜溝起火,甚至爆炸,可能殃及多條電纜。大電網(wǎng)中不同輸電線路的故障后果可能也有差異。輕載線路引發(fā)大范圍連鎖故障的風險小;重載線路引發(fā)連鎖故障風險更大。

3)故障恢復差異

不同類型故障恢復時間不同。例如,雷擊閃絡造成的線路跳閘,重合閘成功率高,故障恢復時間短;山火導致的跳閘重合閘成功率低,需要等到山火撲滅后才能恢復送電,故障恢復時間較長;而嚴重的臺風、重覆冰情況下,常常會損傷導線、地線及金具等,故障恢復時間更長且恢復難度大[51-52]。文獻[52]針對某省電網(wǎng)500 kV線路受氣象災害因素影響的停運時間進行了統(tǒng)計分析,雷電情況下線路平均停運時間0.184 h;山火導致的線路平均停運時間為3.771 h;嚴重冰雪情況下平均停運時間則長達到6.869 h。

在上述導致故障發(fā)生的不同因素積聚過程中以及故障發(fā)生后的設備安全參量變化過程中,需注意不同時間尺度下如何實現(xiàn)各種參量的感知和預測。

1.3 故障可預測性與可控性

利用在線監(jiān)測提前發(fā)現(xiàn)設備可能出現(xiàn)但還沒到臨界點的故障,可實現(xiàn)部分輸變電設備早期故障預測。利用氣象預報信息對設備遭受雷擊、暴雨、臺風、覆冰等可能性進行預判,有可能預測輸電線路的故障事件[53-55]。故障的漸進發(fā)展過程為保護與控制系統(tǒng)阻斷故障留出了寶貴時間,可充分加以利用。

2 設備安全狀態(tài)演化過程及安全域

通常在破壞性故障發(fā)生之前,設備就已經(jīng)進入風險狀態(tài)運行,故障風險具有趨勢性和累積效應。

以電力變壓器為例,其某時刻各種油中氣體含量(或一種氣體相對另一種氣體的比值)、產(chǎn)氣速率、溫度以及溫度變化速率反映了變壓器設備安全狀態(tài)及其變化趨勢,利用油中氣體特征,可超前判定變壓器的部分故障可能性,表征變壓器故障演變過程。進而可根據(jù)變壓器的狀態(tài)進行系統(tǒng)調(diào)控決策,例如控制變壓器潮流,或評估變壓器退出對系統(tǒng)安全的影響,尋找合適的安全退出時機。

輸變電設備安全狀態(tài)向故障狀態(tài)的演變過程如圖3所示,把握設備故障的演變過程為主動干預故障提供了可能。

圖3 輸變電設備安全狀態(tài)向故障狀態(tài)的演變過程Fig.3 Evolution of safety state to fault state of power transmission and transformation equipments

電力系統(tǒng)的安全包括設備安全和系統(tǒng)安全兩層涵義,其中設備安全是系統(tǒng)安全的約束條件。輸變電設備的安全狀態(tài)由保障其實現(xiàn)規(guī)定功能的各種物理、化學參數(shù)所標定。為實時感知影響輸變電設備安全的特征參數(shù)及其變化規(guī)律,引入輸變電設備安全域的概念,如圖4所示。

圖4 輸變電設備安全域示意圖Fig.4 Diagram of security domain for transmission and transformation equipments

電網(wǎng)在額定運行、輕微故障、惡性故障等不同運行狀態(tài)下,表征輸變電設備安全的特征參數(shù)值均有所不同,且參數(shù)繁多,通常難以用平面參數(shù)來表達設備參數(shù)的安全區(qū)間。為此給出一般性定義:輸變電設備安全域是指設備本體介于保持輸變電能力與失去輸變電能力狀態(tài)之間的參數(shù)空間，圖4中簡化表示的邊界④所包絡的區(qū)域。

輸變電設備安全裕度是指設備當前運行狀態(tài)到其失去輸變電能力之間的參數(shù)變化范圍。在失去輸變電能力之前,無論是正常運行或輕微故障,輸變電設備的狀態(tài)和參數(shù)離其安全邊界(邊界④)尚有一定距離。

輸變電設備安全耐受時間:設備從當前運行狀態(tài)過渡到安全邊界所需時間。輸變電設備的安全裕度與其歷史運行狀態(tài)有關,也與故障發(fā)生、發(fā)展過程中各種參數(shù)的演變方式有關,具有動態(tài)變化的特征。

在相關特征參量空間中,根據(jù)設備的實時運行狀態(tài)點到安全域邊界的距離可以衡量當時設備的安全程度,定量化給出安全裕度,進而可以由安全裕度的大小和變化速率制定最優(yōu)的保護與控制措施。

構建輸變電設備安全域與動態(tài)安全裕度模型需要通過大量的運行數(shù)據(jù)與試驗測試來辨識設備動態(tài)過程中的參數(shù)變化特性,以準確把握設備特征參量偏離安全臨界值的程度和趨勢(即設備安全域的時間特征與空間特征),確保設備安全域的合理劃分,為后續(xù)的主動保護與控制提供決策依據(jù)。依據(jù)電氣設備及所處環(huán)境的復雜性,設備動態(tài)安全裕度模型將具有不同的復雜性。

3 電氣設備主動保護與控制策略

3.1 繼電保護的主動性體現(xiàn)

3.1.1自適應保護

常規(guī)繼電保護通常按一次系統(tǒng)的最大運行方式和最小運行方式兩種邊界進行整定值設計與靈敏度校核,雖然保證了安全性,但可能犧牲反應故障的靈敏性。合理的做法就是在線識別一次系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲,在線修改整定值或選擇動作方程以提升靈敏性[12-21],如此將使繼電保護具有一定的自適應能力,使得保護應對可能發(fā)生的故障時具有一定的“主動性”。圖5為自適應保護總體框架。

圖5 自適應保護總體框架Fig.5 Framework of adaptive protection

3.1.2系統(tǒng)保護

系統(tǒng)保護從電力系統(tǒng)整體安全角度出發(fā),將消除故障影響而不是簡單隔離故障電氣設備作為首要目標,核心是快速維持系統(tǒng)的功率平衡，保證系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行[22-23]。擾動情況下的系統(tǒng)在線全局安全分析與計算所需的海量信息獲取困難、計算的快速性要求也難以滿足,因此在構建系統(tǒng)保護策略時,需要對電力系統(tǒng)可能的拓撲及元件組合方式進行預先分析或準實時計算,構建預想事故集,擾動發(fā)生后將擾動狀態(tài)與預想事故集進行匹配以快速選擇控制決策,通過調(diào)節(jié)或切機、切負荷、改變網(wǎng)絡拓撲等措施快速維持能量平衡。系統(tǒng)保護的這種“離線分析、在線匹配”的控制決策方法也具備了一定的預判性,體現(xiàn)了一定的“主動性”。圖6為系統(tǒng)保護控制決策框架。

圖6 系統(tǒng)保護控制決策框架Fig.6 Framework of system protection control decision

3.2 主動保護與控制的目標及定義

由上可見,自適應保護及系統(tǒng)保護均會跟蹤系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲及運行狀態(tài),并對在此狀態(tài)下發(fā)生的故障后果進行預判,預先準備好對應策略,具有一定的主動性。但它們本質(zhì)上仍是根據(jù)故障或擾動后的觸發(fā)啟動方式,是一種基于事件驅(qū)動的“被動式保護”,不能及時預測故障及故障發(fā)展路徑。

此外,現(xiàn)有保護的整定值僅考慮到了故障與正常的區(qū)分,尚無法分析故障時被保護設備的承受力,更無法評價故障對設備的沖擊影響程度,難以實現(xiàn)設備安全與系統(tǒng)安全的統(tǒng)一協(xié)調(diào)。

如果能采取主動式的保護與控制,充分利用電力系統(tǒng)的供電冗余性和靈活調(diào)控特性,在故障發(fā)生前能夠提前感知并采取主動措施應對,則可以避免故障發(fā)生、降低故障危害,達到對故障風險的“大事化小,小事化無”的效果,并與系統(tǒng)保護共同形成更加嚴密的安全防線,使保護系統(tǒng)從被動應對轉向全面主動智能防控,在保證系統(tǒng)運行安全的前提下,構建主動保護與控制體系,需要充分掌握和挖掘設備安全裕度,對故障發(fā)生前、發(fā)展及故障后恢復的整個演變過程進行全面的管控。

為此,可將電氣設備主動保護與控制在整體上可劃分為圖7所示的三個過程:故障預測、故障發(fā)展過程干預和故障后果管控。對于可預測的故障,通過獲取電網(wǎng)運行信息和外部氣象信息,感知電氣設備的運行狀態(tài)及設備運行環(huán)境,進行故障預測;對于已發(fā)生或無法預測的故障,通過電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)和保護系統(tǒng)雙向互動和交互作用,進行故障干預和管控。

將電氣設備主動保護與控制定義為:實時感知與辨識輸變電設備安全域及安全裕度,具備輸變電設備故障發(fā)生趨勢的預測、發(fā)展過程的監(jiān)視以及發(fā)展后果的評判能力,并針對相應環(huán)節(jié)采取預警、預控、隔離與優(yōu)化調(diào)控等措施的策略和方法。

圖7 主動保護與控制的總體框架Fig.7 Framework of pro-active protection and control in power system equipments

本文所述主動保護概念與已有技術不同之處在于:第一,關注引發(fā)設備故障的因素(包括電氣量與非電氣量)并采取合適措施避免故障發(fā)生;第二,關注設備自身的沖擊承受能力及其演變并據(jù)此作為系統(tǒng)安全控制措施的約束條件,由此可能將過去系統(tǒng)安全控制措施中的固定約束改變?yōu)閯討B(tài)約束;第三,掌握設備的動態(tài)安全裕度并加以利用,在系統(tǒng)緊急狀態(tài)下可更充分地利用設備的安全資源或更清楚知道控制行為的后果而避免故障擴散。

3.3 主動保護與控制的功能架構

輸變電設備的安全域與動態(tài)安全裕度在線辨識、預測是主動保護與控制的基礎,貫穿于故障前預測、故障預警、故障期間調(diào)控和故障后果管控的調(diào)度與控制流程中。主動保護與控制的具體功能架構,如圖8所示。

以構建輸電線路主動保護為例,可按下述思路構建其主動保護,具體方案示意見圖9。

根據(jù)氣象災害是造成架空輸電線路故障的主要原因這一統(tǒng)計規(guī)律,利用外部氣象信息與電網(wǎng)內(nèi)部狀態(tài)感知,預測故障發(fā)生概率并通過電網(wǎng)調(diào)度采取主動避險措施;對已發(fā)生故障則可在線辨識其他輸電斷面的線路安全耐受能力,充分利用輸電線路的安全耐受時間,為系統(tǒng)保護的實施提供時間依據(jù),有利于阻斷故障的蔓延。

4 構建主動保護與控制所需的關鍵技術

主動保護與控制涉及多方面的理論與技術支撐,從電網(wǎng)故障發(fā)生發(fā)展的演變及管控的角度將其歸納為:主動感知與預測技術、安全域建模與動態(tài)辨識技術、主動保護與協(xié)同控制技術三個部分。

4.1 主動感知與預測技術

主動保護與控制更需要關注和感知各種不確定性因素下的狀態(tài)變化特性,如電網(wǎng)網(wǎng)架結構改變、元件切除或投入等帶來的擾動、外部災害因素等,因此主動感知與預測技術既涵蓋了傳感器技術、數(shù)據(jù)采集與通信以及設備故障預測技術。

圖8 主動保護與控制的功能框架Fig.8 Functional framework of pro-active protection and control of power system equipment

1)設備內(nèi)部狀態(tài)量實時感知技術

主動保護需要及時與準確地把握輸變電設備狀態(tài),而輸變電設備狀態(tài)參數(shù)眾多,其變化與電網(wǎng)運行、氣象環(huán)境等因素密切相關,亟須采用有效的大數(shù)據(jù)技術對大量的相關數(shù)據(jù)進行挖掘分析和信息提取。對于輸變電設備內(nèi)部狀態(tài)量需構建精細化測量體系。例如,將狀態(tài)傳感器主動融入一次設備的智能設備中，要發(fā)展數(shù)據(jù)挖掘技術、非線性時變狀態(tài)量的高效分析技術。

2)設備外部狀態(tài)量實時感知技術

對于輸變電設備復雜多變的外部狀態(tài)量,則需要發(fā)展輸電廊道微氣象站與全局氣象觀測數(shù)據(jù)相融合的精細化氣象預報技術、降尺度以及集合預報(概率預報)技術、基于天氣雷達的短臨氣象災害預警技術、多源氣象信息的大數(shù)據(jù)融合技術等。

3)故障預測技術

主動保護與控制的關鍵環(huán)節(jié)是故障預測,即針對具有時間發(fā)展過程的趨勢性故障或具有累積效應的故障,結合設備的自身特性、參數(shù)、環(huán)境條件、歷史數(shù)據(jù),對設備未來的安全狀態(tài)進行預測。預測的關鍵技術包括:①基于物理模型的預測技術。如觀測器、濾波器、參數(shù)估計和頻域預測等;②基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的預測技術。如采用專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡、貝葉斯網(wǎng)絡等;③基于統(tǒng)計可靠性的預測技術。如灰色預測模型、馬爾可夫預測模型等。④基于機器學習/人工智能+機理分析的預測技術等。

4.2 安全域建模與動態(tài)辨識技術

1)設備安全域與動態(tài)安全裕度建模技術

需要深入研究輸變電設備安全域表征方法及特征量量化分析方法,研究輸變電設備電—磁—熱—力多物理場耦合分析與建模方法,以及輸變電設備安全域演變規(guī)律及趨勢預測方法。

2)復雜條件下安全域動態(tài)辨識與跟蹤技術

需要發(fā)展多源、異質(zhì)、廣域、海量信息的快速分析計算技術,以實現(xiàn)模型的快速辨識與跟蹤。

4.3 主動保護與協(xié)同控制技術

主動保護既需要預測故障,在故障前主動采取控制措施降低故障發(fā)生概率,更需要關注無法預測或已發(fā)生的故障,充分利用設備本體安全承載能力與系統(tǒng)安全承載能力之間的關系，主動阻斷故障蔓延或減少故障影響范圍。在已知設備安全承載能力基礎上,采用協(xié)同控制手段將是有效阻斷故障蔓延的有效措施,大量電子電子設備為實施廣域協(xié)同控制提供了可行手段。

5 主動保護與控制的可行性分析

目前,輸變電設備狀態(tài)監(jiān)測技術的快速發(fā)展,現(xiàn)代電力系統(tǒng)存在的供電冗余性與調(diào)控靈活性,以及電力系統(tǒng)高級預測技術都為主動保護與控制體系的構建提供了可能。

5.1 輸變電設備在線監(jiān)測技術提供手段

在線監(jiān)測技術使輸變電設備運行參量的“捕捉”成為現(xiàn)實。輸變電設備的電氣、機械性能可通過其運行時產(chǎn)生的各個參量來評定,參量涉及電、磁、熱、聲、光、力、化學等多種類型[59-62]。針對變壓器、斷路器、氣體絕緣金屬封閉開關設備(GIS)、電纜等主要一次電力設備,目前均已有較全面的監(jiān)測方式;變電站向智能化方向的發(fā)展,也使得對繼電保護測量回路、通信網(wǎng)絡等二次設備的在線監(jiān)測技術得到快速發(fā)展。各類傳感器及監(jiān)測方法的應用使輸變電設備產(chǎn)生的各類型參量得以被實時“捕捉”,為進一步評價設備內(nèi)部狀態(tài)提供了支撐。

狀態(tài)評價與故障診斷技術為輸變電設備內(nèi)部狀態(tài)感知提供了工具。處理非線性問題的神經(jīng)網(wǎng)絡、適應于小樣本條件的支持矢量機、針對不確定性問題的模糊理論方法、可描述系統(tǒng)動態(tài)行為的Petri網(wǎng)等在內(nèi)的各類智能算法與計算機技術的發(fā)展,為輸變電設備的狀態(tài)評價及故障診斷提供了有效途徑,使主動感知輸變電設備的內(nèi)部狀態(tài)成為了可能。

精細化氣象預報為輸變電設備外部環(huán)境變化趨勢預測創(chuàng)造了條件。在能源互聯(lián)技術蓬勃發(fā)展及電網(wǎng)規(guī)模日益擴大的背景下,以生產(chǎn)、運行為主的電網(wǎng)各個階段對氣象信息的需求有增無減,面向電網(wǎng)的精細化氣象預報已成為電力、氣象兩個領域的熱點問題。隨著現(xiàn)有地面氣象觀測網(wǎng)的不斷完善,以及數(shù)值預報、降尺度、滾動更新訂正等氣象技術和計算機技術的不斷發(fā)展,氣象預報服務由傳統(tǒng)的面向公眾到面向電網(wǎng)行業(yè)的轉變已成為可能。預報對象由傳統(tǒng)的大區(qū)域,到聚焦于微氣象區(qū)、電網(wǎng)線路沿線乃至重要電力設備;預報時間分辨率由傳統(tǒng)的天(d)、小時(h)級,到更精細的小時(h)、分鐘(min)級成為可能。目前氣象部門向電力部門提供專業(yè)氣象預報,部分預報區(qū)域水平分辨率已可精確至1 km×1 km,時間分辨率已可達到10～15 min。氣象技術的發(fā)展為各類環(huán)境下感知與監(jiān)測輸變電設備外部狀態(tài)提供了有效途徑。

5.2 電力系統(tǒng)的冗余性提供實施空間

1)輸變電設備的供電冗余性

輸變電設備在投運前設計階段,大多充分考慮了極端運行環(huán)境等影響,設備供電能力預留了一定裕度,即電力設備具有一定的過載耐受能力。例如,中國架空輸電線路額定載流對應的容許溫度通常按70 ℃考慮,而實際在不同運行環(huán)境下可容許的載流能力可能遠超其設計載流能力。

2)輸電網(wǎng)絡的冗余性與調(diào)控靈活性

多年持續(xù)的電網(wǎng)建設,使中國電網(wǎng)網(wǎng)架結構得到很大增強。當元件故障風險高時可短時退出而不會影響用戶的供電可靠性。直流輸電、靈活交流輸電裝備的應用,使大規(guī)模電力電子裝備應用于電力系統(tǒng)。電力電子器件開關速度快、控制能力強,可有效執(zhí)行主動保護與控制任務。大容量的備用電源、調(diào)峰調(diào)頻電廠、分布式微電網(wǎng)的投入,提高了緊急狀態(tài)下的供電冗余性和調(diào)控裕度。

6 結語

現(xiàn)代電力系統(tǒng)具有設備種類數(shù)量繁多、運營環(huán)境多變、網(wǎng)架結構復雜等特點,任何意外擾動若無正確應對措施,都有可能導致事故擴散并迅速波及全系統(tǒng)而造成重大損失。針對傳統(tǒng)保護系統(tǒng)的不足,本文提出了構建電氣設備主動保護與控制技術體系的概念。主要觀點如下。

1)輸變電設備故障是電力系統(tǒng)的主要安全威脅之一。引發(fā)設備故障有內(nèi)部因素和外部因素,故障的發(fā)生與發(fā)展過程有漸變型和突變型兩種模式。關注電網(wǎng)故障引發(fā)原因、演變過程以及類型差異,發(fā)展故障引發(fā)因素的監(jiān)測與主動預警技術,可提升電力系統(tǒng)安全性。

2)描述輸變電設備本體安全狀態(tài)與安全能力的方法可用設備的安全域和動態(tài)安全裕度表征,而主動保護與控制手段實施的基礎則是設備安全耐受時間的長短,也即安全裕度降為零所需要的時間。構建主動保護與控制方法的關鍵點則是如何建立設備安全域及安全裕度變化趨勢的預測。

3)主動保護既關注故障前故障因素的預測,同時也關注設備本體的安全裕度預測?？焖侔l(fā)展的在線監(jiān)測技術、通信技術、人工智能技術、保護與控制協(xié)調(diào)技術使未來的電氣設備主動保護與控制策略具備了可行性。

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