电改新形势下的继电保护探析

我国的电网运行存在几个突出特点:一是发电装机中以燃煤火电机组为主,发电导致的环境污染问题日益突出;二是能源中心与负荷中心逆向分布;三是配电模式还是以单电源模式为主,电能消费依旧是由电力部门主导。智能化电网的建设,将在电力系统的发、输、配等环节进行改革,逐步降低一次化石能源在发电系统的占比,积极发展风能、太阳能等绿色能源;同时通过建设超/特高压输电网络,实现电力资源的优化配置;积极推广多电源配电模式,强化电网的服务职能。为适应智能化电网建设的需要,电网的继电保护要积极构建更加合理可靠的保护系统,研究适应智能化电网改革需要的继电保护方法。

1我国智能化电网建设现状

自从提出电网的智能化改革以来,我国的电网智能化取得了许多成就,特别是在超/特高压电网的建设及投运、新能源(例如风能)电力的并网运行以及智能化的配用电方面进行了一系列深远而有意义改革。但是,随着改革的进一步推进,电网的智能化也面临着不少的困难和问题,其中主要体现在以下几方面。

(1)长距离电力输送系统对电力的安全运行形成挑战。我国的能源集中地主要是在西部、北部等经济不发达地区,而经济发达的东部及南部沿海地区能源明显不足,这就在客观上决定了我国必须要建设大量的交直流混合、超/特高压的输电网络。长距离、交直流混合以及超/特高压输电网络成为我国电力输送的一大特点,而实践证明,这种大型、互联的电力系统容易激生由于局部扰动而导致全线故障的隐患,同时,直流输电会对交直流线路的控制能力以及继电保护造成不同程度的影响,给电力系统的长期安全运行形成严峻挑战。

(2)新能源电力并网给电网稳定运行带来挑战。近几年,我国加大了新能源电力并网运行的速度,仅就2011年,新能源全年总发电量超过了900亿kW/h,大量的新能源电力通过规模化接入电网作为主要的利用方式。而新能源电力具有几个明显的特点,即:间歇性、随机性以及可调度差,这就给电力系统的控制增加了难度,同时,新能源电力系统本身采用的逆变设备等会产生谐波分量以及直流分量,不但会影响原有电能的质量,而且可能会导致电力系统继电保护装置的误动作,严重影响电网的稳定、安全运行。

(3)电网和用户有效互动不足,配电网保护及控制技术还不能满足智能化的需求。我国传统的配电模式是单向的电力供应用户消费,在智能化电网中,要求提升供电质量的同时还需要提高电力资源的运行效率,这就需要将单向的消费模式转变为双向互动模式,电网和用户一起积极采取措施“削峰平谷”,例如鼓励居民使用节能电器,减少电能使用;鼓励工厂错峰生产,提升电力使用效率。随着大量分布式电源接入,智能化电网将具有用户反向送电能力,而现有的配电网保护及控制系统还不能满足这一需求。

2智能化电网改革对电力系统继电保护的面临的挑战

智能化电网改革给电力系统的继电保护工作带来新的挑战,其中主要体现在以下几点。

(1)超/特高压互联大电网对现有的继电保护提出了更高的要求。大电网故障时暂态过程明显,同时,电网相互间影响使得故障特性复杂化,继电保护动作的可靠性、快速性不能有效发挥,在故障状态转换时容易导致保护误动作。因此,大电网对继电保护系统设备的可靠性、安全性以及电磁兼容能力提出了更高要求。

(2)智能化电网使用的大量新型电力电子设备会导致故障电流的特征和分布发生重大变化,从而影响到继电保护装置的判断力。例如电网中柔性交流输电系统(FACTS)的安装位置、运行以及系统参数的调整等都会对电网短路电流特征及分布产生明显影响;电网中风机类型、控制方法以及故障发生等也会对电网故障电流产生影响,影响到不同时段的继电保护、选项功能等。

(3)电网继电保护的需要和智能化电网的控制策略的平衡对继电保护的有效、可行提出了挑战。智能化电网是一个复杂系统,其中包括了大量的具有独特功能系统单元,例如柔性交流输电系统、直流输电系统、新能源并网运行系统、电网故障保护系统等,继电保护需要综合考虑与各个系统单元的相互平衡以及各个系统单元之间相互协调对平衡关系的影响。

(4)由于传统后备保护不能消除电网运行方式改变和网络拓扑带来的影响,已经成为电力系统安全运行的重大隐患。在实际电网运行中,传统的后备保护系统存在一些严重的问题。例如后备保护系统整定动作复杂、时间较长,不能满足电力系统稳定的切除时间需求;受制于系统运行方式,难以兼顾保护的选择性和灵敏性;对区内故障以及故障消除后导致的潮流转移过负荷区分不清,容易导致连锁跳闸。

3智能化继电保护系统的研究重点在智能化电网积极推进的背景下,电力系统的继电保护需要确定自己的研究重点,以适应电网发展需要,对智能化电网提供全面全过程的安全保障。当前,电力系统的继电保护需要研究的重点是单元件保护和广域保护。

(1)单元件保护。单元件保护指的是对电力系统中的单个设备、线路的保护。单元件保护研究的主要内容包括:①发动机的内部短路保护,后备保护中的过激磁、反时限过流保护与机组承受能力的平衡,定、转子接地保护,失磁、失步保护与电网保护的配合保护等;②变压器保护主要关注励磁涌流识别;③交流电路方面注意高阻接地对距离保护的影响,零序互感对交流线路跨线故障的影响等问题。④直流线路保护方面需要研究线路端非线性元件的动态时延以及采样率限制、过渡电阻对直流线路的影响等。

(2)广域保护。广域保护通过高速实时的信息通信,将多点多类型信息接入继电保护系统,从而显著提升了继电保护的动作性能,是对传统继电保护配置方式的全面革新,具有广阔的应用前景。传统继电保护系统的信息来源都是被保护设备本身,包括单端量和双端量,越来越不能适应复杂电网继电保护的需要。而智能化电网的推广,为继电保护信息通信搭建了多通道平台,从而使得广域保护成为可能。

广域保护系统可以对多点、多信息综合判断,自动实现开放/闭锁保护、对保护动作特性自行调节并制定跳闸程序。广域继电保护研究的重点是如何实现广域后备保护,因为广域保护的自身特点,更适合用来作为电力系统的后备保护:一是广域保护主要通过信息交互并作出判断,在反应速度方面不够迅速;二是目前电力系统继电主保护采用的电流差动保护和方向/距离纵联保护,实践证明,保护性能比较稳定;三是当前电力系统后备保护存在较多问题,亟需改善。

智能化电网是我国电网改革的方向,也是我国电力系统实现可持续发展、创新发展的重要契机,电网继电保护系统作为电网安全的保障,需要加大研究力度,发展适合智能化电网继电保护的新技术。