林一峰，王增平，王 彤，鄭博文

構(gòu)建更加堅強電網(wǎng)安全“第一道防線”的探討

林一峰，王增平，王 彤，鄭博文

(新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學(xué))，北京 102206)

電力系統(tǒng)“三道防線”長期以來為保障電網(wǎng)安全發(fā)揮了重要作用，確保了電力系統(tǒng)遇到各種事故時的安全穩(wěn)定運行。而繼電保護(hù)擔(dān)負(fù)著快速可靠切除故障的重任，是保障電網(wǎng)安全的第一道防線。首先，介紹了電網(wǎng)發(fā)展給“第一道防線”帶來的挑戰(zhàn)，分析了傳統(tǒng)工頻量繼電保護(hù)內(nèi)部故障靈敏度不足以及誤動和拒動風(fēng)險并存的原因。其次，梳理了繼電保護(hù)應(yīng)對挑戰(zhàn)的措施，提出了基于故障模型參數(shù)特征的保護(hù)原理、基于多元信息的廣域保護(hù)技術(shù)和基于暫態(tài)量的繼電保護(hù)方法。最后，給出了構(gòu)建更加完善和堅強“第一道防線”的建議。通過加強預(yù)防性控制在故障前、后階段的功能，阻斷繼發(fā)性連鎖故障的發(fā)生，同時加強第一道防線與后續(xù)防線的協(xié)同，共同抵御系統(tǒng)性事故的發(fā)生。

電網(wǎng)安全；工頻量保護(hù)；多元信息；預(yù)防性控制

0 引言

電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行問題是一個關(guān)系到社會穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的世界共性問題，歷來受到各國政府及電力企業(yè)的高度關(guān)注[1-2]。電力系統(tǒng)安全保障體系分為“三道防線”，共同作用保證了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，其示意圖如圖1所示。

第一道防線：快速可靠的繼電保護(hù)措施和有效的預(yù)防性控制措施(第一級安全穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn))。

第二道防線：穩(wěn)定控制裝置及切機、切負(fù)荷緊急控制措施(第二級安全穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn))。

第三道防線：失步解列、頻率以及電壓緊急控制策略(第三級安全穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn))[3]。

近年來，隨著電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的逐漸擴大、新能源發(fā)電比重的迅速增加以及電網(wǎng)跨區(qū)域大容量交直流混聯(lián)形態(tài)的逐步形成，我國電網(wǎng)運行特性發(fā)生了較大的變化，給我國電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行帶來了新的挑戰(zhàn)[4]。

本文主要針對三道防線中的“第一道防線”，從第一道防線面臨的挑戰(zhàn)、應(yīng)對挑戰(zhàn)采取的措施以及如何構(gòu)建更加堅強和完善的“第一道防線”等幾個方面做出了思考和探討。

圖1 電力系統(tǒng)的“三道防線”

1 電網(wǎng)發(fā)展給“第一道防線”帶來的挑戰(zhàn)

“第一道防線”在電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行中起到至關(guān)重要的作用，可將“第一道防線”細(xì)化為預(yù)防性控制和繼電保護(hù)。

預(yù)防性控制：通過改變電網(wǎng)的運行方式增加有功、無功備用容量等方式滿足電網(wǎng)運行的“-1”要求；

繼電保護(hù)：通過快速切除故障設(shè)備防止故障進(jìn)一步擴大，進(jìn)而為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行奠定堅實的基礎(chǔ)。

其中，繼電保護(hù)作為“第一道防線”的核心，要求實現(xiàn)故障的快速準(zhǔn)確切除，可以有效提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行水平。目前，我國電網(wǎng)繼電保護(hù)正確動作率處于較高水平，圖2為近年來我國220 kV及以上電網(wǎng)保護(hù)正確動作率。

圖2 2010—2021年我國220 kV及以上電網(wǎng)繼電保護(hù)正確動作率

但隨著電網(wǎng)改革的加深，繼電保護(hù)存在誤動和拒動的風(fēng)險，嚴(yán)重危害電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，下文將詳細(xì)分析“第一道防線”面臨的挑戰(zhàn)。

1.1 我國電網(wǎng)發(fā)生深刻變革

隨著特高壓輸電技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用、高比例可再生能源接入電網(wǎng)以及電力電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用，我國已建成世界上規(guī)模最大及結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的電網(wǎng)。電網(wǎng)的快速發(fā)展和變革給繼電保護(hù)帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

1.1.1特高壓輸電技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用

我國能源資源與能源消費呈逆向分布，特別是西南水電、三北(西北、東北、華北北部)風(fēng)電和光伏發(fā)電的大規(guī)模開發(fā)，決定了需要實施以電力為重點的能源大范圍配置。現(xiàn)有500 kV輸電系統(tǒng)的長距離輸送能力有限、跨大區(qū)電能交換能力和接入新能源能力嚴(yán)重不足，不能滿足清潔能源快速發(fā)展和能源大范圍配置的需求，同時輸電走廊緊缺、電網(wǎng)短路電流超標(biāo)等問題愈來愈嚴(yán)重，客觀上要求加快實現(xiàn)電網(wǎng)升級。特高壓輸電具有容量大、距離遠(yuǎn)、損耗低、占地少等顯著優(yōu)勢，是解決我國電網(wǎng)和能源發(fā)展難題的主要選擇[5]。截止2021年底，國家電網(wǎng)公司在運特高壓交流輸電線路達(dá)15條、特高壓直流輸電線路達(dá)13條，同時還有多條特高壓輸電線路在建，交直流混聯(lián)的特征明顯。特高壓輸電線路在具備上述優(yōu)勢的同時所連接的系統(tǒng)短路容量更大，對系統(tǒng)的穩(wěn)定影響也大，給特高壓線路繼電保護(hù)的設(shè)計和制造提出了更高的要求[6]。換流站作為交直流混合電網(wǎng)的樞紐，區(qū)別于傳統(tǒng)同步機電源，故障耦合特性呈現(xiàn)復(fù)雜性[7]。

1.1.2高比例可再生能源接入

我國可再生能源近年來發(fā)展迅猛，2030年前我國可再生能源的發(fā)電量占比將超30%[8]，如圖3所示。

圖3 2030年全國發(fā)電量占比

大量接入可再生能源已經(jīng)成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)的特征之一，隨之而來的電網(wǎng)諧波問題日益突出[9]。同時，當(dāng)較少可再生能源并網(wǎng)時，由于負(fù)荷變化相對有規(guī)律，整個電力系統(tǒng)的運行方式相對固定，例如在電力系統(tǒng)規(guī)劃時，只需要選取不同季節(jié)的典型負(fù)荷曲線作為參考；而在高比例可再生能源電力系統(tǒng)中，由于源端和荷端存在較大的不確定性，電力系統(tǒng)的運行方式將更加多樣化[10]。

1.1.3電力電子設(shè)備廣泛應(yīng)用

大功率電力電子技術(shù)是構(gòu)建現(xiàn)代電力系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，電力電子變流器是大多數(shù)電力電子設(shè)備的關(guān)鍵組件，它具有控制靈活、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，目前正廣泛應(yīng)用于電力生產(chǎn)、傳輸和消費等環(huán)節(jié)[11]。例如，以風(fēng)力和光伏發(fā)電為代表的新能源電站需通過電力電子變流器實現(xiàn)并網(wǎng)[12-13]；基于電壓源型變流器的柔性直流輸電技術(shù)(Voltage Source Converter Based High Voltage Direct Current transmission,VSC-HVDC)已經(jīng)應(yīng)用于區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)工程中[14]；基于電力電子變流器的分布式電源、微電網(wǎng)技術(shù)和有源電力濾波器(Active Power Filter, APF)也是近年的研究熱點。此外，靈活交流輸電(Flexible AC Transmission System, FACTS)技術(shù)在輸配電環(huán)節(jié)同樣發(fā)揮著重要作用，F(xiàn)ACTS裝置可以提高電力系統(tǒng)的可控性和功率輸送能力，例如靜止同步補償器(Static Synchronous Compensator, STATCOM)、靜止同步串聯(lián)補償器(Static Synchronous Series Compensator, SSSC)和統(tǒng)一潮流控制器(Unified Power Flow Controller, UPFC)等[15]?？梢钥闯?，電力電子變流器正在廣泛接入電力系統(tǒng)，并且在未來占比將進(jìn)一步提升。但高比例電力電子設(shè)備接入使電力系統(tǒng)的運行方式和動態(tài)特性均發(fā)生了明顯變化。

1.2 繼電保護(hù)面臨的挑戰(zhàn)

繼電保護(hù)是電網(wǎng)安全“第一道防線”的核心，而電網(wǎng)的發(fā)展給繼電保護(hù)也帶來了新的挑戰(zhàn)。

現(xiàn)有繼電保護(hù)以反應(yīng)工頻電氣量為主，主保護(hù)大多采用差動保護(hù)，后備保護(hù)沿用定值配合式原理，利用被保護(hù)設(shè)備自身電氣量與定值比較，實現(xiàn)故障識別與切除，保護(hù)原理如圖4所示。

對于差動保護(hù)，隨著電網(wǎng)電壓等級的升高、電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜，差動保護(hù)對線路高阻接地與變壓器匝間短路等內(nèi)部故障靈敏度不足，可能導(dǎo)致故障無法及時切除，引發(fā)變壓器著火爆炸事故的發(fā)生。而由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)愈發(fā)復(fù)雜且運行方式多變，定值配合式保護(hù)的定值難以整定，保護(hù)同時存在誤動和拒動的風(fēng)險：如保護(hù)拒動會造成事故影響范圍擴大，甚至導(dǎo)致變電站燒毀的事故發(fā)生；保護(hù)誤動則可能引發(fā)連鎖跳閘，造成大面積停電。國內(nèi)已發(fā)生多起因保護(hù)拒動引發(fā)的變電站燒毀重大事故(如“6.18”西安330 kV南郊站主變燒損事故)；國外因保護(hù)誤動而連鎖跳閘造成的多起大停電事故也屢見報道(如“8.14”美加大停電)。

隨著新能源發(fā)電與直流輸電技術(shù)的廣泛應(yīng)用，大量電力電子設(shè)備接入電網(wǎng)，如圖5所示。電力電子器件的非線性、時變以及受控特征，使得電力系統(tǒng)故障后的電氣量發(fā)生明顯畸變，出現(xiàn)大量非周期分量；諧波主要表現(xiàn)為低頻分量和非整次分量，其含量基本不隨時間而衰減。尤其是交流系統(tǒng)故障容易引發(fā)直流換相失敗，此時故障暫態(tài)過程更加復(fù)雜。

圖5 電力電子設(shè)備廣泛接入電網(wǎng)

1.3 預(yù)防性控制面臨的挑戰(zhàn)

隨著交直流電網(wǎng)混聯(lián)規(guī)模和負(fù)荷需求的快速增長，在不確定因素的影響下電網(wǎng)初始故障發(fā)生概率增加，故障事件演化的隨機性、快速性和全局性等問題日益顯著[16]。同時，特高壓電網(wǎng)輸送容量大，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生單一元件故障時對電網(wǎng)的沖擊巨大，系統(tǒng)預(yù)防性控制難以滿足電網(wǎng)“-1”的要求；電力電子設(shè)備過流能力低、承受故障沖擊能力差，導(dǎo)致連鎖跳閘的場景更多、風(fēng)險更大，單個交流系統(tǒng)的簡單故障或者單個換流站的異常動態(tài)過程都可能誘發(fā)多換流站同時換相失敗、直流系統(tǒng)單極、雙極閉鎖等連鎖故障的發(fā)生，表現(xiàn)出了交直流混聯(lián)電網(wǎng)的復(fù)雜耦合特性。以圖6為例，交流線路故障引發(fā)直流換相失敗，進(jìn)而導(dǎo)致連鎖故障，是常見的場景之一。

圖6 連鎖故障發(fā)展過程示意圖

在連鎖故障發(fā)生場景愈發(fā)多樣化的情況下，事故預(yù)想在線匹配難度增大。由于新能源發(fā)電出力隨機波動，電網(wǎng)的運行方式變化快、變化大，使得事故預(yù)想和當(dāng)前工況存在差距。同時電力電子設(shè)備的應(yīng)用使實時仿真計算維度更大，準(zhǔn)確度降低，控制策略的快速性和黑匣子特征使得離線預(yù)案的工作量增加，適用性降低。

2 繼電保護(hù)應(yīng)對挑戰(zhàn)的措施

上述問題給現(xiàn)有繼電保護(hù)的保護(hù)原理、工作模式和反應(yīng)工頻電氣量的特征帶來了根本性挑戰(zhàn)，需要采用相應(yīng)的措施提升繼電保護(hù)的動作性能，加強“第一道防線”保障電網(wǎng)安全運行的能力。

本文分別從故障模型參數(shù)在故障與非故障情況下的特征差異、利用廣域保護(hù)中的信息多樣性以及可快速識別故障的暫態(tài)量保護(hù)出發(fā)，提出了可快速準(zhǔn)確識別系統(tǒng)故障的保護(hù)方法，優(yōu)化現(xiàn)有保護(hù)性能，避免單一故障向系統(tǒng)性連鎖故障發(fā)展，保證了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

2.1 基于故障模型參數(shù)特征的繼電保護(hù)原理

現(xiàn)有電氣設(shè)備主保護(hù)以差動保護(hù)為主，僅能夠反應(yīng)故障外在表現(xiàn)特征，在變壓器匝間短路及線路高阻接地等輕微故障的情況下，外部故障與內(nèi)部故障特征差異不明顯，易造成保護(hù)拒動，因此需要深入挖掘和利用故障的本源信息，建立反應(yīng)故障特征的高靈敏模型，優(yōu)化系統(tǒng)主保護(hù)功能。

利用故障全過程電氣量信息，計及CT誤差、變壓器有載調(diào)壓對保護(hù)的影響，實時計算變壓器各相等效漏感參數(shù)的變化量及三相不一致程度，利用等效漏感參數(shù)變化特征可實現(xiàn)變壓器內(nèi)部故障快速識別，判別方法為：在內(nèi)部故障的情況下，繞組變形將會導(dǎo)致漏電感參數(shù)發(fā)生變化；而在正常運行、外部故障和勵磁涌流情況下，變壓器漏電感等內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)不會發(fā)生改變[17]，如圖7所示。

該方法不受勵磁涌流的影響，能夠迅速、可靠地切除變壓器內(nèi)部故障，對輕微故障也有足夠的靈敏度，可作為差動保護(hù)的補充，有效提高主保護(hù)的動作性能。

圖7基于等效漏感參數(shù)變化特征的變壓器主保護(hù)

2.2 基于多元信息的廣域保護(hù)技術(shù)

傳統(tǒng)保護(hù)僅利用保護(hù)安裝處的信息進(jìn)行故障判別，信息量少，在交直流混聯(lián)以及可再生能源大規(guī)模接入的環(huán)境下難以兼顧保護(hù)選擇性、靈敏性和快速性的要求。其解決方案為充分利用電網(wǎng)中的多點多元信息，構(gòu)建廣域保護(hù)的信息融合機制以及新型保護(hù)系統(tǒng)。

目前主要的廣域保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為3類。

1) 廣域集中式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點是廣域主機覆蓋范圍為整個廣域電網(wǎng)，通過匯集廣域全網(wǎng)信息進(jìn)行故障判別；缺點是保護(hù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對通信、主機的要求高，而且保護(hù)的可靠性和快速性無法保證。

2) 有限廣域集中式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點是將整個廣域電網(wǎng)劃分為多個區(qū)域，并且設(shè)置站域主站，在站內(nèi)獲取該區(qū)域信息實現(xiàn)故障判別和指令下達(dá)；缺點是區(qū)域劃分存在重疊，區(qū)域間通信復(fù)雜且系統(tǒng)改造升級困難。

3) 完全分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點是以各保護(hù)裝置為獨立決策單元，同時與臨近保護(hù)裝置交互信息，保護(hù)構(gòu)成模式靈活；缺點是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，信息交互量巨大，同時裝置間協(xié)調(diào)難度大，擴容和改造升級困難。

綜合上述廣域保護(hù)構(gòu)成模式特點，可采用基于站域集中-站間分布式的信息融合機制，作為前述功能的載體，實現(xiàn)保護(hù)功能與信息融合的協(xié)調(diào)優(yōu)化，同時全面提升主、后備保護(hù)性能，解決定值配合式保護(hù)定值難以整定的問題。

該結(jié)構(gòu)的構(gòu)成模式如圖8所示，在變電站內(nèi)匯集交、直流母線電氣量及直流控制邏輯量等站域信息，實現(xiàn)交直流系統(tǒng)以及保護(hù)與控制信息的融合；在相鄰變電站間信息分布對等交互，實現(xiàn)后備保護(hù)功能以及對連鎖故障發(fā)生的抑制。

圖8 站域集中-站間分布式保護(hù)構(gòu)成模式

利用該新型保護(hù)系統(tǒng)，為解決現(xiàn)有保護(hù)定值難以整定的情況，可利用站間邏輯量信息一致性特征構(gòu)成后備保護(hù)方案。利用邏輯量對故障反應(yīng)的交叉重疊特征，根據(jù)動作一致性原則，既可實現(xiàn)故障設(shè)備的快速準(zhǔn)確識別，又可從根本上攻克系統(tǒng)振蕩及過負(fù)荷造成保護(hù)誤動的難題。如圖9，線路L5的故障重疊程度最高，故判別為該線路上發(fā)生了故障。在判別出故障位置后，由站域主機直接向本端及對端斷路器發(fā)送跳閘指令實現(xiàn)保護(hù)快速動作以及故障切除，避免了逐級配合式保護(hù)延時長的問題。

圖9 基于站間邏輯量信息一致性特征的后備保護(hù)技術(shù)

基于站間邏輯量信息的后備保護(hù)技術(shù)可實現(xiàn)近后備保護(hù)全范圍速動，有效縮短了后備保護(hù)延時；在原理上保證了對相鄰元件故障反應(yīng)的靈敏性，避免了后備保護(hù)拒動導(dǎo)致的重大事故發(fā)生；不受系統(tǒng)振蕩和過負(fù)荷影響，避免了保護(hù)誤動引發(fā)的連鎖跳閘和系統(tǒng)性事故發(fā)生。

2.3 基于暫態(tài)量的繼電保護(hù)方法

在電力電子設(shè)備大規(guī)模接入電網(wǎng)的前提下，基于工頻電氣量的保護(hù)方法難以保證其動作的準(zhǔn)確性；而故障后的暫態(tài)量中蘊含有豐富的故障特征信息，故基于暫態(tài)量的電力電子化系統(tǒng)保護(hù)將成為解決這一問題的突破口[18-20]。

電力系統(tǒng)發(fā)生故障后的暫態(tài)是由分布/集中參數(shù)的電容、電感等儲能元件及電力電子裝置快速響應(yīng)所引起的電氣量過渡過程。隨著電壓等級升高，系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大，電氣設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障暫態(tài)響應(yīng)呈現(xiàn)出更加復(fù)雜的時間尺度特性，如圖10所示。

圖10 故障暫態(tài)時間尺度分布特性

發(fā)掘故障暫態(tài)特征，構(gòu)建由初始行波、暫態(tài)量、工頻突變量到工頻穩(wěn)態(tài)的故障全過程保護(hù)系統(tǒng)，是實現(xiàn)故障快速準(zhǔn)確切除的有效手段。

以保護(hù)3(R3)為例，發(fā)生區(qū)內(nèi)故障(F1)與區(qū)外故障(F5)時，計算得出的小波能量熵累加和差異明顯，由圖12可知：發(fā)生區(qū)內(nèi)故障時的累加值會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于區(qū)外故障時的累加值，故障的暫態(tài)差異明顯，由此判據(jù)構(gòu)成的保護(hù)方案可有效識別區(qū)內(nèi)與區(qū)外故障[22]。

圖11 500 kV系統(tǒng)仿真模型

圖12 保護(hù)安裝處小波能量熵累加和

3 構(gòu)建更加完善和堅強的“第一道防線”

3.1 加強預(yù)防性控制在“第一道防線”中的作用

特高壓輸電通道的建設(shè)以及大規(guī)模波動性新能源并網(wǎng)，通過現(xiàn)有預(yù)防性控制很難做到全部滿足“-1”要求，或者需要付出巨大的經(jīng)濟(jì)代價，如降低特高壓線路的輸送容量。

圖13為電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制階段示意圖，解決這一問題的重要環(huán)節(jié)在于進(jìn)一步完善預(yù)防性控制在事故前、事故后階段的功能，盡可能抑制直流換相失敗乃至直流閉鎖和引發(fā)潮流轉(zhuǎn)移造成連鎖跳閘事故的發(fā)生，盡可能保證電網(wǎng)在極端情況下的安全。

圖13 電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制階段示意圖

3.2 加強事故后預(yù)防性控制的研究

常規(guī)直流發(fā)生換相失敗可能導(dǎo)致直流閉鎖，引發(fā)連鎖性故障的風(fēng)險加劇。通過對換相失敗的預(yù)測和控制，可以有效抑制故障的進(jìn)一步發(fā)展，阻斷并發(fā)性連鎖跳閘的發(fā)生。

比較直流換相需求面積need與可供應(yīng)最小換相面積min的大小，可實現(xiàn)對換相失敗的預(yù)測；當(dāng)預(yù)判出可能發(fā)生換相失敗時，投入提前換相提前觸發(fā)控制策略，減小逆變側(cè)觸發(fā)角大小，通過提前開始換相過程的策略避免換相失敗的發(fā)生[23]，如圖14和圖15所示。

圖14 基于換相面積的換相失敗預(yù)測

圖15 換相過程提前觸發(fā)控制

由于故障發(fā)生后，僅靠繼電保護(hù)動作難以全部滿足電力系統(tǒng)“-1”的要求，為了防止故障進(jìn)一步擴大導(dǎo)致繼發(fā)性連鎖跳閘，可以采取分層次的快速、精準(zhǔn)切機/切負(fù)荷控制，阻斷連鎖跳閘的發(fā)生[24]，如圖16和圖17所示。

圖16 層次化精準(zhǔn)切機切負(fù)荷系統(tǒng)

圖17 層次化精準(zhǔn)切機切負(fù)荷流程圖

3.3 加強事故前預(yù)防性控制的研究

僅針對故障后的預(yù)防措施進(jìn)行研究，無法完全避免事故的發(fā)生，故也需要加強對故障前預(yù)防措施的研究，為緊急情況下電網(wǎng)的災(zāi)變事故做好預(yù)案[25]。如要做好嚴(yán)重自然災(zāi)害(臺風(fēng)、地震等)和戰(zhàn)爭情況下電網(wǎng)的多重故障系統(tǒng)性災(zāi)變事故預(yù)案，找準(zhǔn)電網(wǎng)的“重點”和“弱點”，采取必要的“化整為零”(系統(tǒng)解列)、“以退為進(jìn)”措施，防止電網(wǎng)發(fā)生系統(tǒng)性災(zāi)難，如圖18所示。

圖18 系統(tǒng)性災(zāi)變事故預(yù)案

3.4 加強“第一道防線”與后續(xù)防線的協(xié)同

構(gòu)建保護(hù)與控制的信息交互機制，建立基于故障全息(故障時間、位置、類型、接地電阻等)的嚴(yán)重程度量化方法，實現(xiàn)一、二道防線由傳統(tǒng)的“事件驅(qū)動”向“信息驅(qū)動”轉(zhuǎn)變，為后續(xù)穩(wěn)定控制提供了準(zhǔn)確依據(jù)，該方法的研究思路如圖19所示。

圖19 事件驅(qū)動轉(zhuǎn)換為信息驅(qū)動

以系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性評估方法為例，傳統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定評估方法僅按照線路兩端發(fā)生三相短路持續(xù)固定時間(如100 ms)進(jìn)行判斷和計算，其結(jié)果往往過于保守?；谡居虮Ｗo(hù)故障全景信息的電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析方法，將包含故障類型、故障位置及接地電阻等在內(nèi)的故障全景信息提煉到故障中系統(tǒng)的收縮導(dǎo)納矩陣中，進(jìn)而求得不同故障場景下系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定邊界，可有效提高暫穩(wěn)判斷的精確度[26]，如圖20所示。

圖20 不同故障場景下系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定裕度曲面

4 結(jié)論

隨著電網(wǎng)的發(fā)展，單一設(shè)備故障會給系統(tǒng)帶來巨大沖擊，電力電子設(shè)備的故障脆弱性引起并發(fā)性或連鎖性故障的機會增多，均增大了系統(tǒng)性事故的風(fēng)險。

為了保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，需要構(gòu)建更加完善和堅強的“第一道防線”。

1) 從繼電保護(hù)的角度出發(fā)，應(yīng)深入挖掘系統(tǒng)故障后的本源故障特征，建立能夠靈敏反應(yīng)系統(tǒng)故障的模型，實現(xiàn)對內(nèi)部輕微故障的準(zhǔn)確識別。同時，利用廣域保護(hù)系統(tǒng)獲取故障多元信息并進(jìn)行簡單交互，根據(jù)不同位置保護(hù)邏輯量反應(yīng)故障的差異化特征邏輯量信息一致性識別，解決傳統(tǒng)定值配合式保護(hù)整定難的問題。由于故障的暫態(tài)過程同樣包含了大量故障信息，通過合理利用故障全過程信息可以大幅度提升繼電保護(hù)的可靠性。

2) 從預(yù)防性控制的角度出發(fā)，加強故障前(系統(tǒng)正常運行時)、故障后(故障發(fā)生后)階段的控制功能，阻斷連鎖故障的發(fā)生，盡可能避免系統(tǒng)向失穩(wěn)的方向運行；同時做好緊急情況下的災(zāi)變事故預(yù)案，必要時采取“化整為零”、“以退為進(jìn)”的措施，通過第一道防線和后續(xù)防線的協(xié)同，防止電網(wǎng)發(fā)生系統(tǒng)性的災(zāi)難。

從繼電保護(hù)和預(yù)防性控制的角度出發(fā)，構(gòu)建更加堅強的電網(wǎng)安全“第一道防線”，可以起到抵御系統(tǒng)性事故的“橋頭堡”作用。

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Discussion on building a stronger first line of defense for grid security

LIN Yifeng, WANG Zengping, WANG Tong, ZHENG Bowen

(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources (North China Electric Power University), Beijing 102206, China)

The "three lines of defense" of a power system have played an important role in ensuring the security of the power grid for a long time. This has ensured the safe and stable operation of the power system in the event of various accidents. Relay protection is responsible for fast and reliable fault removal, and is the first line of defense to ensure the safety of the power grid. This paper first introduces the challenges brought by the development of the power grid to the "first line of defense", and analyzes the reasons for the insufficient sensitivity to internal faults of traditional power-frequency relay protection and the coexistence of misoperation and rejection risks. Secondly, it sorts out the measures of relay protection to meet the challenges. A main protection method based on the parameter characteristics of the fault model, wide-area protection technology based on the multi-information and a relay protection method based on the transient quantity are proposed. Finally, suggestions are made for building a more complete and stronger "first line of defense". By strengthening the function of preventive control in the pre-fault and post-fault stages, the occurrence of secondary cascading failures can be blocked, and coordination between the first line of defense and subsequent lines of defense can be strengthened to jointly resist the occurrence of systemic accidents.

power grid security;power-frequency protection; multi-information; preventive control

10.19783/j.cnki.pspc.216190

This work is supported by the Science and Technology Project of the Headquarters of State Grid Corporation of China (No. 5100-202199529A-0-5-ZN).

國家電網(wǎng)公司總部科技項目資助(5100- 202199529A-0-5-ZN)“新能源電力系統(tǒng)新型后備保護(hù)系統(tǒng)研究與應(yīng)用”

2022-02-07；

2022-05-05

林一峰(1992—)，男，博士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)與控制；E-mail: lyf3172@126.com

王增平(1964—)，男，通信作者，博士，教授，研究方向為電力系統(tǒng)自動化、繼電保護(hù)；E-mail: wangzp1103@ sina.com

王 彤(1985—)，女，博士，副教授，研究方向為新能源電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析與控制。E-mail: hdwangtong@126.com

(編輯 姜新麗)