小议配电网的广域保护

摘要：本文分析了传统继电保护在现代电网发展运行中不足，以及配电网广域保护与传统继电保护的区别和联系，指出广域保护能实现继电保护和自动控制的功能，保证电网在故障后仍能保持所需的安全稳定工况；对广域保护的结构和功能进行了介绍，并对与广域保护相关的关键技术进行了阐述。

关键词：电力系统；配电网；传统继电保护；广域保护

一、广域保护与传统继电保护的区别和联系

配电网中，传统继电保护均采用主后备保护阶梯型时序配合，主后备保护都需要根据整定计算结果设定整定值和整定时限。出现故障后，一般应由主保护动作；一旦主保护拒动，后备保护必须按整定时限和定值给出动作信号。由于传统的继电保护缺乏获取全局信息的技术手段，只能依靠局部信息进行事故判别，所以需要根据保护设备和针对故障类型的不同分别配置各设备的差动保护、过流保护、零流保护、阻抗保护等，且各保护设备间一般仅通过整定值和整定时限进行配合。传统的继电保护主要集中于元件保护，以线路、母线、变压器、电机和电动机等为保护对象。工作方式是采集装置安装处的系统电流、电压量，经过计算后得到一些反映系统状况的参数值，然后与预先整定的门槛值进行比较，若超过门槛值则执行某种动作。传统的保护以切除被保护元件内部故障为己任，主要通过开关动作来实现隔离故障元件，且各电力设备的主保护相互独立动作，未考虑故障元件被切除后，剩余电力系统中的潮流转移引起的后果。广域保护更注重保护整个系统的安全稳定运行，可识别系统的各种运行状态（正常状态、警戒状态）等，通过调节系统的P-δ、Q-V和各种保护措施，同时实现继电保护和自动控制的功能，其中可能会有本地、远程开关的动作，以避免局部或整个系统大面积停电或崩溃等严重事故的发生，保证电网在故障后仍能保持所需的安全稳定工况。

传统的线路及装置保护的任务是将故障与系统隔离，快速性是其最基本的要求之一，虽然可以快速动作，但由于只能获得本地信息，因此只能用来保护电气设备，而对广域扰动无能为力。另一方面，随着互联电网越来越复杂，继电保护的整定越来越困难，不恰当的整定可能导致错误动作，加速扰动的扩散。而广域保护因为需要通信并进行相对复杂的计算，在时间上很难达到传统保护的要求，因此，广域保护并不能替代传统保护。但广域保护将系统作为一个整体考虑的优势也是传统保护所不具备的。若能将两者结合起来，充分利用双方的优点，将是一个不错的选择。

二、广域保护的结构和功能

2.1 基本结构

以广域信息的采集、传送、分析和使用为线索广域保护系统由相量测量、安全稳定控制装置、厂站安全稳定监控子站、通信线路、电网安全稳定监测与控制主站、网络服务器及数据库等组成。

（1）相量测量装置（Phasor Measurement Unit，简称PMU）。基本功能为：

①GPS同步采样，所有测得的数据都有精确的同步性；

②实时测量采样点电压/电流的幅值及正序功角；更新速率至少为1/25s；

③故障记录功能，录波点的时间精度为微秒，并按IEEE1344规定的格式记录。而常规测量设备所能提供的其他数据（如开关位置、发电机组投切状态及继电保护动作信号等）也可作为广域保护系统的输入数据。

（2）安全稳定控制装置。在系统的非正常运行状态（如功角不稳定、频率不稳定、电压不稳定等）及事故条件下，安全稳定控制装置根据安全稳定监控子站的控制命令，直接进行切机和切负荷操作；或者本身实时判别，自动进行灵活切机和切负荷控制；也可以由调度人员远方操作，维护电网安全稳定运行；

（3）厂站安全稳定监控子站。安装在变电站，向上通过光纤与主站通信，向下通过以太网与 PMU及安全稳定控制装置通讯，是发电厂变电站安全稳定监测与控制系统的决策中心和通讯桥梁。可就地实现一些广域保护算法，各子站之间可以相互通讯；

（4）电网安全稳定监测与控制主站。安装在调度室内，与子站通讯，获取各种数据，进行广域保护计算，且对多站间的实时功角及各站模拟和开关信号进行在线监测，记录有关数据，存入数据库。并将实时监测到的电压电流相量和功角传送到EMS系统，供EMS系统进行静态和动态安全稳定分析，并把EMS系统的安全稳定控制命令传达到发电厂变电站的安全稳定控制装置，进行投切机组和负荷控制。其中包含相量数据集中器（Phasor Data Concentrator 简称PDC）和系统分析软件，主站通过 PDC管理和控制PMU 的工作状态，接收来自子站或其他主站的测量数据、事件标识、录波文件及实时记录文件等。系统分析软件是广域保护系统的心脏，包括拓扑状态估计、广域保护、有效输电容量计算、动态安全分析和其他；

（5）网络服务器。中央监控站将各站间的电压电流相量和功角数据存入SQLSERVER数据库的实时表和历史表中。WEB SERVER负责响应用户的请求，从数据库中获取相应数据并传给用户，使用户可利用浏览器登录网站，实时观测各站间的电压电流相量和功角。同时在数据库中存储动态记录文件并生成索引表；

（6）数据库。存储实时的电压电流相量和功角，管理各种分析所需的数据（如稳控策略）。所有的历史数据可以方便地存放到硬盘或CD上长期保存，可以对归档的历史数据进行反演和计算，并对各时段及用户自定义时段的历史数据进行统计处理。

2.2 广域保护的功能

广域保护是针对广域扰动的保护，广域扰动从现象来看可以分为几类：失稳、电压失稳、过负荷、电力系统连锁故障等。从本质原因来看，这几种现象分别对应有功功率平衡被破坏，无功功率平衡被破坏，整体或局部有功功率需求大于供给，保护或控制设备故障或其它原因导致的不恰当动作。针对这些扰动，目前可以采取的保护和控制措施有：失步保护，切负荷可控系统解列，故障清除，快速关断，动态制动，发电机电压控制，电容器/电抗器投切和静态无功补偿，负载控制，关键保护系统的管理和控制，节点电压控制移相位，联络线重调度，增加储备HVDC功率调制。这些措施被称为特殊保护措施。

WAP基于以相量测量单元 PMU Phasor Measurement Unit 的应用为代表的现代测量技术、现代通信技术以及在线动态安全分析，可以根据丰富、及时的广域信息，对系统的状态做出实时判断，因此可以根据需要针对多种系统扰动实施多功能的系统保护。由于WAP可以检测到较小的系统扰动，而且可以根据具体情况形成实时控制策略，较早地开始控制，而且多种控制措施可以协调动作，因此对维持电力系统的稳定性和完整性有更好的效果。

根据针对的系统扰动种类，WAP实现的功能可以分为如下几类：功角稳定保护、电压稳定保护、过负荷保护、连锁故障保护，其中功角失稳属于暂态失稳，通常认为是对广域保护系统的响应时间最严格的考验，因此功角稳定保护是实现广域保护系统的难点。

三、广域保护的关键技术

3.1 PMU 的出现

广域同步数据的共享主要是基于相量测量单元（Phasor Measurement Unit，简称PMU）。而得的 PMU可以对电压、电流等数据进行同步采集。首先，能够为系统中各个节点采集的电压、电流等电气量打上精确时标（误差不大于1），这使得对全网同一时刻的电气量进行精确计算成为可能；其次PMU能够测量电流电压相量的角度，因此在理论上，若全网所有节点均装上PMU，则所有的角度变量都将成为己知量。这一方面可以应用于功角不稳定分析，利用直接测量到的各发电机功角，发展快速可靠的新型功角稳定分析方法；第三，可以大大提高现有状态估计的精度，为动态安全分析等其它应用打下更好的基础。

3.2 通信系统的发展

通信系统是广域保护系统的一个十分重要的组成部分。快速可靠的通信网络是实现广域保护必不可少的基础设施。为了获得快速和可靠的通信网络，需要着重考虑网络类型、拓扑、通信协议和媒体介质等几个主要方面。目前电力公司对一些新型通信方式的应用，也为广域保护所必需的实时数据传输提供了可能，是实现广域保护的前提。

四、结束语

广域保护系统在获取系统多点信息的基础上，能够从整体或区域电网的角度同时实现继电保护和自动控制功能，使继电保护和自动控制装置的动作相配合，加强对故障后系统不稳定状态的控制，保障配电网在局部发生故障后非故障区域能按照安全稳定的工况运行，大大减少事故的发生。

参考文献：

[1]徐天奇，广域保护系统功能与可行结构分析[J]电力系统保护与控制

[2]谢邦鹏，沈光敏，智能配电网中的继电保护工作展望[J]上海电力