繼電保護(hù)和安全自動裝置面臨的問題與需要開展的研究,張保會,西安交通大學(xué)2007/08/18,目錄,繼電保護(hù)與安全自動裝置面臨的問題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀研究的學(xué)術(shù)思路建議研究的問題結(jié)論,一、繼電保護(hù)與安全自動裝置面臨的問題（1）,1、保證全國性互聯(lián)電網(wǎng)的運(yùn)行安全性是電力發(fā)展的頭等大事我國電網(wǎng)今后發(fā)展的總方針：“西電東送、南北互供、全國聯(lián)網(wǎng)”。西南部省份向東部地區(qū)輸送電力將達(dá)到2000萬千瓦，交直流輸電線路超過20回，輸電距離上千公里。西北部省份將采用750kV和330kV電磁環(huán)網(wǎng)東送電力。如何避免故障時的連鎖反應(yīng)，保證遠(yuǎn)距離和大功率的輸電斷面的運(yùn)行安全性是電力發(fā)展迫切需要解決的現(xiàn)實問題。全國聯(lián)網(wǎng)初期的交流弱聯(lián)運(yùn)行方式，使得兩側(cè)電網(wǎng)內(nèi)部的某些重要輸電斷面穩(wěn)定水平下降，如何保證較大干擾時運(yùn)行的穩(wěn)定性是電網(wǎng)運(yùn)行的當(dāng)務(wù)之急。,一、繼電保護(hù)與安全自動裝置面臨的問題（2）,2、高效、可靠的繼電保護(hù)和緊急控制系統(tǒng)是保障西電東送和全國聯(lián)網(wǎng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)鑒于電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的多變性、電網(wǎng)功率的實時平衡特性，和故障發(fā)生的不可完全避免和隨機(jī)性，高性能的繼電保護(hù)是保障電網(wǎng)安全運(yùn)行的第一道屏障。任意堅強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)都必須快速、可靠地切除故障元件，任意堅強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)在一系列的元件被切除后都有可能變?yōu)楸∪蹙W(wǎng)絡(luò)。保證故障元件被繼電保護(hù)切除后剩余網(wǎng)絡(luò)的安全性，高速有效的安全穩(wěn)定緊急控制系統(tǒng)是安全運(yùn)行的第二道屏障。有效、可靠的繼電保護(hù)和安全穩(wěn)定緊急控制系統(tǒng)是保證電網(wǎng)運(yùn)行安全性的重要物質(zhì)條件。,一、繼電保護(hù)與安全自動裝置面臨的問題（3）,3、西電東送、全國聯(lián)網(wǎng)給繼電保護(hù)和緊急控制提出了新的挑戰(zhàn)現(xiàn)有的繼電保護(hù)能否滿足更高一級電壓（750kV）網(wǎng)絡(luò)對動作速度、暫態(tài)性能的要求。大功率電力電子設(shè)備突然故障，其暫態(tài)過程對交流線路保護(hù)有何影響、如何克服？交流線路的故障與切除對直流系統(tǒng)、柔性輸電系統(tǒng)的保護(hù)與控制有何影響、如何克服？現(xiàn)有的電力元件主保護(hù)相互獨(dú)立，故障元件被突然切除后是否會產(chǎn)生連鎖的元件運(yùn)行不正常而被保護(hù)依次跳開，會否形成類似美、加的大停電事故？為了防止西電東送輸電斷面的運(yùn)行安全性，如何構(gòu)建元件保護(hù)與緊急控制一體化系統(tǒng)？全國聯(lián)網(wǎng)初期的交流弱聯(lián)方式，如何充分發(fā)揮互聯(lián)效益又能保證系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性？萬一互聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性被破壞，如何將系統(tǒng)解列才能縮小停電范圍和停電時間？,一、繼電保護(hù)與安全自動裝置面臨的問題（4）,4、現(xiàn)有的理論和技術(shù)難于解決上述理論和技術(shù)問題現(xiàn)有的保護(hù)反應(yīng)工頻電氣量，動作速度難于再提高。高頻和衰減直流分量對正確動作有害，但短窗、高效、快速的濾波方法尚未突破。保護(hù)以電力元件為對象，以切除故障元件為己任，整個電網(wǎng)主保護(hù)系統(tǒng)并不協(xié)同動作，可能會出現(xiàn)因為保護(hù)正確動作而造成系統(tǒng)的瓦解，缺乏輸電斷面或網(wǎng)絡(luò)的保護(hù)。穩(wěn)定性預(yù)測與緊急控制尚無不依賴系統(tǒng)模型和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的理論方法，而系統(tǒng)的模型和參數(shù)又是不準(zhǔn)確的，缺乏適應(yīng)性強(qiáng)、預(yù)測速度快、控制高效、可靠的緊急控制系統(tǒng)?；ヂ?lián)系統(tǒng)的解列（點(diǎn)）面是固定設(shè)置的，不能適應(yīng)失穩(wěn)模式的變化，縮小停電范圍，避免事故擴(kuò)大。,一、繼電保護(hù)與安全自動裝置面臨的問題（5）,5、我國保護(hù)與緊急控制的研究、運(yùn)行基礎(chǔ)好，取得突破性進(jìn)展是可能的繼電保護(hù)的運(yùn)行統(tǒng)計（2002年）表明，國產(chǎn)保護(hù)與進(jìn)口保護(hù)相比，在動作速度和可靠性方面（動作時間1030ms，正確率99.86）具有國際先進(jìn)水平。利用自適應(yīng)重合閘（永久與瞬時故障判別、最佳重合時間、分相重合、自適應(yīng)重合等）提高輸電系統(tǒng)穩(wěn)定性，我國具有領(lǐng)先水平。區(qū)域系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性預(yù)測和緊急控制，我國極為重視，從上世紀(jì)80年代就開始研究和應(yīng)用，尚未出現(xiàn)美、加那樣的大停電。對聯(lián)絡(luò)線兩側(cè)系統(tǒng)失步的檢測和解列，國內(nèi)已研究了多種原理和裝置在現(xiàn)場應(yīng)用。繼電保護(hù)和緊急控制領(lǐng)域的研究我國具有優(yōu)勢基礎(chǔ)，結(jié)合“西電東送、全國聯(lián)網(wǎng)”開展基礎(chǔ)研究，取得原創(chuàng)性的成果，是可能的。,二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀(1),美國、加拿大：網(wǎng)架比我國強(qiáng)壯，繼電保護(hù)的動作速度、可靠性、實現(xiàn)技術(shù)與我國相當(dāng)；某些原理（故障分量、躲振蕩、非全相運(yùn)行又故障、重合閘等）不如我國先進(jìn)。在安全穩(wěn)定緊急控制系統(tǒng)的研究與建設(shè)方面，重視程度不夠、研究水平較差，曾發(fā)生震驚全球的如65年、9697年、2003年8月14日等多次全國性大停電，給全世界電力系統(tǒng)提供沉痛教訓(xùn)。,二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀(2),歐州：網(wǎng)架堅強(qiáng)、輸電距離短；保護(hù)的制造、運(yùn)行水平與我國相當(dāng)，動作速度、原理研究比我國稍差。緊急控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用幾乎空白。日本：輸電距離短、網(wǎng)架比我國堅強(qiáng)；重視安全穩(wěn)定性緊急控制系統(tǒng)的研究與建設(shè)，借助于發(fā)達(dá)的通信系統(tǒng)，構(gòu)建“離線策略表”、“在線策略表”的實時控制系統(tǒng)。但是仍不能解決控制決策依賴于系統(tǒng)的模型與參數(shù)，因模型與參數(shù)的誤差造成的不準(zhǔn)確問題。,二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀(3),前蘇聯(lián)：網(wǎng)架和輸電距離與我國類似；保護(hù)的原理研究水平與我國相當(dāng)，但在數(shù)字式保護(hù)的算法、實現(xiàn)技術(shù)、擴(kuò)展與緊急控制系統(tǒng)的聯(lián)系方面，不如我國。重視反事故裝置的研究，大量采用分散式的安全自動裝置，區(qū)域型緊急控制系統(tǒng)不多。我國：750kV保護(hù)、含有大功率電力電子設(shè)備的混聯(lián)輸電斷面的保護(hù)、電磁環(huán)網(wǎng)輸電的保護(hù)和緊急控制技術(shù)、弱聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)定性預(yù)測與緊急控制、自動識別失步斷面的系統(tǒng)解列、電力市場環(huán)境下保護(hù)配置方式等都是有待研究的重大理論和技術(shù)問題，沒有經(jīng)驗可以照搬。,三、研究的學(xué)術(shù)思路（1）,1、電網(wǎng)運(yùn)行安全性需要規(guī)劃、運(yùn)行、保護(hù)與緊急控制三個階段的協(xié)同工作、共同保障。2、對于運(yùn)行中的互聯(lián)電力系統(tǒng)：局部系統(tǒng)內(nèi)部元件的故障或擾動，由切除故障元件和在局部系統(tǒng)中采取措施來消除，不使它的影響擴(kuò)散到局部系統(tǒng)外；區(qū)域系統(tǒng)之間輸電斷面上聯(lián)絡(luò)線的故障，首先切除故障元件并盡量保持輸電斷面的完整性；影響多個互聯(lián)區(qū)域安全性的擾動在多個區(qū)域采取措施，共同來消除擾動產(chǎn)生的影響；互聯(lián)系統(tǒng)失穩(wěn)后，應(yīng)按功率盡可能平衡的原則解列，避免大面積停電事故。,三、研究的學(xué)術(shù)思路（2）,3、基于上述學(xué)術(shù)思想，該項目的研究思路為：研究交、直流混聯(lián)輸電系統(tǒng)和750kV輸電系統(tǒng)在電力元件保護(hù)方面產(chǎn)生的新問題，并采用元件保護(hù)的新原理加以解決；研究西電大功率東送在輸電斷面上可能出現(xiàn)的問題，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)保護(hù)和緊急控制一體化的保障體系來解決；研究全國聯(lián)網(wǎng)初期的交流弱聯(lián)可能產(chǎn)生的穩(wěn)定水平下降問題，采取實時的穩(wěn)定性預(yù)測與緊急控制系統(tǒng)阻止穩(wěn)定的破壞；采取自適應(yīng)的解列手段防止事故的擴(kuò)大；研究電力市場化運(yùn)營后保護(hù)和緊急控制的代價、贏得的效益及其分擔(dān)，以及適應(yīng)市場化體制的保護(hù)與緊急控制的配置原則，提高市場各參與方維護(hù)電力系統(tǒng)安全性的積極性。,四、建議研究的問題（1）,1、高性能新型繼電保護(hù)原理研究（1）適應(yīng)嵌入電力電子設(shè)備的輸電系統(tǒng)容錯式保護(hù)研究：分析超高壓、交流直流混合系統(tǒng)的故障暫態(tài)過程特征，研究采用短窗、抗強(qiáng)諧波、濾除長暫態(tài)的動態(tài)容錯數(shù)字算法，采用硬件容錯、原理容錯、信息容錯技術(shù)提高數(shù)字保護(hù)的性能。（2）750kV輸電系統(tǒng)新型保護(hù)的研究：研究基于波形系數(shù)小波技術(shù)和小矢量算法等的自適應(yīng)方法，加快保護(hù)動作速度，提高保護(hù)的整體性能。（3）反應(yīng)故障暫態(tài)分量的保護(hù)新原理研究：不是濾除而是利用故障暫態(tài)分量，區(qū)分元件內(nèi)、外部故障；利用單端暫態(tài)量實現(xiàn)線路保護(hù)全線速動等。,四、建議研究的問題（2）,2、不依賴于系統(tǒng)模型與參數(shù)的互聯(lián)電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定緊急控制理論與技術(shù)研究（1)基于同步相量測量的發(fā)電機(jī)搖擺軌跡的預(yù)測理論及方法：利用穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)下測得的功角、角速度和功率等，研究對各機(jī)組動態(tài)軌跡進(jìn)行準(zhǔn)確、快速的超長時預(yù)測算法。（2)全網(wǎng)穩(wěn)定性實時預(yù)測理論與算法研究：研究故障中、故障后機(jī)組實測不平衡功率、功角相對角度中心之間的變化軌跡，及軌跡的變化特征與不穩(wěn)定邊界、控制量的關(guān)系，獲得暫態(tài)不穩(wěn)定的快速預(yù)測判據(jù)與實時控制的算法。（3)全網(wǎng)穩(wěn)定性實時控制系統(tǒng)的實現(xiàn)技術(shù)研究：利用關(guān)鍵廠站和輸電斷面的同步相量測量設(shè)備、預(yù)測算法和超實時的不穩(wěn)定邊界判據(jù)，解決互聯(lián)電力系統(tǒng)實時控制系統(tǒng)的技術(shù)。,四、建議研究的問題（3）,3、廣域信息條件下的安全自動裝置研究（1)線路保護(hù)與重合閘最佳配合的理論與方法：研究可靠的瞬時與永久故障的區(qū)分方法，最佳重合時間的捕捉技術(shù)，分相在故障不嚴(yán)重側(cè)重合等保護(hù)與重合閘的配合等問題。（2)“輸電斷面”保護(hù)系統(tǒng)的研究：利用輸電斷面的廣域運(yùn)行信息，預(yù)測單元件故障被切除后斷面其它元件的運(yùn)行狀態(tài)，動態(tài)改變保護(hù)定值，如短時允許過負(fù)荷、直流功率的短時增加等，以避免非故障元件被連鎖切除。（3)基于多Agent的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)與緊急控制一體化的研究：研究基于多Agent代理機(jī)制的分層分布式控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，預(yù)測“輸電斷面”保護(hù)方式仍不能維持互聯(lián)系統(tǒng)的穩(wěn)定時，快速計算控制對策并執(zhí)行。,四、建議研究的問題（4）,4、自適應(yīng)最小潮流斷面的互聯(lián)系統(tǒng)解列理論與方法研究（1)快速識別失步機(jī)組模式的理論：研究電力系統(tǒng)運(yùn)動方程的流型變換理論，根據(jù)平衡點(diǎn)處變換矩陣和特征向量的性質(zhì)，直接計算機(jī)組搖擺軌跡，快速獲得系統(tǒng)的失步模式。（2）振蕩中心的自動捕捉與解列面的自適應(yīng)確定：研究系統(tǒng)的失步模式與失步斷面中實測電氣量間的關(guān)系，及由實測量確定失步及振蕩斷面；選擇潮流較小失步斷面的斷路器跳閘。,四、建議研究的問題（5）,5、電力市場環(huán)境下保護(hù)及緊急控制配置與配合的原則的研究（1)市場條件下互聯(lián)系統(tǒng)后備保護(hù)的配置原則與經(jīng)濟(jì)責(zé)任的承擔(dān)：研究現(xiàn)有后備保護(hù)動作造成非故障元件被切除，進(jìn)而使非故障元件所屬公司產(chǎn)生損失的經(jīng)濟(jì)當(dāng)量，提出科學(xué)可行的承擔(dān)方式，并研究各公司更樂意采用的后備保護(hù)配置方式。（2)緊急控制的成本、效益及其承擔(dān)：研究其造成的局部損失和換取的全局效益的經(jīng)濟(jì)當(dāng)量，提出贏得的效益和造成損失的科學(xué)分?jǐn)偡绞?，合理、積極的推動緊急控制系統(tǒng)應(yīng)用。,四、建議研究的問題（6）,6、二次回路光纖數(shù)字化及其應(yīng)用研究（1)基于光纖數(shù)字互感器的變電站二次回路的信息理論研究：對光纖二次回路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、可靠性、容錯性、信息表達(dá)、信息流控制及信息協(xié)調(diào)、分解理論等進(jìn)行系統(tǒng)研究，解決信息合并、光電接口、信息共享、信息分配、信息同步等關(guān)鍵技術(shù)問題。（2)光纖數(shù)字式互感器的應(yīng)用研究：以變電站數(shù)字式二次回路為基礎(chǔ)，提升傳統(tǒng)的母差保護(hù)、變壓器縱差保護(hù)的性能，并研究變壓器故障診斷與保護(hù)一體化的新原理。,五、結(jié)論（1）,1、西電東送、全國聯(lián)網(wǎng)和電力市場化運(yùn)營的電網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，對我國的繼電保護(hù)和緊急控制提出了新的挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)必須立足于國內(nèi)的科學(xué)研究和技術(shù)進(jìn)步來解決。2、保護(hù)與緊急控制的研究重點(diǎn)應(yīng)放在提高元件保護(hù)動作速度、動作可靠性，研究輸電斷面保護(hù)，發(fā)展新的穩(wěn)定性預(yù)測和控制原理，構(gòu)建保護(hù)與緊急控制一體化系統(tǒng)，自適應(yīng)的解列控制等重大問題。3、這些科學(xué)技術(shù)問題的解決，需要全國高校、研究院所、制造廠家、運(yùn)行部門的通力合作，共同重視和努力。4、我國在繼電保護(hù)和緊急控制領(lǐng)域具有良好的技術(shù)基礎(chǔ)，解決面臨的新問題、取得原創(chuàng)性的成果是可能的。,謝謝大家！,