电力系统广域保护综述与展望Word下载.docx
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这对继电保护提出了新的要求。
通信技术与测量技术的发展使得基于广域测量的广域保护技术得到迅速发展。
文中对广域保护概念与目前主要几种广域保护的原理及其应用进行了较全面的回顾与综述。
并且对于其发展前景做出展望。
关键词:
电力系统,广域保护,继电保护
0引言
常规继电保护用于在电力系统发生故障后实现对故障元件的自动和快速切除,以隔离故障、保证人身和设备安全以及无故障部分的正常运行。
当故障发生及切除后,往往会对系统产生大的扰动,严重时还会使系统遭受因过载、过/低频,过/低压,系统负荷调整,功率振荡等引起的系统解列,甚至整个系统的崩溃[1]。
在我国的电力系统中,故障切除后的稳定与控制功能通常是由安全自动装置来实现的,传统的安全自动装置一般属于事故后控制,如低频卸载。
在某些特殊情况下,如果系统恶化的速度很快,可能在自动装置采取措施之前系统就已经发展成为严重的崩溃事故。
此外,在传统的保护和自动装置中,所采用的动作判据通常是基于本地测量数据的,无法很好地把握全局动态特性和实现各级安全装置之间的协调与配合,以保证系统全局的安全稳定运行,防止事故的进一步扩大。
随着电力需求的不断增长、电力市场的改革与发展以及电力系统规模的不断扩大,电力系统日渐接近其极限运行,其运行和控制更为复杂,发生扰动和故障的可能性更大,后果也更加严重[4]。
这对电力系统安全运行带来了更大的挑战,传统的继电保护方法已经不能为之提供可靠有效的保护。
因为资金和环境的约束以及竞争的压力,输电系统扩展越来越困难。
为此要求更充分地利用现有电力网络资源,这对稳定控制提出了更高的要求。
随着测量技术和计算机及通信技术的快速发展,为建立更完善的保护控制系统提供了有利条件。
基于广域测量的广域保护就是在这种背景下应运而生的。
本文接下来将对广域的概念,以及几种目前主要应用的广域保护的原理做出综述,并且根据目前的发展形式和需求状况对未来广域保护的发展做出展望。
1广域保护的概念
1.1广域保护的定义
图1广义保护的定义
广域保护WAP(WideAreaProtection)的概念最早由瑞典学者BertilIngelsson等学者提出,但到目前为止,对广域保护系统还没有一个公认的定义,各种文献给出了不同的定义。
从总体上讲,对广域保护系统的定义可以归结为两类:
一类仅涉及故障或扰动后的系统保护,即稳定控制;
另一类则包含了稳定控制和常规保护。
但不同定义有一个共同点,即都是以广域信息收集为基础的。
目前官方对广域保护的定义大都属于第一类由图1表示。
1.2广域保护与现有继电保护的区别
传统的继电保护主要集中于元件保护,以发电机、线路、母线、变压器和电动机等为保护对象,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故障隔离,各电力设备的主保护相互独立,不顾及故障元件被切除后,剩余电力系统中的潮流转移引起的后果。
而广域保护利用广域测量系统的相量测量信息,实现对故障进行快速、可靠和精确的切除,同时能对切除故障后或经受大扰动的系统进行在线实时安全分析,必要时采用适当的措施防止系统发生大范围或全系统停电。
目前提出的广域保护系统可以分为两类:
一类是利用广域信息,主要具有安全监视、控制、稳定边界计算及状态估计等功能,其侧重点在广域信息的利用和安全功能的实现;
另一类则是利用广域信息,完成继电保护功能[2]。
2广域测量技术
相量是电路分析的基本工具,即使电力系统处于某些非稳定状态,如功率摇摆(powerswing)状态,由于电压和电流值的变化比较缓慢,因此仍可将这些变化看作一系列稳定状态,这样仍可用相量来描述系统的行为。
系统范围内的广域同步相量测量由于具有描述系统动态行为的能力,因而在电力系统中得到了越来越广泛的应用。
如状态估计、自适应保护、在线不稳定预测、故障录波、扰动录波、输电和发电系统计算模型验证等。
这为电力系统规划、控制和保护以及运行与维护的进一步发展提供了很好的基础。
PMU是完成同步相量测量的基本设备,可以安装在电力系统中选定的不同地点,精确地同步实时测量系统的电压和电流值,然后将这些信息发送到一个中心点集中进行比较、评估及其它处理。
PMU利用接收到的同步信号通过对测量数据加时标的方式来实现测量同步,其结构图如图2所示。
在同步信号源方面,多推荐使用全球定位卫星系统(GPS)。
该系统为美国国防局无线电导航系统,具有高可用性、冗余性、可靠性和准确性等特点,其连续时间精度可达毫秒级,因此特别适合同步相量测量系统。
此外,还有其它一些精确的可选同步信号源,俄罗斯的GLONASS系统和欧洲的Galileo系统。
图2向量测量单元
PMU设备以及在它们之间建立通信连接的费用是比较昂贵的。
考虑到现代电力网络本身是一个很庞大的系统,在系统中的所有变电站都装设PMU设备成本太高,而且一般也没有必要。
因此,需要研究最优的PMU配置方案OPP,寻求一个既能满足监测系统的可观测性要求,同时数量最少的PMU配置方案。
国内外对这个问题已经开展了广泛的研究,许多文献研究了PMU在状态估计中的应用。
在建立三层结构的广域保护系统时,一般都是先实现广域监视,此WAMS得到广泛应用。
WAMS一般以PMU为基础,WAMS应用中,分布在整个系统中的大量PMU设备都连接到一台被称为数据集中器(dataconcentrator)的个人计算机上,而可在线获取整个系统的动态行为。
这为评估和维持系统稳定,止发生电压、功角或频率不稳定、过载和振荡等提供了一个平台。
通过在数据集中器上增加控制和保护功能,提供与上层系统进行通信的Hub接口,该数据集中器就可以转化成为一个本地保护中心(LPC)。
目前国内已有自主研制的WAMS系统并已投入实际运行,如由四方公司与清华大学合作开发的我国第一套真正意义上的WAMS系统——CSS-200电网动态安全监测系统,2003年起已相继在三峡送出、华中华北联网、华北电网、东北电网和江苏电网等地投运。
3主要应用的广域保护
3.1分散式广域保护系统
分散式WAPS是指把数据分析和决策过程放在分散于电力系统各处的系统保护终端SPT(SystemProtectionTerminal)上执行的WAPS[5]。
SPT放置在不同变电站中,通过环型通信网络相连。
SPT从CT、VT或PMU获得本地测量数据,并通过网络获得其他SPT数据库的数据,在丰富信息的基础上,通过相对简单的算法和判据,可以实现多功能、可靠、灵敏的系统保护,如广域电压稳定控制、自动负荷控制、自动汽轮机投入、变压器抽头调节闭锁等。
分散式WAPS的SPT结构及其信息交互情况如图3所示。
由于通信系统失效的可能性不能排除,所以SPT和通信系统应该保持相对独立,SPT应能检测到通信系统的故障,而且即使通信系统部分或全部失效,保护终端依旧可以通过本地数据和本地准则执行保护措施。
在分散式结构中,即使一个保护终端失效,邻近终端也可以作为此终端的后备。
该结构可以较好地克服集中控制方式中对控制中心设备要求过高的问题,但是SPT获得的信息有限,而且数据分析能力和决策能力有限,不能做到全局最优的控制。
图3分散式WAPS的SPT结构及其通信接口
3.2集中式WAPS
集中式WAPS从整个电力系统采集数据,在控制中心集中进行数据分析和控制决策,然后把控制命令发给各个SPT以实施控制。
由于是从整个系统的角度来分析和决策,因此可以做到全局最优控制,更能体现广域保护的优势。
在通信系统和分析决策系统的能力能够达到要求的前提下,集中式结构是优于分散式结构的,因此集中式WAPS是未来WAPS的发展方向。
从结构上来看,集中式WAPS应该包含以下几个子系统如图4所示。
3.2.1数据采集系统
数据采集系统负责WAPS所需数据的收集,可能包含电流、电压幅值及相位,频率,开关位置,发电机投切状态,继电器信号等。
相量测量单元PMU的引入和大量应用为WAPS的实施创造了条件。
PMU可以实时采样电流、电压的幅值和正序功角,更新速率至少1/30s(额定频率为60Hz的电网)或1/25s(额定频率为50Hz的电网),而且带有GPS对时功能,可以保证不同地点采样数据的同步性。
但由于PMU成本较高,目前不可能在电力系统的所有节点装备PMU,而实际上也不需要在所有节点安装PMU,关于PMU安装点的选择,有文献提出了多种方法。
3.2.2在线数据分析和决策系统
在线数据分析和决策系统:
在收集到大量数据之后,必须经过处理才能得到需要的系统参数,例如系统的潮流分布等。
数据分析的难点在于从大量的数据中滤掉不正常数据,并正确估计出电力系统的状态,从而判定系统是否处于不安全的状态。
然后从电力系统状态及不安全状态的诱导因素迅速识别出广域扰动的种类,并根据扰动激烈程度和现象持续时间把扰动分成不同等级,以选择相应的保护和控制措施,并且确定其中调节性措施的控制量大小。
多重控制措施可能会被同时选择,这就需要预测后果并协调各种措施,以避免控制效果相互抵消。
在控制命令发出之后,还需要根据实时采集数据不断估计系统状态,以调整控制措施。
图4集中式WAPS的构成
3.2.3执行系统
执行系统是控制措施的实施者,由分散于电力系统各处的多个SPT以及相应的电力系统执行元件组成。
不同于分散式WAPS的SPT,此SPT不需要有数据处理和决策功能,也不需要和其它SPT通信,只需接收从控制中心发来的命令,执行相应控制[7]。
SPT及其执行元件的控制速度和精度将直接影响控制措施的效果,因此是衡量执行系统性能的重要指标。
3.2.4通信系统
通信系统,需要实现采集数据的上传和控制命令或SPT整定值的下传。
由于SPT没有决策能力,因此集中式WAPS对通信系统的依赖程度很高,通信系统的可靠性和实时性对整个WAPS的功能实现与否至关重要。
3.3三层式WAPS
图
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