基于故障关联信息继电保护系统

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1、基于故障关联信息的继电保护系统基于故障关联信息的继电保护系统 华北电力大学华北电力大学 王增平王增平 2017.42017.4 继电保护面临的问题与挑战 一 二 广域保护的功能和构成模式 三 提提 纲纲 几个研究的问题 四 结论 背景1 我国电源结构正在发生显著的变化 2016年，并网风机容量达到1.49亿千瓦，占全部发电装机容量的9%。光伏并网量也突破77GW，较2015年增长81.6%之多。 一、继电保护面临的问题与挑战 非化石能源装机14亿千瓦，占50% 可再生能源装机12.9亿千瓦，占 46% 然而全国2015年弃风量：339亿千瓦，弃风率达到15%，2016年上半年西北五省弃风率38

2、.9%，弃光率19.7%。 背景2 超特高压跨区输电能力增强 截止2015年，国家电网公司交直流联网跨区输电能力超过5850万千万，而南方电网的“八交八直”最大输电能力也达到3650万千万。 一、继电保护面临的问题与挑战 2016年 2018年 2020年 形成两个特高压同步电网，建成19回特高压直流。 六交五直 七交八直 国家电网公司电网规模 背景3 电网的形态和特性正在发生变化 AC DCDC ACAC DCDC ACDC ACDC DCDC DC大规模风电大规模风电大规模光伏大规模光伏火火/水水/核核电电交交/直流输电网络直流输电网络负荷负荷直流交流并联型FACTS串联型FACTS可再生

3、能源的大规模接 入 交直流混联电网的形成 电力电子设设备的大量 应用 电网形态的变化给继保保护带来了许多的问题与挑战 一、继电保护面临的问题与挑战 挑战1 换流器型电源与传统同步发电机的故障特性有较大差异 短路电流幅值短路电流幅值 变化波动性较变化波动性较 小，其小，其最大值最大值 不超过额定电不超过额定电 流的流的3倍倍。 短路电流瞬时值短路电流瞬时值 双双 馈馈 风风 机机 光光 伏伏 电电 站站 短路电流幅值短路电流幅值 变化幅度较大变化幅度较大， 其其最大值最大值不不会会 超过超过3倍倍额定额定 电流电流。 直直 流流 系系 统统 交流侧故障特交流侧故障特 性具有性具有复杂性复杂性 和

4、随机性和随机性，难，难 以进行准确和以进行准确和 普适的解析分普适的解析分 析。析。 换流器型电源的故障特 性和传统同步发电机有 很大不同，短路电流和 正常负荷电流的差别在 减小，但变化范围在增 大、谐波含量在增大， 这使得传统保护的构成 原理受到了挑战。 一、继电保护面临的问题与挑战 挑战2 定值配合式保护的应用遇到了更大困难 逆变站复故障复故障交流故障换相失败DFIGDFIG定 值 配 合 式 保 护 保护的动作时间长、受系统振荡和过负荷影响 保护选择性和灵敏性之间的矛盾更加不可调和 不能再简单沿用欧姆定律、基尔霍夫定律进行定 值整定 换流器型电源故障特性 新能源故障特性 一、继电保护面临

5、的问题与挑战 挑战3 继电保护的系统构成发生了变化 智能变电站继电保护系统的构成模式发生了重大变革 一、继电保护面临的问题与挑战 保护 装置测控 装置其它 IED工作站1GPS工作站2远动站电磁式互感器保护 装置测控 装置其它 IED工作站1GPS工作站2远动站电磁式互感器智能终端MU过程层网络电缆光纤过程层间隔层站控层MMSIEC 61850IEC 60870- 5-103传统变电站 智能变电站 挑战4 继电保护与控制的集成度增高 随着电力系统的发展随着电力系统的发展，电网中电力电子设备的应用越来越广泛电网中电力电子设备的应用越来越广泛，应对应对故障的手段不再仅依赖于继电保护故障的手段不再仅

6、依赖于继电保护，更多的更多的依靠控制与保护的配合依靠控制与保护的配合实实现对故障的阻断现对故障的阻断。 HVDC 一、继电保护面临的问题与挑战 FACTS 风电 挑战5 单一故障引发系统性事故的风险升高 2015年年9月月19日日，锦苏锦苏直流直流双双极极闭锁闭锁， 华东电网频率跌至华东电网频率跌至49.56Hz，越限时间长达越限时间长达221秒秒。华东电网频率华东电网频率近十年来首近十年来首次跌破次跌破49.8Hz。 西北电网 东北 电网 西藏 南方电网 海南 台 湾 2011年年，酒泉风电基地接连发酒泉风电基地接连发生生4次大规模风电机组脱网事次大规模风电机组脱网事故故，其中其中“2.24

7、”事故损失出力事故损失出力481.7MW。 系统安全面临更大挑战 近近3年年，华东地区华东地区5条馈入直流系统换条馈入直流系统换相失败相失败126次次。 华 东 地 区一、继电保护面临的问题与挑战 继电保护面临的问题与挑战 一 二 广域保护的功能和构成模式 三 提提 纲纲 几个研究的问题 四 结论 （一）广域保护的提出与发展 1997 年 ， 广 域 保 护 (Wide Area Protection)的概念由瑞典学者Bertil Ingelsson首次提出，指通过广域测量系统（WAMS）实现电压稳定控制功能。研究初期，广域保护系统的都是将广域信息应用到稳定控制领域。 21世纪初，才有学者将广

8、域信息应用到继电保护中，定位并消除故障，防止电力系统的连锁跳闸，避免电力系统大停电。之后利用广域信息改进和提升保护性能成为广域保护主要研究方向。 防止发生潮流转移 时，后备保护因线 路过负荷发生误动 ，引发电网连锁跳 闸事故。 改善现有保护性能， 简化后备保护的整定 计算，解决保护失配 等保护面临的难题。 主要解决问题： PMUPMU保护保护PMUPMU保护保护继电保护功能 （二）广域保护的定位 主保护 后备保护 保护原理 差动原理 定值配合式 原理简单、动作快速、不 受振荡、过负荷影响，但 无法对相邻元件起到远后 备保护功能。 随着系统发展，保护四性 之间矛盾不可调和，整定 困难，保护失配，

9、传统后 备保护已经无法满足电力 系统的安全稳定需求。 广域保护通过获取故障关联信息，解决定值配合式保护“四性 ”之间的矛盾，从而提升保护性能。独立分散的主保护不纳入 广域保护系统。 广域保护 2014年宁夏年宁夏330kV清安线近清水河侧发生单相接地故障清安线近清水河侧发生单相接地故障，由于由于线路保护相关压板未投入线路保护相关压板未投入，本地主保护和近后备保护均拒动本地主保护和近后备保护均拒动，而相邻站的距离保护由于实际分支系数远远大于整定值造成而相邻站的距离保护由于实际分支系数远远大于整定值造成灵灵敏度不足敏度不足，相关线路距离保护均未动作相关线路距离保护均未动作。所幸零序保护经较长所幸零

10、序保护经较长时间时间（约约4s）切除故障切除故障。 清水河清水河宁安宁安其余出线其余出线保护正确保护正确 动作动作保护拒动保护拒动距离保护均未动作距离保护均未动作； 经较长延时后零序电流经较长延时后零序电流 III段保护动作段保护动作。单相接地单相接地事故案例： 从继电保护的功能来看从继电保护的功能来看，要求要求对本地和相邻元件起到保护作对本地和相邻元件起到保护作用用，保护功能是保护功能是“有限域有限域”，交互信息交互信息至远后备功能所需信至远后备功能所需信息即可息即可。 电气量电气量 无需同步无需同步 对通信系统要对通信系统要 求较低，可靠求较低，可靠 性高性高 同步采集同步采集 对通信系统

11、要求对通信系统要求 高，利于保护新高，利于保护新 原理的应用原理的应用 广 域 通 信 （三）广域保护的构成模式 与现有保与现有保 护关系护关系 通信系统通信系统 工程实施工程实施 保护保护“四性四性” 要求要求 逻辑量逻辑量 目前主要的广域保护系统结构可分为广域集中式、有限广域 集中式和保护装置完全分布式三类。 广域保护构成模式 提出以变电站为基本单元的分布式广 域保护构成模式。站域主站完成站域 保护功能，同时作为广域子站分布式 实现广域保护功能。同时，也可通过 广域子站汇集区域信息实现保护关联 控制功能。 站域保护构成模式 广域保护构成模式 （三）广域保护的构成模式 站域保护构成模式 站域

12、信息集中： 与现有保护系统相适 应，工程改造应用难 度低； 基于电气量和逻辑量 的冗余，快速可靠隔 离故障，具有一定容 错能力。 （三）广域保护的构成模式 广域保护构成模式 分布式广域保护： 仅站间交互信息，适 用于不同网架结构， 易于扩建，具有较好 的普适性； 可通过保护逻辑量实 现广域保护功能，对 通信系统要求低，可 靠性高。 （三）广域保护的构成模式 继电保护面临的问题与挑战 一 二 广域保护的功能和构成模式 三 提提 纲纲 几个研究的问题 四 结论 （一）基亍风险评估的配电网保护与自愈控制系统 近年来近年来，各种各种自然灾害多发自然灾害多发 频发频发，给社会带来了巨大的损给社会带来了巨

13、大的损 失失。面对配电系统多发的自然面对配电系统多发的自然 灾害灾害，研究各种灾害对配电网研究各种灾害对配电网 的影响的影响、感知方法及风险评估感知方法及风险评估 ，建立不同类型用户在灾害影建立不同类型用户在灾害影 响下的停电损失模型响下的停电损失模型，进而指进而指 导配电网规划和制定科学有效导配电网规划和制定科学有效 的供电恢复方案的供电恢复方案，提升配电网提升配电网 应对灾害能力应对灾害能力，是一项亟需解是一项亟需解 决的问题决的问题。 雪 灾 风 灾 洪灾 雷 害 地震 21 基础数据源：SCADA，DMS，GIS 智能配电网立体防御体系 单相接地保护技 术模块 故障定位 保护原理 全线

14、快速短路 保护模块 保护原理 故障定位 自愈控制模块 风险评估模块 故障恢复 技术 综合考虑 集中式和 分布式电源 基于在线实时 评估技术 22 智能配电网时空防御示意图 故障发生故障发生 故障前故障前 故障后故障后 GISGIS空间空间 数据数据 配电网实配电网实 时运行信时运行信 息息 设备状态设备状态 信息信息 气象数据气象数据 风险评 估模块 继电保护继电保护 模块模块 故障恢 复模块 （二）交直流混联电网的保护与协调控制 在交直流混联电网中，交流故障在交直流混联电网中，交流故障 引发多回直流系统同时换相失败引发多回直流系统同时换相失败 的概率增大，应重点研究的概率增大，应重点研究直流

15、控直流控 制系统与交流侧保护制系统与交流侧保护的配合关系，的配合关系， 如重合闸、失灵保护、后备保护，如重合闸、失灵保护、后备保护， 实现对故障的快速准确切除。实现对故障的快速准确切除。 在交直流混联系统中控制与保护在交直流混联系统中控制与保护 的的集成较高集成较高，多，多回直流同时换相回直流同时换相 失败所引发的失败所引发的系统性事故更为严系统性事故更为严 重重，应提出，应提出保护功能与控制功能保护功能与控制功能 相协同的连锁故障抑制措施。相协同的连锁故障抑制措施。 . . . . .HVDCHVDCHVDCAC systemd1Pd2PdnP多馈入直流输电系统 （三）“三道防线”的融合与协

16、调 广域保护系统中，各子站能够将广域保护系统中，各子站能够将 故障发生前、故障持续过程中以故障发生前、故障持续过程中以 及故障切除后的及故障切除后的电气量信息、保电气量信息、保 护动作逻辑量信号、护动作逻辑量信号、以及以及故障位故障位 置、故障类型、保护动作时间、置、故障类型、保护动作时间、 重合闸时间重合闸时间等信息快速汇总到位等信息快速汇总到位 于系统层的于系统层的故障信息系统故障信息系统。 如果能在故障信息系统和安全控如果能在故障信息系统和安全控 制系统间制系统间建立起实时、有效的通建立起实时、有效的通 信，信，安全控制系统就能够对非正安全控制系统就能够对非正 常运行状态下的系统进行常运行状态下的系统进行精确、精确、 有效地控制有效地控制，减小系统负荷损失，减小系统负荷损失， 保证系统安全经济运行。保证系统安全经济运行。 保护系统所能够提供的信息 1、 变电站变