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1、继电保护和安全自动装置面临的问题与继电保护和安全自动装置面临的问题与需要开展的研究需要开展的研究张张 保保 会会西安交通大学西安交通大学 2007/08/18目录目录1.1.继电保护与安全自动装置面临的问题继电保护与安全自动装置面临的问题2.2.国内外研究现状国内外研究现状3.3.研究的学术思路研究的学术思路4.4.建议研究的问题建议研究的问题5.5.结论结论一、一、继电保护与安全自动装置面临的问题继电保护与安全自动装置面临的问题（1） 1、保证全国性互联电网的运行安全性是电力发展的头等大事 我国电网今后发展的总方针：“西电东送、南北互供、全国联网”。西南部省份向东部地区输送电力将达到2000
2、万千瓦，交直流输电线路超过20回，输电距离上千公里。西北部省份将采用750kV和330kV电磁环网东送电力。如何避免故障时的连锁反应，保证远距离和大功率的输电断面的运行安全性是电力发展迫切需要解决的现实问题。 全国联网初期的交流弱联运行方式，使得两侧电网内部的某些重要输电断面稳定水平下降，如何保证较大干扰时运行的稳定性是电网运行的当务之急。 一、一、继电保护与安全自动装置面临的问题继电保护与安全自动装置面临的问题（2 2）2、高高效效、可可靠靠的的继继电电保保护护和和紧紧急急控控制制系系统统是是保保障障西西电电东东送送和和全全国联网安全运行的关键技术国联网安全运行的关键技术 鉴于电力系统运行方
3、式的多变性、电网功率的实时平衡特性，和故障发生的不可完全避免和随机性，高性能的继电保护是保障电网安全运行的第一道屏障。任意坚强的网络都必须快速、可靠地切除故障元件，任意坚强的网络在一系列的元件被切除后都有可能变为薄弱网络。保证故障元件被继电保护切除后剩余网络的安全性，高速有效的安全稳定紧急控制系统是安全运行的第二道屏障。有有效效、可可靠靠的的继继电电保保护护和和安安全全稳定紧急控制系统是保证电网运行安全性的重要物质条件。稳定紧急控制系统是保证电网运行安全性的重要物质条件。 一、一、继电保护与安全自动装置面临的问题继电保护与安全自动装置面临的问题（3 3） 3 3、西电东送、全国联网给继电保护和
4、紧急控制提出了新的挑战、西电东送、全国联网给继电保护和紧急控制提出了新的挑战v现有的继电保护能否满足更高一级电压（750kV）网络对动作速度、暂态性能的要求。v大功率电力电子设备突然故障，其暂态过程对交流线路保护有何影响、如何克服？交流线路的故障与切除对直流系统、柔性输电系统的保护与控制有何影响、如何克服？v现有的电力元件主保护相互独立，故障元件被突然切除后是否会产生连锁的元件运行不正常而被保护依次跳开，会否形成类似美、加的大停电事故？v为了防止西电东送输电断面的运行安全性，如何构建元件保护与紧急控制一体化系统？v全国联网初期的交流弱联方式，如何充分发挥互联效益又能保证系统的运行稳定性？v万一
5、互联系统稳定性被破坏，如何将系统解列才能缩小停电范围和停电时间？一、一、继电保护与安全自动装置面临的问题继电保护与安全自动装置面临的问题（4 4）4、现有的理论和技术难于解决上述理论和技术、现有的理论和技术难于解决上述理论和技术问题问题v现有的保护反应工频电气量，动作速度难于再提高。高频和衰减直流分量对正确动作有害，但短窗、高效、快速的滤波方法尚未突破。v保护以电力元件为对象，以切除故障元件为己任，整个电网主保护系统并不协同动作，可能会出现因为保护正确动作而造成系统的瓦解，缺乏输电断面或网络的保护。v稳定性预测与紧急控制尚无不依赖系统模型和网络参数的理论方法，而系统的模型和参数又是不准确的，缺
6、乏适应性强、预测速度快、控制高效、可靠的紧急控制系统。v互联系统的解列（点）面是固定设置的，不能适应失稳模式的变化，缩小停电范围，避免事故扩大。一、一、继电保护与安全自动装置面临的问题继电保护与安全自动装置面临的问题（5 5）5、我国保护与紧急控制的研究、运行基础好，取得突破性进展是可能的v继电保护的运行统计（2002年）表明，国产保护与进口保护相比，在动作速度和可靠性方面（动作时间1030ms，正确率99.86）具有国际先进水平。v利用自适应重合闸（永久与瞬时故障判别、最佳重合时间、分相重合、自适应重合等）提高输电系统稳定性，我国具有领先水平。v区域系统的暂态稳定性预测和紧急控制，我国极为重
7、视，从上世纪80年代就开始研究和应用，尚未出现美、加那样的大停电。v对联络线两侧系统失步的检测和解列，国内已研究了多种原理和装置在现场应用。继电保护和紧急控制领域的研究我国具有优势基础，结合“西电东送、全国联网”开展基础研究，取得原创性的成果，是可能的。二、国内外研究现状二、国内外研究现状(1)(1)美国、加拿大： 网架比我国强壮，继电保护的动作速度、可靠性、实现技术与我国相当；某些原理（故障分量、躲振荡、非全相运行又故障、重合闸等）不如我国先进。 在安全稳定紧急控制系统的研究与建设方面，重视程度不够、研究水平较差，曾发生震惊全球的如65年、9697年、2003年8月14日等多次全国性大停电，
8、给全世界电力系统提供沉痛教训。二、国内外研究现状二、国内外研究现状(2)(2)欧州： 网架坚强、输电距离短；保护的制造、运行水平与我国相当，动作速度、原理研究比我国稍差。紧急控制系统的研究与应用几乎空白。日本： 输电距离短、网架比我国坚强；重视安全稳定性紧急控制系统的研究与建设，借助于发达的通信系统，构建“离线策略表”、“在线策略表”的实时控制系统。但是仍不能解决控制决策依赖于系统的模型与参数，因模型与参数的误差造成的不准确问题。二、国内外研究现状二、国内外研究现状(3)(3)前苏联： 网架和输电距离与我国类似；保护的原理研究水平与我国相当，但在数字式保护的算法、实现技术、扩展与紧急控制系统的
9、联系方面，不如我国。重视反事故装置的研究，大量采用分散式的安全自动装置，区域型紧急控制系统不多。我国： 750kV保护、含有大功率电力电子设备的混联输电断面的保护、电磁环网输电的保护和紧急控制技术、弱联网的稳定性预测与紧急控制、自动识别失步断面的系统解列、电力市场环境下保护配置方式等都是有待研究的重大理论和技术问题，没有经验可以照搬。三、研究的学术思路（三、研究的学术思路（1 1）1、电电网网运运行行安安全全性性需需要要规规划划、运运行行、保保护护与与紧紧急急控控制制三三个个阶阶段段的的协同工作、协同工作、共同保障共同保障。2 2、对于运行中的互联电力系统：、对于运行中的互联电力系统：v 局部
10、系统内部元件的故障或扰动，由切除故障元件和在局部系统中采取措施来消除，不使它的影响扩散到局部系统外；v区域系统之间输电断面上联络线的故障，首先切除故障元件并尽量保持输电断面的完整性；v影响多个互联区域安全性的扰动在多个区域采取措施，共同来消除扰动产生的影响；v互联系统失稳后，应按功率尽可能平衡的原则解列，避免大面积停电事故。三、研究的学术思路（三、研究的学术思路（2 2）3 3、基于上述学术思想，该项目的研究思路为、基于上述学术思想，该项目的研究思路为：v研究交、直流混联输电系统和750kV输电系统在电力元件保护方面产生的新问题，并采用元件保护的新原理加以解决；v研究西电大功率东送在输电断面上
11、可能出现的问题，构建网络保护和紧急控制一体化的保障体系来解决；v研究全国联网初期的交流弱联可能产生的稳定水平下降问题，采取实时的稳定性预测与紧急控制系统阻止稳定的破坏；v采取自适应的解列手段防止事故的扩大；v研究电力市场化运营后保护和紧急控制的代价、赢得的效益及其分担，以及适应市场化体制的保护与紧急控制的配置原则，提高市场各参与方维护电力系统安全性的积极性。四、四、建议研究的问题（建议研究的问题（1 1）1 1、高性能新型继电保护原理研究、高性能新型继电保护原理研究（1 1）适应嵌入电力电子设备的输电系统容错式保护研究：分析超高压、交流直流混合系统的故障暂态过程特征，研究采用短窗、抗强谐波、滤
12、除长暂态的动态容错数字算法，采用硬件容错、原理容错、信息容错技术提高数字保护的性能。（2）750kV输电系统新型保护的研究：研究基于波形系数小波技术和小矢量算法等的自适应方法，加快保护动作速度，提高保护的整体性能。（3）反应故障暂态分量的保护新原理研究：不是滤除而是利用故障暂态分量，区分元件内、外部故障；利用单端暂态量实现线路保护全线速动等。四、四、建议研究的问题（建议研究的问题（2 2）2、不不依依赖赖于于系系统统模模型型与与参参数数的的互互联联电电网网暂暂态态稳稳定定紧紧急急控制理论与技术研究控制理论与技术研究（1)1)基于同步相量测量的发电机摇摆轨迹的预测理论及方法：利用稳态和暂态下测得
13、的功角、角速度和功率等，研究对各机组动态轨迹进行准确、快速的超长时预测算法。（2)全网稳定性实时预测理论与算法研究：研究故障中、故障后机组实测不平衡功率、功角相对角度中心之间的变化轨迹，及轨迹的变化特征与不稳定边界、控制量的关系，获得暂态不稳定的快速预测判据与实时控制的算法。（3)全网稳定性实时控制系统的实现技术研究：利用关键厂站和输电断面的同步相量测量设备、预测算法和超实时的不稳定边界判据，解决互联电力系统实时控制系统的技术。四、四、建议研究的问题（建议研究的问题（3 3）3 3、 广域信息条件下的安全自动装置研究广域信息条件下的安全自动装置研究（1)线路保护与重合闸最佳配合的理论与方法：研
14、究可靠的瞬时与永久故障的区分方法，最佳重合时间的捕捉技术，分相在故障不严重侧重合等保护与重合闸的配合等问题。（2) “输电断面”保护系统的研究：利用输电断面的广域运行信息，预测单元件故障被切除后断面其它元件的运行状态，动态改变保护定值，如短时允许过负荷、直流功率的短时增加等，以避免非故障元件被连锁切除。（3)基于多Agent的网络保护与紧急控制一体化的研究：研究基于多Agent代理机制的分层分布式控制网络技术，预测“输电断面”保护方式仍不能维持互联系统的稳定时，快速计算控制对策并执行。四、四、建议研究的问题（建议研究的问题（4 4）4 4、自适应最小潮流断面的互联系统解列理论、自适应最小潮流断
15、面的互联系统解列理论与方法研究与方法研究（1)1)快速识别失步机组模式的理论：研究电力系统运动方程的流型变换理论，根据平衡点处变换矩阵和特征向量的性质，直接计算机组摇摆轨迹，快速获得系统的失步模式。（2）振荡中心的自动捕捉与解列面的自适应确定：研究系统的失步模式与失步断面中实测电气量间的关系，及由实测量确定失步及振荡断面；选择潮流较小失步断面的断路器跳闸。四、四、建议研究的问题（建议研究的问题（5 5）5 5、电力市场环境下保护及紧急控制配置与配合的、电力市场环境下保护及紧急控制配置与配合的原则的研究原则的研究（1)市场条件下互联系统后备保护的配置原则与经济责任的承担：研究现有后备保护动作造成
16、非故障元件被切除，进而使非故障元件所属公司产生损失的经济当量，提出科学可行的承担方式，并研究各公司更乐意采用的后备保护配置方式。 （2)紧急控制的成本、效益及其承担：研究其造成的局部损失和换取的全局效益的经济当量，提出赢得的效益和造成损失的科学分摊方式，合理、积极的推动紧急控制系统应用。 四、四、建议研究的问题（建议研究的问题（6 6）6 6、二次回路光纤数字化及其应用研究、二次回路光纤数字化及其应用研究（1)基于光纤数字互感器的变电站二次回路的信息理论研究：对光纤二次回路网络结构、可靠性、容错性、信息表达、信息流控制及信息协调、分解理论等进行系统研究，解决信息合并、光电接口、信息共享、信息分
17、配、信息同步等关键技术问题。（2) 光纤数字式互感器的应用研究：以变电站数字式二次回路为基础，提升传统的母差保护、变压器纵差保护的性能，并研究变压器故障诊断与保护一体化的新原理。 五、结论（五、结论（1 1）1 1、西电东送、全国联网和电力市场化运营的电网发展战、西电东送、全国联网和电力市场化运营的电网发展战略的实施，对我国的继电保护和紧急控制提出了新的略的实施，对我国的继电保护和紧急控制提出了新的挑战，这些挑战必须立足于国内的科学研究和技术进挑战，这些挑战必须立足于国内的科学研究和技术进步来解决。步来解决。2 2、保护与紧急控制的研究重点应放在提高元件保护动作、保护与紧急控制的研究重点应放在
18、提高元件保护动作速度、动作可靠性，研究输电断面保护，发展新的稳速度、动作可靠性，研究输电断面保护，发展新的稳定性预测和控制原理，构建保护与紧急控制一体化系定性预测和控制原理，构建保护与紧急控制一体化系统，自适应的解列控制等重大问题。统，自适应的解列控制等重大问题。3 3、这些科学技术问题的解决，需要全国高校、研究院所、这些科学技术问题的解决，需要全国高校、研究院所、制造厂家、运行部门的通力合作，共同重视和努力。制造厂家、运行部门的通力合作，共同重视和努力。4 4、我国在继电保护和紧急控制领域具有良好的技术基础，、我国在继电保护和紧急控制领域具有良好的技术基础，解决面临的新问题、取得原创性的成果是可能的。解决面临的新问题、取得原创性的成果是可能的。谢谢大家！谢谢大家！
