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1、广域保护研究现状广域保护研究现状徐徐 岩岩 继电保护与安全控制技术研究所继电保护与安全控制技术研究所华北电力大学电气工程学院华北电力大学电气工程学院（博士，副教授）（博士，副教授）主要内容广域保护背景、意义广域保护背景、意义1 1广域保护系统概念、结构广域保护系统概念、结构2 2广域后备保护算法及实例广域后备保护算法及实例3 3主要内容广域保护系统概念、结构广域保护系统概念、结构2 2广域后备保护算法及实例广域后备保护算法及实例3 3广域保护背景、意义广域保护背景、意义研究背景我国的电力工业以及电网建设在过去的几十年中成就显著。到我国的电力工业以及电网建设在过去的几十年中成就显著。到20102
2、010年底，年底，全国电力装机总容量已经突破全国电力装机总容量已经突破9 9亿千瓦，在过去的亿千瓦，在过去的3131年中装机容量共累计增年中装机容量共累计增长了长了1414倍，并连续倍，并连续1414年处于世界第二位年处于世界第二位11。188912134328344364304192320042006200920102003247472007342683153020052008全社会用电量（亿千瓦时）（亿千瓦时）华北电网华北电网华北电网华北电网华东电网华东电网华东电网华东电网西北电网西北电网西北电网西北电网华中电网华中电网华中电网华中电网东北电网东北电网东北电网东北电网南方电网西电东送南北互
3、供全国联网电力发展格局正在逐步实现，我国正在形成一个弱联系的电力发展格局正在逐步实现，我国正在形成一个弱联系的全国互联大电网。全国互联大电网。伴伴随随着着我我国国电电力力工工业业市市场场化化的的进进程程，各各互互联联电电网网之之间间的的功功率率交交换换越越来来越越频频繁繁，输输电电线线路路也也日日趋趋工工作作于于稳稳定定极极限限的的边边缘缘。电电网网结结构构上上的的复复杂杂性性和和运运行行控控制制的的难难度度之大在世界范围内也是罕见之大在世界范围内也是罕见2-2-7 7 。如如何何保保证证复复杂杂大大电电网网的的安安全全运运行行是是一一项项非非常常具具有有挑挑战性的课题。战性的课题。世界各国发
4、生大停电事故事故名称事故名称发生时间发生时间事故后果事故后果美美 国国 西西 部部 大大停电停电2003.8.12003.8.14 4损损失失负负荷荷61.8GW61.8GW，停停电电8 8州州1 1省省50005000万万人人，停停电电面面积积2400024000平平方公里，最长停电方公里，最长停电2929小时，损失小时，损失300300亿美元。亿美元。意大利意大利2003.9.22003.9.28 8影影响响54005400万万人人口口（全全国国人人口口93%93%），6,400MW6,400MW的的功功率率缺缺额额，最后导致频率崩溃，停电最后导致频率崩溃，停电1919小时，损失小时，损失
5、3 3亿欧元。亿欧元。华华 中中 电电 网网 停停电事故电事故2006.7.12006.7.12626台台发发电电机机组组跳跳闸闸，损损失失出出力力6000MW6000MW；华华中中和和华华北北的的弱弱联联系系单单回回500kV500kV联联络络线线手手动动解解列列；华华中中电电网网的的正正常常频频率率从从50Hz50Hz下下降降到到49.1Hz49.1Hz，负荷损失近，负荷损失近2580MW2580MW。欧欧 洲洲 电电 网网 大大停电停电2006.11.2006.11.4 4法法国国和和德德国国人人口口最最密密集集的的地地区区以以及及比比利利时时、意意大大利利、西西班班牙牙、奥奥地地利利的
6、的部部分分地地区区发发生生停停电电，其其中中包包括括法法国国首首都都巴巴黎黎部部分分地地区区。大大多多数数地地区区在在半半小小时时内内恢恢复复供供电电，最最严严重重的的地地区区停停电电达达1 1个个半半小小时。时。 日本停电日本停电2011.3.12011.3.11 1出出现现严严重重的的电电力力短短缺缺，仅仅东东京京地地区区的的电电力力供供应应缺缺口口就就高高达达 10001000万千瓦万千瓦原因原因: :强台风强台风“达维达维”海南省海南省 2005.9.262005.9.262008年初中国南方雪灾对电力系统的影响今年1月10日以来，我国南方大部分地区出现了历史罕见的低温、雨雪冰冻天气，
7、给输变电设施带来大面积覆冰，覆冰厚度普遍超过30毫米，局部地区达到80毫米，远远超过规定的设计标准，造成输电线路大量倒塔、断线，电力设施大范围损毁。国家电网公司所属10个省级电网遭受严重灾害。公司经营区域内华中、华东及所属10个省级电网遭受严重灾害，其中湖南、浙江、江西电网设施损毁严重。公司经营区域共有37个地市的545个县（区）、2706万用户受到影响。公司所属电网共有17.2万基高压杆塔倒塌，1.2万基受损；高压线路断线12.9万处；低压线路倒断杆51.9万基，低压线路受损15.3万公里；各电压等级线路停运15.3万条，变电站停运884座；公司系统通信光缆受损约2860公里，国家电网直接经
8、济损失高达104.5亿元。 中国南方最低温度是零下五摄氏度，中国北方很多地方的气温可以达到零下二三十摄氏度，为什么没有形成这样的冰呢？中国电力工程顾问集团公司高级工程师梁正平介绍说，南方第一湿度比较大，第二气温在零摄氏度和零下五摄氏度之间，非常适宜上冻，在一定风的作用下冰的厚度还不断地增加。中国电力顾问公司总工程师吴云说，像这样的双回线铁塔，它的重量大概是6吨，但是在结了冰后，重量大概达到50吨，是原来的6倍，因此压垮了铁塔，导致输变电线路断电。 灾灾 害害 原原 因因 国家电网3月8日在北京举行新闻发布会，国家电网受灾最严重的湖南、浙江电网抗灾救灾重建工作取得最后胜利，至此，国家电网公司辖区
9、电网供电能力恢复到雪灾前水平，提前20天完成了党中央、国务院提出的任务。为提高电网应对冰雪的应对能力，国家电网公司正在调研提高电网设计标准的方案。据有关人士估算，改造电网至少需要5000亿元以上。灾灾 后后 重重 建建 南方电力受灾严重的原因是电力设备抗灾能力不够。对此，国家电网公司表示，今年将投资2500多亿元加强电网建设，提高电网的抗灾能力。国家电网公司总经理刘振亚说：“今年计划电网投资2532亿元，基建任务十分繁重，争取在用科技减灾、科技破冰方面尽快立项。” 灾灾 后后 反反 思思20062006年国外停电事故年国外停电事故国家国家 发生时间发生时间 事故后果事故后果 美国东北美国东北地
10、区地区 2002006.10.286.10.28肆肆虐虐的的狂狂风风将将很很多多社社区区的的树树木木和和电电线线杆杆连连根根拔拔起起，造造成成美美国国东东北北部部成成千上万的居民生活断电。千上万的居民生活断电。 加拿大部加拿大部分省分省 2002006.10.286.10.28每每小小时时100100千千米米的的狂狂风风过过后后，两两省省出出现现大大面面积积停停电电，波波及及多多伦伦多多、蒙蒙特利尔和魁北克城等大中城市，共有约特利尔和魁北克城等大中城市，共有约8 8万人受灾。万人受灾。 欧洲电网欧洲电网 2006.11.42006.11.4法法国国和和德德国国人人口口最最密密集集的的地地区区以
11、以及及比比利利时时、意意大大利利、西西班班牙牙、奥奥地地利利的的部部分分地地区区发发生生停停电电，其其中中包包括括法法国国首首都都巴巴黎黎部部分分地地区区。大大多多数数地地区区在半小时内恢复供电，最严重的地区停电达在半小时内恢复供电，最严重的地区停电达1 1个半小时。个半小时。 美国纽约美国纽约2006.7.172006.7.17天天气气过过热热，造造成成地地下下输输电电线线路路损损伤伤。纽纽约约市市在在赖赖克克斯斯岛岛的的监监狱狱群群不不得得不不启启用用自自备备发发电电机机 ，受受此此次次停停电电事事故故影影响响的的用用户户人人数数可可能能高高达达1010万万人。人。 某些地区停电时间长达一
12、周。某些地区停电时间长达一周。日本东京日本东京2006.8.142006.8.14东东京京、千千叶叶和和神神奈奈川川两两县县( (省省) )的的139.1139.1万万用用户户蒙蒙受受停停电电之之苦苦，数数以以百百计计的的交交通通信信号号灯灯“失失明明”，东东京京市市繁繁如如蛛蛛网网的的地地铁铁和和电电车车停停运运，公公共共交通系统几乎瘫痪，许多人被困在戛然而止的电梯中。交通系统几乎瘫痪，许多人被困在戛然而止的电梯中。Blackouts in the world, , 2006 EuropePowerGridBlackout,2006.11.4CAB国外国外0303年发生的大停电事故年发生的大
13、停电事故特大停电事故是现代社会的灾难特大停电事故是现代社会的灾难国家 发生时间 事故名称 事故后果 美国 2003.8.142003.8.14北北美美东东部部网网损损失失负负荷荷61.861.8GWGW，停停电电8 8州州1 1省省50005000万万人人，停停电电面面积积2400024000平平方方公里，最长停电公里，最长停电2929小时，损失小时，损失300300亿美元。亿美元。瑞典丹麦 2003.9.232003.9.23瑞瑞典典丹丹麦麦停电停电18001800MWMW，影响影响500500万人用电，停万人用电，停6.56.5小时小时意大利 2003.9.282003.9.28意大利意大
14、利6,4006,400MWMW的功率缺额，最后导致频率崩溃，全国停电的功率缺额，最后导致频率崩溃，全国停电1919小时。小时。英国2003.8.282003.8.28伦敦地铁伦敦地铁停停电电724724MWMW，影影响响4141万万用用户户，5050万万乘乘客客被被困困，停停电电3737分分钟钟1 1小时小时马来西亚 2003.9.12003.9.1马来西亚马来西亚马来西亚北方马来西亚北方5 5个州发生大停电事故，停电持续约个州发生大停电事故，停电持续约4 4个小时。个小时。美国发生的其它大停电事故美国发生的其它大停电事故预防特大停电事故是对预防特大停电事故是对现代科学技术的挑战现代科学技术的
15、挑战事故名称时间事故后果美国东北部大停电1965.11.91965.11.9最长停电时间达最长停电时间达1313h h，影响居民影响居民30003000万人，直万人，直接经济损失达接经济损失达1 1亿美元。亿美元。纽约大停电事故 1977.7.131977.7.13停电时间达停电时间达2525h h，停电引起贫民区纵火与抢劫，停电引起贫民区纵火与抢劫，华尔街计算机停电，损失价值超过百万人小华尔街计算机停电，损失价值超过百万人小时。时。美国西部网大停电1994.12.141994.12.14系系统统解解列列成成东东西西南南北北四四个个大大岛岛，事事故故影影响响到到1414个州个州200200万人
16、的用电。万人的用电。美国西部网大停电1996.7.21996.7.2系系统统解解列列成成五五个个孤孤岛岛，事事故故影影响响1414个个州州200200万万用户用户美国西部网大停电1996.8.101996.8.10系系统统解解列列成成四四个个孤孤岛岛，事事故故影影响响9 9个个州州750750万万用户用户An Example:August 14, 2003 Blackout in the United States and CanadaAn Example:August 14, 2003 Blackout in the United States and Canada大停电的直接原因分析：v在
17、部分元件停运检修状态下，局部发生故障；在部分元件停运检修状态下，局部发生故障；v故障切除后运行状态转移中部分故障切除后运行状态转移中部分输电元件运行异常输电元件运行异常或保护误动；或保护误动；v后备保护和自动装置后备保护和自动装置切除过载的输电元件切除过载的输电元件；v连锁过载被切除后的连锁过载被切除后的输电通道转移及系统不稳定输电通道转移及系统不稳定；v输电网络输电网络被大面积的被大面积的无序断开无序断开后低周波、低电压、后低周波、低电压、高周波等自动装置分散动作使系统崩溃高周波等自动装置分散动作使系统崩溃。大停电事故及其教训大停电事故及其教训大停电事故的启示：大停电事故的启示：v任意坚强的
18、网络都存在任意坚强的网络都存在较薄弱的运行方式和严重的运行状态；较薄弱的运行方式和严重的运行状态；v跟踪运行方式和适应运行状态的实时控制系统是跟踪运行方式和适应运行状态的实时控制系统是不可缺或的；不可缺或的；v分散安装、独立动作的自动装置可能保护电网，分散安装、独立动作的自动装置可能保护电网，也可能切跨电也可能切跨电网；网；v电网电网主网架结构的不安全主网架结构的不安全，是大停电事故的直接原因；，是大停电事故的直接原因；v电网的电网的无序解列、开断无序解列、开断造成了恢复的困难。造成了恢复的困难。可吸取的教训：可吸取的教训：v元元件件的的故故障障或或扰扰动动，在在局局部部系系统统内内部部采采取
19、取措措施施来来消消除除影影响响，不使其扩散到局部系统外不使其扩散到局部系统外；v区区域域系系统统之之间间输输电电断断面面上上的的故故障障，切切除除故故障障元元件件后后尽尽量量保保持持输电断面的完整性输电断面的完整性；v反反应应元元件件运运行行异异常常的的保保护护应应与与系系统统的的安安全全自自动动装装置置协协调调动动作作，保保证证网网络络连连接接的的强强壮壮性性，尽尽量量满满足足输输电电能能力力与与输输电电需需求求的的平平衡，衡，切不可独立、无序乱动切不可独立、无序乱动；v互互联联系系统统失失稳稳后后，应应按按功功率率尽尽可可能能平平衡衡的的原原则则有有序序解解列列，避避免大面积停电，并有利快
20、速恢复。免大面积停电，并有利快速恢复。各国学者从不同的角度对造成大停电事故的原因做过各种层次的分析，统计资料显示，统计资料显示，75的大的大停电事故往往引发于停电事故往往引发于后备保护配合不当与连锁反后备保护配合不当与连锁反应应。面对新情况，需要重新思考、定位后备保护。面对新情况，需要重新思考、定位后备保护。事故分析：事故分析：传统保护的局限性现现有有电电网网中中的的后后备备保保护护仅仅反反应应保保护护安安装装处处的的信信息息，受受电电网网拓拓扑扑连连接接关关系与运行方式的影响。系与运行方式的影响。后备保护配合关系复杂，动作时间长。严重时有可能不满足系统稳定性所要求的极限切除时间，进而成为大电
21、网的安全隐患。为保证其可靠性，不得不按照最严酷的情况进行配置和整定；为保证为保证其可靠性，不得不按照最严酷的情况进行配置和整定；为保证其选择性，不得不牺牲后备保护的快速性与灵敏性。其选择性，不得不牺牲后备保护的快速性与灵敏性。同时由于电网结构日趋复杂，就导致：同时由于电网结构日趋复杂，就导致：后备保护配置与整定的难度大，且不能跟踪系统运行方式的变化，甚至可能出现保护失配或灵敏度不足的情况。后备保护不能区分内部故障与故障切除后引起的潮流转移，这有可能导致重负荷情况下的后备保护连锁跳闸。 然然而而由由于于存存在在变变电电站站直直流流电电源源消消失失、主主保保护护失失效效的的可可能能，以以距距离离三
22、三段段为为代代表表的的传传统统后后备备保保护护不不能能被被完完全全取取消消，而而需需要要进进行行优优化化配配置置以以有有效效适适应应当当前前电电力力系系统统运运行行方方式式和和电电网网结结构构多多变变的的现现状状。但但是是现现有有的的仅仅依依靠靠本本地地信信息息并并考考虑虑相相互互配配合合实实现现后后备备功功能能的的保保护护设设计计理理念念在在解解决决上上述述问问题题面面前前已已经经捉捉襟襟见见肘肘，这这种种局局限限性性也也导导致致了了后后备备保保护护在众多大停电事故中对系统崩溃扮演了推波助澜的角色。在众多大停电事故中对系统崩溃扮演了推波助澜的角色。 传统保护的局限性计算机技术和通信技术的快速
23、发展推动了电力系统自动化水平的提高，随计算机技术和通信技术的快速发展推动了电力系统自动化水平的提高，随着被应用在电力系统的相量测量装置着被应用在电力系统的相量测量装置 PMU PMU(Phasor Measurement Unit(Phasor Measurement Unit)不不断增多，实现了全网大范围的同步数据采集断增多，实现了全网大范围的同步数据采集 9 9 ，逐渐构成了广域同步测量，逐渐构成了广域同步测量系统系统WAMSWAMS(Wide Area Measurement System)(Wide Area Measurement System)。WAMSPMUPMUPMUWAMSW
24、AMS可获取全网同步动态信息，并且高速数据传输可使主站的数据更新达可获取全网同步动态信息，并且高速数据传输可使主站的数据更新达到到202050ms50ms1010，这使得从电网整体最优的角度进行保护设计成为可能，一种，这使得从电网整体最优的角度进行保护设计成为可能，一种基于网络通信、多点信息综合比较判断的广域保护系统受到国内外学者的广泛基于网络通信、多点信息综合比较判断的广域保护系统受到国内外学者的广泛关注。关注。WAMSWAMS研究如何充分发挥广域继电保护根据多点故障信息准确判断故研究如何充分发挥广域继电保护根据多点故障信息准确判断故障元件的能力，对传统保护进行补充，从而更准确、更快速的障元
25、件的能力，对传统保护进行补充，从而更准确、更快速的切除系统故障，满足复杂的电力系统网络结构的要求，减少大切除系统故障，满足复杂的电力系统网络结构的要求，减少大停电等事故的发生，保证人们用电的质量，具有重要的意义停电等事故的发生，保证人们用电的质量，具有重要的意义11,1211,12。广域保护的意义主要内容广域保护背景、意义广域保护背景、意义1 1广域后备保护算法及实例广域后备保护算法及实例3 3广域保护系统概念、结构广域保护系统概念、结构国际大电网会议国际大电网会议(CIGRE)(CIGRE)对广域保护的功能及控制手段对广域保护的功能及控制手段等进行了定义：等进行了定义：广域保护的定义依赖电力
26、系统多点的信息，对故障进行快速、可靠、精依赖电力系统多点的信息，对故障进行快速、可靠、精确的切除，同时分析故障切除对系统安全稳定运行的影确的切除，同时分析故障切除对系统安全稳定运行的影响，并采取相应的控制措施，可提高输电线可用容量或响，并采取相应的控制措施，可提高输电线可用容量或系统可靠性，这种同时实现继电保护和自动装置功能的系统可靠性，这种同时实现继电保护和自动装置功能的系统，称为广域保护系统系统，称为广域保护系统1313 。广域保护在电网保护控制中是基本定位于常规保护及广域保护在电网保护控制中是基本定位于常规保护及SCADA/EMSSCADA/EMS之间之间的系同保护控制手段，其动作范围在
27、的系同保护控制手段，其动作范围在100ms-100s100ms-100s之间之间 。广域保护的定义易维护及易扩展性鲁棒性有效性可靠性选择性可测性广广域域保保护护性能特点性能特点性能特点性能特点14广域保护的性能特点有足够的采样点，从而能准确得到所需的系统状态，有足够的采样点，从而能准确得到所需的系统状态，包括正常运行状态及故障。包括正常运行状态及故障。选择性选择性可测性可测性能根据运行准则准确判别不安全的系统状态（包括预根据运行准则准确判别不安全的系统状态（包括预警及安全运行域的确定）。这是广域保护系统的核心警及安全运行域的确定）。这是广域保护系统的核心要求。这不仅需要准确可靠的同步测量数据，
28、还依赖要求。这不仅需要准确可靠的同步测量数据，还依赖于有效的实时分析能力。自然还必须选择正确的和最于有效的实时分析能力。自然还必须选择正确的和最小的动作行为来执行预期的控制，以避免大面积的甩小的动作行为来执行预期的控制，以避免大面积的甩负荷或切机等不准确操作。负荷或切机等不准确操作。广域保护的性能特点整个广域保护系统的运作要有足够的可靠性。这牵整个广域保护系统的运作要有足够的可靠性。这牵涉到各个环节，从数据采集，通讯系统，软件分析，涉到各个环节，从数据采集，通讯系统，软件分析， 到执行终端（跳闸、切机、切负荷等）。应考虑适到执行终端（跳闸、切机、切负荷等）。应考虑适当的冗余及备份，并保证关键设
29、备故障时备用件的当的冗余及备份，并保证关键设备故障时备用件的自动切换。自动切换。有效性有效性可靠性可靠性主要指稳控措施的实施速度和精度。任何稳控措施主要指稳控措施的实施速度和精度。任何稳控措施的实施都有速度要求，满足这样的要求需要硬件和的实施都有速度要求，满足这样的要求需要硬件和软件的协调配合。稳控措施的实施精度直接影响到软件的协调配合。稳控措施的实施精度直接影响到稳控的效果，因而也需仔细考虑。稳控的效果，因而也需仔细考虑。广域保护的性能特点在可靠地、安全地和稳定地运行的前提下，在可靠地、安全地和稳定地运行的前提下，广域保护系统的设计应考虑到各种可能的系广域保护系统的设计应考虑到各种可能的系统
30、运行方式。对未考虑的运行方式应有防误统运行方式。对未考虑的运行方式应有防误动措施。动措施。易维护及易维护及易扩展性易扩展性鲁棒性鲁棒性在实现时，采用开放式及模块式的系统结构在实现时，采用开放式及模块式的系统结构能较好地满足这样的要求。能较好地满足这样的要求。广域保护的性能特点广域保护系统的功能组成以广域信息的采集、传送、分析和使用为主线，以广域信息的采集、传送、分析和使用为主线，广域保护系统广域保护系统的构成基本上可以分为三大部分的构成基本上可以分为三大部分1515。第第一一部部分分是是电电力力系系统统实实时时动动态态监监测测系系统统。由由安安装装在在各各变变电电站站的的同同步步相相量量测测量
31、量装装置置（PMUPMU）之之间间相相互互通通讯讯，及及与与安安装装在在电电力力系系统统调调度度中中心心、变变电电站站或或发发电电厂厂的的主主站站通通讯讯构构成成电电网网广广域域测测量量系系统统（WAMSWAMS）实实现现对对地地域域广广阔的电力系统运行状态的监测和分析。阔的电力系统运行状态的监测和分析。第二部分包括广域继电保护算法和广域自动控制策略，安装在各变电站的第二部分包括广域继电保护算法和广域自动控制策略，安装在各变电站的PMUPMU相互通讯，就地实现常规保护功能，且主站根据采集到的电网中分相互通讯，就地实现常规保护功能，且主站根据采集到的电网中分布的各变电站布的各变电站PMUPMU实
32、时测量数据，检测故障，分析扰动，提出投切线路、实时测量数据，检测故障，分析扰动，提出投切线路、负荷和机组等控制策略。负荷和机组等控制策略。广域保护系统的功能组成第三部分是电力系统实时控制系统，由安装在各变电站的自动控制装置与第三部分是电力系统实时控制系统，由安装在各变电站的自动控制装置与安装在调度的控制中心联网，实现广域自动控制策略。安装在调度的控制中心联网，实现广域自动控制策略。广域保护系统结构广域保护系统结构中，变电站与变电站之间需要通信，同时在同其他子站通广域保护系统结构中，变电站与变电站之间需要通信，同时在同其他子站通信时，变电站中的保护终端单元可以实现集中式和分布式两种结构。据此，信
33、时，变电站中的保护终端单元可以实现集中式和分布式两种结构。据此，广域保护系统可分为广域保护系统可分为集中式集中式、分布式分布式两种结构形式两种结构形式1616，1717。 集中式分布式广域保护系统广域保护系统在每个变电站设置一个中央处理单元，称为广域保护模块，变电在每个变电站设置一个中央处理单元，称为广域保护模块，变电站的所有广域保护算法都集中在中央处理单元中站的所有广域保护算法都集中在中央处理单元中。集中式结构继电保护终端设备主要完成以下功能：采集保护安装处的模拟量和开关量等信息；采集保护安装处的模拟量和开关量等信息；对采集到的信息进行简单的处理；对采集到的信息进行简单的处理；与中央单元通信
34、上传信息，接受来自中央单元的命令信息；与中央单元通信上传信息，接受来自中央单元的命令信息；依据接收到的中央单元命令信息，执行相应的跳闸，分合依据接收到的中央单元命令信息，执行相应的跳闸，分合开关等操作命令。开关等操作命令。集中式结构中央单元接收来自多个继电保护终端设备的信息，完成广域中央单元接收来自多个继电保护终端设备的信息，完成广域保护系统的各种功能，做出继电保护决策后再经通信系统下保护系统的各种功能，做出继电保护决策后再经通信系统下达到继电保护终端设备执行。达到继电保护终端设备执行。中央单元的功能：集中式结构实际上只在功能决策环节上进行了集中，而从信息集中式结构实际上只在功能决策环节上进行
35、了集中，而从信息的采集和通信角度看则属于分层分布式的结构。的采集和通信角度看则属于分层分布式的结构。集中式结构在变电站各测量点装设在变电站各测量点装设IEDIED，每个，每个IEDIED的地位是平等的，在变的地位是平等的，在变电站内不设中央单元。电站内不设中央单元。分布式结构IED完成的功能主要有：分布式结构与其它与其它IEDIED进行对等进行对等( (Peer-to-PeerPeer-to-Peer) )通信；通信；根据自身的信息和通过通信系统接收到的来自其它根据自身的信息和通过通信系统接收到的来自其它IEDIED的的信息做出保护策略；信息做出保护策略；根据自身做出的保护策略执行跳、合开关的
36、操作。根据自身做出的保护策略执行跳、合开关的操作。采集安装点的模拟量信息和开关量信息；采集安装点的模拟量信息和开关量信息；在分布式结构中保护策略是在各测量点的在分布式结构中保护策略是在各测量点的IEDIED中完中完成的，在子站可以设上位机，但它们只对分布式的成的，在子站可以设上位机，但它们只对分布式的IEDIED进行管理和监视，并不参与保护策略的形成过进行管理和监视，并不参与保护策略的形成过程。程。分布式结构集中式结构与分布式结构比较优点优点缺点缺点集集中中式式结结构构测测量量和和命命令令执执行行功功能能被被分分散散到到多多个个终终端端设设备备中中完完成成，中央单元只保留决策功能。中央单元只保
37、留决策功能。对对中中央央单单元元的的依依赖赖程程度度很很高高，需需要要对对中中央央单单元元进进行行双双机机或或多多机机备备用用配配置置；信信息交换的延时较大。息交换的延时较大。分分布布式式结结构构受受IEDIED故故障障的的影影响响较较小小，某某个个IEDIED故故障障一一般般不不会会影影响响到到整整个个保保护护系系统统的的工工作作；通信延时不会较长。通信延时不会较长。IEDIED数数量量比比较较多多，子子系系统统之之间间的的通通信信都都是是由由IEDIED来来独独立立完完成成的的，厂厂站站子子系系统统之间的通信量会很大。之间的通信量会很大。集中决策与分布实现相协调后备保护总体方案集中决策与分
38、布实现相协调后备保护总体方案 基于广域信息的新型后备保护依据故障情况，基于广域信息的新型后备保护依据故障情况，分三个不同阶段进行考虑：故障前，故障中以分三个不同阶段进行考虑：故障前，故障中以及故障后：及故障后：故障前故障前 根据根据PMU信息，实时跟踪网络拓扑和运行信息，实时跟踪网络拓扑和运行方式变化，并在线计算潮流转移因子。方式变化，并在线计算潮流转移因子。故障中故障中 快速、准确定位故障元件，界定关联保护域，快速、准确定位故障元件，界定关联保护域，同时在线自适应整定后备保护。进而开放关联同时在线自适应整定后备保护。进而开放关联域内的后备保护，发布定值等相关信息。域内的后备保护，发布定值等相
39、关信息。故障后故障后 利用利用PMU信息快速准确识别潮流转移，做信息快速准确识别潮流转移，做出预防连锁跳闸的控制策略。出预防连锁跳闸的控制策略。 广域信息与本地信息的协调配合关系广域信息与本地信息的协调配合关系完全依赖广域信息确定保护的动作情况。完全依赖广域信息确定保护的动作情况。在线自适应整定保护定值，结合广域信息确定保护在线自适应整定保护定值，结合广域信息确定保护的动作情况。的动作情况。根据本地实测的电气量与利用广域信息得到的电气根据本地实测的电气量与利用广域信息得到的电气量是否一致决定保护的动作行为。量是否一致决定保护的动作行为。以变电站为基本单元实现广域后备保护以变电站为基本单元实现广
40、域后备保护 广域保护系统的构成PMUPMUPMU其他测量数据PDCSCADA/EMSTSE WAPATC DSAOther数据库显示SPSSPSSPS预载稳控策略独立分布设备测量系统WAMS通 讯 通 讯 在线系统分析控制 稳控分析 传送容量监督计算 稳控策略整定 稳控终端设备 带远程通讯协调功能 独立分布设备 电力系统广域保护（稳控）系统结构示意图 (1) 功角矢量测量设备（PMU） 功功角角矢矢量量测测量量设设备备（Phasor Phasor Measurement Measurement UnitUnit）的的基基本本功能为：功能为：GPSGPS同同步步采采样样。 功功角角测测量量设设备
41、备的的A/DA/D转转换换的的采采样样是是按按GPSGPS标标准准时时钟钟同同步步进进行行，因因此此无无论论系系统统覆覆盖盖的的地地理理范范围围有有多多大大，采采样样点点有有多少，所有测得的数据都有精确的同步性。多少，所有测得的数据都有精确的同步性。实实时时测测量量采采样样点点电电压压/ /电电流流的的幅幅值值及及正正序序功功角角。更更新新速速率率至至少少为为1/301/30s s或或1/251/25s s。故故障障记记录录功功能能。类类似似传传统统的的故故障障录录波波仪仪，录录波波点点的的时时间间精精度度为为微秒，并按微秒，并按IEEE 1344IEEE 1344规定的格式记录。规定的格式记
42、录。 除除了了功功角角测测量量设设备备采采集集的的系系统统运运行行数数据据外外，常常规规测测量量设设备备所所能能提提供供的的其其他他数数据据（如如开开关关位位置置，发发电电机机组组投投切切状状态态，继继电电保保护护动作信号等）也可作为广域保护（稳控）系统的输入数据动作信号等）也可作为广域保护（稳控）系统的输入数据。相对相角测量原理示意图 (2) (2) 功角数据集中器（功角数据集中器（PDCPDC） 功功角角数数据据集集中中器器( (Phasor Phasor Data Data Concentrator)Concentrator)的的基基本本功功能能为为接接受受、集集成成、储储存存功功角角测
43、测量量设设备备（或或其其他他测测量量设设备备）采采集集的的数数据据，并并将将它它们们传传输输给给上上一一级级分分析析软软件件。储储存存在在PDCPDC内内的的数数据据还还可可用用于于各各种离线分析。种离线分析。 (3) (3) 数据库数据库 数数据据库库是是电电力力系系统统稳稳控控中中心心计计算算机机系系统统的的一一个个重重要要部部分分。数数据据库库用用于于存存储储实实时时的的功功角角数数据据及及系系统统的的潮潮流流解解（状状态态估估计计输输出出），并并管管理理各各种种分分析析所所需需的的数数据据（如如预预想想事事故故集集、稳稳控控策策略略、功功率率交交易易方方案案、稳稳定定数数据据等等）。系
44、系统统稳稳控控中中心心的的计计算算机机系系统统的的通通信信数数据据库之间还必须进行数据交换。库之间还必须进行数据交换。 (4) (4)显显 示示 显示系统的功能是提供人机界面和可读的系统及设备实时状显示系统的功能是提供人机界面和可读的系统及设备实时状态、监视分析结果、稳控策略选择及动作结果等态、监视分析结果、稳控策略选择及动作结果等。(5)(5)系统分析软件系统分析软件 系系统统分分析析软软件件是是广广域域保保护护（稳稳控控）系系统统的的心心脏脏。它它包包括括如如下下应应用用软软件件：拓拓扑扑状状态态估估计计（Topology Topology State State Estimator, E
45、stimator, TSETSE）；广广域域保保护护（Wide-Area Wide-Area Protection, Protection, WAPWAP）；有有效效输输电电容容量量计计算算（Available Available Transmission Transmission Capacity, Capacity, ATCATC）；动动态态安安全全分分析析（Dynamic Dynamic Security Security Assessment, Assessment, DSADSA）；其其他他，如如电电压压及及低低频频振荡失稳的监视及报警等。振荡失稳的监视及报警等。(6)(6)稳控装置
46、终端（稳控装置终端（SPSSPS） 稳稳控控装装置置终终端端的的基基本本功功能能为为：根根据据本本身身测测量量的的数数据据以以及及和和其其它它设设备备的的通通信信数数据据，实实时时判判别别系系统统的的非非正正常常运运行行状状态态（如如功功角角不不稳稳定定、频频率率不不稳稳定定、电电压压不不稳稳定定等等）及及事事故故类类型型；控控制制逻逻辑辑的计算或接受；的计算或接受；执行控制逻辑；执行控制逻辑；控制逻辑的投入或退出。；控制逻辑的投入或退出。(7) (7) 通信通信 广广域域保保护护（稳稳控控）系系统统的的通通信信要要求求分分两两个个方方面面，一一方方面面是是监监测测测测量量（即即PMU PMU
47、 与与PDCPDC之之间间的的通通信信），另另一一方方面面是是稳稳控控系系统统和和稳稳控控装装置置终终端端之之间间的的通通信信。监监测测测测量量，常常常常也也称称为为广广域域测测量量系系统统（WAMSWAMS），包包括括两两个个内内容容实实时时功功角角测测量量和和动动态态性性能能/ /扰扰动动监监视视（Dynamics Dynamics Performance Performance and and Disturbance Disturbance MonitoringMonitoring）。实实时时功功角角测测量量必必须须具具有有专专用用通通信信通通道道，能能连连续续实实时时通通信信，保保证证
48、每每秒秒2525次次（5050HzHz系系统统）或或3030次次 （6 60Hz0Hz系系统统）的的更更新新速速率率；动动态态性性能能/ /扰扰动动监监视视的的功功能能是是收收集集、管管理理、分分析析扰扰动动事事件件或或故故障障后后的的数数据据，不不必必为为实实时时数数据据。其其数数据据为为PMUPMU数数据据及及故故障障录录波波仪仪、SOESOE记记录录仪仪等等其其它它设设备备的的录波信息。录波信息。花都供电局实施的广域保护国内第一套广域保护系统。采用广域电流差动作为110kV系统的后备保护。集成了低频减载、低压减载等安全自动装置的功能。解决“连锁故障”、“开关失灵”、“死区保护”、“直流消
49、失”等难题。实施广域保护的四个变电站实施广域保护的四个变电站广域保护设备连接图田心站广域保护屏柜连接图子站的功能子站放置在被保护的电网区域的变电站、发电厂。子站由数据采集单元和控制执行单元组成。数据采集单元利用高精度的GPS卫星同步时钟实现对电网电压、电流相量以及状态量的同步测量，并计算电气量的幅值、相位、频率等信息，通过网络传送到主站。控制执行单元接收并执行主站发送的控制命令，并把执行的结果通过网络反馈给主站。主站的功能主站由控制服务器和文件服务器组成，控制服务器实时收集子站上送的数据，根据子站上送的数据进行计算和分析以判断被保护的电网是否发生了异常和故障，并根据判断的结果通过网络给相应的子
50、站下达控制命令。文件服务器实时存储控制服务器收到的数据，并记录存储控制服务器下达给子站的各种命令和控制服务器的发出的其他信息，以备日后查询分析。主站子站组成示意图广域差动保护采用高灵敏度的差动保护进行线路故障判定。对于具有分支的线路，将距离系统电源最近的一端作为一侧，将其它分支的电流做相量和计算作为另外一侧。根据两侧电流的相量和的幅值作为差动电流，将两侧电流相量差的幅值作为制动电流，采用比率制动特性进行故障判定。采用GPS同步解决了传统光纤纵差保护三端差动同步困难的问题。广域差动保护对于具有分支的线路，将距离系统电源最近的一端作为一侧，将其它分支的电流做相量和计算作为另外一侧。如图所示，T1距
51、离电源最近，单独作为一侧电流，T2和T3距离电源较远，把T2和T3的电流做相量和后作为一侧电流参与差动计算。两侧电流的相量和的幅值作为差动电流，两侧电流相量差的幅值作为制动电流，采用比率制动特性进行判定。当发生电流互感器断线时，可以根据控制字的设置是否闭锁差动保护。广域差动保护TA断线识别根据被保护线路两侧（三侧）的电流变化特征，可靠的识别TA断线情况，避免TA断线导致的误动。在发生故障的时候，线路各侧电流均会发生突变，而TA断线的时候，只有断线侧的TA电流发生突变，因此有了多侧电流量，很容易识别TA断线。防止电网连锁故障当某条线路因过负荷或者故障导致该线路退出运行，可能导致同一功率断面上的其
52、他线路因过负荷跳闸退出运行，从而出现连锁故障。针对此问题，主站控制单元在某条线路跳闸后，自动提高同一功率断面的过负荷电流定值和时间定值，从而可以避免连锁跳闸事故。防止电网连锁故障当L1线路退出运行后，L2和L3将多承担L1输送的功率，容易导致L2和L3在L1退出运行后发生过负荷跳闸，最终导致整个功率断面断开。为避免连锁故障的发生，主站控制单元在某条线路跳闸后，自动提高同一功率断面的其他线路的过负荷电流定值和时间定值，降低过负荷保护在此情况下的过负荷的灵敏度。当线路的电流超过原过负荷定值而小于提高后的定值时，控制服务器发出告警信息通知运行人员根据实际情况进行人为干预处理。防止电网连锁故障低频、低
53、压减载功能当系统发生频率低或者电压低时，切除10kV侧的部分负荷。由于广域保护系统可以获得整个电网各个节点的电压、电流、频率以及开关量的状态信息，因此广域保护系统可以根据预先设定的策略选择最优的减载方式。低频、低压减载功能控制单元首先计算电网各个节点母线的电压和频率，对于低压减载保护，选择电压最低的母线。对于低频减载，选择频率最低的母线。然后在该母线上切除负荷级别最低的线路。切除负荷之后，重新核算电网内所有母线的频率和电压，重复上述步骤。如图所示，母线K、M、N三条母线，根据子站上送的母线频率信息，找到频率最低的母线M，然后根据母线M上的三条负荷的重要程度，切除重要程度最低的负荷M1线路。切除
54、M1后，重新核对母线K、M、N母线的频率情况，重复上述步骤，直至系统频率恢复到允许的范围。低频、低压减载功能直流消失功能广域保护监测到站上某一条线路保护直流电源消失。当有故障发生时，则可根据与该线有关的其他子站的电气量、开关量信息，判断故障的位置，并发跳令跳开与该线有关的断路器。开关失灵保护广域保护检测到某条线路的突变量元件启动，并且查到失灵保护动作或已判出故障存在，经过一定延时后，如果还有电流，则认为断路器失灵，发跳令跳开相关断路器。开关失灵保护主站检测到线路发生故障，发跳闸令跳开故障线路各侧断路器。经过一定延时后，如果故障线路还有电流，则认为断路器失灵，发跳令跳开故障线路上一级的断路器，避
55、免事故的进一步扩大。如图所示，L1线路发生区内故障，主站单元发跳闸命令给B1和B2断路器，经过200ms后，若B1处仍然有电流存在（电流大于0.1倍额定电流），则认为B1开关拒动，主站控制服务器发送跳令给B3和B5；若B2处仍然有电流存在，主站控制服务器发送跳令给B4和B6开关失灵保护死区保护广域保护子站可收集每一变电站的进出线，因此，可在广域保护子站内判广域差动保护，可判断CT与断路器之间的死区故障，跳开相关断路器。主要内容广域保护背景、意义广域保护背景、意义1 1广域保护系统概念、结构广域保护系统概念、结构2 2广域后备保护算法及算例广域后备保护算法及算例广域后备广域后备保护原理保护原理研
56、究方向研究方向包括区域电流差动保护包括区域电流差动保护和基于广域同步相量信和基于广域同步相量信息的故障定位方案息的故障定位方案包括区域纵联方向保护、包括区域纵联方向保护、区域纵联距离保护、基于区域纵联距离保护、基于专家系统等智能算法的故专家系统等智能算法的故障元件识别方案障元件识别方案基于在线自适应整定原理的单端电气量保护利用同步相量信息的保护利用逻辑量信息的保护包括基于在线自适应整定包括基于在线自适应整定的保护和潮流转移识别算的保护和潮流转移识别算法方案法方案基于广域网的自适应保护算法基于WAMS的潮流转移识别算法基于在线自适应整定原理的单端电气量保护基于在线自适应整定原理的单端电气量保护基
57、于广域网的自适应保护系统采取分布式结构，提出开关变位和线路故障两种自适应整定算法。自适应保护自适应保护开关变位开关变位线路故障线路故障基于广域网的自适应保护算法18开关变位自适应整定算法所谓开关变位自适应，就是当开关变位后，通过拓扑分析得到电网新拓扑结构，再根据自适应保护算法，按照当前的电网拓扑计算当前运行方式下的线路保护定值。算法的研究算法的研究假设A处的背侧系统对于对侧有分支线路的段电流保护的自适应整定，根据在相邻线路速断保护范围末端设置故障时，保护测量到的电气量来整定自适应定值。算法的研究算法的研究其零序电流段保护的自适应定值可整定为:式中:依次在B-C、B-D、B-E线路的零序电流速断
58、保护的保护范围末端设置金 对应得到最大值的保护A相邻线路(B-C、B-D或B-E中的一段)B-i，在该线路末端设置金属性单相接地短路故障时，保护A的最大零序电流测量值。属性单相接地短路故障时，保护A的最大零序电流测量值。自适应保护的可靠系数，与线路B-i的零序段保护可靠系数取相同值。算法的研究算法的研究零序电流段保护可靠系数，一般取和都是在开关变位后结合当前的运行方式计算得到的。其零序电流段保护的自适应定值可整定为:算法的研究算法的研究对于A处相间电流段保护的自适应定值可整定为:式中：依次在B-C、B-D、B-E线路的电流速断保护的保护范围末端设置金属性三相短路故障时，保护A的最大短路电流测量
59、值。 对得到最大值的保护A相邻线路B-i，在该线路末端设置应金属性三相接地短路故障时，保护A的最大短路电流测量值。算法的研究算法的研究自适应保护的可靠系数，与线路B-i的电流速断段保护可靠系数取相同值。电流保护段保护可靠系数，一般取和都是在开关变位后结合当前的运行方式计算得到的。在计算时，因为是线路末端故障，所以通过计算机短路计算可以很容易得到。而，需要离线计算的线路速断保护范围，从而计算保护范围末端故障时的短路电流值。计算算法的研究算法的研究线路速断保护最大保护范围的计算公式:式中：电流速断段保护可靠系数；系统最大运行方式下，保护背侧等值阻抗;被保护线路全长的阻抗。算法的研究算法的研究总结总
60、结开关变位时的自适应整定算法，在保证保护间配合关系的前提下，可有效延长开关变位时的自适应整定算法，在保证保护间配合关系的前提下，可有效延长段保护的保护范围，使得段保护的保护范围，使得段保护的定值可以与电网当前的运行方式相匹配，段保护的定值可以与电网当前的运行方式相匹配，有效提高了保护的灵敏性。并且避免了传统整定方法中引入分支系数带来的诸有效提高了保护的灵敏性。并且避免了传统整定方法中引入分支系数带来的诸多问题，有效提高整定计算的速度和效率。但该算法只是对运行方式有自适应多问题，有效提高整定计算的速度和效率。但该算法只是对运行方式有自适应能力，对分支系数计算的自适应能力并不明显。能力，对分支系数
61、计算的自适应能力并不明显。线路故障自适应整定算法线路故障自适应整定算法是当线路故障时的实时整定算法，由线路故障启动保护算法，采用故障时的实时参数进行自适应整定计算。不仅结合了当前的运行方式，而且结合故障参数进行分支系数的自适应计算。算法的研究算法的研究假设当线路B-E段发生短路时保护A的电流段保护定值整定方法为:算法的研究算法的研究式中:短路故障发生时，当前的系统等值相电势;短路故障类型自适应系数，两相短路取，三相短路取1;短路故障发生时，保护安装处到等效电源之间的实时等值阻抗；短路线路B-E的速断最大保护范围的阻抗值;算法的研究算法的研究短路故障发生时，流过保护A的测量电流;短路故障发生时，
62、流过保护B的测量电流;电流段可靠系数，一般取。和可以通过短路时测量单元测量直接得到。保护A的电流段保护定值整定方法为:算法的研究算法的研究(l)当前运行方式等值阻抗 Zs 的计算公式：式中:、保护处的故障分量电压、电流。可通过故障前的电压电流通过叠加原理求得:和、故障前一个采样点，保护B的测量单元测量到的B端的电压和流过保护B的电流。式中其他参数的计算方法如下：式中其他参数的计算方法如下： 算法的研究算法的研究(2)当前系统等值相电势Es计算公式：算法的研究算法的研究(3)故障类型判别的自适应系数此处采取相电流突变量原理对故障类型及其故障相进行判别。一般首先根据测量电流中是否含有零序分量，判定
63、是接地短路还是不接地短路。若，则判断为A相单相接地短路故障;若，则判断为B相单相接地短路故障;若，则判断为C相单相接地短路故障;其中， 为整定系数，一般取48；为相电流差突变量。当上述条件都不满足时，判定为两相接地故障。求三个相电流差突变量的最大值，与之对应的两相就是故障相。如果是接地短路，则:算法的研究算法的研究若无零序电流，则判定故障为非接地故障：若，则判断为AB两相短路故障;若，则判断为BC两相短路故障;若，则判断为以两相短路故障;式中，相电流突变量。当上述条件都不满足时，判定为三相短路故障。零序电流自适应整定算法与之同理仿真分析仿真分析如图电网为110kV系统，系统中线路线路参数来自自
64、贡电业局110kV电网。以计算保护A的自适应相间电流段保护为例。运行方式变化的自适应算法1通过仿真、计算，得到保护A处电流段在相邻线路的保护范围。运行方式变化的自适应算法1传统整定方法的电流段定值在任何运行方式下保护定值不变。在系统最大运行方式下，传统保护定值在相邻线路的保护范围最大，随着运行方式的变小，传统保护定值在相邻线路的保护范围也会缩小，而且在最小运行方式时，传统定值在C-F段和C-B段的保护范围都小于10%。传统算法与自适应算法的对比分析自适应保护定值可以随运行方式的变化而改变定值，而且没有传统保护分支系数的误差。在三种运行方式下分别有配合运行方式的三个自适应定值，自适应定值的保护范
65、围明显大于传统定值的保护范围；当运行方式变化时，自适应定值的保护范围变化不大。由于线路故障自适应算法本身就有计算系统运行方式等值阻抗的能力，这里仅仿真计算系统正常运行方式时，保护A对侧线路分别短路时保护A的自适应电流保护段定值。故障分别设置在线路C-D40%、C-F30%和C-B40%处，由上表的保护范围可知，故障点均在保护A传统定值和开关自适应算法定值保护范围外，本线路电流速断保护范围之内。线路故障的自适应算法2线路故障的自适应算法2通过仿真、计算，得到线路C-D、C-F和C-B分别故障时保护A的线路故障自适应定值和保护处测量电流值。故障线路故障线路传统定值传统定值开关自适应定值开关自适应定
66、值线路故障自适应定线路故障自适应定值值保护处测量电流保护处测量电流线路线路C-D1387125912061213线路线路C-F1387125910051209线路线路C-B138712599791090根据图表：三种故障的线路故障自适应定值均小于保护处测量电流，线路故障自适应保护可以灵敏动作。结论：线路故障自适应整定算法有较强的自适应能力，可有效的延长电流保护段的保护范围，在传统定值和开关自适应定值保护范围之外故障时，线路故障自适应定值也有较大的灵敏度。线路故障自适应整定算法可实时选择故障线路，对保护的每条相邻线路的保护范围都是同等级的。线路故障的自适应算法2基于广域网的自适应保护算法基于WA
67、MS的潮流转移识别算法基于在线自适应整定原理的单端电气量保护基于在线自适应整定原理的单端电气量保护基于WAMS的潮流转移识别算法19电力系统的潮流转移通常发生在网络拓扑结构发生变化之后，当系统中某条联络线因故障被切除后，其上的潮流将被转移到系统中其他正常运行的联络线上，引起正常线路的过载。基于故障前在线实时测量潮流分布和采用估算故障后的潮流分布，并通过故障后估算潮流与实时测量潮流的比较可以判断这些线路的过载是否是由于潮流转移所引起。若发生了潮流转移，就应当在线路未达到其热稳定极限前正确地闭锁保护，然后采取相应的控制措施。算法的研究算法的研究线路L1被切除后，其他线路上是否发生潮流转移的识别判据
68、如下：k=2,3,4式中，故障后的网络实时测量电流；故障后的网络估算电流；考虑电网暂态过渡过程和各种误差的门槛值。如图，假设线路L1发生故障并被切除。线路L2、L3和L4的故障前潮流分布可以通过WAMS直接获得，进一步可以估算出发生潮流转移后线路L2、L3和L4上的潮流分布。比较线路L2、L3和L4上的故障后实时潮流分布和估算出的故障后潮流分布，就可以分辨出这些线路上是否发生潮流转移而引起保护动作。当不等式成立时，说明故障后的实测潮流与按照潮流转移估算的故障后潮流基本相符，将判断保护的动作是由于潮流转移所引起。算法的研究算法的研究因此，识别潮流转移的关键就是估算元件切除后系统内的潮流分布。故障
69、切除后潮流分布情况算法的研究算法的研究假设线路切除前后系统中发电机与负荷节点注入网络的电流不变，根据电路叠加原理，故障切除后的网络潮流可以认为是由故障前的潮流和由线路切除所引起的转移潮流分量组成。故障后网络的估算电流式中，故障前在线测量的线路电流；线路L1切除后从线路L1转移的电流分量。算法的研究算法的研究故障前潮流分量通过在线实时测量得到，转移潮流分量可以根据下图所示的等值网络进行计算。仅含转移潮流分量的等值网络算法的研究算法的研究对于一个拓扑结构和参数已经给定的电力网络，其转移潮流可以认为是一个仅与故障前潮流分布相关的变量。式中，为线路L1被切除后线路L1相对于线路的潮流转移因子（FTRF
70、）。将代入中，就可以得到网络故障后的估算电流：算法的研究算法的研究潮流转移因子的计算转移因子是一个仅与网络拓扑结构和参数相关的比例系数，并可以在发生支路切除事件之前计算出来。对于一个拓扑结构和网络参数给定的电网，可以求出各支路之间的转移因子，进而得到网络的转移因子矩阵如下式中：“一”表示对角线元素没有意义；b为原有网络的潮流转移等值网络的支路数。算法的研究算法的研究得到电网的拓扑结构和系统参数后，一旦网络的运行方式发生变化，即网络拓扑结构发生变化，就触发转移因子矩阵重新计算，得出一个与运行电网相匹配的新的转移因子矩阵。对于转移因子矩阵中的第i列元素，其计算公式如下：式中：Y发生支路切除事件的潮
71、流转移等值网络的支路导纳矩阵；A潮流转移等值网络的关联矩阵；发生支路i切除事件的潮流转移(）的行列式；、中第a行和第b行第列元素的代数余子式；a、b支路i的关联节点所对应的节点编号。等值网络的节点导纳矩阵采用频率50Hz、电压230kV的3机9节点电网进行仿真仿真分析仿真分析仿真分析仿真分析根据网络的参数和拓扑结构，可以计算出网络的转移因子矩阵如下：仿真分析仿真分析假定第50周期时图中支路2出口处发生三相短路并在5个周期后支路被切除，故障后各支路电流分布及估算的潮流转移结果如下表所示。由表可看出，在故障切除后的网络中，电流最大的2条支路分别是支路1和支路3，其中支路3的电流最大。仿真分析仿真分
72、析支路1和支路3的电流变化情况如下图所示支路1电流变化情况支路3电流变化情况式中的取值可选为30%。支路2的故障切除后，支路3的电流峰值出现在125周期，大小为347.39A。此时，支路3在母线7侧的视在阻抗为392.77，已经进入了距离段的动作范围，广域保护装置将启动潮流转移识别程序，根据判据有。可见，计算结果满足潮流转移判据条件，因此，广域保护装置将发出闭锁信号，从而避免了支路因潮流转移引起的误切除。仿真分析仿真分析利用同步相量信息的保护电流差动保护算法通过计算被保护元件各端电流差动值来判断是否发生了内部故障，传统电流差动保护只能反映被保护设备内部的故障，广域电流差动保护将保护范围扩至该元
73、件的相邻区域，不仅能为元件提供快速的差动主保护，还可为相邻区域提供动作延时小、选择性好的差动后备保护。广域电流差动后备保护算法20IED的保护区域最大保护单元最小保护单元包括最小保护单元及与最小保护单元相邻的线路和母线包括IED所在的线路和背侧母线实现广域差动保护功能的重要环节是确定任意IED的保护范围。故障发生后IED只与其保护范围内的其它IED交换信息，这些IED构成了被研究IED的关联域。算法的研究算法的研究算法的研究算法的研究在右图的输电系统中，IED安装在断路器处，与断路器一一对应。IED3对应的保护范围和所关联IED如表所示以IED3为研究对象，其保护区域划分为3部分：。算法的研究
74、算法的研究（1）IED3发现故障时首先与对侧的IED4和背侧的IED2交换电流信息，判断故障是否发生在最小保护区内，若是则立即跳开所控制的断路器3。动作分析动作分析（2）若故障发生在线路L2上，但由于各种原因IED3无法获得来自IED4的任何信息，则IED3将与IED5进行差动计算，可判断出故障位于IED3和IED5之间的区域，跳开断路器3和5。同样，若故障发生在母线B上但接收不到IED2的电流信息，则IED3会用IED1处的故障电流代替IED2的电流信息进行差动计算，若满足故障条件则跳开断路器3和1。（3）对保护区域的分析以此类似。算法的研究算法的研究IED3的关联域可用下图所示的“拓扑树”
75、表示。算法的研究算法的研究在广域保护系统中对断路器失灵问题做如下处理：IED发出跳闸命令后监视断路器状态，一旦判断发生断路器失灵，立即向所有相邻IED(保护I区对应的IED)发断路器失灵触发信号，这个信号本质上是跳闸允许信号，接收到断路器失灵触发信号的IED再根据各自测点是否存在故障电流最终确定是否跳闸。此外，IED还应具备向其它IED发送跳闸信息完成远方直跳的功能，接收跳闸信息的对象为与之进行电流差动计算的IED。算法的研究算法的研究IED保护范围的确定和关联域的划分以IED7为研究对象，假设初始状态下所有断路器均处于闭合状态，IED7的保护区域如表所示。以双母线接线方式为例讨论IED关联域
76、的划分方法，结构如下图所示。在结构复杂且结构经常变化的系统中，IED的保护区域和关联域也不断变化，必须确定适合各种条件的IED关联域划分准则。算法的研究算法的研究利用隔离开关的位置状态确定线路与母线的连接关系，并结合基尔霍夫电流定律可纠正隔离开关辅助节点不可靠导致的误判。在确定母线与线路连接关系后，被研究对象IED7与其最小保护范围内其它IED的关系也随之确定下来，如下表所示。对于IED7保护范围内所有其它IED同上表一样列出各自保护I区的保护对象和所关联的IED，利用这些对应关系可方便地搜索出IED7的关联域拓扑树。算法的研究算法的研究为防止发生死循环或无限制的搜索，需设定必要的搜索限制条件
77、：(l)从IED7的角度而言，保护区域边缘的IED，如IED2、IED4、IED16和IED18，其最小保护范围所包括的元件分别为L3、L4、L14和L15，不包括背侧的母线。(2)对于母联处的IED，如IED6、IED14等，其保护I区内关联的IED分别为接在两条母线上的所有IED。(3)为每个搜索过的IED置标志，搜索过的IED不再重复搜索。(4)不以母联开关处的IED为起始搜索点。(5)IED关联域的搜索受断路器位置状态制约，若某IED对应的断路器处于断开状态，则自动停止对该分支的搜索。具体搜索过程如下图所示IED7关联域搜索流程图搜索结果可用下图所示的拓扑树表示 IED7关联域的拓扑树
78、如图是陕西铜川地区220kV电网结构示意图。仿真分析仿真分析仿真分析仿真分析假设以IED12为研究对象，所有断路器的初始状态位均为合位，因此分段母线连接运行，从拓扑上可以认为是一条母线。对包含双母线结构的变电站，根据刀闸辅助节点的位置状态、结合KCL定律，确定出线路和母线的连接关系。在IED12的保护范围中，只有金锁变电站是双母线结构，其它都是简单的单母线结构。因此对IED12而言，只需关心金锁变内的线路和母线连接关系。根据刀闸辅助节点位置状态和KCL定律，经拓扑结构分析可知：在金锁变电站中，初始状态下线路L6、L7和L8接在金锁站母线上运行，L9，L10和L11接在该站母线上运行。仿真分析仿
79、真分析其次需要根据网络拓扑结构确定IED12的最小和最大保护范围所包含的电气元件，如下表所示。仿真分析仿真分析IED12保护范围内各电气元件与IED的对应关系如下表所示。仿真分析仿真分析以IED12为起始点进行搜索，由表所列关系可以搜索到IED12的最小保护范围，包括线路L8和金锁站母线。其中与IED43进行差动电流计算保护线路L8，与IED10、IED11和IED16进行差动电流计算保护金锁站母线。上述IED构成了IED12的第一级关联IED。然后分别以IED43、IED10、IED11和IED16为搜索起始点，根据表所列关系，遵循规定的搜索限制条件，可以搜索到IED12的第二级关联IED分
80、别为IED41、IED42、IED9、IED13和IED1，对应的保护对象分别为铜川站母线、线路L7、线路L6和金锁站的所有母线。重复上述搜索过程，直至上表所列的每个IED均被置搜索标志位。仿真分析仿真分析得到的以IED12为树根的拓扑树如下图所示仿真分析仿真分析动作分析动作分析IED12感受到故障后，根据事先确定好的信息交换方式和交换范围，获取到其它IED的电流信息。根据生成的拓扑树结构，IED12与来自IED43的电流进行差动计算，判断故障是否位于线路L8上，同时与来自IED10、IED11、IED16三处的电流也进行差动计算，判断故障是否位于所在的背侧母线金锁变电站母线上。如果是，停止电
81、流差动计算，所有判断出差动电流越限的IED均向所控制的断路器发跳闸信息，并监视断路器开关状态判断是否发生断路器失灵。如果某断路器发生失灵，则根据断路器失灵保护方案，跳开失灵断路器相邻的所有断路器。如果IED12确定故障不在其最小保护区域内，也将暂停差动电流的计算。仿真分析仿真分析如果IED12经过上述判断过程无法确定故障是否位于最小保护区域内(这种情况的出现可能由于IED拒动或通信系统故障无法获得相关电流信息导致)且故障没有消失，它将根据拓扑树结构，利用第二关联等级IED的电流信息，继续进行差动电流计算以判断故障发生区段。利用第二级关联IED进行差动电流计算可以在第一级关联IED的基础上进行，
82、IED12只需沿着拒动IED所在的分支获取来自该分支下一级关联IED处的电流信息即可，不必再与其它分支上的IED进行差动电流的计算。动作分析动作分析仿真分析仿真分析例如如果故障发生在线路L8上但IED43拒动，IED12能感受到故障，但无法判断故障具体区段。因此IED12利用来自第二关联等级IED的电流信息的时候，只需找到IED43所在分支下一级关联的IEDIED41和IED42，用这两处的电流信息代替IED43的电流信息，与IED12进行电流差动计算。如果工作正常，IED12、IED41和IED42能够判断出故障位于这三个IED围成的区段，即线路L8和铜川变电站母线，并各自发跳闸信息将跳开断
83、路器12、断路器41和断路器43。同样的，如果此时IED41拒动无法为IED12和IED42提供需要的电流信息，将会采用IED39和IED40处的电流信息代替IED41的电流信息。动作分析动作分析利用逻辑量信息的保护广域故障方向比较后备保护广域后备保护专家系统广域故障方向比较后备保护算法21算法的研究算法的研究广域保护系统中每个IED维持一张故障判别表，指示IED和一次设备的对应关系，并收集故障发生时故障相邻区域多个测点的比较故障方向信息，对这些信息进行综合比较，区分出区内和区外故障，确定出故障的具体位置，在主保护没有成功切除故障时采取其它措施跳开相应的断路器，达到在较小范围内快速切除故障的目
84、的。算法的研究算法的研究保护单元的划分广域保护中的IED安装在断路器处，每个IED的保护区域可分为两部分，为电气元件提供快速保护，并为相邻元件提供后备保护。IED的保护区域最大保护单元最小保护单元设定为与最小保护单元相邻的所有线路和母线构成的区域包括IED所在的线路和背侧母线一旦IED，感受到有故障发生，它将与上述范围内的保护IED交换信息，该范围以外的故障认为与lED无关。算法的研究算法的研究对于拓扑结构经常变化的电网，IED的保护范围随网络结构的变化而变化。电网拓扑结构分析可采用搜索法来完成，一般搜索过程可分为以下几个步骤：列出所有运行方式下IED可能包含的最小和最大保护范围；从任意一个I
85、ED出发，通过上述关系表逐级搜索出定义的最小和最大保护范围以及这些范围内对应的IED。列出IED线路对应关系表，根据线路一母线连接关系还可以确定出IED母线关系表；每个变电站都形成一张线路母线连接关系表，它与相邻变电站的线路母线连接关系表一起构成了搜索的依据；以变电站为单位，根据开关位置状态确定线路和母线的连接关系；算法的研究算法的研究以图中IED3为例分析得到下表，每个IED都维持一张如表1所示的故障判别表。算法的研究算法的研究故障的判别算法故障判断结果计算公式首先对IED动作系数AF进行定义故障判据线路功率由母线流向线路为正；母线功率由线路流向母线为正。 表示对被保护对象i对应的故障判断结
86、果；N为被保护对象i各侧IED的数量。表示被保护对象对应的表示故障判断的门槛值，故障判断结果的绝对值；可以根据需要提供保护的范围大小进行调整。定义如下：表示被保护对象i发生了内部故障、各侧IED均正确判断后得到的故障判断结果。如果对应的各侧IED均判断正确，根据以上判据能够判断故障发生在被保护对象i的内部还是外部；如果对应的IED中出现了拒动(AF=0)的情况，可能导致无法明确故障的具体位置，此时需要通过执行一定的保护策略来排除故障。算法的研究算法的研究继电保护策略以上图所示系统为例，以IED3为研究对象，分线路故障时关键IED拒动和母线故障时关键IED拒动两种情况讨论，说明IED拒动时的继电
87、保护策略。1、线路L2故障但IED4拒动。线路L2故障但IED4拒动时IED3内部进行的故障计算和判断结果如下表所示。由故障判据分析下表得到的故障判断结果，可以得出线路L2和母线B3为疑似故障元件的结论。如果我们认为发生线路故障的概率高于母线故障的概率，当线路L2和母线B3同属于疑似故障元件时，先跳开线路L2两侧的开关3和4，此时故障消失，母线B3各侧的开关不会动作。算法的研究算法的研究2、母线B3发生故障但lED4拒动。母线B3发生故障但IED4拒动时在lED4内部进行计算得到的故障判断结果与表1一样，即线路L2和母线B3被认为是疑似故障元件。如果仍然认为发生线路故障的概率高于母线故障的概率
88、，先跳开线路L2两侧的开关3和4，但故障不会消失，这就说明了故障发生在母线B3上，快速跳开母线B3对应的开关5和9切除故障。可以看出虽然这种情况下一开始假设的故障元件是错误的，但从最终的跳闸执行情况看并没有扩大故障切除的范围。发电机容量为800MVA，分别位于母线B1、B4、B5处；母线B2和B3带有功负载均为800MW；线路Ll、L3、L4、L5均为750kV、100km，线路L2为750kV、200km采用分布参数模型。仿真分析仿真分析仿真分析仿真分析线路L2不同短路点发生A相短路时lED1LED10的负序功率方向判据角和动作系数AF。母线B3处发生A相接地短路、AB两相接地短路时IED1
89、LED10的负序功率方向判据角和动作系数AF。 仿真分析仿真分析仿真分析仿真分析下表是在IED3内部维持的一张故障判断表，其它IED也根据各自保护范围的不同，分别维持一张类似的表。最小保护区L2故障时故障计算判断结果如下表所示。从表中可以看出只有线路L2对应的故障判断结果满足判据，所以可以判定故障发生在L2上。故障判据：仿真分析仿真分析最小保护区B2故障时故障计算判断结果如下表所示。从表中可以看出只有母线B2对应的故障判断结果满足判据，所以可以判定故障发生在母线B2上。故障判据：仿真分析仿真分析当最大保护区L4故障时故障计算判断结果如下表所示。从表中可以看出只有母线L4对应的故障判断结果满足判
90、据，所以可以判定故障发生在母线L4上。故障判据：仿真分析仿真分析同理，当最大保护区B3故障时故障计算判断结果如下表所示。从表中可以看出只有母线B3对应的故障判断结果满足判据，所以可以判定故障发生在母线B3上。故障判据：利用逻辑量信息的保护广域故障方向比较后备保护广域后备保护专家系统广域后备保护专家系统22（Back-up Protection Expert System, BPES）方案当BPES监视系统检测到线路故障时，专家决策系统就启动一个推理过程来定位故障并使适当的断路器跳闸。在专家系统中，推理过程要求达到最高水平的解决方案，即第一等级。若达到了这一等级，则可以识别发生故障的设备；如果不
91、能达到第一等级决策，则经一段适当的时间延迟之后，将引发第二等级的决策过程。一般对于第二等级决策，推断引擎推断出故障位于输电网络的一个小区域内，称之为故障影响区域(FaultAffectedRegion,FAR)。推断引擎随后利用动作系数（ActionFactor,AF）来表示FAR的最小值。当FAR到达最小值后，理想情况下为一个独立的设备，推理引擎可以推断出FAR包含有一个故障且对适当的断路器发出跳闸命令，将FAR从电网断开。算法的研究算法的研究实现动作系数（AF）是一个介于-1.0到+1.0之间的数值，其大小表示了包括多个动作单元的保护元件对故障定位过程的贡献。若没有动作的保护元件的动作系数
92、定为0；若故障发生在某一单独设备的正向，则AF+1.0，故障反向，则AF-1；若故障发生在正向且其保护范围包含了多个子设备时，AF的数值在0+1.0之间。表中列出了某些动作元件的动作系数算法的研究算法的研究算法的研究算法的研究一个包含有多个继电器的保护策略的AF值为所有继电器独立的AF值之和。其中:为保护中继电器的数量。输电线某个终端的AF值为位于该终端的所有继电器的AF值之和。其中: k 为输电线终端所包含的所有继电器的数量，包括主保护和后备保护。输电线的AF值为所有与其相联的终端的AF值之和，或者为其保护策略的AF值之和。n与输电线相连的终端数量；m包括主后备保护的用来保护线路的保护策略的
93、数目。BPES的决策规则分为一级和二级决策。一级决策能够识别内部故障，它仅利用故障设备上的信息来使适当的断路器跳闸。算法的研究算法的研究如果，那么线路 规定 1，存在故障。 规定 2如果，那么线路存在故障其中，i是线路保护策略的编号二级决策的优先级别低于一级决策，只有在专家系统不能作出一级决策时才会采用二级决策。二级决策提出了一个故障影响区域（FAR）的概念，它是由动作的保护继电器的保护范围确定的。二级决策将尽量缩小 FAR，有三种方法：1AF值为负的线路将被移出FAR；2若线路没有在动作的第段保护元件的保护范围内，可以被移出FAR；若FAR中的线路多于一条，且这些线路通过中央分段隔离开关在变
94、电站被连接在一起的情况，那么，至少有一条线路可以通过打开中央分段隔离开关来移出FAR。3一级决策能够识别内部故障，定义两条规定来寻找有故障的线路。对一个500kV系统模型进行仿真，系统简化图如下。对线路L4-6在距离母线6约15km处发生金属性和20过渡电阻B相接地故障的情况仿真，获得继电器的动作情况。仿真分析仿真分析仿真分析仿真分析1)线路L4-6B相金属性接地当线路L4-6的B相发生金属性接地故障且其两端的主保护拒动时，系统中各线路两端后备保护动作情况见下表。其中，Z2、Z3、Z3p和Z4分别表示距离段、无偏移段、有偏移段距离保护和反向功率方向保护。标号小的母线为终端1，标号大的母线为终端
95、2。仿真分析仿真分析根据表中列出的动作系数，BPES的决策有以下几种情况：（1）由于线路L4-6两个终端的AF值都大于1/3，所以应用一级决策的规定2即可马上判断为线路L4-6上发生故障，做出如下决策：线路L4-6两端的断路器跳闸，同时向同样检测到故障的L2-3、L2-4、L4-5、L5-6线路的后备保护发送闭锁命令；判定故障线路L4-6两端的主保护拒动。（2）若线路L4-6靠近母线6处的保护完全拒动，即母线6处的终端AF值为0，则一级决策未能实现，需要由二级决策来判定故障线路。此时，L4-6的AF值为0+1/2+1/35/6（有偏移段），或0+1/2+1/1517/30（无偏移段），为正值，
96、而其它所有线路的AF为负值，根据二级决策中将AF为负值的线路移出FAR的原则，仍然判定故障线路为L4-6。（3）若L4-6靠近母线6处的保护完全拒动且L5-6的段和方向元件都不动作，需要由二级决策来判定故障，此时L4-6与L5-6的AF值都为正值。但L4-6的位于母线4处段保护动作，根据二级决策中的原则，若线路没有在动作的第段保护元件的保护范围内，那么此线路不存在故障，此时仍可以得出故障线路为L4-6的结论。（4）需要注意的是，若仅有线路L5-6的方向元件拒动，则可能导致多个断路器跳闸。2） 线路L4-6 B相经20过渡电阻接地当线路L4-6的B相经20过渡电阻接地且其两端的主保护拒动时，分析各条线路的保护动作情况和动作系数。仿真分析仿真分析可以看到，L4-6经20电阻接地短路时，只有L4-5、L4-6和L5-6的段距离保护检测到故障。若方向元件投入使用，则只有L4-6的AF值大于零，可以通过二级决策正确判定故障线路。若方向元件都不动作，则会有与传统后备保护相同的故障切除策略，即L4-5、L4-6和L5-6的段后备保护分别动作，造成多个断路器跳闸。所不同的是，BPES发送跳闸命令前的延时要比传统后备保护小得多，减少了系统运行于故障状态的时间。仿真分析仿真分析
