[科普中国]-广域继电保护系统

简介

广域继电保护系统在电力领域中的应用，是对继电保护系统进行优化的有效方式。在对这一问题进行探究的过程中。笔者主要以广域继电保护系统在电力系统中所发挥的作用为主要切入点，对这一系统在实际应用中的基本途径，系统在实际应用过程中所表现出来的技术问题和系统的后备保护措施等问题进行了探究。

继电保护问题是电力系统在实际应用过程中所需要面对的一个重要问题。在传统的电力系统继电保护模式下，以离线整定工作为核心的固定定值控制模式是继电保护工作中的重要方式。随着我国电网技术的不断发展，在电网运行方式的变化过程中，固定定值管理模式并不能对继电保护系统的兼顾选择性和灵敏性等自身性能进行充分的发挥复杂电网的后备保护问题也成为了电力企业所要面对的一大难题。从信息技术给我国电力系统所带来的影响来看，广域信息采集技术的发展，让广域继电保护系统在电力系统中的应用问题成为了学术界较为关注的问题。从高等院校和电力企业对这一技术的研究情况来看，这一系统的研究工作己经取得了一定的阶段性成果。

广域继电保护的作用在对广域继电保护系统的相关问题进行探究的过程中，我们首先可以对这一系统在电力领域的应用中所发挥的作用进行了解。从这一系统在实际应用中所发挥的作用来看，这一技术对继电保护系统的信息使用范围的起到了拓展作用。在实际应用中这一系统可以应用这一系统的变电站的一些数据进行掌控，也可以对这一变电站周边地的电力设备的数据信息进行应用，这就对继电保护系统的便捷化发展起到了促进作用。除此以外，由于这一系统在实际应用中应用的是就近有限域信息，这就在一定程度上帮助继电保护系统减轻了自身的信息处理负担。

广域继电保护的实现途径对在线自适应整定技术的应用在线自适应镇定技术，主要指的是在事件触发模式的影响下，电力系统检测人员从电网运行方式入手，在对保护定值进行实时调整的基础上，对继电保护系统的故障灵敏度提供保障的控制技术。在对超高压输变电线路进行管理的过程中，管理人员会通过将这一技术应用于零序电流保护系统的方式，为线路提供安全保障。从这一技术的作用原理来看，它是对传统的固定定值管理模式进行优化的一种措施。在这一技术的应用过程中，传统继电管理模式在后备保护领域所存在的弊端并没有得到有效的解决。这一技术在实际应用过程中出现的连续跳闸等问题会对这一系统的有效性的发挥带来不利的影响2。

对故障元件判别原理的应用在电力领域，故障元件判别原理主要指的是在对故障判别机制进行应用的基础上，通过信息测量技术的应用，对电网中的故障进行锁定的判别方式。在这一技术的应用过程中，断路器对系统故障的解决会起到一定的帮助作用。从这一技术的应用机理开看，简单的时序配合和简单的逻辑配合，是让这一系统对电路的后被保障问题进行优化的主要技术。从这一技术在实际应用中的表现来看，这一技术所应用的系统不能对整个电网的实时变化进行分析，这就说明这一技术是建立在有限广域保护的基础上的一种应用技术。

广域继电保护系统的结构众多 对广域继电保护决策任务的划分方法进行了探讨，提出了集中式、分散式、分层区域式三种系统结构。集中式保护系统由控制中心进行决策，如图1所示，控制中心集中决策可

以做到系统全局最优控制，更能体现广域保护的优势。但是集中式结构对控制中心设备要求过高，因此必须配置备用的中心设备;而且大量信息的集中处理使得控制中心计算量大，并对通信系统的依赖程度特别高，通信系统的准确性、可靠性、实时性决定着控制中心的分析结果。分散式保护系统由各分散的保护终端SPT进行决策，如图1所示，各保护终端利用一定范围内的信息，通过相对简单的算法和判据，实现可靠、灵敏的系统保护功能。即使某个保护终端决策功能失效，邻近终端可以作为后备。分散式结构能较好地克服集中式对控制中心设备要求过高的问题。但作为分散式系统的决策单元，保护终端获得电网信息有限，分析和决策能力有限，因此分散式结构往往不能做到全局最优控制。分层区域式的保护系统由三层构成位于最底层的本地测量单元(Local Measure UnitLMU、位于中问层的区域决策层(Region DecisionUnit RD U)和位于最顶层的系统监控中心(SystemMonitor Center SMC)，如图1 c所示。LMU是用来采集电网实时信息或同时附带保护功能的PMUs CPhase Measure Units); RDU完成数据采集以及保护控制功能，实现一个保护分区的系统保护;SMC对本地保护中心进行协调，实现安全防御计划。在分层区域式保护系统中，RDU与此区域内LMU通过光纤连接，正常运行时，监测本区域内LMU的运行状态，在扰动发生后，对LMU上传信息综合分析并作出相应的决策。决策作出后，一方面下传至LMU，执行闭锁或操作相应的断路器;另一方面将判断结果送至SMC } SMC负责实时协调和监控各区域保护系统。分层式系统中保护中心SMC根据下级单元的判断结果从逻辑上进行故障定位和全局决策，理论上能有效解决集中式广域保护中心计算量大的弊端，对通讯系统的要求也相应降低。

系统结构主要解决在哪里决策的问题。分散式结构是把数据分析和决策过程放在分散于系统各处的保护终端上，虽然能够解决集中式结构对于控制中心要求过高的问题，但是其决策能力有限;集中 式结构是在控制中心集中进行数据分析和控制决策，能够实现全局最优控制，在通信系统和控制中心分析决策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。集中式结构虽然功能强大，但是随着电力系统规模的逐渐扩大，保护系统需要的数据采集点增多，数据传输距离增长，对通信系统带宽和计算机运算处理能力提出更高要求。分层式结构结合分散式和集中式结构的优点，把大量原始数据的处理分散在各RDU进行，将大量原始数据传输限制在各有限区域之内，RDU把运算结果上传到保护中心SMC；SMC根据下级单元的判断结果从逻辑上进行故障定位和全局决策。分层式结构不仅能够解决集中式控制中心计算量大的问题，其对通信系统的要求也相应降低，而且还能够从系统角度进行分析和决策，实现全局最优控制，是集中式结构的改进和优化，因此分层式结构是目前更为合理的系统结构。

目前广域继电保护分层式结构是可以改进的，控制中心SMC除了接收区域保护RDU的判断结果外，还应当接收LMU中的部分电网信息，全面利用控制中心信息处理决策能力，更好地实现全局优化控制。例如在某个区域保护中，可以考虑将区域的边界点构成一个大差，大差中的信息处理及决策在控制中心进行，而内部的判别结果由下级判定结果上报。此外，笔者认为分层式结构还存在一些问题，比如说RDU和SMC的权限划分问题，当RDU的判断结果与上级SMC的判断结果不一致时，保护终端应该采用谁的决策结果才更为合理，这也是广域继电保护系统结构中值得深入探讨的问题。

广域继电保护的技术问题广域继电保护系统的故障判别原理在广域继电保护系统的应用过程中，故障元件的机制可以被看作是系统中的一个重要内容。从学者对这一问题的研究情况来看，一些学着认为这一系统中所应用的故障判别原理是对广域电流差动原理的一种表现。在这一技术的应用过程中，对广域电流误差和电容电流的问题的优化处理，对这一技术的自身价值的充分发挥，起到了一定的促进作用。还有一些学者认为，这一技术中的故障判别原理涉及到了故障电压分布原理等故障判别原理。这一系统在实际应用过程中的表现来看，智能算法在这一领域中的应用，对广域信息改善的可靠性的提升，具有一定的促进作用3。

广域继电保护系统中的其他技术问题在这技术的应用过程中，信息同步问题、互操作性问题和风险评估问题等问题是系统中存在的主要技术问题。受到我国相关领域的技术现状的影响，在信息同步问题的处理过程中，我们目前只能通过GPS技术的应用，对这一问题进行解决。IEC61850信息标准的出台，对这一系统的互操作性问题的解决提供了一定的帮助。

广域继电保护系统的后备保护措施在这一系统的应用过程中，广域信息传递所带来的延时性特点，往往会对系统在实际应用中的安全性构成一定的威胁对此，电网后备保护系统与这一系统之间的融合，是系统的重要后备保护措施。从系统的结构来看，集中式措施、变电站集中式措施是两种较为可行的措施。

潮流转移识别针对传统后备保护在潮流转移时误动而是否应被取消的问题，A. G. Phadke博士指出在变电站发生直流电源掉电并无备用电源时，距离III段仍是最有效的保护手段，不能被完全取消。因此，在现有保护配置下增设基于不同潮流转移识别算法的过负荷保护一直是研究的热点。当系统发生潮流转移时，可通过闭锁保护跳闸信号，允许被保护设备合理的短时过负荷，在其热稳定极限到达前切除受端负荷或送端机组来消除或减轻过负荷，达到防比保护误动继而引发电网连锁跳闸的目的。

输电断而有功安全性保护算法根据实时网络拓扑结构与潮流分布建立系统状态图，再利用有向图的邻接矩阵和路径矩阵搜索出电网的并行输电断而。该法避免了传统的潮流计算，为执行安全紧急控制提供了更充足的时间。进一步探讨了在输电断而确定后，快速计算单一支路断开时，并行输电断而中其他支路有功潮流的方法。但也指出这种方法由于忽略了基态潮流的影响，会造成10%以内的误差。以线路相关集表示单条支路断开时，与断开线路两端关联且受有功潮流影响较大的线路集合。利用决策树理论搜索线路相关集，进而估算出故障线路断开后相关线路承受的潮流转移。

基于潮流转移因子的过负荷保护算法与上述方法不同，引入用支路电流关系表达的潮流转移因子(FTRF)概念，将FTRF矩阵通过离线计算形成。当单一支路断开时，通过FTRF矩阵中与该支路对应的列元素估算出其他线路的电流，通过估算值与实测值的比较来判断线路是否出现潮流转移。通过潮流转移的虚拟折返过程，推导出系统中出现多支路连锁切除时转移因子的快速算法，避免了多次修改FTRF矩阵。并在计及支路切除后的系统机电暂态过程基础上，对支路电流估算进行校正。利用支路断开前的节点阻抗矩阵数据，估算双重支路开断后的电流分布系数，原理与前述算法类似。

研究的难点和建议从仿真结果看，以上潮流转移识别算法的运算时间都能满足实时紧急控制的要求。但由于支路切除时，系统中发电机、负荷支路的注入电流可能发生变化，再加上FACTS等非线性元件在电网中的广泛应用，很难保证转移功率(或电流)与被切除支路的原有功率(或电流)的关系是完全线性的，即算法中基于线性叠加原理的潮流分布系数和转移因子计算存在一定误差。因此，潮流转移识别算法在计算精度上仍需进一步改进。

从另一个角度看，对于输电线路而言，过负荷状态与故障状态的特性相差很大。线路发生不对称故障时，电流中会出现负序或零序分量;线路发生三相短路时，保护装置的测量阻抗基本为线路阻抗，而过负荷时基本为负荷阻抗，特性也有较大差别。因此，在现有后备保护算法中，补充防比保护连锁误动的辅助判据，可以作为潮流转移识别的新思路。

基于故障元件识别的广域后备保护这里要首先明确的是:由于广域信息传递存在延时、可靠性及安全性等局限，且现有主保护的正确动作率较高，广域继电保护与传统主保护相比无明显优势。因此，将广域信息引入到后备保护更符合实际。广域后备保护应与传统主/后备保护相协调，共同承担电网“第一道防线”的职责。

广域后备保护的核心思想在于通过电网中的多点同步测量信息，确定故障元件的具体位置，在相邻保护之间通过简单的时序配合来保证保护动作的正确性。目前的研究主要是基于主保护算法的拓展，将方向比较纵联保护和电流差动保护原理引伸到广域后备保护中，并结合智能算法提高信息的容错性。广域后备保护根据所基于的系统结构不同，可分为区域集中式、变电站集中式、分布式3类。而由于系统结构的不同，相同的算法在实现过程中也有所差别。

广域方向比较纵联保护以区域调度中心为后备保护系统中心，通过采集区域内各变电站线路保护装置的方向判别信息，构建故障方向关联矩阵，从而快速判断出故障线路并做出动作决策。网络仿真软件(NS2)的仿真结果表明主站到子站的端对端通信时延为4.6 ms . 满足广域后备保护的通信要求。

采用变电站集中式结构构建广}P后备保护系统，将母线和变压器保护也纳入系统中通过发电厂的主接线形式和方向元件位置形成关耳矩阵，结合故障方向信息确定具体的故障元件，多通过采集间接相关元件的信息保证算法的容错性在电网拓扑结构发生变化时，集中式结构的广域备保护都只需调整关联矩阵对应的行和列即可与乏适应。

针对集中式结构存在中心站单点失效风险的I}题，提出基于分布式结构的广域后备保打系统。各断路器和TA对应的智能电子设备(IED)仅完成安装点的信息采集和运算，而且自行完成古障定位和判断。算法首先确定各IE D的最小和最尹保护区域，从而保证各IED只与其相关范围内的类他IED交互信息，并定义动作系数和关联系数，再汇过相应判据算出被保护对象是否存在故障。

广域电流差动保护采用基于分布式结构的广域电流差亏保护算法，提出一种基于图论方法的专家系统，根薪设备状态信息及拓扑结构，在线确定各设备的主、备保护区。属同一保护区内的保护装置相互通信巨可实现差动保护。并可根据网络拓扑结构的变化，睡适应调整保护区。 在此基础上引入基于}i测和修正自愈策略的保护Agent承担通信和协调再能。仿真结果证明其在电网连锁故障发生时，比右统过流保护具有更佳的动作特性。

将基于Agent的后备保护系统建立拍传统线路保护基础上，采用常规保护动作信息与以流差动相结合的方法判别故障元件。在广域后备移护由于通信故障退出时，可与传统保护相协调实。后备保护功能。在此基础上对广域后备移护系统的Agent模型进行了具体分析，提出了在区络阻塞、Agent故障、断路器失灵等状态下系统的维错策略。并使用电力和通信同步仿真器EPOCHS对广域后备保护系统进行仿真，该仿真器实现了区络通信(NS2)和电磁暂态仿真(PSCAD)接口，提震了仿真结果的可信度。

广域信息容错性算法在信息容错性方而的研究是基于集件决策系统“知晓”何种信息错误的基础上，缺乏对1F息本身正确与否的识别。针对次此问题纂出了基于遗传算法的故障判别原理，通过构造适F度函数进行选择、交叉、变异等进化操作，求出最钊解。仿真结果表明在5/32的信息畸变率下保护书能做出正确判别。利用状态估计辨识不嵘数据原理，采用递归量测误差估计辨识法对不良娄据进行检测和辨识，与前述算法相比，具有更高的价值。

研究的难点和建议从保护系统基于的结构模式看，区域集中式、变电站集中式和分布式结构的广域保护系统各有优势和缺陷。区域集中式和变电站集中式结构系统的投资较小，集成的信息量更大，可以实现更多的保护功能，同时也存在对决策中心依赖程度高的缺陷。分布式结构的保护系统通信量较少，不存在决策站单点失效的风险，算法更简单可靠，但也存在对IED性能要求较高，实用化困难的缺点。因此，如何根据电网的实际情况，选择合适的结构构建系统仍有待研究。

从广域后备保护系统基于的保护算法看，采用方向比较纵联保护的最大优点在于对GPS同步对时的要求不高，但如何解决逻辑量传输的可靠性及传统纵联方向保护所而临的问题还有待研究。例如:区内(区外)单相接地故障转区外(区内)异名相单相/两相接地故障时，方向元件拒动;线路非全相运行，负/零序方向元件退出后，故障时保护拒动;环网中功率分点故障，线路两侧不同方向元件可能同判为正向，导致保护误动等。采用广域电流差动保护则可避免考虑上述问题。和前者相比，由于需要多个测量点的电流值而非逻辑值，其对GPS同步对时的要求很高。因此，多站信息的高精度同步问题，是广域电流差动算法实用化的关键。

摆脱传统保护算法的束缚，研究新的故障快速识别与隔离算法，弥补现有保护原理存在的缺陷，也是值得探索的方向。以两端电压/电流相量的同步测量值为基础，构建复合相量函数进行故障定位。该法与电流差动算法结合应用，可在一定程度上弥补后者受线路分布电容电流影响较大的缺陷。

总结广域继电保护系统在电网保护工作中主要涉及到了后备保护等领域，这一系统与电力系统的安稳保护系统的综合运用，是对继电保护系娇讲行价什的重要方向。

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在线自适应整定的研究在20世纪80年代就已开始，其基本思路是:采用事件触发模式，实时跟踪电网运行方式的变化，在线调整保护的定值，防比保护失配并提高其灵敏度。基于双端电气量的主保护受系统运行方式影响不大，在线自适应整定的重点是后备保护。

系统运行方式的变化主要包括2方而:一是发电机、变压器、线路等设备的投/退及故障引起的开关跳闸;另一方而是负荷与发电机出力的变化，主要体现在电网潮流量变化。对于常见的各种运行方式，其所对应的定值可离线计算出来并存储。当该运行方式在实际应用中出现时，直接刷新定值即可。

1计及设备投退的在线自适应整定

电网中发生任意线路开断时，仅会引起断开线路相邻小范围内其他线路的短路电流水平发生显著变化，进而影响该区域内线路(或其他设备)保护的灵敏性和选择性。而远离断开线路的其他区域内的线路，短路电流水平变化较小，无需重新整定。因此，确定影响域的大小是减少在线整定计算量、提高定值刷新速度的关键。

以支路开断前后通过保护的短路电流值为指标，提出线路运行方式变化时的影响域划分方法。在计算短路电流时，采用外网等值来减小节点阻抗矩阵的阶数，并通过搜索电网保护的影响集和函数依赖集，最终确定零序电流保护的影响域。采用窗口法划分电流保护的影响域，并已在实际电网中应用。

采用改进紧邻集法，对厂站运行方式变化时的影响域进行划分。将各厂站等价为连接厂站的一条接地支路，以其阻抗变化表示厂站运行方式的变化。以最大阻抗值到最小阻抗值的变化幅度表示该厂站方式的变化幅度。将大于门槛值的厂站列入影响域中。

通过影响域确定需要刷新定值的保护后，即可对保护进行在线整定计算。由于传统分支系数的计算存在误差，采用故障时保护的实际测量值取代离线整定时使用的分支系数，计算相间电流II段定值。采用感受量整定的方法计算接地距离II ,III段定值。这2种基于实测量的整定方法准确性更高，并提高了保护的灵敏性。

2计及负荷变化的在线自适应整定

由于在线整定计算中计及了负荷潮流的变化，使防比潮流转移时远后备保护误动成为可能。根据系统当前运行方式下的负荷功率及线路电压值和功率因数，对相间距离III段进行在线整定。由于母线电压不变时，负荷功率与阻抗成反比，因而在电网发生潮流转移时，可防i h:距离III段误动。

3电网黑启动过程中的在线自适应整定

在系统发生大停电后的黑启动过程中，其运行方式的变化已远超出离线整定考虑的限度，因而在线自适应整定计算更显得重要。将与电网黑启动过程对应的整定计算分为3步，从片区电网整定动态刷新到全网正常运行整定。进一步提出在电网黑启动初期，单电源运行方式下零序电流保护、距离保护及纵联保护的整定方法。现有 对电网黑启动过程中的整定计算仍处于初步探讨阶段。

1.4研究的难点和建议

在线自适应整定的研究时间较长，但实用化程度一直不高，其根本原因在于现有的在线整定算法未能从根本上克服传统后备保护整定配合复杂、计算量大的缺陷。其算法本身仍存在以下缺陷:

a.系统运行方式的改变对距离保护和零序电流保护的影响不同，现有算法还只能确定单一元件投/退时的影响域划分准则，完善的保护影响域在线划分算法仍有待研究;

b.在电网黑启动过程中，如何根据电网的恢复情况，研究快速获取保护新的最小断点集算法，并进行合理的实时整定也仍有待探索。

在当前电网强化主保护、简化后备保护的指导思想下，应利用广域量测信息，进一步完善在线自适应整定算法，简化整定配合程序，提高算法的实用性。

展望从已完成的工作看，广域继电保护还处于初步理论研究和探讨阶段，研究内容虽涉及而广，并已取得一定成果，但仍局限于某些特定问题的解决，尚缺乏总体的规划和把握。

实际上，随着广域同步测量(WAMS)和数字化变电站技术的应用，继电保护可利用的信息资源和通信条件都发生了根本性的变化，从而引发继电保护在配置、原理、整定以及实现技术等方而的重大变革。笔者认为，有必要从全局角度出发，对广域继电保护从理论和实现技术等方而开展系统的研究工作。

基于故障元件识别的广域后备保护对大范围潮流转移引发的连锁误动具有较好的防御能力，和在线自适应整定、潮流转移识别算法相比，在实现方法上更为简单可靠，从根本上克服了传统后备保护整定配合复杂的问题。由华中科技大学和北京四方继保公司分别研发的实验装置也已在河南省和广东省投入运行，迈出了实用化的第一步。因此，建议以广域后备保护为基础，构建我国而向智能电网的广域继电保护系统。在此，对广域继电保护的研究方向提出一些建议。