我國的電網運行存在幾個突出特點:一是發電裝機中以燃煤火電機組為主,發電導致的環境污染問題日益突出;二是能源中心與負荷中心逆向分布;三是配電模式還是以單電源模式為主,電能消費依舊是由電力部門主導。智能化電網的建設,將在電力系統的發、輸、配等環節進行改革,逐步降低一次化石能源在發電系統的占比,積極發展風能、太陽能等綠色能源;同時通過建設超/特高壓輸電網絡,實現電力資源的優化配置;積極推廣多電源配電模式,強化電網的服務職能。為適應智能化電網建設的需要,電網的繼電保護要積極構建更加合理可靠的保護系統,研究適應智能化電網改革需要的繼電保護方法。

1我國智能化電網建設現狀

自從提出電網的智能化改革以來,我國的電網智能化取得了許多成就,特別是在超/特高壓電網的建設及投運、新能源(例如風能)電力的并網運行以及智能化的配用電方面進行了一系列深遠而有意義改革。但是,隨著改革的進一步推進,電網的智能化也面臨著不少的困難和問題,其中主要體現在以下幾方面。

(1)長距離電力輸送系統對電力的安全運行形成挑戰。我國的能源集中地主要是在西部、北部等經濟不發達地區,而經濟發達的東部及南部沿海地區能源明顯不足,這就在客觀上決定了我國必須要建設大量的交直流混合、超/特高壓的輸電網絡。長距離、交直流混合以及超/特高壓輸電網絡成為我國電力輸送的一大特點,而實踐證明,這種大型、互聯的電力系統容易激生由于局部擾動而導致全線故障的隱患,同時,直流輸電會對交直流線路的控制能力以及繼電保護造成不同程度的影響,給電力系統的長期安全運行形成嚴峻挑戰。

(2)新能源電力并網給電網穩定運行帶來挑戰。近幾年,我國加大了新能源電力并網運行的速度,僅就2011年,新能源全年總發電量超過了900億kW/h,大量的新能源電力通過規模化接入電網作為主要的利用方式。而新能源電力具有幾個明顯的特點,即:間歇性、隨機性以及可調度差,這就給電力系統的控制增加了難度,同時,新能源電力系統本身采用的逆變設備等會產生諧波分量以及直流分量,不但會影響原有電能的質量,而且可能會導致電力系統繼電保護裝置的誤動作,嚴重影響電網的穩定、安全運行。

(3)電網和用戶有效互動不足,配電網保護及控制技術還不能滿足智能化的需求。我國傳統的配電模式是單向的電力供應用戶消費,在智能化電網中,要求提升供電質量的同時還需要提高電力資源的運行效率,這就需要將單向的消費模式轉變為雙向互動模式,電網和用戶一起積極采取措施“削峰平谷”,例如鼓勵居民使用節能電器,減少電能使用;鼓勵工廠錯峰生產,提升電力使用效率。隨著大量分布式電源接入,智能化電網將具有用戶反向送電能力,而現有的配電網保護及控制系統還不能滿足這一需求。

2智能化電網改革對電力系統繼電保護的面臨的挑戰

智能化電網改革給電力系統的繼電保護工作帶來新的挑戰,其中主要體現在以下幾點。

(1)超/特高壓互聯大電網對現有的繼電保護提出了更高的要求。大電網故障時暫態過程明顯,同時,電網相互間影響使得故障特性復雜化,繼電保護動作的可靠性、快速性不能有效發揮,在故障狀態轉換時容易導致保護誤動作。因此,大電網對繼電保護系統設備的可靠性、安全性以及電磁兼容能力提出了更高要求。

(2)智能化電網使用的大量新型電力電子設備會導致故障電流的特征和分布發生重大變化,從而影響到繼電保護裝置的判斷力。例如電網中柔性交流輸電系統(FACTS)的安裝位置、運行以及系統參數的調整等都會對電網短路電流特征及分布產生明顯影響;電網中風機類型、控制方法以及故障發生等也會對電網故障電流產生影響,影響到不同時段的繼電保護、選項功能等。

(3)電網繼電保護的需要和智能化電網的控制策略的平衡對繼電保護的有效、可行提出了挑戰。智能化電網是一個復雜系統,其中包括了大量的具有獨特功能系統單元,例如柔性交流輸電系統、直流輸電系統、新能源并網運行系統、電網故障保護系統等,繼電保護需要綜合考慮與各個系統單元的相互平衡以及各個系統單元之間相互協調對平衡關系的影響。

(4)由于傳統后備保護不能消除電網運行方式改變和網絡拓撲帶來的影響,已經成為電力系統安全運行的重大隱患。在實際電網運行中,傳統的后備保護系統存在一些嚴重的問題。例如后備保護系統整定動作復雜、時間較長,不能滿足電力系統穩定的切除時間需求;受制于系統運行方式,難以兼顧保護的選擇性和靈敏性;對區內故障以及故障消除后導致的潮流轉移過負荷區分不清,容易導致連鎖跳閘。

3智能化繼電保護系統的研究重點在智能化電網積極推進的背景下,電力系統的繼電保護需要確定自己的研究重點,以適應電網發展需要,對智能化電網提供全面全過程的安全保障。當前,電力系統的繼電保護需要研究的重點是單元件保護和廣域保護。

(1)單元件保護。單元件保護指的是對電力系統中的單個設備、線路的保護。單元件保護研究的主要內容包括:①發動機的內部短路保護,后備保護中的過激磁、反時限過流保護與機組承受能力的平衡,定、轉子接地保護,失磁、失步保護與電網保護的配合保護等;②變壓器保護主要關注勵磁涌流識別;③交流電路方面注意高阻接地對距離保護的影響,零序互感對交流線路跨線故障的影響等問題。④直流線路保護方面需要研究線路端非線性元件的動態時延以及采樣率限制、過渡電阻對直流線路的影響等。

(2)廣域保護。廣域保護通過高速實時的信息通信,將多點多類型信息接入繼電保護系統,從而顯著提升了繼電保護的動作性能,是對傳統繼電保護配置方式的全面革新,具有廣闊的應用前景。傳統繼電保護系統的信息來源都是被保護設備本身,包括單端量和雙端量,越來越不能適應復雜電網繼電保護的需要。而智能化電網的推廣,為繼電保護信息通信搭建了多通道平臺,從而使得廣域保