新型電力系統保護控制技術架構研究

吳振杰，王源濤，方愉冬，胡 晨，馬 偉，王 彤，王嘉琦

（1. 國網浙江省電力有限公司杭州供電公司，杭州 310009；2. 國網浙江省電力有限公司，杭州 310007；3. 新能源電力系統國家重點實驗室（華北電力大學），北京 102206）

0 引言

隨著“西電東送”“北電南供”戰略的實施，我國電網已成為全球能源資源配置能力最強、新能源裝機規模最大的復雜大電網［1］。高比例、高密度的可再生能源接入，導致電力系統需要在隨機波動的負荷需求與隨機波動的電源之間實現能量的供需平衡，電力系統結構、運行控制方式更為復雜，源、網、荷之間的協調控制成為常態。同時，潮流控制器、靜止無功補償裝置等電力電子設備的規?；闺娋W的動態特性已然發生了本質上的變化［2-3］，我國電網結構復雜、運行控制的難度大，在世界范圍內是罕見的。這對于電網安全穩定運行及保護控制系統提出了更高的要求。

大量電力電子設備接入的交直互聯系統，其故障形態發生根本性變化［4］。2013 年7 月，上海500 kV 交流線路瞬時故障引發葛南、宜華、林楓及復奉4回入滬直流同時故障，對系統造成嚴重沖擊；2015 年9 月，錦蘇直流雙極閉鎖，造成華東電網頻率近10年來首次跌破49.8 Hz?；趥鹘y交流系統形成的保護方法、防御理念、控制技術與交直流互聯電網運行已不相適應，系統安全問題面臨嚴峻挑戰［5-6］。

為了保障電力系統安全穩定運行，在《電力系統安全穩定導則》中，將我國承受大擾動能力的安全穩定標準規定為三級，即保障電力系統安全穩定運行的三道防線。電網基礎相對薄弱時期，三道防線在應對各類電網事故、確保電網安全穩定運行和可靠供電中發揮了重要作用。隨著電網規模越來越大，三道防線之間功能配置相互割裂，未能在空間和時間上形成有機統一的問題逐漸暴露出來［7-8］。立足于系統級，建立保護和控制之間的信息融合及系統機制，優化三道防線的功能和布局成為電網安全穩定運行的重要保障。

本文針對新形勢下的復雜大電網系統性事故的演變過程，在頂層設計方面，提出了電網系統級保護控制技術架構的設計思路，通過優化三道防線的功能和布局，協同保護與控制策略，為有效抑制和阻斷系統性事故的發生和發展，提升大電網的安全防御能力提供理論支持。

1 預防系統性事故發生的繼電保護

繼電保護作為電力系統安全穩定的第一道防線，應有效防止故障擴大。而隨著波動性新能源大規模接入電網，現代電網的運行方式及網絡拓撲隨時可能發生改變，一方面會導致保護選擇性和靈敏性之間的矛盾更加不可調和；另一方面會導致保護的動作時間過長且易受系統振蕩和過負荷影響，使得本應保障電網安全的保護卻對事故的發展起到了推波助瀾的作用，據北美電力可靠性委員會統計：“63%的電力系統事故與繼電保護的不恰當動作有關”［9］。這說明傳統繼電保護僅利用本地信息并依靠定值配合的構成模式，在適應網絡拓撲和運行方式的變化上已經捉襟見肘，定值配合式保護從根本上受到了挑戰。

因此，針對高比例新能源及電力電子設備接入的新型電力系統，研究預防系統性事故發生的新型繼電保護構成模式，將繼電保護僅利用本地信息轉換為利用豐富的故障多元信息，從而提升繼電保護應對特殊、極端故障的能力，具有重要的現實意義。下面分別從主保護和后備保護兩方面探討繼電保護與故障多元信息相結合所帶來的優勢。

1.1 基于故障全過程的主保護

主保護應在保證選擇性的前提下以最快速度切除被保護設備的故障?？紤]到實際運行中故障信息在傳遞過程中受延時和可靠性等局限［10］，主保護應能夠獨立判斷動作與否，無需與其他元件配合。

為充分利用故障中蘊含的豐富電氣量信息，主保護應根據所保護元件的實際情況選擇融合從暫態量、工頻突變量到工頻穩態量等不同時間尺度的故障量信息，挖掘故障信息中所蘊含的故障物理特征，從而實現快速準確的故障全過程保護。其中，基于暫態量信息的保護由于具有響應速度快、包含故障信息豐富的優勢，逐漸成為中外學者的研究熱點［11-12］?；跁簯B量信息的保護又可分為行波保護［12-14］和基于暫態高頻分量的保護［15-16］。

1.2 基于故障多元信息的后備保護

后備保護是指主保護或斷路器拒動時，用來切除故障的保護。傳統的后備保護采用階梯時間配合，由于動作時間較長、保護動作不及時易引發事故擴大。因此，后備保護需突破保護僅利用設備自身信息的限制，構建基于故障多元信息的后備保護，通過充分利用站域和站間交互的故障關聯電氣量、邏輯量信息，解決強依賴定值的問題，提升極端情況下的保護性能，降低系統失穩風險。

基于邏輯量的后備保護方面，文獻［10］在建立系統層間互助機制的基礎上，提出了區域距離保護，通過不同信息域的簡單邏輯計算實現了故障元件的快速識別；文獻［17］利用相鄰變電站的保護信息構建邏輯判據，通過對本地距離Ⅱ段和Ⅲ段的動作時間進行調整，解決了傳統距離保護整定困難的問題；文獻［18-20］基于遺傳算法提出了廣域后備保護的新算法，相比于傳統后備保護具有更高的靈敏性?；谶壿嬯P聯信息的保護充分利用了現有保護的基礎，對通信系統要求低，易于工程實現，具有較高的可靠性和信息容錯能力。

基于電氣量的后備保護方面，文獻［21-23］分別基于故障電流和電壓信息對故障元件進行定位和識別；文獻［24］定義了保護關聯區域的概念，利用關聯區域雙端電流的故障穩態分量計算故障相關因子，能夠利用有限的測量點快速識別故障支路；文獻［25-26］分別利用保護關聯域和潮流轉移因子對系統中的潮流轉移進行識別并對后備保護進行重新整定，避免了后備保護相繼動作引發的連鎖跳閘風險?；陔姎饬筷P聯信息的后備保護，可以充分挖掘電氣量信息中包含的故障特征，以實現故障判別的唯一性和保護的選擇性。

1.3 新型繼電保護構成模式

為提升繼電保護應對特殊、極端故障的能力，分別從主保護和后備保護兩方面提出站域分布式新型保護系統。保護架構如圖1和圖2所示，以變電站為基本單元，MU（合并單元）在一定程度上實現了過程層數據的共享和數字化。站域主機連接GOOSE（面向通用對象變電站事件）網、SV（采樣值）網，集中全站電氣量、邏輯量信息，實現站內各間隔的保護功能，不依賴站間通信系統，保證站內保護的可靠性和快速性。

圖1 站域主保護架構Fig.1 Station-level main protection architecture

圖2 站域后備保護架構Fig.2 Station-level backup protection architecture

本站主機與相鄰變電站主機構成分布式系統，在站間交互邏輯量、電氣量信息，實現信息的融合，進行綜合決策判斷，保證保護的可靠性。站間交互邏輯量信息，相較于交互電氣量信息更簡單、可靠，通過多元邏輯量信息的一致性，可解決后備保護對相鄰設備故障拒動和過負荷誤動的問題；同時借助故障全過程電氣量等多元信息進行故障特征的識別，可提升保護對輕微故障的反應能力。

在交直流混聯電網中，換流變電站內可交互直流系統控制信息與交流系統保護信息，實現保護與控制功能的有機結合，以適應復雜多變的電網結構。

新能源有功功率輸出隨機波動，使得系統運行模式變化較大，對于傳統保護，距離保護Ⅱ段和Ⅲ段整定值易受系統結構和運行模式的影響。如圖3所示，當新能源接入電網時，若距離Ⅱ段下級線路BD較短時，按照可靠性整定可能使保護不滿足靈敏性要求，即在本線路末端時距離Ⅱ段拒動；如在較大出力情況下，測量阻抗增大，可能會造成距離保護Ⅲ段拒動，如圖4所示。

本文所提技術架構，站內的配置方案是將“靈敏距離Ⅱ段”設為線路阻抗的125%，“靈敏距離Ⅲ段”設為線路和下一條相鄰線路阻抗的130%。本線路末端故障時靈敏距離Ⅱ段無延時跳閘，下級線路末端故障時靈敏距離Ⅲ段經一時間間隔跳閘。該方案的優點是Ⅱ段定值能滿足保線路全長的靈敏度要求，Ⅲ段在本線路及其下一級線路故障時都能滿足靈敏度要求。在新能源接入情況下，傳統距離Ⅱ段、Ⅲ段都有可能對其保護元件失去靈敏性，但采用所提方案時，靈敏距離Ⅱ段和Ⅲ段可以滿足靈敏度要求。

由于對保護靈敏度要求的提高，為防止所提保護方案失去選擇性，保護需通過通信系統確定故障范圍，在最小范圍內清除故障，且提升后備保護的動作速度。Ⅱ段、Ⅲ段的保護動作邏輯如圖5所示，Ⅱ段保護與對側的Ⅰ段和Ⅱ段保護協同工作，對側的距離保護不受新能源接入的影響，能準確確定故障位置，近后備保護無延時跳閘；Ⅲ段保護也應滿足選擇性要求且加速動作，近后備保護無延時跳閘。由于有通信時間，近后備保護動作時間稍微落后于主保護動作時間，不會影響主保護正確動作；遠后備保護需躲過本方案的近后備動作時間，應經過一個時延再動作。

圖5 保護動作邏輯Fig.5 Protection action logic

新型電力系統中，電力電子設備增多導致系統的故障承受能力大大下降，對繼電保護的速動性提出了更高要求。傳統后備保護動作時間為秒級，遠后備保護動作時間甚至會長達數秒，不能滿足新型電力系統安全運行的要求。本文提出的新型繼電保護構成模式，通過信息融合技術，使得近后備保護可以無延時跳閘，遠后備保護需經過一個時延后動作。目前工程技術可以達到遠后備保護延時200 ms 動作。因此，本方案大大縮短了后備保護的動作時間，相較于傳統保護可以更好地保護交直流混聯系統的安全穩定運行。

2 自治式系統級保護控制措施

電網在遭受嚴重故障時，如繼電保護拒動或繼電保護正確動作后系統仍將失去穩定，此時應根據具體情況采取切機、切負荷以及系統解列等緊急控制措施以防止故障進一步擴大。

2.1 系統送受端功率不平衡的緊急控制

電力系統不同區域之間的超、特高壓聯絡線因故障被繼電保護切除后，該線路上的潮流將瞬間轉移至其他聯絡線，由此可能引發兩種問題：

1）如其余聯絡線上的潮流達到線路可承受的極限值后仍無法滿足區域間的輸送需求，此時系統送、受端區域將出現功率不平衡，分別表現為功率富余和功率缺額。

2）潮流轉移后部分聯絡線因潮流增大而出現過負荷，如不能及時有效地消除過負荷現象，過負荷保護將切除過負荷線路，造成故障事態的進一步擴大，嚴重時甚至會引發連鎖性跳閘。

上述故障傳播過程發生在繼電保護動作切除故障線路之后和切機、切負荷緊急控制措施動作之前，即介于傳統一、二道防線之間。因此，當系統因聯絡線故障導致送受端出現功率不平衡時，為避免故障事態進一步擴大，應盡快采取控制措施以消除潛在的安全隱患，此時系統送、受端應分別采取切機［27］、切負荷［28］控制措施，當聯絡線中有直流線路時還應合理利用其短時過負荷能力進行緊急功率支援。

2.2 系統能量不平衡的緊急控制

系統遭受到嚴重故障，系統積攢的暫態能量超過系統處于臨界穩定時的臨界能量，僅憑第一道防線無法阻止系統中不同發電機組之間功角相互擺開，系統面臨暫態失穩的風險，應采取切機［29］、切負荷［30］以及直流調制［31-32］等緊急控制措施，也就是電力系統安全穩定的第二道防線。

就電網目前運行現狀而言，故障發生后第二道防線從繼電保護裝置處接收的信息僅包含故障時間和故障元件等有限信息，通過將這些有限信息與離線生成的事故預案相比對來判斷系統當前穩定狀態［8］，第一、二道防線實際上仍處于各司其職的割裂狀態?，F有的繼電保護裝置完全具備把故障時間、故障位置、故障類型、接地電阻等關鍵信息告知第二道防線的能力［33］。如能將上述故障信息有效引入系統暫態判斷和緊急控制中，將有利于減少計算誤差，提高暫態穩定判斷結果的準確性，為控制部門采取切機、切負荷等控制措施提供更加可靠的依據［34］。

2.3 系統失去同步后的解列控制

當電網遇到多重嚴重故障以至于第二道防線仍無法阻止系統失去穩定時，為防止系統性崩潰和大面積停電的發生，需設置失步解列、頻率及電壓緊急控制裝置，即安全穩定的第三道防線。

其中，失步解列控制是當系統發生失步振蕩時，采取解列聯絡線的控制措施，以消除電網的異步運行狀態，防止事故擴大。解列的關鍵要素包括失步振蕩現象識別、解列斷面選擇和解列裝置之間的協調配合等［35-36］。根據所需量測信息的來源，失步解列可分為基于本地量測信息和基于廣域量測信息兩大類。

基于本地量測信息的失步解列通常取某一固定的斷面割集作為解列點，通過離線分析計算，在風險較大、易于解列的失步振蕩中心所在斷面配置解列裝置，其判斷所需的電氣量通常包括視在阻抗Z、測量電壓與電流的阻抗角φ和測量電壓幅值與阻抗角余弦的乘積Ucosφ等［37-40］?；诒镜亓繙y信息的失步解列方法目前已經比較成熟，但該方法應用在日益復雜的互聯大電網時，有策略失配的風險，且不能充分考慮解列后的孤島運行約束，容易引發后續的切機、切負荷等控制，使故障影響進一步擴大。

隨著廣域測量技術的發展，基于廣域量測信息的失步解列方法逐漸成為研究熱點。該方法利用廣域測量裝置實時測得的節點電壓、電流大小及相位信息，對系統是否失步進行在線判斷并計算最優解列斷面［41-42］，可以更加準確地判斷系統振蕩中心所在位置，使解列斷面更加合理，但該方法依賴測量數據的準確性和同時性，對算法的實時計算能力也有一定考驗。

3 新型電力系統保護控制技術架構

傳統電力系統保護控制架構下，保護系統和控制系統之間彼此獨立，缺乏有效的信息交互與動作配合，導致系統在遭受嚴重故障后可能出現連鎖跳閘等系統性事故。因此，需要通過變電站內的站域主機將繼電保護處的多元故障信息有效利用到控制系統，實現控制方案的準確決策；同時將控制系統的動作信息傳遞至保護系統，實現控制策略的快速執行。

基于以上背景，提出一種新形勢下大電網系統級保護控制技術架構，如圖6所示。通過構建站域分布式新型保護系統，在站內、站間互傳電氣量與邏輯量信息，實現故障信息的交互融合，保護裝置快速應對斷路器失靈、保護死區等特殊或極端故障，提升繼電保護在預防系統性事故方面的性能。站域主機采集本站的發電機和負荷信息、新能源發電信息、直流線路信息以及繼電保護的多元故障信息，并將信息傳遞至相鄰變電站，結合本站與相鄰站信息，站域主機可實現精準切機、切負荷、直流緊急支援以及系統解列等自治式緊急控制，有效阻斷系統性事故的發生和發展。

圖6 新型電力系統保護控制技術架構Fig.6 The technical architecture for protection and control of new-type power systems

系統級保護控制技術以站域主機為基本單元，實現了站域與站間，保護與控制以三道防線之間的信息傳遞融合，使系統的保護與控制功能同時得到有效提升，對抑制系統性事故發生發展，鞏固大電網安全防御將起到至關重要的作用。

4 仿真分析

為驗證基于信息融合的新型繼電保護工作模式下的保護功能，在電力工業電力系統自動化設備質量檢驗測試中心RTDS（實時數字仿真器）上，基于某區域電網建立仿真系統，包括一座220 kV變電站和下級3座110 kV變電站，如圖7所示，對保護裝置進行了動模試驗。

圖7 新型后備保護仿真系統Fig.7 Simulation system for the novel backup protection

4.1 站域保護

在110 kV 變電站的高壓側母線、變壓器高、中、低壓側以及中、低壓側母線設置單相接地、兩相短路、兩相接地、三相短路以及發展性故障（故障點發生A相金屬性接地故障k（1），0.02 s后發展成AB 兩相金屬性接地故障k（1，1）），對站域保護功能進行驗證，所有保護均正確動作。110 kV 變電站1號變高壓側故障仿真結果如表1所示。

表1 變壓器高壓側故障仿真結果Table 1 Simulation results of faults on HV side in a transformer

4.2 站間保護

在本段線路出口、中間、末端和下級線路出口、中間、末端，分別模擬單相接地、兩相短路、兩相接地、三相短路、高阻接地、發展性故障、斷路器失靈、系統振蕩及振蕩過程中發生故障，對保護功能進行驗證。1號線CB1線路保護的本段出口、末端及下級線路（3號線）短路，同時CB4拒動，仿真結果分別如表2—4 所示。所有線路保護均正確動作，保護Ⅰ段動作時間均在50 ms 以內，退出主保護功能情況下，近端后備保護動作時間均小于100 ms，遠端后備保護動作時間均在500 ms以內，保護功能不受過負荷和系統振蕩影響，有較高耐受過渡電阻能力。其中1號線CB5出口A相接地瞬時故障，故障錄波如圖8所示。

表2 1號線CB1出口故障仿真結果Table 2 Simulation results of faults at outlet CB1 on line 1

表3 1號線CB5出口故障仿真結果Table 3 Simulation results of faults at outlet CB5 on line 1

表4 3號線故障且CB4拒動仿真結果Table 4 Simulation results of faults on line 3 and operation failure of CB4

圖8 1號線CB5出口A相接地故障錄波Fig.8 Waveforms of phase A to ground fault at outlet CB5 on line 1

故障發生后線路1 的CB5 經34.0 ms 由距離保護動作跳閘，經571.7 ms合閘；CB1經54.0 ms由站間保護動作跳閘，經549.1 ms合閘。

為驗證對交直流混聯系統的適應性，將本片區電源變換為直流供電，220 kV 站改為換流站，如圖9所示。故障設置不變，在PSCAD中進行仿真驗證。故障仿真如圖10和圖11所示，保護具有較高的靈敏性，適用于交直流混聯系統，近、遠后備保護均快速正確動作，在交流側故障切除后，直流系統迅速恢復穩定。

圖9 新型后備保護仿真系統（直流接入）Fig.9 Simulation system for the novel backup protection （with DC integrated）

圖10 交直流混聯系統近后備動作錄波Fig.10 Waveforms of local backup protection of hybrid AC/DC system

圖11 交直流混聯系統遠后備動作錄波Fig.11 Waveforms of remote backup protection of hybrid AC/DC system

5 結語

本文針對新形勢下的大電網，研究了預防系統性事故發生的繼電保護功能，提出了新型繼電保護構成模式，構建更加完善的第一道防線，提升繼電保護預防單一事故向系統性事故發展的能力。結合大電網系統性事故的演變過程，優化電網三道防線的功能和布局，通過站域自治-區域協同的方式實現自治式系統保護控制策略，有效阻斷系統性事故發生、發展。分析了站域和站間、保護和控制及三道防線間的信息融合和協同機制，構建電網分布式系統級保護控制技術架構。本文所提技術架構具有以下優勢：

1）站域集中-站間分布式新型保護構成模式將保護功能、通信技術、系統可靠性和工程實現等因素統一考慮，實現了系統的整體優化。

2）新型后備保護可在現有保護基礎上“進化”，既傳承了成熟的保護原理和運維經驗，又可在通信系統或站域主機故障的極端情況下，在保證可靠性的前提下，保留現有保護功能。

3）新型后備保護利用信息冗余判別故障，使保護性能得到全面提升。近后備動作時間小于100 ms，遠后備動作時間小于500 ms，后備保護靈敏度滿足要求，且不受過負荷和系統振蕩影響。

本文僅討論了基于現有保護邏輯信號實現的新型后備保護的方法，構成模式并不限于利用現有保護的邏輯信號，還可利用站域電氣模擬量信息實現故障定位，為基于多元電氣故障信息的保護新原理研究奠定了技術基礎。隨著電力電子設備在電力系統中的廣泛應用，故障特性表現為非線性受控和弱饋特征，這將進一步影響繼電保護的動作性能，因此，在接下來的研究中將加強保護和控制之間的協調和配合。