廣域繼電保護系統

廣域繼電保護系統是一種對電力領域中繼電保護系統進行最佳化的有效方式。以廣域繼電保護系統在電力系統中所發揮的作用為主要切入點，對這一系統在實際套用中的基本途徑，系統在實際套用過程中所表現出來的技術問題和系統的後備保護措施等問題進行了介紹。

基本介紹

• 中文名：廣域繼電保護系統
• 外文名：Wide-area relay protection system
• 類型：繼電保護系統
• 特點：廣域
• 領域：能源
• 學科：電氣工程

簡介

廣域繼電保護系統在電力領域中的套用，是對繼電保護系統進行最佳化的有效方式。在對這一問題進行探究的過程中。筆者主要以廣域繼電保護系統在電力系統中所發揮的作用為主要切入點，對這一系統在實際套用中的基本途徑，系統在實際套用過程中所表現出來的技術問題和系統的後備保護措施等問題進行了探究。

繼電保護問題是電力系統在實際套用過程中所需要面對的一個重要問題。在傳統的電力系統繼電保護模式下，以離線整定工作為核心的固定定值控制模式是繼電保護工作中的重要方式。隨著我國電網技術的不斷發展，在電網運行方式的變化過程中，固定定值管理模式並不能對繼電保護系統的兼顧選擇性和靈敏性等自身性能進行充分的發揮複雜電網的後備保護問題也成為了電力企業所要面對的一大難題。從信息技術給我國電力系統所帶來的影響來看，廣域信息採集技術的發展，讓廣域繼電保護系統在電力系統中的套用問題成為了學術界較為關注的問題。從高等院校和電力企業對這一技術的研究情況來看，這一系統的研究工作己經取得了一定的階段性成果。

廣域繼電保護的作用

在對廣域繼電保護系統的相關問題進行探究的過程中，我們首先可以對這一系統在電力領域的套用中所發揮的作用進行了解。從這一系統在實際套用中所發揮的作用來看，這一技術對繼電保護系統的信息使用範圍的起到了拓展作用。在實際套用中這一系統可以套用這一系統的變電站的一些數據進行掌控，也可以對這一變電站周邊地的電力設備的數據信息進行套用，這就對繼電保護系統的便捷化發展起到了促進作用。除此以外，由於這一系統在實際套用中套用的是就近有限域信息，這就在一定程度上幫助繼電保護系統減輕了自身的信息處理負擔。

廣域繼電保護的實現途徑

對線上自適應整定技術的套用

線上自適應鎮定技術，主要指的是在事件觸發模式的影響下，電力系統檢測人員從電網運行方式入手，在對保護定值進行實時調整的基礎上，對繼電保護系統的故障靈敏度提供保障的控制技術。在對超高壓輸變電線路進行管理的過程中，管理人員會通過將這一技術套用於零序電流保護系統的方式，為線路提供安全保障。從這一技術的作用原理來看，它是對傳統的固定定值管理模式進行最佳化的一種措施。在這一技術的套用過程中，傳統繼電管理模式在後備保護領域所存在的弊端並沒有得到有效的解決。這一技術在實際套用過程中出現的連續跳閘等問題會對這一系統的有效性的發揮帶來不利的影響。

對故障元件判別原理的套用

在電力領域，故障元件判別原理主要指的是在對故障判別機制進行套用的基礎上，通過信息測量技術的套用，對電網中的故障進行鎖定的判別方式。在這一技術的套用過程中，斷路器對系統故障的解決會起到一定的幫助作用。從這一技術的套用機理開看，簡單的時序配合和簡單的邏輯配合，是讓這一系統對電路的後被保障問題進行最佳化的主要技術。從這一技術在實際套用中的表現來看，這一技術所套用的系統不能對整個電網的實時變化進行分析，這就說明這一技術是建立在有限廣域保護的基礎上的一種套用技術。

廣域繼電保護系統的結構

眾多 對廣域繼電保護決策任務的劃分方法進行了探討，提出了集中式、分散式、分層區域式三種系統結構。集中式保護系統由控制中心進行決策，如圖1所示，控制中心集中決策可

以做到系統全局最優控制，更能體現廣域保護的優勢。但是集中式結構對控制中心設備要求過高，因此必須配置備用的中心設備;而且大量信息的集中處理使得控制中心計算量大，並對通信系統的依賴程度特別高，通信系統的準確性、可靠性、實時性決定著控制中心的分析結果。分散式保護系統由各分散的保護終端SPT進行決策，如圖1所示，各保護終端利用一定範圍內的信息，通過相對簡單的算法和判據，實現可靠、靈敏的系統保護功能。即使某個保護終端決策功能失效，鄰近終端可以作為後備。分散式結構能較好地克服集中式對控制中心設備要求過高的問題。但作為分散式系統的決策單元，保護終端獲得電網信息有限，分析和決策能力有限，因此分散式結構往往不能做到全局最優控制。分層區域式的保護系統由三層構成位於最底層的本地測量單元(Local Measure UnitLMU、位於中問層的區域決策層(Region DecisionUnit RD U)和位於最頂層的系統監控中心(SystemMonitor Center SMC)，如圖1 c所示。LMU是用來採集電網實時信息或同時附帶保護功能的PMUs CPhase Measure Units); RDU完成數據採集以及保護控制功能，實現一個保護分區的系統保護;SMC對本地保護中心進行協調，實現安全防禦計畫。在分層區域式保護系統中，RDU與此區域內LMU通過光纖連線，正常運行時，監測本區域內LMU的運行狀態，在擾動發生後，對LMU上傳信息綜合分析並作出相應的決策。決策作出後，一方面下傳至LMU，執行閉鎖或操作相應的斷路器;另一方面將判斷結果送至SMC } SMC負責實時協調和監控各區域保護系統。分層式系統中保護中心SMC根據下級單元的判斷結果從邏輯上進行故障定位和全局決策，理論上能有效解決集中式廣域保護中心計算量大的弊端，對通訊系統的要求也相應降低。

系統結構主要解決在哪裡決策的問題。分散式結構是把數據分析和決策過程放在分散於系統各處的保護終端上，雖然能夠解決集中式結構對於控制中心要求過高的問題，但是其決策能力有限;集中 式結構是在控制中心集中進行數據分析和控制決策，能夠實現全局最優控制，在通信系統和控制中心分析決策能力能夠達到要求的前提下，集中式結構是優於分散式結構的。集中式結構雖然功能強大，但是隨著電力系統規模的逐漸擴大，保護系統需要的數據採集點增多，數據傳輸距離增長，對通信系統頻寬和計算機運算處理能力提出更高要求。分層式結構結合分散式和集中式結構的優點，把大量原始數據的處理分散在各RDU進行，將大量原始數據傳輸限制在各有限區域之內，RDU把運算結果上傳到保護中心SMC；SMC根據下級單元的判斷結果從邏輯上進行故障定位和全局決策。分層式結構不僅能夠解決集中式控制中心計算量大的問題，其對通信系統的要求也相應降低，而且還能夠從系統角度進行分析和決策，實現全局最優控制，是集中式結構的改進和最佳化，因此分層式結構是目前更為合理的系統結構。

目前廣域繼電保護分層式結構是可以改進的，控制中心SMC除了接收區域保護RDU的判斷結果外，還應當接收LMU中的部分電網信息，全面利用控制中心信息處理決策能力，更好地實現全局最佳化控制。例如在某個區域保護中，可以考慮將區域的邊界點構成一個大差，大差中的信息處理及決策在控制中心進行，而內部的判別結果由下級判定結果上報。此外，筆者認為分層式結構還存在一些問題，比如說RDU和SMC的許可權劃分問題，當RDU的判斷結果與上級SMC的判斷結果不一致時，保護終端應該採用誰的決策結果才更為合理，這也是廣域繼電保護系統結構中值得深入探討的問題。

廣域繼電保護的技術問題

廣域繼電保護系統的故障判別原理

在廣域繼電保護系統的套用過程中，故障元件的機制可以被看作是系統中的一個重要內容。從學者對這一問題的研究情況來看，一些學著認為這一系統中所套用的故障判別原理是對廣域電流差動原理的一種表現。在這一技術的套用過程中，對廣域電流誤差和電容電流的問題的最佳化處理，對這一技術的自身價值的充分發揮，起到了一定的促進作用。還有一些學者認為，這一技術中的故障判別原理涉及到了故障電壓分布原理等故障判別原理。這一系統在實際套用過程中的表現來看，智慧型算法在這一領域中的套用，對廣域信息改善的可靠性的提升，具有一定的促進作用。

廣域繼電保護系統中的其他技術問題

在這技術的套用過程中，信息同步問題、互操作性問題和風險評估問題等問題是系統中存在的主要技術問題。受到我國相關領域的技術現狀的影響，在信息同步問題的處理過程中，我們目前只能通過GPS技術的套用，對這一問題進行解決。IEC61850信息標準的出台，對這一系統的互操作性問題的解決提供了一定的幫助。

廣域繼電保護系統的後備保護措施

在這一系統的套用過程中，廣域信息傳遞所帶來的延時性特點，往往會對系統在實際套用中的安全性構成一定的威脅對此，電網後備保護系統與這一系統之間的融合，是系統的重要後備保護措施。從系統的結構來看，集中式措施、變電站集中式措施是兩種較為可行的措施。

潮流轉移識別

針對傳統後備保護在潮流轉移時誤動而是否應被取消的問題，A. G. Phadke博士指出在變電站發生直流電源掉電並無備用電源時，距離III段仍是最有效的保護手段，不能被完全取消。因此，在現有保護配置下增設基於不同潮流轉移識別算法的過負荷保護一直是研究的熱點。當系統發生潮流轉移時，可通過閉鎖保護跳閘信號，允許被保護設備合理的短時過負荷，在其熱穩定極限到達前切除受端負荷或送端機組來消除或減輕過負荷，達到防比保護誤動繼而引發電網連鎖跳閘的目的。

輸電斷而有功安全性保護算法

根據實時網路拓撲結構與潮流分布建立系統狀態圖，再利用有向圖的鄰接矩陣和路徑矩陣搜尋出電網的並行輸電斷而。該法避免了傳統的潮流計算，為執行安全緊急控制提供了更充足的時間。進一步探討了在輸電斷而確定後，快速計算單一支路斷開時，並行輸電斷而中其他支路有功潮流的方法。但也指出這種方法由於忽略了基態潮流的影響，會造成10%以內的誤差。以線路相關集表示單條支路斷開時，與斷開線路兩端關聯且受有功潮流影響較大的線路集合。利用決策樹理論搜尋線路相關集，進而估算出故障線路斷開後相關線路承受的潮流轉移。

基於潮流轉移因子的過負荷保護算法

與上述方法不同，引入用支路電流關係表達的潮流轉移因子(FTRF)概念，將FTRF矩陣通過離線計算形成。當單一支路斷開時，通過FTRF矩陣中與該支路對應的列元素估算出其他線路的電流，通過估算值與實測值的比較來判斷線路是否出現潮流轉移。通過潮流轉移的虛擬折返過程，推導出系統中出現多支路連鎖切除時轉移因子的快速算法，避免了多次修改FTRF矩陣。並在計及支路切除後的系統機電暫態過程基礎上，對支路電流估算進行校正。利用支路斷開前的節點阻抗矩陣數據，估算雙重支路開斷後的電流分布係數，原理與前述算法類似。

研究的難點和建議

從仿真結果看，以上潮流轉移識別算法的運算時間都能滿足實時緊急控制的要求。但由於支路切除時，系統中發電機、負荷支路的注入電流可能發生變化，再加上FACTS等非線性元件在電網中的廣泛套用，很難保證轉移功率(或電流)與被切除支路的原有功率(或電流)的關係是完全線性的，即算法中基於線性疊加原理的潮流分布係數和轉移因子計算存在一定誤差。因此，潮流轉移識別算法在計算精度上仍需進一步改進。

從另一個角度看，對於輸電線路而言，過負荷狀態與故障狀態的特性相差很大。線路發生不對稱故障時，電流中會出現負序或零序分量;線路發生三相短路時，保護裝置的測量阻抗基本為線路阻抗，而過負荷時基本為負荷阻抗，特性也有較大差別。因此，在現有後備保護算法中，補充防比保護連鎖誤動的輔助判據，可以作為潮流轉移識別的新思路。

基於故障元件識別的廣域後備保護

這裡要首先明確的是:由於廣域信息傳遞存在延時、可靠性及安全性等局限，且現有主保護的正確動作率較高，廣域繼電保護與傳統主保護相比無明顯優勢。因此，將廣域信息引入到後備保護更符合實際。廣域後備保護應與傳統主/後備保護相協調，共同承擔電網“第一道防線”的職責。

廣域後備保護的核心思想在於通過電網中的多點同步測量信息，確定故障元件的具體位置，在相鄰保護之間通過簡單的時序配合來保證保護動作的正確性。目前的研究主要是基於主保護算法的拓展，將方向比較縱聯保護和電流差動保護原理引伸到廣域後備保護中，並結合智慧型算法提高信息的容錯性。廣域後備保護根據所基於的系統結構不同，可分為區域集中式、變電站集中式、分散式3類。而由於系統結構的不同，相同的算法在實現過程中也有所差別。

廣域方向比較縱聯保護

以區域調度中心為後備保護系統中心，通過採集區域內各變電站線路保護裝置的方向判別信息，構建故障方向關聯矩陣，從而快速判斷出故障線路並做出動作決策。網路仿真軟體(NS2)的仿真結果表明主站到子站的端對端通信時延為4.6 ms . 滿足廣域後備保護的通信要求。

採用變電站集中式結構構建廣}P後備保護系統，將母線和變壓器保護也納入系統中通過發電廠的主接線形式和方向元件位置形成關耳矩陣，結合故障方向信息確定具體的故障元件，多通過採集間接相關元件的信息保證算法的容錯性在電網拓撲結構發生變化時，集中式結構的廣域備保護都只需調整關聯矩陣對應的行和列即可與乏適應。

針對集中式結構存在中心站單點失效風險的I}題，提出基於分散式結構的廣域後備保打系統。各斷路器和TA對應的智慧型電子設備(IED)僅完成安裝點的信息採集和運算，而且自行完成古障定位和判斷。算法首先確定各IE D的最小和最尹保護區域，從而保證各IED只與其相關範圍內的類他IED互動信息，並定義動作係數和關聯繫數，再匯過相應判據算出被保護對象是否存在故障。

廣域電流差動保護

採用基於分散式結構的廣域電流差虧保護算法，提出一種基於圖論方法的專家系統，根薪設備狀態信息及拓撲結構，線上確定各設備的主、備保護區。屬同一保護區內的保護裝置相互通信巨可實現差動保護。並可根據網路拓撲結構的變化，睡適應調整保護區。 在此基礎上引入基於}i測和修正自愈策略的保護Agent承擔通信和協調再能。仿真結果證明其在電網連鎖故障發生時，比右統過流保護具有更佳的動作特性。

將基於Agent的後備保護系統建立拍傳統線路保護基礎上，採用常規保護動作信息與以流差動相結合的方法判別故障元件。在廣域後備移護由於通信故障退出時，可與傳統保護相協調實。後備保護功能。在此基礎上對廣域後備移護系統的Agent模型進行了具體分析，提出了在區絡阻塞、Agent故障、斷路器失靈等狀態下系統的維錯策略。並使用電力和通信同步仿真器EPOCHS對廣域後備保護系統進行仿真，該仿真器實現了區絡通信(NS2)和電磁暫態仿真(PSCAD)接口，提震了仿真結果的可信度。

廣域信息容錯性算法

在信息容錯性方而的研究是基於集件決策系統“知曉”何種信息錯誤的基礎上，缺乏對1F息本身正確與否的識別。針對次此問題纂出了基於遺傳算法的故障判別原理，通過構造適F度函式進行選擇、交叉、變異等進化操作，求出最釗解。仿真結果表明在5/32的信息畸變率下保護書能做出正確判別。利用狀態估計辨識不嶸數據原理，採用遞歸量測誤差估計辨識法對不良婁據進行檢測和辨識，與前述算法相比，具有更高的價值。

研究的難點和建議

從保護系統基於的結構模式看，區域集中式、變電站集中式和分散式結構的廣域保護系統各有優勢和缺陷。區域集中式和變電站集中式結構系統的投資較小，集成的信息量更大，可以實現更多的保護功能，同時也存在對決策中心依賴程度高的缺陷。分散式結構的保護系統通信量較少，不存在決策站單點失效的風險，算法更簡單可靠，但也存在對IED性能要求較高，實用化困難的缺點。因此，如何根據電網的實際情況，選擇合適的結構構建系統仍有待研究。

從廣域後備保護系統基於的保護算法看，採用方向比較縱聯保護的最大優點在於對GPS同步對時的要求不高，但如何解決邏輯量傳輸的可靠性及傳統縱聯方向保護所而臨的問題還有待研究。例如:區內(區外)單相接地故障轉區外(區內)異名相單相/兩相接地故障時，方向元件拒動;線路非全相運行，負/零序方向元件退出後，故障時保護拒動;環網中功率分點故障，線路兩側不同方向元件可能同判為正向，導致保護誤動等。採用廣域電流差動保護則可避免考慮上述問題。和前者相比，由於需要多個測量點的電流值而非邏輯值，其對GPS同步對時的要求很高。因此，多站信息的高精度同步問題，是廣域電流差動算法實用化的關鍵。

擺脫傳統保護算法的束縛，研究新的故障快速識別與隔離算法，彌補現有保護原理存在的缺陷，也是值得探索的方向。以兩端電壓/電流相量的同步測量值為基礎，構建複合相量函式進行故障定位。該法與電流差動算法結合套用，可在一定程度上彌補後者受線路分布電容電流影響較大的缺陷。

總結

廣域繼電保護系統在電網保護工作中主要涉及到了後備保護等領域，這一系統與電力系統的安穩保護系統的綜合運用，是對繼電保護系嬌講行價什的重要方向。

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線上自適應整定的研究在20世紀80年代就已開始，其基本思路是:採用事件觸發模式，實時跟蹤電網運行方式的變化，線上調整保護的定值，防比保護失配並提高其靈敏度。基於雙端電氣量的主保護受系統運行方式影響不大，線上自適應整定的重點是後備保護。

系統運行方式的變化主要包括2方而:一是發電機、變壓器、線路等設備的投/退及故障引起的開關跳閘;另一方而是負荷與發電機出力的變化，主要體現在電網潮流量變化。對於常見的各種運行方式，其所對應的定值可離線計算出來並存儲。當該運行方式在實際套用中出現時，直接刷新定值即可。

1計及設備投退的線上自適應整定

電網中發生任意線路開斷時，僅會引起斷開線路相鄰小範圍內其他線路的短路電流水平發生顯著變化，進而影響該區域內線路(或其他設備)保護的靈敏性和選擇性。而遠離斷開線路的其他區域內的線路，短路電流水平變化較小，無需重新整定。因此，確定影響域的大小是減少線上整定計算量、提高定值刷新速度的關鍵。

以支路開斷前後通過保護的短路電流值為指標，提出線路運行方式變化時的影響域劃分方法。在計算短路電流時，採用外網等值來減小節點阻抗矩陣的階數，並通過搜尋電網保護的影響集和函式依賴集，最終確定零序電流保護的影響域。採用視窗法劃分電流保護的影響域，並已在實際電網中套用。

採用改進緊鄰集法，對廠站運行方式變化時的影響域進行劃分。將各廠站等價為連線廠站的一條接地支路，以其阻抗變化表示廠站運行方式的變化。以最大阻抗值到最小阻抗值的變化幅度表示該廠站方式的變化幅度。將大於門檻值的廠站列入影響域中。

通過影響域確定需要刷新定值的保護後，即可對保護進行線上整定計算。由於傳統分支係數的計算存在誤差，採用故障時保護的實際測量值取代離線整定時使用的分支係數，計算相間電流II段定值。採用感受量整定的方法計算接地距離II ,III段定值。這2種基於實測量的整定方法準確性更高，並提高了保護的靈敏性。

2計及負荷變化的線上自適應整定

由於線上整定計算中計及了負荷潮流的變化，使防比潮流轉移時遠後備保護誤動成為可能。根據系統當前運行方式下的負荷功率及線路電壓值和功率因數，對相間距離III段進行線上整定。由於母線電壓不變時，負荷功率與阻抗成反比，因而在電網發生潮流轉移時，可防i h:距離III段誤動。

3電網黑啟動過程中的線上自適應整定

在系統發生大停電後的黑啟動過程中，其運行方式的變化已遠超出離線整定考慮的限度，因而線上自適應整定計算更顯得重要。將與電網黑啟動過程對應的整定計算分為3步，從片區電網整定動態刷新到全網正常運行整定。進一步提出在電網黑啟動初期，單電源運行方式下零序電流保護、距離保護及縱聯保護的整定方法。現有 對電網黑啟動過程中的整定計算仍處於初步探討階段。

1.4研究的難點和建議

線上自適應整定的研究時間較長，但實用化程度一直不高，其根本原因在於現有的線上整定算法未能從根本上克服傳統後備保護整定配合複雜、計算量大的缺陷。其算法本身仍存在以下缺陷:

a.系統運行方式的改變對距離保護和零序電流保護的影響不同，現有算法還只能確定單一元件投/退時的影響域劃分準則，完善的保護影響域線上劃分算法仍有待研究;

b.在電網黑啟動過程中，如何根據電網的恢復情況，研究快速獲取保護新的最小斷點集算法，並進行合理的實時整定也仍有待探索。

在當前電網強化主保護、簡化後備保護的指導思想下，應利用廣域量測信息，進一步完善線上自適應整定算法，簡化整定配合程式，提高算法的實用性。

展望

從已完成的工作看，廣域繼電保護還處於初步理論研究和探討階段，研究內容雖涉及而廣，並已取得一定成果，但仍局限於某些特定問題的解決，尚缺乏總體的規劃和把握。

實際上，隨著廣域同步測量(WAMS)和數位化變電站技術的套用，繼電保護可利用的信息資源和通信條件都發生了根本性的變化，從而引發繼電保護在配置、原理、整定以及實現技術等方而的重大變革。筆者認為，有必要從全局角度出發，對廣域繼電保護從理論和實現技術等方而開展系統的研究工作。

基於故障元件識別的廣域後備保護對大範圍潮流轉移引發的連鎖誤動具有較好的防禦能力，和線上自適應整定、潮流轉移識別算法相比，在實現方法上更為簡單可靠，從根本上克服了傳統後備保護整定配合複雜的問題。由華中科技大學和北京四方繼保公司分別研發的實驗裝置也已在河南省和廣東省投入運行，邁出了實用化的第一步。因此，建議以廣域後備保護為基礎，構建我國而向智慧型電網的廣域繼電保護系統。在此，對廣域繼電保護的研究方向提出一些建議。