邵寶珠,王優(yōu)胤,宋 丹

（1.東北電力科學(xué)研究院有限公司,遼寧 沈陽 110006; 2.華北電力大學(xué),河北 保定 071003;3.東北電網(wǎng)有限公司,遼寧 沈陽 110181）

智能電網(wǎng)是當(dāng)今世界電力系統(tǒng)發(fā)展變革的最新動向,被認(rèn)為是21世紀(jì)電力系統(tǒng)重大科技創(chuàng)新和發(fā)展趨勢。作為全球最大的公用事業(yè)企業(yè),國家電網(wǎng)公司根據(jù)我國特高壓電網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃,結(jié)合大力發(fā)展風(fēng)電等清潔新能源政策,充分考慮世界電網(wǎng)發(fā)展新趨勢及我國電網(wǎng)現(xiàn)狀,提出了建設(shè)以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅強(qiáng)電網(wǎng)為基礎(chǔ),利用先進(jìn)的通信、信息和控制技術(shù),構(gòu)建以信息化、自動化、數(shù)字化、互動化為特征的自主創(chuàng)新、國際領(lǐng)先的堅強(qiáng)智能電網(wǎng)的戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo);形成了“一個目標(biāo)、兩條主線、三個階段、四個體系、五項內(nèi)涵、六個應(yīng)用環(huán)節(jié)”的發(fā)展戰(zhàn)略框架;制定了從發(fā)電到用戶各應(yīng)用環(huán)節(jié)和通信信息平臺的發(fā)展路線;明確了總體發(fā)展目標(biāo)、分階段建設(shè)目標(biāo)和重點(diǎn)工程,并對社會綜合經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了初步分析評估。

智能電網(wǎng)將極大地改變傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的形態(tài),電子式互感器、數(shù)字化變電站技術(shù)、廣域測量技術(shù)、交直流靈活輸電及控制技術(shù)的大量應(yīng)用,必然對電力系統(tǒng)繼電保護(hù)帶來影響。

1 智能電網(wǎng)的定義和特點(diǎn)

盡管各國專家針對提高電網(wǎng)智能化水平及等級已經(jīng)達(dá)成共識,但是,智能電網(wǎng)仍處于起步研究階段,尚無明確的定義。由于發(fā)展環(huán)境和驅(qū)動因素不同,各國的電網(wǎng)企業(yè)和組織均以自己的方式理解智能電網(wǎng)。對智能電網(wǎng)進(jìn)行研究和實踐,各國智能電網(wǎng)發(fā)展的思路和重點(diǎn)也各不相同。因此,智能電網(wǎng)的概念處于不斷豐富、發(fā)展階段。

1.1 美國

美國電力科學(xué)研究院定義的智能電網(wǎng)可以描述為以下5個主要特征。

a.自愈性

復(fù)雜的電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)能夠預(yù)測并及時應(yīng)對系統(tǒng)問題以避免或減少故障失電和電壓不穩(wěn)等電力供應(yīng)質(zhì)量問題。

b.安全性

電網(wǎng)可以在自然狀態(tài)和計算機(jī)監(jiān)控狀態(tài)下更安全運(yùn)行,新技術(shù)的應(yīng)用和新設(shè)備的配置能夠更好地識別和應(yīng)對人為破壞及自然侵害。

c.兼容性

電網(wǎng)能夠支持廣泛分散電源的使用。標(biāo)準(zhǔn)化的電力網(wǎng)絡(luò)通信平臺和通信界面接點(diǎn)將使用戶可以就地連接燃料電池、風(fēng)能、生物能等可再生能源發(fā)電及其它分散的電源,并以簡單的“即插即用”方式使用。

d.交互性

用戶可以更好地控制自己的用電設(shè)備、裝置,無論是家庭用戶還是工商業(yè)用戶,電網(wǎng)將與智能建筑物的能源管理系統(tǒng)相連,以幫助用戶管理其能源使用,并減少能耗開銷。

e.高效性

電網(wǎng)將達(dá)到更優(yōu)化的輸配量比,從而減少電力成本。電網(wǎng)的升級將提高輸電網(wǎng)的輸送能力,使輸送容量最優(yōu)化,減少損耗,使最低成本發(fā)電的電源得到最高利用率。同時可以更好地協(xié)調(diào)電力輸送與當(dāng)?shù)刎?fù)荷的匹配、地區(qū)間能源流動與通信傳輸量之間的關(guān)系。

1.2 歐盟

歐盟委員會將智能電網(wǎng)的特性概括為：一是靈活性,滿足用戶對電力的多樣化需求;二是易接入性,保證所有用戶都可接入電網(wǎng),尤其是高效清潔的太陽能、生物能等可再生能源發(fā)電能夠就地入網(wǎng);三是可靠性,提高電力供應(yīng)的可靠性與安全性;四是經(jīng)濟(jì)性,通過改革及競爭調(diào)節(jié)實現(xiàn)最有效的能源管理,提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益。

1.3 我國國家電網(wǎng)公司

國家電網(wǎng)公司對堅強(qiáng)智能電網(wǎng)的基本特征的定義為技術(shù)上體現(xiàn)信息化、數(shù)字化、自動化、互動化;管理上體現(xiàn)集團(tuán)化、集約化、精益化、標(biāo)準(zhǔn)化。信息化是堅強(qiáng)智能電網(wǎng)的實施基礎(chǔ),實現(xiàn)實時及非實時信息的高度集成、共享與利用;數(shù)字化是堅強(qiáng)智能電網(wǎng)的主要實現(xiàn)形式,定量描述電網(wǎng)對象、結(jié)構(gòu)、特性及狀態(tài),實現(xiàn)各類信息的精確高效采集與傳輸;自動化是堅強(qiáng)智能電網(wǎng)的重要實現(xiàn)手段,依靠先進(jìn)的自動控制策略,實現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行控制自動化水平的全面提高與管理水平的全面提升;互動化是堅強(qiáng)智能電網(wǎng)的內(nèi)在要求,實現(xiàn)電源、電網(wǎng)和用戶的友好互動和相互協(xié)調(diào)。堅強(qiáng)可靠、經(jīng)濟(jì)高效、清潔環(huán)保、透明開放、友好互動是堅強(qiáng)智能電網(wǎng)的基本內(nèi)涵。堅強(qiáng)可靠是具有堅強(qiáng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、強(qiáng)大的電力輸送能力和安全可靠的電力供應(yīng)能力;經(jīng)濟(jì)高效是提高電網(wǎng)運(yùn)行和輸送效率,降低運(yùn)營成本,促進(jìn)能源資源和電力資產(chǎn)的高效利用;清潔環(huán)保,促進(jìn)可再生能源開發(fā)和利用,降低能源消耗和污染物排放,提高清潔電能在終端能源消費(fèi)中的比重;透明開放是電網(wǎng)、電源和用戶的信息透明共享,電網(wǎng)無歧視開放;友好互動是實現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行方式的靈活調(diào)整,友好兼容各類電源和用戶接入與退出,促進(jìn)發(fā)電企業(yè)和用戶主動參與電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)節(jié)。

2 智能電網(wǎng)對繼電保護(hù)的影響

智能電網(wǎng)是以物理電網(wǎng)為基礎(chǔ),充分利用先進(jìn)的傳感測量技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、新能源技術(shù),把發(fā)、輸、配、用各環(huán)節(jié)互聯(lián)成一個高度智能化的新型網(wǎng)絡(luò)。作為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定第一道防線的繼電保護(hù),按傳統(tǒng)電網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計和配置不能適應(yīng)于智能電網(wǎng)。智能電網(wǎng)的技術(shù)特點(diǎn)將影響現(xiàn)有繼電保護(hù)的應(yīng)用。

a.數(shù)字化

智能電網(wǎng)的一個重要特征是數(shù)字化,對繼電保護(hù)而言：一是測量手段的數(shù)字化,廣泛采用電子式互感器和數(shù)字接口;二是信息傳輸方式的數(shù)字化,傳統(tǒng)變電站采用的模擬量電纜傳輸和狀態(tài)量電纜傳輸方式將被以光纖為媒介的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字傳輸所代替。

電子式互感器的優(yōu)越性在于其采用光電轉(zhuǎn)換原理進(jìn)行測量,體積小、絕緣性能好。對繼電保護(hù)其最大的優(yōu)勢是傳輸頻帶寬、暫態(tài)性能好,不存在電磁式互感器和電容式電壓互感器等傳統(tǒng)互感器的測量誤差和暫態(tài)特性,能很好地將電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信號傳到二次側(cè)。隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)及智能化儀器、設(shè)備的推廣,傳統(tǒng)的互感器將逐步退出運(yùn)行。

電子式互感器采用網(wǎng)絡(luò)接口,通過網(wǎng)絡(luò)保護(hù)裝置和智能斷路器連接,大大簡化了二次回路接線,易于維護(hù)。

b.網(wǎng)絡(luò)化

近年來基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化變電站建設(shè)逐步鋪開,已出現(xiàn)500 kV全數(shù)字化示范變電站,各網(wǎng)、省公司都在大力推廣數(shù)字化變電站建設(shè)。

數(shù)字化變電站最大的特點(diǎn)是IEC61850采用分布分層的結(jié)構(gòu)體系,面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)統(tǒng)一建模,數(shù)據(jù)自描述,采用抽象通信服務(wù)接口（ACSI）和特殊通信服務(wù)映射（SCSM）技術(shù),實現(xiàn)智能設(shè)備間的互操作能力,面向未來的開放體系結(jié)構(gòu)。

對繼電保護(hù)來說,數(shù)字化變電站的網(wǎng)絡(luò)化帶來了2方面的變革：一是信息獲取,雖然繼電保護(hù)主保護(hù)的功能仍然是“自掃門前雪”,但由于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓蚕硇?可以獲取全站相關(guān)設(shè)備元件的信息（電氣量信息）;二是信息發(fā)送,由于采用帶數(shù)字接口的智能斷路器,跳合閘等控制信號的傳輸方式也由二次電纜改為數(shù)字信號的網(wǎng)絡(luò)傳輸。

c.廣域化

近年來,隨著我國電網(wǎng)信息化進(jìn)程不斷推進(jìn),大多數(shù)網(wǎng)、省公司都在大力推進(jìn)基于PMU的WAMS網(wǎng)絡(luò)建設(shè),繼電保護(hù)信息專用網(wǎng)絡(luò)也已初步建成,將成為智能電網(wǎng)控制的重要環(huán)節(jié)。雖然WAMS網(wǎng)絡(luò)和繼電保護(hù)信息系統(tǒng)建設(shè)的初衷不是為繼電保護(hù)服務(wù),但利用其提供的廣域信息來提高后備保護(hù)的性能、提高安全自動裝置的性能卻值得思考。

d.輸電靈活化

智能電網(wǎng)的一個最大特點(diǎn)就是輸電效率的提高,控制手段的靈活。智能電網(wǎng)中必然大量采用諸如可控串聯(lián)補(bǔ)償裝置、靜止無功補(bǔ)償裝置、電能質(zhì)量控制裝置、統(tǒng)一潮流控制器及STATCOM等交流靈活輸電技術(shù)。另外,我國電網(wǎng)的交直流混合輸電的特征也使電網(wǎng)中非線性可控電力元件數(shù)量大大增加。以電力電子器件的廣泛應(yīng)用為特征的智能電網(wǎng)的故障暫態(tài)過程與僅有同步發(fā)電機(jī)等旋轉(zhuǎn)元件的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)將有顯著的不同。

電網(wǎng)暫態(tài)過程的復(fù)雜性及電網(wǎng)運(yùn)行方式靈活控制造成的多變性,使現(xiàn)有繼電保護(hù)裝置面臨較大考驗。

3 值得關(guān)注的繼電保護(hù)相關(guān)問題

近年來,由于信息技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展,繼電保護(hù)專業(yè)得到了較大的發(fā)展,繼電保護(hù)裝置的可靠性、功能的完善性、操作的方便性及操作界面的人性化等要求已基本滿足。我國繼電保護(hù)在原理上能夠滿足我國電網(wǎng)運(yùn)行的要求。

智能電網(wǎng)的規(guī)劃和發(fā)展改變了電能傳輸?shù)哪承┨攸c(diǎn),信息化和數(shù)字化的特征使智能電網(wǎng)與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)產(chǎn)生了本質(zhì)的差別,作為繼電保護(hù)專業(yè),也需要適應(yīng)其發(fā)展,進(jìn)行相關(guān)的研究工作。

a.利用數(shù)字化提高保護(hù)性能

互感器傳輸性能的提高和互感器故障的減少使繼電保護(hù)不需要再考慮電流互感器飽和、二次回路斷線、二次回路接地等互感器故障問題。電氣量信息傳輸?shù)恼鎸嵭砸矠槔^電保護(hù)裝置性能的提高帶來了便利條件。如何簡化繼電保護(hù)的輔助功能,利用數(shù)字化傳感器提高繼電保護(hù)的整體性能,是未來繼電保護(hù)發(fā)展需要研究的核心問題。

b.網(wǎng)絡(luò)化將改變繼電保護(hù)的配置形態(tài)

基于IEC61850網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化變電站改變了傳統(tǒng)繼電保護(hù)信息獲取和信號發(fā)送的媒介,利用網(wǎng)絡(luò)上共享的站內(nèi)其它相關(guān)電氣元件的信息提高主保護(hù)的性能,利用共享的控制信號網(wǎng)絡(luò)簡化繼電保護(hù)配置,是智能電網(wǎng)中繼電保護(hù)研究的前沿性問題。

網(wǎng)絡(luò)化帶來共享信息的同時,也帶來基于網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)目煽啃院桶踩詥栴}。與傳統(tǒng)二次電纜的傳輸方式不同,控制信號傳輸網(wǎng)絡(luò)的可靠性必須得到保證。數(shù)字化變電站條件下繼電保護(hù)的可靠性問題及如何進(jìn)行保護(hù)配置保證可靠性是網(wǎng)絡(luò)化二次回路的關(guān)鍵問題。

c.提高安全自動裝置性能

PMU和WAMS網(wǎng)絡(luò)為電力系統(tǒng)防御和緊急控制提供廣域信息,能夠利用其已建成的網(wǎng)絡(luò),提高對時間敏感性不強(qiáng)的后備保護(hù)和安全自動裝置的性能,改變現(xiàn)有保護(hù)和安全自動裝置的延時整定原則,使其能夠在某些情況下及時判斷系統(tǒng)故障,采取措施避免大停電等惡性事故的發(fā)生。

d.繼電保護(hù)新原理與新技術(shù)

風(fēng)能、太陽能、生物能等新能源接入的隨機(jī)性,使電網(wǎng)接入安全問題日益受到重視,相應(yīng)的調(diào)度方式在智能電網(wǎng)背景下將更快、更靈活地調(diào)整傳輸方式和潮流方向。以電力電子控制為依托的電網(wǎng)靈活控制方式將改變傳統(tǒng)電網(wǎng)的故障暫態(tài)特征,研究適應(yīng)智能電網(wǎng)靈活控制的繼電保護(hù)新原理與新技術(shù)是智能電網(wǎng)中繼電保護(hù)相關(guān)研究的一個關(guān)鍵問題。

e.在線整定技術(shù)

自適應(yīng)保護(hù)的思想在繼電保護(hù)領(lǐng)域已被廣泛應(yīng)用,限于條件,傳統(tǒng)的自適應(yīng)保護(hù)僅能根據(jù)被保護(hù)線路的運(yùn)行情況對定值進(jìn)行調(diào)整,不能利用全網(wǎng)信息準(zhǔn)確、實時地判斷運(yùn)行方式來調(diào)整定值。智能電網(wǎng)的發(fā)展有望改變這一現(xiàn)狀,從而實現(xiàn)在線整定。

4 結(jié)束語

智能電網(wǎng)的建設(shè)是電力系統(tǒng)的一次重要變革,是電網(wǎng)未來的發(fā)展方向。如今,智能電網(wǎng)的建設(shè)已經(jīng)開始,建設(shè)過程中新技術(shù)和新設(shè)備的應(yīng)用將給繼電保護(hù)專業(yè)領(lǐng)域帶來革命性的變化。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)的推進(jìn),相關(guān)研究的深入,繼電保護(hù)專業(yè)要適應(yīng)電網(wǎng)需求向智能化方向發(fā)展,跟進(jìn)電網(wǎng)建設(shè)步伐,為智能電網(wǎng)建設(shè)提供技術(shù)支持。

[1] 國家電網(wǎng)公司.堅強(qiáng)智能電網(wǎng)綜合研究報告[R].國家電網(wǎng)公司,2009.

[2] 謝 開,劉永奇,朱治中,等.面向未來的智能電網(wǎng)[J].中國電力,2008,41（6）：19-22.

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