广域保护综述

　　社会的进步和经济的发展对可靠、稳定、高质量的电力供应提出了越来越高的要求，任何一次停电都可能带来巨额的经济损失，严重影响人们的日常生活。电力工业市场化的逐步推进以及大规模、远距离输电的增加对电力系统安全稳定运行提出了更高的要求。近年来北美以及世界范围内的几次大停电事故让我们认识到：事故的发生并不是因为继电保护和安全自动装置误动作，恰恰相反，他们都能正确动作，仍然不能避免大规模停电事故的发生，其原因就在于保护装置与安全自动装置之间缺乏相应的配合协调，基于本地量的装置难以反映区域电力系统的运行状况。
　　为适应电力系统发展的需要，解决现有保护、控制系统存在的问题，一种基于网络通信、多点信息综合比较判断的广域保护系统（Wide-AreaProtectionSystem,WAPS）近年来受到国内外学者的广泛关注。
　　
　　1广域保护的定义及与传统继电保护区别
　　广域保护可定义为：依赖电力系统多点的信息，对故障进行快速、可靠、精确的切除，同时分析故障切除对系统安全稳定运行的影响，并采取相应的控制措施，可提高输电线可用容量或系统可靠性，同时实现继电保护和自动控制功能的系统。
　　目前提出的广域保护系统可以分为2类：一类是利用广域信息实现安全监视、控制、稳定边界计算及状态估计等功能，其侧重点在广域信息的利用和安全功能的实现；另一类则是利用广域信息完成继电保护功能。
　　广域保护在电网保护控制中是基本定位于传统保护及SCADA／EMS之间的系统保护控制手段，国际大电网会议将广域保护的功能及控制手段等进行了定义，其动作时间范围在100ms～100S之问，如图1所示。
　　传统的继电保护主要集中于元件保护，以线路、母线、变压器、发电机和电动机等为保护对象。传统保护以切除被保护元件内部故障为己任，主要通过开关动作来实现故障隔离。各电力设备的主保护相互独立，不顾及故障元件被切除后，剩余电力系统中的潮流转移引起的后果。比如故障元件被保护装置正确切除或正常元件被保护装置误切除后，由于功率的转移引起相邻电力元件的过载，导致过载保护动作等，这是传统继电保护的固有弊端。广域保护更注重保护整个系统的安全稳定运行，可识别系统的各种运行状态(正常状态、警戒状态等)，通过调节系统的P、Q和各种保护措施，同时实现继电保护和自动控制的功能，其中可能会有本地、远程开关的动作，以避免局部或整个系统大面积停电或崩溃等严重事故的发生，保证电网在故障后仍能保持所需的安全稳定工况。
　　
　　2广域保护系统的组成结构及其功能
　　广域保护系统由相量测量（phasormeasurementunit,PMU）、安全稳定控制装置、厂站安全稳定监控子站、通信线路、电网安全稳定监测与控制主站、网络服务器及资料分析站等组成（见图2），具体功能如下：
　　
　　图2电网广域保护系统的基本构成
　　（1）相量测量装置（PMU）。GPS同步采样记录电压电流相量、功率和开关量动作情况，计算正序电压电流等相量，通过安全稳定监控子站和通信线路将各种数据上送到安装在调度的电网安全稳定监测与控制主机。
　　（2）安全稳定控制装置。在电网故障条件下，安全稳定监控子站根据厂站运行状态，查找预先整定的控制策略表，控制变电站安全稳定控制装置，直接进行切机和切负荷操作；电网频率或电压变化后，安全稳定控制装置自动进行无级（灵活）切机和切负荷控制；也可以由调度人员远方操作，维护电网安全稳定运行。
　　（3）厂站安全稳定监控子站。安全稳定监控子站安装在变电站，向上通过光纤与电网安全稳定监测与控制主机通信，向下通过以太网与相量测量装置及安全稳定控制装置通讯，是发电厂变电站安全稳定监测与控制系统的决策中心和通讯桥梁。可就地实现一些广域保护算法，安全稳定监控子站之间可以相互通讯。
　　（4）电网安全稳定监测与控制主站。电网安全稳定监测与控制主机安装在调度室内，与安全稳定监控子站通讯，获取各种数据，进行广域保护计算，及对多站间的实时功角及各站模拟和开关信号进行在线监测，记录有关数据，并存入数据库。并将实时监测到的电压电流相量和功角传送到EMS系统，供EMS系统进行静态和动态安全稳定分析，并把EMS系统的安全稳定控制命令传达到发电厂变电站的安全稳定控制装置，进行投切机组和负荷控制。
　　（5）网络服务器。中央监控站将各站间的电压电流相量和功角数据存入SQLSERVER数据库的实时表和历史表中。WEBSERVER负责响应用户的请求，从SQLSERVER数据库中获取相应数据并传给用户，使用户可利用浏览器登录网站，实时观测各站间的电压电流相量和功角。同时在数据库中存储动态记录文件并生成索引表。
　　（D）资料分析站。可通过浏览器方便地实时监测多站间的电压电流相量和功角，查看历史功角曲线及记录的动态录波文件的一些信息；同时可利用强大而灵活的分析软件对各种记录的数据进行详尽的分析研究，并打印出报表。
　　
　　3相关技术的发展
　　3.1PMU的出现
　　采用GPS精确定时的PMU的出现给电力系统监测与控制技术的发展带来了革命性的影响。
　　首先，PMU能够为系统中各个节点采集的电压、电流等电气量打上精确时标(误差不大于1μs)，这使得对全网同一时刻的电气量进行精确计算成为可能。其次，PMU能够测量电流、电压相量的角度，因此在理论上，若全网所有节点均装上PMU，则所有的角度变量都将成为已知量。这一方面可以应用于功角不稳定分析，利用直接测量到的各发电机功角，发展快速可靠的新型功角稳定分析方法；另一方面可以大大提高现有状态估计的精度，为动态安全分析等其它应用打下更好的基础。
　　3.2通信系统的发展
　　在目前的电力系统中，除了传统的电缆、微波外，Internet、Ethernet、光纤、卫星等通信方式都得到了不同程度的应用。在这些通信方式中，采用SDH／Sonet、ATM等协议的光纤通信的平均延时仪为几十毫秒，能够为中小规模电力系统的实时应用提供快速、可靠的信息传输。而对于地域非常广阔的超大规模电力系统而言，LEOS也能够提供近似于光纤通信的数据传输性能。这些新型通信方式的应用为广域保护所必需的实时数据传输提供了可能，是实现广域保护的前提。
　　
　　4 广域保护的发展现状
　　由于电网的发展及数次大停电的影响，各国电力工作者都在进行广域保护系统的研究，以下介绍几个已经运行呢或正在开发的系统，它们都是基于稳定控制方面的。
　　(1) 可编程减负荷系统(programmableloadsheddingsystem，PLSS)
　　加拿大的Hydro—Quebec电力公司白行开发的PLSS系统已运行20年，Hydro，Quebec电网是北美覆盖面积最大、最复杂的系统之一，它的主干网由2条735kV的高压走廊组成，分别从西北部的JamesBayHydroelectricComplex(15GW)、东北部的Churchil1．Falls(5．6GW)和Manic—OutardesComplex(8．1GW)向南方送电，线路距离超过1000km。2000年底，Hydro—Quebec电网投运了一套自称是世界上第一个类似规模的广域保护系统，以满足NPCC(NortheastPowerCoordinatingCouncil)的电网需求，它包括严重扰动子系统(extremecontingenciesdetectionsystems，ECDS)、远程系统减负荷子系统(remoteloadsheddingsystems，RLSS)、发电机切除子系统(generatorrejectionsystems，GRS)、PLSS系统。
　　（2）安全稳定和电压控制系统（wide-areastabilityandvoltagecontrolsystem,WACS）
　　WACS系统是由美国BPA、CiberInc．以及华盛顿州立大学共同研制开发的，目前已经进入了离线运行
　　阶段。WACS系统有Vmag与vmagQ两套算法。其中：Vmag通过由PMU采集到的系统中7座变电
　　站中的12个电压值经过加权平均得到电网的运行电压，然后根据得到的值确定相应的切机、切负荷、串／并联电容无功补偿投切等控制方法来改善系统的功角稳定性及系统阻尼；VmagQ在Vmag的基础上增加了15个发电机的无功功率值，同样加权平均后根据得到的值确定相应的控制策略。
　　（3）DRS(Drucktasten—RelaisstellwerkSiemens)系统。
　　DRS系统在法国EDF电力公司已运行了15年，它将法国电网分成19个区域，在每个区域间联络线的两端配备失步继电器，当某2个区域间的失步继电器检测到区域问振荡时即跳开联络线，将这2个区域解列。
　　(4)Syclopes系统。Syclopes系统是为了弥补DRS系统的不足而设计的，与DRS系统相比它有如下改进：
　　1)利用PMU检测区域间的功角不稳定。
　　2)检测到的数据由控制中心统一处理。
　　3)各联络线间的失步继电器由控制中心统一
　　发布跳闸命令，以保证各继电器同时跳闸。
　　4)切机、切负荷由控制中心统一管理，以保证切机、切负荷的同时性。
　　现有的广域保护系统都是采集系统实时数据与预先计算好的方案进行对比，若两者相符则执行某种设定好的控制，因而存在配置不灵活等缺点。未来采用的广域保护系统应克服这种弱点，使用实时数据通过计算得到控制策略。
　　
　　5 结语
　　广域保护能有效地遏制日益频发的大规模电力系统连锁故障，提高系统的稳定性，提高现有输电网络的利用率，是未来系统保护的发展方向。目前，各国电力工作者都在致力于这方面的研究，并取得了很多成果。但目前大多数论文进行的只是概念性的讨论，对于许多具体问题如系统结构、通信网络配置等方面并没有进行详细深入的分析，尚未形成完整的理论体系。
　　
　　参考文献
　　[1] 阳世荣.基于电网广域测量信息的广域保护研究[D]华中科技大学,2006
　　
　　[2]游燕;张晔;随慧斌;路金川;基于PMU的广域保护系统山东电力技术2005年03期
　　[3]杨丹.高压输电线路广域后备保护及其通信的研究[D]华中科技大学,2006.
　　[4]] 张作鹏.同步向量测量单元优化配置算法研究[D]重庆大学,2007