广域保护相关技术及其应用综述

广域保护相关技术及其应用综述*肖健，文福拴（华南理工大学电力学院,广东省广州市510640）摘要：环境约束与市场竞争压力导致输电系统的扩展越来越困难，而负荷又不断增加，这些因素使得电力系统越来越接近其极限运行。

另一方面，出于经济方面的考虑，电力系统互联越来越普遍。

这样，发生故障和事故的可能性加大，影响的范围也加大。

为此，电力系统的保护和控制随之变得越来越复杂，也越来越重要。

通信技术和测量技术的不断发展，使得新型的基于广域测量的广域保护技术得到迅速发展。

近年来国际上时有报道的大范围停电事故也引起了电力系统专家和学者对广域保护和控制系统的研究和重视。

本文对广域保护及其相关技术的研究历史、发展现状和应用进行了一个较全面的回顾与综述，并对未来的发展做了展望。

主要从与广域保护密切相关的七个方面着手，对相关文献进行了简要的概括和总结。

关键词：相量测量单元；广域保护；停电事故；隐含故障；综述0引言常规继电保护用于在电力系统发生故障后实现对故障元件的自动和快速切除，以隔离故障、保证人身和设备安全以及无故障部分的正常运行。

故障发生及切除后，往往会对系统产生大的扰动，严重时还会使系统遭受因过载、过/低频，过/低压，系统负荷调整，功率振荡等引起的系统解列，甚至整个系统的崩溃。

2003年8月14日发生的北美大停电事故就是一个典型的例子。

传统的安全自动装置需要在检测到系统产生不正常运行状态后再采取控制措施，但是在某些特殊情况下，如果系统恶化的速度很快，往往在自动装置采取措施之前系统就已经发展成为严重的崩溃事故。

此外，在传统的保护和自动装置中所采用的动作判据都是基于本地测量数据的，因此也就只能保护本地网络，而没有考虑故障对整个网络的冲击作用以实现系统全局的安全稳定运行。

随着电力需求的不断增长、电力市场改革的深化与发展以及电力系统规模的不断扩大，电力系统日渐接近其极限运行，其运行和控制更为复*国家自然科学基金资助项目(50477029);华北电力大学“电力系统保护与动态安全监控教育部重点实验室”开放课题资助杂，发生扰动和故障的可能性更大，后果也更加严重。

这对电力系统安全运行带来了更大的挑战。

与此同时，因为资金和环境的约束以及竞争的压力，输电系统扩展越来越困难。

为此要求更充分地利用现有电力网络资源，这对稳定控制提出了更高的要求。

另一方面，测量技术和计算机及通信技术的快速发展，为建立更完善的保护控制系统提供了有利条件。

基于广域测量的广域保护就是在这种背景下应运而生的。

早在1997年国际上就开展了广域保护的相关研究与讨论，1998年的IEEE国际会议上还专门设置了“广域保护与紧急控制专题”，讨论了使用广域信息完善紧急控制的方法。

此后，ABB公司的Mehmet Kaba等人提出利用广域信息系统实现在线安全评估功能，同时完成继电保护、测量监视和控制等功能[1]。

由于我国的电网结构和运行方式具有一些特殊性，如多为弱联系系统，集中调度，安全第一的调度方式等，到目前为止还未发生过全国性的大停电事故[2]。

现在，国内对广域保护的重视还不够，其研究仍处于刚刚起步的阶段，多数仍停留在对一些概念和系统整体介绍的层面上[1,3-6]。

在国外，相继发生的一些大事故使得广域保护从提出之日起就受到了广泛关注，并且进行了大量的研究和试验工作。

本文按照以下七个方面对广域保护系统及其相关技术的研究做了一个较为全面的回顾和综述：广域保护系统的概念和系统结构，广域测量技术，继电保护系统的隐含故障，广域常规保护，广域稳控系统，通信系统，广域保护应用实例。

1广域保护系统的概念和系统结构目前，对广域保护系统还没有一个公认的定义，一些文献给出了不同的定义。

从总体上讲，广域保护系统可以归结为两类：一类仅涉及故障或扰动后的系统保护[4,7]，另一类进行了扩展，包括了实现故障切除的常规保护功能[1,3]。

但有一点是相同的，那就是都明确指出是以广域测量系统为基础的。

下文中所描述的广域保护系统的定义与后者类似，即：利用广域测量系统的相量测量信息，与传统的常规保护配合实现对故障进行快速、可靠和精确的切除，同时能对切除故障后或经受大扰动的系统进行在线安全分析，必要时采用适当的措施防止系统发生大范围或全系统停电，这种能够同时实现继电保护和自动控制功能的保护系统就称为广域保护系统。

根据不同应用对广域保护系统的不同要求以及各个阶段所掌握的不同技术，其系统结构也有所不同。

目前主要有以下三种系统设计结构[7-9]：（1）改进现有的SCADA/EMS系统对于快速发展的扰动事件，现有的SCADA/EMS系统的问题主要是不能从大量的警报信息中提取出重要信息，也缺少一些重要功能，例如因发电容量缺乏而需进行的负荷卸载量计算。

改进的途径包括提高对重要信息的过滤、显示和分析能力，同时不断增加所缺少的重要功能。

通过在电力系统中引入相量测量单元（Phasor Measurement Units，PMUs），即带有同步信号接受器的传统RTU，能够提供整个网络范围内的同步测量数据，这可以明显改善系统的状态估计功能。

同时也可在SCADA系统中集成一些先进的算法和计算程序来计算紧急情况下的输电容量裕度。

考虑到对现有SCADA/EMS系统扩展新功能的范围是有限的，所以可以考虑按独立模块（stand alone）的方式提供新的功能。

（2）带系统保护终端的平面结构现代保护设备或终端具有很强的计算和通信功能。

利用PMUs以及相互之间的通信，保护终端可以获得网络中不同位置的同步实时测量数据。

将保护终端按照平面分布式布置，如环型通信系统，可以实现更为强大、可靠、灵敏和强壮的保护功能。

即使通信系统部分或全部实效，保护终端依旧可以通过本地数据实现不次于传统保护的性能。

该结构可以较好地克服集中控制方式中对控制中心设备要求过高的问题。

（3）多层结构多层结构代表了一种综合解决方案，它整合了保护设备和EMS两个控制领域的功能。

它可以分为三层：最底层为大量的用来采集数据或同时附带保护功能的PMUs；中间层为一些本地保护中心（local protection centers,LPCs），完成数据收集以及控制和保护功能，实现一个系统保护方案；最上层为一个系统保护中心（system protection center,SPC），它对各本地保护中心起到协调作用，实现安全防御计划。

文献[1]对该类结构各组成部分的功能作了较为详细的介绍。

文献[10]则介绍了基于该结构设计的一个广域稳控系统。

此类广域保护系统最有可能在不远的将来得到普遍应用。

2广域测量技术相量是电路分析的基本工具，即使电力系统处于某些非稳定状态，如功率摇摆（power swing）状态，由于电压和电流值的变化比较缓慢，因此仍可将这些变化看作一系列稳定状态，这样仍可用相量来描述系统的行为[11]。

系统范围内的广域同步相量测量由于具有描述系统动态行为的能力，因而在电力系统中得到了越来越广泛的应用，如状态估计、自适应保护、在线不稳定预测、故障录波、扰动录波、输电和发电系统计算模型验证等[11,12]。

这为电力系统规划、控制和保护以及运行与维护的进一步发展提供了很好的基础。

PMU是完成同步相量测量的基本设备，可以安装在电力系统中选定的不同地点，精确地同步实时测量系统的电压和电流值[8]，然后将这些信息发送到一个中心点集中进行比较、评估及其它处理。

PMU利用接收到的同步信号通过对测量数据加时标的方式来实现测量同步，其结构图如图1所示[11]。

文献[13]对电力系统中利用同步采样实现相量测量进行了比较全面的介绍，包括同步相量测量的一些应用、各种应用中对测量精度的不同要求，以及相量测量系统的可靠性问题等等。

文献[14]介绍了IEEE标准，其规定了信息交换和控制信号的格式，并为相量测量的定义、以及它们与其它应用的结合提供了框架。

在同步信号源方面，传统的通信对时方法达不到系统在测量同步精度方面的要求[11,14]。

文献[11,13,14]中推荐使用全球定位卫星系统（GPS）。

该系统为美国国防局无线电导航系统，具有高可用性、冗余性、可靠性和准确性等特点，其连续GPS接收器A/D转换器微处理器过滤器VI图1.相量测量单元Fig.1.Phasor Measurement Unit串口时间精度可达毫秒级，因此特别适合同步相量测量系统。

此外，还有其它一些精确的可选同步信号源，如文献[8]中提到的俄罗斯的GLONASS系统和欧洲的Galileo系统，文献[15]中介绍的我国于2003年建立的北斗卫星导航定位系统。

关于测量单元的具体实现问题，文献[13]认为可通过现代数字继电器或其它监控设备来完成，如RTU、数字故障录波器（DFR）、故障定位器和顺序事件记录器等。

但文献[16]指出，这些现有设备的测量一般都是采用快速傅立叶变换（FFT）或其派生算法来实现的，这很难赶上快速发展的微处理器或电力电子设备的处理速度。

当对精度要求较高时，FFT系列算法需要的计算时间一般在40ms以上，甚至达0.1s或更长。

为更好的利用目前已有技术的快速响应特性，并满足紧急情况下电力系统对测量系统响应速度的要求，文献[17]提出了一种基于空间矢量（space vectors）的新方法，它完全可以替代原有的FFT 系列算法。

PMU设备以及在它们之间建立通信连接的费用是比较昂贵的。

考虑到现代电力网络本身是一个很庞大的系统，在系统中的所有变电站都装设PMU设备成本太高，一般也没有必要。

因此，需要研究最优的PMU配置方案（OPP,optimal PMU placement），即寻求一个既能满足监测系统的可观测性要求，同时数量最少的PMU配置方案。

有一些文献研究了PMU在状态估计中的应用[18-28]。

除了文献[20]提出的遗传算法计及了网络拓扑结构变化这一因素，以及文献[22-25]考虑了单个PMU故障情况下的冗余配置外，现有的其它算法大多是基于特定网络拓扑结构构造的，也没有考虑文献[29]指出的用来弥补PMU断电或通信故障等引起的数据丢失或出错的冗余配置，以保证在任何运行条件下（包括网络孤岛、线路或发电机停运等）都能保证电力系统关键部分的可观测性。

此外，文献[30]提出了两种新的优化配置算法，以最大化传感器的整体响应，同时最小化所配置的传感器输出之间的相关性为目标。

该方法主要是针对互联电力系统的广域监视和控制应用而发展的。

文中同时还指出，在某些特定位置，如电气相关区域的联络节点以及大容量发电机升压变压器，必须配置PMU以防止出现所谓的“信息黑洞”（information black-holes）。

文献[31]从电力系统的同调性出发，确定能够反映系统在各种扰动下的动态行为的最少量的PMU。

具体地讲，利用扩展等面积准则识别所有可能出现的暂态功角失稳模式，并据此将所有发电机节点划分到同调群，同时利用暂态电压稳定和暂态电压跌落可接受性的概念来识别所有可能出现暂态电压问题的相邻母线子集，然后在每个同调群和每个母线子集中选定一台发电机和一条母线安装PMU，这样形成的最小PMU配置可正确地定性判断系统的同步稳定性和电压稳定性。