广域保护

广域保护研究现状报告一、引言随着全国联网工程的实施,我国电网规模日益扩大,运行方式越来越复杂,对电网的保护和稳定控制越来越重要。

近年来,世界上发生的几次大停电事故都凸现了目前电力系统存在着继电保护和安全自动装置之间不能很好配合的严重缺陷,人们进一步认识到应该从整体或区域电网角度加强继电保护和自动控制,不仅要加强继电保护本身的可靠性,还要使继电保护和自动控制装置的动作相配合。

广域保护系统在获取电网广域测量信息基础上,以全新的方式解决了大电网继电保护和安全自动装置之间的协调问题,是今后继电保护的发展方向。

二、广域保护的定义和构成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两类：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之间。

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，具体功能如下：（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。

（6）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。

三、广域保护的应用范围举例1、美加大停电（1）大停电的过程美国东部和加拿大的输电网络是一个非常庞大而且复杂的电力系统，它需要非常高水准的调度和控制来确保它的稳定运作。

此前，这个电网系统被视为设计得十分好，它可以承担同时并发的事故，而不会导致一系列事故的发生。

整个系统也一直都在持续的进行事故处理的研究和测试。

这次的事故可能是一个非常不幸的事件发生——即多重并发事故的同时发生的结果。

综合来讲，造成此次停电事故的直接原因是以下连续事件的组合：俄亥俄州第一能源公司（FirstEnergy）的一个电厂发生断电，不久克里夫兰的一条输电线也发生了断电。

于是电力潮流转移到其他线路，造成其他线路超载,发热。

不巧的是其中一条电线下垂到一棵树上造成短路，而那棵树本不应出现在该位置。

几乎同时发生这样三件不幸事件，断电变得很难避免。

不幸的是，调度事先没有针对这样的断电事件的应急计划。

之后，美国电力公司（AEP）和PJM（宾西法尼亚、新泽西和马里兰）区域性输电组织的一些输电线路开始自动跳闸---最后一条线路跳闸发生在东部时间8月14日下午4点左右。

AEP所辖电网成功隔离了故障，保证了系统的安全。

但是第一能源公司（FirstEnergy）原来通过AEP的765千伏线路传输进入密歇根州西南部的电力（超过2000MW），被迫通过密歇根州西部的345千伏线路，从密歇根西部流向东部。

电力在向密歇根电网传输的过程中，由于超载使得某些电厂和电线跳闸，密歇根东部电网成了孤岛。

由于该地区丧失了第一能源公司（FirstEnergy）供给的所有电力，过载导致密歇根东部大停电。

之后，第一能源公司FirstEnergy的系统开始瘫痪，使俄亥俄北部部分地区停电。

接下来是加拿大安大略。

事故前，安大略省是从密歇根东部输入电力，然而此时却突然发现电力正在输出，于是停电亦不可避免。

监测到了事故的发生，采取措施与安大略事故电网隔离，独立运行。

然而当时由于纽约向安大略输出电力，系统隔离后，使纽约的发电厂陷入过量发电的境地，导致频率过高，致使纽约部分发电厂停产，最终引发断电。

（2）事故的根本原因分析此次事件的根本原因并不只是以上事故的简单组合。

例如类似发电厂突发性故障每年会发生上千次，并导致大量的电流即时逆转，这种突发性故障和导致的电流动态逆转流动是电力操作系统中的正常情况。

而那棵位于不恰当位置的树也被认为如果能采取适当的维护措施（如修减树木），应该可以避免此次事故。

导致此次灾难性的大停电的根本原因是控制相互联接的电网系统之间所必须的计划，协作和沟通体系的崩溃。

此次停电中一系列事件的发生顺序导致部分的电网系统仅根据自己的角度而不是从协调的角度来采取行动。

由于这种协作能力在过去的几年中没有获得足够的时间，财务和系统的投资，而这种体系的逐步落后－对于输电网络的常年投资不足的积累作用－是导致此次大停电的根本原因。

更深层次来讲，美国电力行业的“放松管制”被视为此次美加大停电的罪魁祸首，同时也被视为电力无数事故的原因。

美国国内的电力消费量非常庞大，一方面美国建立了更多的电厂，已足够满足美国大部分地区的需求，而另一方面，连接电厂与区域输电公司的高压电网系统，以及区域间交互的电网系统，却在美国电力行业放松管制进程中，建设进展迟缓。

美国的用电量在过去四年增长了8%，发电能力增长了12%。

然而这一期间对于传输线路的投资每年为20到50亿美元，仅仅是维持其电力增长需求的一个零头。

美国放松管制之前，输电网络是为受管制的垄断的电力企业专门建设的，这些企业对客户的争夺没有竞争。

一个区域拥有一个电力公司负责供给当地能源，电力价格由州政府确定。

而放松管制后，各个电力公司可以通过降低成本，提高运作效率提供优惠的电价，吸引其他区域的客户购买他们的电力。

此时，电网系统承担了连接购买者和销售者的重要责任。

然而目前美国电力市场上有3000家发电、供电和电力零售公司激烈竞争，为降低成本，他们投资电网的动力很低。

而强制性电力行业法规也由于与地区，州和联邦的法规重叠而变得更为复杂，权限也不清晰。

在对问题有深入认识后，如何长远根治它也已经提上了议事日程。

美国联邦能源管制委员会极有可能制定一系列输电系统投资的激励措施和程序政策。

许多围绕着强制制定可靠性标准、联邦政府在区域内的支配权、能源管制委员会的职责扩充等内容的问题，都会成为讨论的焦点。

在最近美国国内某研究机构举办的一次能源会议上，联邦能源管制委员会主席Pat Wood 指出解决本次发生在美国东北部大停电根本原因的方法是升级国家的能源基础建设，并提高规划、运作和协调系统的能力。

实施区域性协调、区域性的线路架设、实时控制以及进行区域性的电网规划，而不是以单个电力公司为单位。

不能让电力行业放松管制的改革停止，但是必须制定实质性的政策来规划国家所需的电力基础设施。

2、中国南方冰雪灾害2008年1月我国南方发生的50年一遇的冰雪灾害，造成我国南方电网、华中电网和华东部分电网发生大面积瘫痪。

2007年3月3日至3月6日，我国东北地区遭暴风雪袭击，辽宁、吉林等东北大部分地区持续大风降雪40小时以上，地面普遍积雪20厘米，有的变电站积雪50厘米以上，也曾造成东北电网的多条500kV、220kV线路跳闸，多个变电站停电，辽宁电网的多个发电厂与系统解列。

这两次冰雪灾害，尤其是2008年南方冰雪灾害造成的损失极大，影响面很广，教训深刻。

中国南方最低温度是零下五摄氏度，中国北方很多地方的气温可以达到零下二三十摄氏度，为什么没有形成这样的冰呢？中国电力工程顾问集团公司高级工程师梁正平介绍说，南方第一湿度比较大，第二气温在零摄氏度和零下五摄氏度之间，非常适宜上冻，在一定风的作用下冰的厚度还不断地增加。

中国电力顾问公司总工程师吴云说，像这样的双回线铁塔，它的重量大概是6吨，但是在结了冰后，重量大概达到50吨，是原来的6倍，因此压垮了铁塔，导致输变电线路断电。

四、广域保护的应用前景现代经济和社会的发展使电力系统的电压等级升高、电网复杂程度增加,给电力系统的安全稳定运行带来巨大挑战。

作为保障电力系统安全稳定运行“三道防线”中第一道防线的继电保护也面临严峻的考验,传统保护整定配合越来越困难。