加强继电保护与紧急控制系统的研究提高互联电网安全防御能力

中国•海南中国科协2004年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会2004年学术年会论文集725加强继电保护与紧急控制系统的研究提高互联电网安全防御能力张保会（西安交通大学电气学院,陕西西安710049）STRENGTHENTHEPROTECTIONRELAYANDURGENCYCONTROLSYSTEMSTOIMPROVETHECAPABILITYOFSECURITYINTHEINTERCONNECTEDPOWERNETWORKZHANGBao-HuiSchoolofElectricalEengineeringXi’anJiaotongUniveisity,Xi’an710049,China）ABSTRACT:Intermsofthegeneralpolicyofourcountry’spowersystemdeveloping,whichis“powertransmissionfromwestChinatoeastChina,mutualsupplybetweensouthandnorth,nationwideinterconnection”,thispaperanalysesthepossiblequestionsthatmayappearinthecourseoftheimplementationofthisstrategy.SuchastheunfavorableimpactofthefaultoccurringontheaccurateworkoftheprotectionrelayandthecontroldevicewhenACandDCaretransmittedinparallel,thefurtherimprovementoftransmissioncapacityofthelong-distanceHVtransmissionline,thepotentialinstabilityofsystemnetworkstructureasaresultofthepoorcoordinationoftheperformancesequenceandthestart-upthresholdoftheexistingauto-mechanism,andthedifficultiesinpreventingcatastrophicaccidentwithlowpossibilitybymeansofpowersystemstabilitycontrolandensuringthattheaccidentwillnotbeextendedinthedisconnectedsystemwithfixeddisconnection.Thispaperpresentsthatfourfoldlineofdefenceshouldbesetupinsteadofthreefoldforsecurityandstabilitycontrolsystem,andpointsoutthebasicprinciplesandthekeytechniqueswhichisrequiredtofurtherresearchfordevelopingthefourfoldlineofdefence.Theseprinciplesandtechniquesareintroducedasfollows.Thefirstistodevelopanewtypeofprotectionrelaysystemwithrapidityofactionandbettertransientperformance,includingtheresearchonthenewtypeofprotectionrelayusefultothetransmissionlineinclusiveofelectronicapparatus,thenewtypeofprotectionrelayof750kVsystemandthenewtheoriesofprotectionusingtransientcomponentofthefault.Thesecondistoresearchintopowersystemtransientstabilitypredictionandurgencycontrolsystemsindependentofthesystemmodelsandparametersbasedontheinformationnetworkofsynchronousphasortoimprovetransmissioncapacityandtopreventsynchronousinstability,includingthestudyongeneratorswingtrajectorypredictionbasedontheinformationofsynchronousphasormeasurementunits,theexpressionoftransientinstabilityboundaryandtheprincipleofinstabilityprediction,andrealizationtechniquesoftransientstabilityreal-timecontrolsystemofthewholepowersystem.Basedoninformationnetworkofwidearea,thethirdistoconstructanetworkprotectivesystem,whichshouldcoordinatetheperformanceofback-upprotectionrelaysandotherauto-mechanismsinthewholesystemnetwork,tomaintainthestabilityofthetrussofnetworkandpreventaunorderlytrips,includingtheoptimalcooperationoftheprotectionrelayoftransmissionlineandauto-reclosure,theresearchontheprotectiverelayingsystemwithtransmissionsection,andthenetworkprotectionbasedonmulti-agentsystem.Thefourthistoconstructaself-adaptivenetworkdisconnectionsystemtopreventthecollapseofinterconnectionpowersystemandshortenthedurationofpowercut,includingtheprincipleoffastidentifyingthemodeofout-of-stepgenerators,theautomaticcatchingofoscillationcenterandtheself-adaptivedecisionofnetworkdisconnectionsection.Thefifthistoarousetheenthusiasmofparticipatorsinthepowermarketforensuringthesecurityofpowersystem,throughstudyingtheprincipleoftakingoneconomicresponsibilityoftheprotectionandurgencycontrolsysteminPowerMarket.KEYWORDS:Interconnectionpowersystem;Collapse;Urgencycontrolsystem;Fourfoldlineofdefence摘要：分析了我国电网“西电东送、南北互供、全国联网”实施过程中可能出现：交、直流并列输电故障时对保护和控制装置正确工作产生不利的影响，大功率、远距离输电断面输电能力的充分发挥问题，现有自动装置在动作值和动作时序的不协调可能造成网络结构的不稳定问题，稳定性控制系统难于防御小概率、大灾难事故问题，以及固定的解列点726中国科协2004年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会2004年学术年会论文集中国•海南难于保证解列后系统事故不扩大的问题。提出拓展原安全稳定实时控制的“三道防线”为“四道防线”，并指出今后发展各道防线应致力研究的基本理论和核心技术问题。即：（1）研制暂态性能更好、动作速度更快的新型继电保护系统，以减少故障对系统的冲击。（2）在同步相量信息网的基础上，研制不依赖于电力系统模型、参数的暂态稳定预测与紧急控制系统，以提高输电能力并防止同步稳定性破坏。（3）构建基于广域信息系统的全网安全自动装置、后备保护协调动作的网络保护系统，以维护电网拓扑结构的稳定性和安全性，防止连锁跳闸的发生。（4）构建自适应的网络解列系统，以防止电网崩溃并减少停电时间。(5)电力市场环境下保护及紧急控制经济分担原则的研究，调动电力市场各参与方保障运行安全性的积极性。关键词：电力系统；崩溃；紧急控制；四道防线1引言我国西电东送的实施，带来的是前所未有的大规模远距离输电。西南电力东送采用多条[1]交直流并联线路、西北电力东输初期750kV与330kV高、低压电磁环网运行、全国联网初期交流弱联网等可能引起的稳定水平降低等，给互联大电网的安全运行提出了新的严峻挑战。保证互联大电力系统的安全运行，需要在电力系统的规划、运行调度和故障时的保护与紧急控制3个方面进行深入研究、提出对策，缺一不可。随互联系统的网络和容量的增大及电压等级的提高，故障所影响的地域范围和用户数量将越来越大，多次发生在美国震惊全球的大停电事故教训说明[10]，高速、准确动作的继电保护和可靠、及时的紧急控制装置、巨型电网的安全防御控制系统等，是保证电网能够正常运行的关键装备。现有保护的工作依据是工频电气量，高频分量和衰减直流分量对其正确动作有害，而短窗、高效、快速的滤波方法尚未突破，基于此，保护的动作速度和可靠性难以再提高。现有的继电保护以电力元件为保护对象，可能会出现因为保护装置正确动作切除故障元件而造成其它元件的工作异常，并被保护装置正确动作连锁切除而使得系统瓦解，因此缺乏整个电网的网络(系统)保护来协调电力元件后备保护的动作；现有的安全稳定紧急控制系统利用局部信息、采取事故预想策略对付可能的常见事故，难以抵御概率很低、损失巨大的灾难性事故；现有的稳定性预测与紧急控制策略是根据仿真计算结果得到的，依赖于系统的模型和网络参数，而系统的模型和参数又是不准确的，因此缺乏适应性强、预测速度快、控制效率高、可靠性好的紧急控制系统；现有的互联系统的解列(点)面是固定设置的，不能适应失稳模式的变化，难以起到缩小停电范围、避免事故扩大的作用。所以一方面，我国西电东送和全国联网所致的巨型电力系统的出现，对传统的继电保护和紧急控制理论和装备带来了前所未有的挑战，另一方面，信息技术的发展使得广域同步信息的获得不再困难，特别是同步相量测量装置PMU在电力系统中的应用，使得构建实时的广域安全防御控制系统成为可能。根据以上要求和将具备的条件，认真地吸取国际上近年来频繁发生的大停电教训，尽早地完善和发展我国电网的继电保护和安全稳定紧急控制体系，是我国电力工业的当务之急，需要电力科学研究、设备制造、运行等部门的共同重视和尽早地开展研究工作。目前，国内有一大批从事微机保护研究、开发的高等院校和科研院所，有十余家专业生产厂(公司)，总体研究力量和生产能力超过任何一个国家。2002年全国220KV以上电网保护动作统计表明：国产保护与进口保护相比，在动作速度和可靠性方面(动作时间为10ms~30ms，正确率为99.86%)均具有国际先进水平[12]。我国在利用自适应重合闸(永久与瞬时故障判别、最佳重合时间、分相重合、自适应重合等)