继电保护新原理与新技术-广域后备保护

继电保护新原理与新技术广域后备保护广域后备保护概述•1965年以来，北美、欧洲和东南亚多国相继发生了多起互联电网崩溃的大停电事故，引发了人们对互联电网保护基本原理的关注。广域后备保护概述•以近年美－加的东北部电网大停电为例，事故起因是Queenstoin的SirAdamBeck电厂的保护发生误动，其后相继引发了一连串的保护级联跳闸，最终酿成了影响到八万三千平方英里和三千万人口的大停电事故。美加“8.14”大停电事故纽约一篇漆黑，布什一脸无奈，与911并提美加“8.14”大停电事故停电损失•265个电厂（531台发电机）停运•几十条高压输电线路被切除•35个输电断面断开•失去61.8GW负荷•影响人口：5000万人口，•覆盖地区：240万平方公里•每天损失：300亿美元•停电时间29小时广域后备保护概述•主保护失效是不可避免的。•主保护失效时，故障的清除将依赖带延时的后备保护。对大型电网而言，传统的后备保护虽是有选择性的，但只是在局部范围内。广域后备保护概述•由于多个继电器可能同时动作，并且使在几个不同位置的断路器跳闸，这种情况将严重影响电网的稳定性，导致区域电网瓦解甚至级联电网崩溃。广域后备保护概述•分析表明：75%的大停电事故都涉及继电保护问题，尤其是后备保护继电器。•就地测量输入只能看到互联电网有限的部分，传统后备保护继电器一般不考虑对整个电网的影响、只保护电网的一个集中区域。广域后备保护概述•随着电网面积的增大和负荷的增加，这种情况将进一步恶化。•传统后备保护主要用来保护本地设备并确保可靠的故障清除，但是它可能在重载情况下误动，并且导致网络的级联跳闸这将引发电网崩溃。广域后备保护概述•在国内，随着互联电力系统的增长。尤其是长江三峡工程建成竣工，电力系统的网络化、信息化和电力市场的兴起，系统的安全成为更加关心和突出的问题。因此，今天的电力工业需要重新考虑其传统保护和控制解决方法、同时，要求有根本性的改变来满足今天以及将来的竞争需求。3000MW2500MW7200MW3000MW9000MW10000MW1800MW2000MWHydroPowerBaseThermalBaseAC2015-2020全国联网示意图DCPossibleInternationalconnection北通道中通道南通道2020年每通道传输功率近20GWin2020.西电东送，南北互供广域后备保护概述•故障组件的切除，由保护继电器对相关断路器进行操作来实现。•主保护一般仅切除故障组件，后备保护则可能切除多个组件。广域后备保护概述•由于后备保护同时保护多个组件，其动作可能附带切除了非故障组件，造成多组件同时停运事件，使电力系统超越其所能承受的运行范畴、引发级联跳闸，最终造成整个电力系统的瘫痪。广域后备保护概述•传统后备保护在原理上就有可能引发级联跳闸。它所采用的非单元式原理，即保护区开放，是造成电力系统级联跳闸的主要原因。•由于系统主保护本身的故障在所难免，故研究开发对级联跳闸具有免疫功能的新型后备保护的新策略，对电网的安全稳定运行有着重要的意义。广域后备保护概述•广域后备保护采取了广域后备保护系统和人工智能技术，使电网中故障的影响达到最低。•广域后备保护有两种可防止级联跳闸发生的方法：广域后备保护概述•①精确的故障定位，只有必须断开以切除故障的断路器才跳闸。•②通过闭锁传统后备保护继电器的跳闸信号来避免不必要的跳闸，这些跳闸通常由尚未发现的故障或过负荷引起。广域后备保护概述•广域保护的提出是电力系统对安全运行要求的提高和通信技术迅速发展的结果，具体可归纳为以下方面：•（1）电网互联的发展趋势对系统稳定性提出了更高的要求。广域后备保护概述•（2）继电保护系统存在的某些问题难以有效解决，必须探索新的保护原理。广域后备保护概述•后备保护选择性的获取要以延长动作时间为代价，且主保护和后备保护间的动作要相互配合，这就导致后备保护动作延时过长，在发生恶劣故障的情况下根本起不到应有的保护作用；一些后备保护的整定值较低，易受过负荷等不正常运行状态的影响而误动作；依赖后备保护切除故障时可能会扩大切除范围，导致不必要的停电。在断路器失灵保护中也存在类似的问题。广域后备保护概述•（3）网络通信技术的发展为广域保护的实现提供了技术保证。•（4）变电站自动化系统的成功运行经验为广域保护的实现提供了必要的参考和借鉴。传统后备保护的局限•输电线一般采用双重主保护和带延时的后备保护。•主保护通常只保护单独的设备，一般希望主保护通过处理由设备端点测得的信息后，在少于两个周波内动作。传统后备保护的局限•后备保护只在主保护不能切除故障时动作、为主保护提供了延时保护。•后备保护必须有延时，使主保护有更高的优先级。•延时是十分必要的，因为后备保护可能远程跳闸从而断一条无故障的线路。传统后备保护的局限•如图，双回线中的一条出现了故障且故障线路一端的主保护拒动，将使变电站2失电。传统后备保护的局限传统后备保护的局限•图7-2说明了另一种情况。双回线中的一条发生了高阻抗接地故障并且所有的保护继电器都正确动作。所发现的故障在故障线路L3任意一端都被视为III段故障，也被视为变电站1的线路L1、变电站3的线路L3和L4的III段故障。这种情况下传统继电保护动作将导致变电站2失电。传统后备保护的局限传统后备保护的局限•传统后备保护继电器动作特性在负载入侵时，也可能导致网络的级联跳闸甚至引发电网崩溃。传统后备保护的局限•如图7-3所示，故障线路主保护的正确动作将使L4与网络断开。当L4上的负荷转移到L3时，可能使L3过负荷，当线路上负荷入侵到III段距离保护动作区时，平行线路L3将从网络断开。线路L3和L4的断开可能导致线路LI、L2和L5,L6过负荷，从而级联跳闸导致大面积停电。传统后备保护的局限广域后备保护简介•就地测量输入只能看到互联电网有限的一部分，传统后备保护继电器一般不考虑对整个电网的影响，只保护电网的某一个区域。随着电网面积的增大和负荷的增加，在今天竞争激烈的电力市场中，这些问题更为普遍。广域后备保护简介•通信技术的发展，集成保护及控制系统的标准化方便了广域后备保护系统的设计。•广域后备保护系统分析了电网传统保护继电器的动作反应。•信息的获得：广域后备保护与主保护的配合•为了确保在主保护可以切除故障时后备保护不动作，后备保护有几百毫秒的延时。•例如为线路提供近后备并且为远端母线和相邻线前20%-50%提供远后备的II段保护，一般延时400-500ms。广域后备保护与主保护的配合•广域后备保护的延时要求要低得多。••一旦发生了主保护拒动，广域后备保护将立即切除故障。广域后备保护与主保护的配合•若广域后备保护探测到主保护发出跳闸命令，但断路器没有断开，广域后备保护将起动断路器失灵保护动作并断开合适的相邻断路器，保护区域中所有继电器的动作反应都能够保证广域保护的速动性和选择性。广域后备保护与主保护的配合•广域后备保护所要求的时间延迟取决于其与所有邻近变电站交换信息所需要的时间。•200ms的延时就足以使广域后备保护来收集所有的信息并与传统主保护配合。当探测到主保护拒动时若延时时间到，则广域后备保护动作，切除故障。广域后备保护－跳闸与闭锁•当距离继电器采用闭锁策略时，需要方向元件。•策略判定本线路没有故障且保护不动作。广域后备保护－跳闸与闭锁•若广域保护包括了闭锁的概念，那么当识别了一条有故障的线路或母线，将对探侧到故障但位于无故障母线或线路上的继电器发出闭锁信号，避免其跳闸。•这样可以将由于不适当的整定或负载入侵引起的错误跳闸数量减到最少。广域后备保护－跳闸与闭锁•闭锁保证了只断开单条母线或线路故障部分，有时会有多条线路跳闸，但这种情况不经常发生，而且一般是由于断路器失灵引起的。这种方法使故障切除后对网络的影响减到最小，并减小了发生级联跳闸的危险。广域后备保护－跳闸与闭锁•现在以图7-4所示的线路为例说明。•图7-4中，L5上的主保护拒动。•广域后备保护使故障线路L5跳闸，并且对L3、L4,、L6,、L7和L8上的断路器发出闭锁信号。广域后备保护－跳闸与闭锁广域后备保护－跳闸与闭锁•如果是断路器拒动应如何闭锁保护？后备保护专家系统（ＢＰＥＳ）－综述•当后备保护运用于电网的某个区域时，可运用多个分布式的BPES子系统来实施保护，通常是每个变电站一个BPES子系统。•每一个子系统由一个独立的工作站和一个或者多个高速远方终端单元（RTU’ｓ）构成。后备保护专家系统－综述•工作站从RTU’s和置于邻近变电站的BPES子系统接收信息。•接收到的信息描述了位于这些变电站的所有传统保护继电器的运行状态，同时也描述了如断路器、母联、分段隔离开关和隔离开关的开关状态。后备保护专家系统－综述•运用这些信息，工作站决定变电站内的断路器是否需要跳闸，是否需要把决定传送给邻近的BPES子系统。•如果变电站有局域网(LAN），则工作站及其RTU‘s之间的通信可以通过局域网完成。后备保护专家系统－综述•若没有局域网，则可以通过广域网（WAN）或者其他高速通信网。基于动作系数的专家决策系统•基于动作系数的专家决策系统是BPES的核心。由BPES做出的决策可以通知BPES电网某一部分有故障，某一个断路器必须动作来切除故障。基于动作系数的专家决策系统•动作系数和电力系统元件：•动作系数(AF)是一个数值，它可以定义每一单独的动作元件对故障定位过程的贡献，也可以定义一个包括多个动作部分的元件对故障定位过程的贡献。基于动作系数的专家决策系统•没有动作的保护元件的动作系数定为0，即AF=0。•若某保护元件可以判断故障为发生在某一单独设备上的正向故障，则此保护元件的动作系数设置为＋l，即AF=+1.0。基于动作系数的专家决策系统•若某保护元件可以判断故障为发生在某一单独设备上的正向故障，则此保护元件的动作系数设置为＋l，即AF=+1.0。•当故障为反向，如不位于继电器保护的设备上，则动作系数设为－l。基于动作系数的专家决策系统•当故障在正向并且其保护范围包含了多个子设备时，继电器元件的动作系数AF的数值在0－1.0之间。基于动作系数的专家决策系统•用于距离继电器的动作系数值按下列原则选取：•对于第II段保护元件，动作系数取为+1/2；•对于正向无偏移特性第III段元件，取为+1/3；基于动作系数的专家决策系统•有反向偏移的正向第III段保护元件，取为+1/15；……基于动作系数的专家决策系统基于动作系数的专家决策系统•若一个继电器上的多个元件动作，继电器的AF值是各个独立元件的AF值之和。基于动作系数的专家决策系统•一个包含有多个继电器的保护策略的AF值为所有继电器独立的AF值之和。基于动作系数的专家决策系统•输电线终端的AF值为所有终端的保护继电器的AF值之和。基于动作系数的专家决策系统•输电线的AF值为所有与其相连的终端的AF值之和，或者为其所有保护策略的AF值之和。基于动作系数的专家决策系统•一级决策•一级决策能够识别内部故障它仅利用故障设备上的信息来使适当的断路器跳闸,一级决策不易被错误的信息所影响。这里定义了两条规定来寻找有故障的馈线。基于动作系数的专家决策系统•规定1：若任意一个馈线的保护策略的动作系数大于或等于1.0时，故障则位于馈线上。•规定2：若一条馈线上所有的终端都有一个动作了的正向元件，且动作系数大于或等于1/3、则馈线上存在故障。基于动作系数的专家决策系统•二级决策•二级决策的优先级别低于一级决策．只有在专家系统不能作出一级决策时才会采用二级决策。二级决策提出了一个故障影响区域(FAR)的概念，它是由动作的保护继电器的保护范围确定的二级决策将尽量减小FAR。基于动作系数的专家决策系统•二级决策过程中有三种方法来减小FAR：•第一种是基于AF的数值，AF值为负值的馈线将被移出FAR。•第二种是基于动作的第II段保护元件，若馈线没有在动作的第II段保护元件的保护范围内，那么此馈线不存在故障。基于动作系数的专家决策系统•第三种如果FAR中的馈电线多于一条，且这些馈电线通过中央分段隔离开关在变电站被连接