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摘 要：本文分析了继电保护在智能电网中的应用，提出了继电保护重点研究的内容。
关键词：继电保护；智能电网；变压器
智能电网的提出和建设是21 世纪电力工业的新举创，是世界范围内应对能源环境问题和提升电网运行质量的有力措施。在我国智能电网发展具有如下特征：发电方面，我国发电装机中以燃煤火电机组占主要比重，而一次化石能源供需缺口拉大、环境污染严重的问题正日益突出，需要积极开发风电、太阳能等可再生能源电力，优化能源供应结构，降低节能减排压力；输电方面，我国能源与负荷呈逆向分布，能源中心和负荷中心之间相距上千公里，需要建设超/特高压跨区域输电网络，实现能源资源的优化配置，提高经济效益；配用电方面，随着分布式电源接入，配网由单电源模式转变为多电源模式，潮流分布发生了很大变化，智能用电服务的推广增加了电网与用户之间的双向互动，电能消费方式出现了转变。智能电网的建设影响了我国电力系统发、输、配、用各个环节，给作为电网安全运行第一道防线的继电保护带来了挑战，传统保护存在的诸多不足逐渐暴露。同时智能电网先进的信息系统也为继电保护的发展提供了良好的机遇，应该积极利用以构建更加合理可靠的保护系统，适应电网变革。本文介绍了我国智能电网建设面临的特殊问题，分析了超/特高压输电、电子器件渗透和网络拓扑异变给继电保护带来的影响，指出广域保护是新形势下保障电网安全运行的重要手段。最后对广域保护的概念、功能定位、系统构成模式进行了讨论，并分析了广域保护主要算法的原理和特点。
1. 继电保护面临的挑战和机遇
在智能电网快速发展的新形势下，继电保护作为保障电网安全运行的第一道防线，也同时面临着挑战和机遇
1.1 继电保护面临的挑战
1.1.1 大电网、超/特高压对继电保护提出了更高要求
超/特高压互联大电网是智能电网中的重要特征之一，也对继电保护产生了一定影响：
1）特高压电网故障时谐波分量大，非周期分量衰减缓慢，暂态过程明显，影响保护动作的可靠性和快速性；电流、电压互感器在暂态下的传变特性更差，故障状态转换时容易造成保护误动作；
2）超/特高压长线路分布电容对电流差动保护和按集中参数模型构成的保护产生不利影响；
3）同塔双回或多回线路的跨线故障以及互感和线路参数不平衡会对保护造成影响；
4）变压器保护利用谐波含量区分内部故障与励磁涌流的难度增大；
5）电网间的相互影响使故障特性更为复杂，故障计算误差增加；
6）对继电保护设备，要求具有更高的可靠性、安全性和电磁兼容能力。
1.1.2 电力电子设备对故障电流造成影响
智能电网的建设使一次系统中出现了大量电力电子设备，这些设备使电网短路电流的特征和分布发生了质的变化：
1）FACTS元件的安装位置、投入运行与否以及所涉及参数的调整变化会对电网短路电流的特征和分布产生影响；
2）直流输电系统的控制和保护问题仍然很突出，交、直流系统的故障会互相影响；
3）风机类型、风机的工作状态、风机所采用的控制方法、故障类型以及风电场的弱电源特征是影响风电接入电力系统故障电流的几个重要因素，会对不同时段的保护以及选相功能等产生影响。
1.1.3 继电保护需要和电网的控制策略相协调配合
FACTS元件的大量应用、直流输电工程投入运行，以及规模化风电场、光伏电站的并网运行使得电网的继电保护必须与这些设备或元件的控制策略进行协调和配合。其中包括FACTS元件的保护与控制及其与系统保护的协调配合；直流输电系统的控制与保护，以及交直流混联系统保护的协调与配合；风电、光伏电站的并网控制对接入系统保护的影响；此外电网一、二、三道防线之间的协调配合也需要考虑。
1.2 智能电网建设给继电保护带来机遇
智能电网的发展也为新型继电保护的研究应用提供了平台。信息采集方面，我国自1996年起开始构建实时动态监测系统，截止目前我国所有500kV变电站和大部分220 kV的变电站都安装了同步相量测量单元（PMU），广域测量系统（WMAS）已具规模。WAMS/PMU能够实现广域电网的在线同步测量，数据更新速度可缩短到几十毫秒，能够用于实现基于同步信息的继电保护功能。
信息通信方面，目前我国电网500 kV及以上的光纤覆盖率达到了100%，220 kV覆盖率为99.2%，110 kV覆盖率为93%，形成了以光纤为主要介质，以分层分级自愈环网为主要特征的电力通信专网。基于IEC61850标准的数字化变电站实现了站内一次设备的数字化和二次装置的网络化，全站具有统一的标准平台，能够方便地实现信息共享和互操作。保护需要的高速、实时、可靠的信息通信条件已经具备。
除各种电气量信息外，智能电网的信息平台还将包括局放监测、覆冰监测、雷电监测等多种信息系统。如何将多处多类型信息作用于电网继电保护领域，进而克服传统继电保护存在的问题，使保护变得更加“聪明”，成为继电保护进一步研究的课题和发展方向。
2. 继电保护重点研究的内容
在智能电网快速发展的大环境下，继电保护必须顺应电网变革，以更好地保障电网运行。当前需要重点研究的内容包括单元件保护和广域保护两个方向。
2.1 单元件保护的研究内容
单元件保护的对象包括发电机、变压器以及交直流线路等，主要是对传统元件保护的改良和新原理算法的研究。
1）发电机保护方面，需要重点关注内部短路，特别是匝间短路保护，在保护方案设计、整定计算、灵敏度校验等方面需要进一步的精确化；后备保护中的过激磁、反时限过流等保护的判据需要与实际机组的承受能力相匹配；定、转子一点接地保护的可靠性； 失磁、失步保护与电网保护的有效配合以及超大容量机组保护运行的特殊性等方面也有待深入研究。
2）变压器保护方面，励磁涌流识别仍然是关注的焦点，因励磁涌流所存在的非线性、随机性、混淆性以及多样性特征，使得目前解决方案并非完美无缺，变压器内部故障分析计算和保护新原理仍是研究的重点。
3）交流线路保护方面，距离保护易受高阻接地影响，系统振荡中再发生短路时应对不足，躲过负荷能力较弱；应用于同杆并架双回线时，受所利用电气量范围的限制以及跨线故障和零序互感等因素影响，存在选相失败和故障测距误差大的问题。
4）直流线路保护方面，作为主保护的行波保护应用时仍然存在着受故障产生行波信号的不确定性（故障初始角、波速以及母线接线方式的影响）、线路两端非线性元件的动态时延、采样率限制以及过渡电阻影响等问题的制约。
3 结论
智能电网的建设影响了我国电力系统发、输、配、用各个环节，使继电保护的运行环境发生了显著变化，对保护提出了更高要求。同时智能电网搭建了先进的信息平台，继电保护具备了集成广域信息的条件，有望通过转变实现方式大幅度提升保护性能。因此，智能电网下继电保护的主要研究内容可分为两个方面：1）对传统发电机、变压器、交/直流线路等设备的保护原理进行改进，消除单元件保护存在的老问题；2）开发基于多处、多类型信息的广域保护系统，重点承担电网后备保护功能，实现可靠性更高、动作快速、配置简单和适应能力强的目标，保障电网安全运行。
关键词：继电保护；智能电网；变压器
智能电网的提出和建设是21 世纪电力工业的新举创，是世界范围内应对能源环境问题和提升电网运行质量的有力措施。在我国智能电网发展具有如下特征：发电方面，我国发电装机中以燃煤火电机组占主要比重，而一次化石能源供需缺口拉大、环境污染严重的问题正日益突出，需要积极开发风电、太阳能等可再生能源电力，优化能源供应结构，降低节能减排压力；输电方面，我国能源与负荷呈逆向分布，能源中心和负荷中心之间相距上千公里，需要建设超/特高压跨区域输电网络，实现能源资源的优化配置，提高经济效益；配用电方面，随着分布式电源接入，配网由单电源模式转变为多电源模式，潮流分布发生了很大变化，智能用电服务的推广增加了电网与用户之间的双向互动，电能消费方式出现了转变。智能电网的建设影响了我国电力系统发、输、配、用各个环节，给作为电网安全运行第一道防线的继电保护带来了挑战，传统保护存在的诸多不足逐渐暴露。同时智能电网先进的信息系统也为继电保护的发展提供了良好的机遇，应该积极利用以构建更加合理可靠的保护系统，适应电网变革。本文介绍了我国智能电网建设面临的特殊问题，分析了超/特高压输电、电子器件渗透和网络拓扑异变给继电保护带来的影响，指出广域保护是新形势下保障电网安全运行的重要手段。最后对广域保护的概念、功能定位、系统构成模式进行了讨论，并分析了广域保护主要算法的原理和特点。
1. 继电保护面临的挑战和机遇
在智能电网快速发展的新形势下，继电保护作为保障电网安全运行的第一道防线，也同时面临着挑战和机遇
1.1 继电保护面临的挑战
1.1.1 大电网、超/特高压对继电保护提出了更高要求
超/特高压互联大电网是智能电网中的重要特征之一，也对继电保护产生了一定影响：
1）特高压电网故障时谐波分量大，非周期分量衰减缓慢，暂态过程明显，影响保护动作的可靠性和快速性；电流、电压互感器在暂态下的传变特性更差，故障状态转换时容易造成保护误动作；
2）超/特高压长线路分布电容对电流差动保护和按集中参数模型构成的保护产生不利影响；
3）同塔双回或多回线路的跨线故障以及互感和线路参数不平衡会对保护造成影响；
4）变压器保护利用谐波含量区分内部故障与励磁涌流的难度增大；
5）电网间的相互影响使故障特性更为复杂，故障计算误差增加；
6）对继电保护设备，要求具有更高的可靠性、安全性和电磁兼容能力。
1.1.2 电力电子设备对故障电流造成影响
智能电网的建设使一次系统中出现了大量电力电子设备，这些设备使电网短路电流的特征和分布发生了质的变化：
1）FACTS元件的安装位置、投入运行与否以及所涉及参数的调整变化会对电网短路电流的特征和分布产生影响；
2）直流输电系统的控制和保护问题仍然很突出，交、直流系统的故障会互相影响；
3）风机类型、风机的工作状态、风机所采用的控制方法、故障类型以及风电场的弱电源特征是影响风电接入电力系统故障电流的几个重要因素，会对不同时段的保护以及选相功能等产生影响。
1.1.3 继电保护需要和电网的控制策略相协调配合
FACTS元件的大量应用、直流输电工程投入运行，以及规模化风电场、光伏电站的并网运行使得电网的继电保护必须与这些设备或元件的控制策略进行协调和配合。其中包括FACTS元件的保护与控制及其与系统保护的协调配合；直流输电系统的控制与保护，以及交直流混联系统保护的协调与配合；风电、光伏电站的并网控制对接入系统保护的影响；此外电网一、二、三道防线之间的协调配合也需要考虑。
1.2 智能电网建设给继电保护带来机遇
智能电网的发展也为新型继电保护的研究应用提供了平台。信息采集方面，我国自1996年起开始构建实时动态监测系统，截止目前我国所有500kV变电站和大部分220 kV的变电站都安装了同步相量测量单元（PMU），广域测量系统（WMAS）已具规模。WAMS/PMU能够实现广域电网的在线同步测量，数据更新速度可缩短到几十毫秒，能够用于实现基于同步信息的继电保护功能。
信息通信方面，目前我国电网500 kV及以上的光纤覆盖率达到了100%，220 kV覆盖率为99.2%，110 kV覆盖率为93%，形成了以光纤为主要介质，以分层分级自愈环网为主要特征的电力通信专网。基于IEC61850标准的数字化变电站实现了站内一次设备的数字化和二次装置的网络化，全站具有统一的标准平台，能够方便地实现信息共享和互操作。保护需要的高速、实时、可靠的信息通信条件已经具备。
除各种电气量信息外，智能电网的信息平台还将包括局放监测、覆冰监测、雷电监测等多种信息系统。如何将多处多类型信息作用于电网继电保护领域，进而克服传统继电保护存在的问题，使保护变得更加“聪明”，成为继电保护进一步研究的课题和发展方向。
2. 继电保护重点研究的内容
在智能电网快速发展的大环境下，继电保护必须顺应电网变革，以更好地保障电网运行。当前需要重点研究的内容包括单元件保护和广域保护两个方向。
2.1 单元件保护的研究内容
单元件保护的对象包括发电机、变压器以及交直流线路等，主要是对传统元件保护的改良和新原理算法的研究。
1）发电机保护方面，需要重点关注内部短路，特别是匝间短路保护，在保护方案设计、整定计算、灵敏度校验等方面需要进一步的精确化；后备保护中的过激磁、反时限过流等保护的判据需要与实际机组的承受能力相匹配；定、转子一点接地保护的可靠性； 失磁、失步保护与电网保护的有效配合以及超大容量机组保护运行的特殊性等方面也有待深入研究。
2）变压器保护方面，励磁涌流识别仍然是关注的焦点，因励磁涌流所存在的非线性、随机性、混淆性以及多样性特征，使得目前解决方案并非完美无缺，变压器内部故障分析计算和保护新原理仍是研究的重点。
3）交流线路保护方面，距离保护易受高阻接地影响，系统振荡中再发生短路时应对不足，躲过负荷能力较弱；应用于同杆并架双回线时，受所利用电气量范围的限制以及跨线故障和零序互感等因素影响，存在选相失败和故障测距误差大的问题。
4）直流线路保护方面，作为主保护的行波保护应用时仍然存在着受故障产生行波信号的不确定性（故障初始角、波速以及母线接线方式的影响）、线路两端非线性元件的动态时延、采样率限制以及过渡电阻影响等问题的制约。
3 结论
智能电网的建设影响了我国电力系统发、输、配、用各个环节，使继电保护的运行环境发生了显著变化，对保护提出了更高要求。同时智能电网搭建了先进的信息平台，继电保护具备了集成广域信息的条件，有望通过转变实现方式大幅度提升保护性能。因此，智能电网下继电保护的主要研究内容可分为两个方面：1）对传统发电机、变压器、交/直流线路等设备的保护原理进行改进，消除单元件保护存在的老问题；2）开发基于多处、多类型信息的广域保护系统，重点承担电网后备保护功能，实现可靠性更高、动作快速、配置简单和适应能力强的目标，保障电网安全运行。