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摘要：继电保护作为电力系统的第一道防线，在防止故障及扰动上发挥着重要作用，是电力系统的重要组成部分，其正常工作与否将对电力系统的运行造成重大影响。本文介绍了我国智能电网建设的特殊问题，分析了超/特高压输电、电子器件渗透和网络拓扑异变对继电保护造成的影响，指出继电保护的几个关键研究方向。
关键词：智能电网；新能源电力；继电保护
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，需要建設超/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。
一、我国智能电网建设面临的特殊问题
近几年，在政策鼓励和社会需求双重助力推动下智能电网得到了大力的发展，尤其表现在超特高压电网投运、大规模新能源并网和智能配用电方面，同时智能电网的建设也面临着一些特殊问题。
（1）远距离、交直流混合、超/特高压输电构成的大电网
我国能源与负荷呈逆向分布，煤炭、水力和风能等资源主要分布在西部和北部地区，而用电负荷集中在中、东部地区和南部沿海地区，中间相隔上千公里，从客观上决定了需要采取远距离、交直流混合、超/特高压的输电方式实现能源资源的优化配置。然而随着电网规模日益复杂，其安全问题也更加突出。电力系统越庞大，事故发生概率越高，且大型互联电力系统在增强输电能力的同时也激生了由局部扰动衍生为全局故障的潜在威胁，数次大停电事故证明了这一个威胁的高发性。直流输电传输容量大，线路走廊利用率高，社会综合效益突出，但交直流系统的相互作用也会给交直流线路的控制和继电保护造成影响，需要加以考虑。如下图1：我国第一个风火打捆、直流送出工程：哈密～郑州±800kV直流输电工程，工程额定功率 8000MW，额定电压±800kV，额定电流 5000A。工程西起新疆维吾尔自治区哈密地区天山换流站，东至河南省郑州市中州换流站，输电距离约2110km。新疆本地煤电以及新能源发电（风电、太阳能等）大功率东送至华中腹地，即促进西部经济发展，又增强了中、东部地区的能源供给，达到双赢效果。
图1 哈郑直流接入电网结构示意图
（2）波动性新能源电力以规模化接入电网为主要利用方式
新能源发电的目的是优化能源供应结构，减少电力系统对一次化石能源的消耗。2014年底我国风电机组累计并网容量达96370 MW，太阳能发电并网容量达26520 MW，新能源全年总发电量超过3000亿kWh。以风电、太阳能电源为代表的新能源电力与负荷间呈现逆向分布的特点，且以规模化接入电网为主要利用方式。新能源电力具有间歇性、随机性和可调度性差的特点，在电网接纳能力不足的情况下，会给电力系统的安全稳定造成威胁。新能源电力并网时，线路中的潮流会发生较大变化，进而影响电网有功和无功功率的分布，增加了系统控制难度。所采用的逆变设备和大量的电力电子设备会产生一定的谐波分量和直流分量，接入系统后会影响电能质量，还可能导致保护和自动装置误动作。另外，与常规电源相比，新能源电力运行控制方式有较大区别，给常规暂态稳定控制措施带来挑战。
（3）新能源电力缺少就地平衡的互补电源
我国总体上缺少与新能源电力互补的可快速调节的电源，如水电站和燃气电站。新能源电力波动性大、难以稳定输出，如果缺少足够的就地互补电源，则会出现以下问题：已建成的新能源装机无法充分并网，风电弃风现象严重；新能源接入后为了达到电力供需平衡，燃煤机组需要频繁调整出力，运行工况变化大，造成设备老化加快和发电煤耗增加；此外新能源电力并网造成的系统调峰容量下降还会降低电网安全裕度。因此要尽量实现新能源电力的就地平衡，根据实际条件，应积极探索风、光、水、气、火、储组合的优化互补方案，以减少波动性输出对整个系统的影响。
二、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）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。
（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。
（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。三峡直流协控安控系统就具有典型代表性，如下图2所示：
图2三峡直流协控安控系统
特高压、换流站、地区电网之间需要强力的协调和统管，并且在各个变电站内部，交、直流继电保护与安全稳定控制系统之间存在着故障起动、策略响应、功率调档、远传命令、执行策略等密切配合关系。
三、结束语
总之，随着互联系统网络和容量的增大以及电压等级的增高，电力系统故障所影响的地域范围和用户数量也日益增多。保证电网正常运行，使继电保护系统实现高速、准确、可靠动作将变得越来越重要，因此，如何提高继电保护系统的可靠性也就成为人们日益关注的课题。
参考文献：
[1]谢开，刘永奇，朱治中，等.面向未来的智能电网.中国电力，2008，41（6）：19-22.
[2]毕天姝，刘素梅，智能电网含义及共性技术探讨J].华北电力大学学报：自然科学版，2011，38（2）：1-9.
作者简介：
王碧锋（1980-），男，陕西渭南人，工程师，长期从事电力系统继电保护和工业自动化设计。
关键词：智能电网；新能源电力；继电保护
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，需要建設超/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。
一、我国智能电网建设面临的特殊问题
近几年，在政策鼓励和社会需求双重助力推动下智能电网得到了大力的发展，尤其表现在超特高压电网投运、大规模新能源并网和智能配用电方面，同时智能电网的建设也面临着一些特殊问题。
（1）远距离、交直流混合、超/特高压输电构成的大电网
我国能源与负荷呈逆向分布，煤炭、水力和风能等资源主要分布在西部和北部地区，而用电负荷集中在中、东部地区和南部沿海地区，中间相隔上千公里，从客观上决定了需要采取远距离、交直流混合、超/特高压的输电方式实现能源资源的优化配置。然而随着电网规模日益复杂，其安全问题也更加突出。电力系统越庞大，事故发生概率越高，且大型互联电力系统在增强输电能力的同时也激生了由局部扰动衍生为全局故障的潜在威胁，数次大停电事故证明了这一个威胁的高发性。直流输电传输容量大，线路走廊利用率高，社会综合效益突出，但交直流系统的相互作用也会给交直流线路的控制和继电保护造成影响，需要加以考虑。如下图1：我国第一个风火打捆、直流送出工程：哈密～郑州±800kV直流输电工程，工程额定功率 8000MW，额定电压±800kV，额定电流 5000A。工程西起新疆维吾尔自治区哈密地区天山换流站，东至河南省郑州市中州换流站，输电距离约2110km。新疆本地煤电以及新能源发电（风电、太阳能等）大功率东送至华中腹地，即促进西部经济发展，又增强了中、东部地区的能源供给，达到双赢效果。
图1 哈郑直流接入电网结构示意图
（2）波动性新能源电力以规模化接入电网为主要利用方式
新能源发电的目的是优化能源供应结构，减少电力系统对一次化石能源的消耗。2014年底我国风电机组累计并网容量达96370 MW，太阳能发电并网容量达26520 MW，新能源全年总发电量超过3000亿kWh。以风电、太阳能电源为代表的新能源电力与负荷间呈现逆向分布的特点，且以规模化接入电网为主要利用方式。新能源电力具有间歇性、随机性和可调度性差的特点，在电网接纳能力不足的情况下，会给电力系统的安全稳定造成威胁。新能源电力并网时，线路中的潮流会发生较大变化，进而影响电网有功和无功功率的分布，增加了系统控制难度。所采用的逆变设备和大量的电力电子设备会产生一定的谐波分量和直流分量，接入系统后会影响电能质量，还可能导致保护和自动装置误动作。另外，与常规电源相比，新能源电力运行控制方式有较大区别，给常规暂态稳定控制措施带来挑战。
（3）新能源电力缺少就地平衡的互补电源
我国总体上缺少与新能源电力互补的可快速调节的电源，如水电站和燃气电站。新能源电力波动性大、难以稳定输出，如果缺少足够的就地互补电源，则会出现以下问题：已建成的新能源装机无法充分并网，风电弃风现象严重；新能源接入后为了达到电力供需平衡，燃煤机组需要频繁调整出力，运行工况变化大，造成设备老化加快和发电煤耗增加；此外新能源电力并网造成的系统调峰容量下降还会降低电网安全裕度。因此要尽量实现新能源电力的就地平衡，根据实际条件，应积极探索风、光、水、气、火、储组合的优化互补方案，以减少波动性输出对整个系统的影响。
二、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）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。
（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。
（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。三峡直流协控安控系统就具有典型代表性，如下图2所示：
图2三峡直流协控安控系统
特高压、换流站、地区电网之间需要强力的协调和统管，并且在各个变电站内部，交、直流继电保护与安全稳定控制系统之间存在着故障起动、策略响应、功率调档、远传命令、执行策略等密切配合关系。
三、结束语
总之，随着互联系统网络和容量的增大以及电压等级的增高，电力系统故障所影响的地域范围和用户数量也日益增多。保证电网正常运行，使继电保护系统实现高速、准确、可靠动作将变得越来越重要，因此，如何提高继电保护系统的可靠性也就成为人们日益关注的课题。
参考文献：
[1]谢开，刘永奇，朱治中，等.面向未来的智能电网.中国电力，2008，41（6）：19-22.
[2]毕天姝，刘素梅，智能电网含义及共性技术探讨J].华北电力大学学报：自然科学版，2011，38（2）：1-9.
作者简介：
王碧锋（1980-），男，陕西渭南人，工程师，长期从事电力系统继电保护和工业自动化设计。