中國儲能網(wǎng)訊：繼電保護是電網(wǎng)安全的第一道防線，近年來國內(nèi)外大面積停電事故大多與繼電保護不正確動作直接或間接相關(guān)。公開資料顯示，2016年澳大利亞“9·28”、2019年英國“8·9”大停電事故，均由極端天氣誘發(fā)新能源大規(guī)模脫網(wǎng)導(dǎo)致。
基于此，越來越多的國家重視繼電保護在電網(wǎng)穩(wěn)定運行中的作用，不斷加大繼電保護系統(tǒng)研究，更新?lián)Q代繼電保護裝置，推動繼電保護技術(shù)更加成熟可靠。然而，隨著新能源大規(guī)模發(fā)展，電網(wǎng)形態(tài)發(fā)生深刻變化，傳統(tǒng)繼電保護技術(shù)面臨新的挑戰(zhàn)。
數(shù)據(jù)顯示，今年6月，全國并網(wǎng)風(fēng)電和太陽能發(fā)電合計裝機11.8億千瓦，首次超過煤電裝機規(guī)模。截至2024年8月底，全國新能源裝機占比已超過40%，據(jù)中國科學(xué)院預(yù)測，這一占比將在2060年超過80%。新能源主要通過電力電子裝備并網(wǎng)，隨著電力系統(tǒng)的電力電子化程度不斷提高，在當(dāng)前電網(wǎng)主配網(wǎng)、交直流、送受端耦合緊密的格局下，電力電子設(shè)備承受擾動沖擊的能力差，故障傳播速度快，影響范圍廣，局部單一元件繼電保護異常就可能引發(fā)大面積停電、甚至頻率失穩(wěn)等嚴重后果?？梢哉f，大電網(wǎng)安全更加依賴繼電保護的可靠快速動作，也對繼電保護技術(shù)提出新要求。
因此，“雙碳”目標背景下，隨著新能源占比逐漸提高，電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的重要防線——繼電保護，或?qū)⒚媾R變革。
傳統(tǒng)技術(shù)日臻成熟
作為電網(wǎng)“三道防線”的第一道防線，繼電保護的重要職責(zé)就是確保在電網(wǎng)發(fā)生故障時能及時、準確地將故障切除，并將切除范圍縮到最小，保障系統(tǒng)中無故障部分繼續(xù)安全運行。在這個過程中，可靠性、選擇性、速動性、靈敏性是關(guān)鍵。
然而大部分人對此并沒有多少感知，這是因為繼電保護只在電網(wǎng)發(fā)生故障或異常時才發(fā)揮作用，從而阻止故障進一步擴大，它可以說是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的“幕后英雄”。所以，就繼電保護而言，“無感”也許是最好的褒獎。
迄今為止，世界上共發(fā)生過25次負荷損失不小于800萬千瓦的重大停電事故。作為裝機容量和電網(wǎng)規(guī)模世界第一的中國電網(wǎng)，能夠保持較長時間的大電網(wǎng)安全運行記錄正是依靠合理的電網(wǎng)架構(gòu)配以合理的繼電保護原則。
中國電網(wǎng)歷來重視規(guī)范電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和繼電保護。1981年全國電網(wǎng)穩(wěn)定會議頒發(fā)的《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》（以下簡稱《導(dǎo)則》）經(jīng)過多次完善運行至今?！秾?dǎo)則》通過《避免線路過負荷連鎖跳閘》等若干規(guī)定，為中國電網(wǎng)的安全運行設(shè)下了“三道防線”。自上世紀80年代起，全國統(tǒng)一使用全新的繼電保護設(shè)備，實行“統(tǒng)一調(diào)度”，確保了防線的可靠性。
國網(wǎng)浙江電力現(xiàn)有繼電保護及安全自動裝置約16.8萬臺，為2007年4.9萬臺的3.4倍，規(guī)模急劇增長。近年來，國網(wǎng)浙江電力加快推進電網(wǎng)二次設(shè)備改造，220千伏及以上電網(wǎng)系統(tǒng)微機化率、雙重化率、光纖化率實現(xiàn)100%，國產(chǎn)化率穩(wěn)步提升，自主可控二次設(shè)備已全面推廣應(yīng)用。
浙江電網(wǎng)地處東南沿海，臺風(fēng)、冰災(zāi)、雷暴等天氣頻發(fā)，繼電保護時刻經(jīng)歷嚴峻考驗。2023年浙江220千伏及以上保護動作934次，在華東區(qū)域處于高位。國網(wǎng)浙江電力加強繼電保護整定運行管理，持續(xù)提升運行水平，在迎峰度夏、防冰抗臺風(fēng)等各項大戰(zhàn)大考中連戰(zhàn)連捷，主電網(wǎng)故障快速切除率為100%，繼電保護正確動作率長期保持100%。
何以需要變革？
基于過去數(shù)十年的實踐，傳統(tǒng)電網(wǎng)中繼電保護的基本原理和配置技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但情況正在急劇變化。數(shù)據(jù)顯示，截至2024年11月底，浙江風(fēng)電、光伏裝機達到5308萬千瓦，已超過全省電力總裝機的三成，光伏中分布式光伏的占比超過八成。其對電網(wǎng)的諸多影響正日益凸顯，也愈發(fā)“避無可避”。
可以說，當(dāng)前電網(wǎng)的電源特性、電源結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)架結(jié)構(gòu)發(fā)生了根本性轉(zhuǎn)變，配電網(wǎng)有源化程度快速上升，三道防線之間界限越來越不清晰，安全穩(wěn)定控制、設(shè)置安全防線的難度正在加大。
傳統(tǒng)基于工頻量的繼電保護認為故障瞬間電網(wǎng)電源電壓、短路阻抗維持恒定，而電力電子器件控制方式和拓撲結(jié)構(gòu)的快速調(diào)節(jié)，新能源電源運行結(jié)構(gòu)和控制策略的快速變化，都將使得故障瞬間電力系統(tǒng)電源和短路路徑發(fā)生瞬時改變。在暫態(tài)電氣量易發(fā)生瞬變、畸變的情況下，現(xiàn)有繼電保護基礎(chǔ)原理將難以完全適應(yīng)。
傳統(tǒng)的配電網(wǎng)特點是單電源供電，供電網(wǎng)絡(luò)呈輻射型結(jié)構(gòu)，電網(wǎng)中的所有電氣設(shè)計，包括繼電保護的配置均是基于單電源進行的。而由于分布式光伏、儲能以及新型負荷的大量接入，當(dāng)前配電網(wǎng)正逐步向“配電系統(tǒng)”轉(zhuǎn)變。這種變化將影響傳統(tǒng)配電網(wǎng)中的短路電流分布，從而影響繼電保護的選擇性和靈敏性。比如可能出現(xiàn)新能源側(cè)短路電流受限導(dǎo)致差動保護靈敏度下降、電壓相位受控突變導(dǎo)致方向元件失效、分布式電源的助增效應(yīng)導(dǎo)致三段過流保護失配、負荷側(cè)“含源量”上升導(dǎo)致低頻減載欠切風(fēng)險增加等問題。
如果電力系統(tǒng)仍按照常規(guī)方式配置繼電保護，可以預(yù)見的是，未來傳統(tǒng)繼電保護原理將逐漸開始出現(xiàn)適應(yīng)性問題，繼電保護誤動或拒動將成為常態(tài)，導(dǎo)致傳統(tǒng)繼電保護原理無法完全滿足新型電力系統(tǒng)的發(fā)展需要。在能源轉(zhuǎn)型浪潮下，新型電力系統(tǒng)建設(shè)勢不可擋，關(guān)于繼電保護的變革亦勢在必行。
革新之路在何方？
隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)的持續(xù)深入推進，關(guān)于繼電保護的技術(shù)革新也隨之進行。
在新型電力系統(tǒng)建設(shè)的初期，對傳統(tǒng)基于工頻分量的保護原理進行改進，以適應(yīng)不斷更新的故障特征。比如，針對高比例新能源接入的配電網(wǎng)，通過設(shè)置繼電保護裝置的方向，一定程度上避免了新能源倒送電流導(dǎo)致繼電保護誤動作的可能。
“隨著新型電力系統(tǒng)建設(shè)進程的加深，如果只對傳統(tǒng)基于工頻分量的保護原理進行改進，恐怕將無法完全適應(yīng)復(fù)雜的故障特征?！眹W(wǎng)衢州供電公司電力調(diào)度控制中心繼電保護室主管戚碧云說道。
如何讓繼電保護更好適應(yīng)新型電力系統(tǒng)？浙江的應(yīng)對思路主要有三個方面。
首先，加快“三道防線”適應(yīng)提升。全面開展存量繼電保護適應(yīng)分析，并對繼電保護整定、配置進行針對性補強，推進繼電保護新原理新設(shè)備落地應(yīng)用。強化寬頻振蕩監(jiān)測部署與振蕩機理研究，支撐振蕩快速溯源、阻斷。提升新型可控設(shè)備調(diào)控能力，“以調(diào)代切”增強第二道防線穩(wěn)定支撐能力。強化現(xiàn)有頻率控制防線，加快第三道防線監(jiān)視功能部署，前移低頻減載配置，實現(xiàn)可切量滾動增補與“切荷留源”。
其次，加強設(shè)備本質(zhì)安全提升。有序推進老舊設(shè)備改造，統(tǒng)籌未來三年停電需求，滾動更新老舊繼電保護三年規(guī)劃，采取差異化改造方案，全面提升改造質(zhì)效。加大資金傾斜力度，加強工程項目全流程管控與現(xiàn)場作業(yè)風(fēng)險管控，力爭2027年底前實現(xiàn)220千伏及以上老舊繼電保護清零。同時，按照“積極穩(wěn)妥、能用盡用”原則推進自主可控二次設(shè)備規(guī)模化應(yīng)用。
再次，加強有源配電網(wǎng)繼電保護管控。堅持主、配電網(wǎng)同質(zhì)化管理的原則，健全配電網(wǎng)繼電保護專業(yè)管理，制定配電網(wǎng)繼電保護技術(shù)應(yīng)用原則，強化入網(wǎng)檢測和動作評價。制定有源配電網(wǎng)整定方案，強化主、配電網(wǎng)繼電保護定值配合。強化配電網(wǎng)整定計算技術(shù)支持系統(tǒng)建設(shè)，試點應(yīng)用定值自動整定、遠程下裝、在線校核功能。建設(shè)新型配電網(wǎng)保護示范點，促進有源配電網(wǎng)三道防線新型配置體系和控制策略應(yīng)用。
如在衢州，探索的腳步從未停歇。
近年來，國網(wǎng)衢州供電公司正著手研究高比例源荷儲接入的配電網(wǎng)繼電保護與控制關(guān)鍵技術(shù)，重點研究高比例分布式光伏、儲能、可控負荷等電力電子設(shè)備的運行特性及其在系統(tǒng)故障后初始暫態(tài)階段、控制響應(yīng)暫態(tài)階段和穩(wěn)態(tài)階段的響應(yīng)特性精確解析計算方法。
好消息是，此次研發(fā)的適用于高比例源荷儲接入的配電網(wǎng)繼電保護裝置樣機將于近期掛網(wǎng)試點，該裝置旨在驗證高比例源荷儲接入的配電網(wǎng)發(fā)生故障時保護與控制高效協(xié)同的技術(shù)，確保繼電保護的選擇性和靈敏性，探索將故障隔離在最小范圍的可能，從而保障新型配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。
今年以來，國網(wǎng)衢州供電公司將老舊繼電保護改造三年規(guī)劃納入六年檢修規(guī)劃中，統(tǒng)籌變電站一停多用，加快推進老舊繼電保護改造，提升繼電保護設(shè)備本質(zhì)安全水平，確保繼電保護設(shè)備以最佳狀態(tài)保護電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。
同時，國網(wǎng)衢州供電公司已建成全省首個山區(qū)全電壓全電磁數(shù)字實時仿真實驗室，將重點針對衢州電網(wǎng)高比例光伏滲透現(xiàn)狀，開展電網(wǎng)穩(wěn)定管理相關(guān)研究，為探索衢州電網(wǎng)繼電保護最優(yōu)方案提供仿真技術(shù)平臺。
但繼電保護的革新之路并非坦途，還有許多現(xiàn)實問題擺在面前。
比如，當(dāng)前基于故障暫態(tài)電氣量頻域特征的繼電保護、控制與保護協(xié)同技術(shù)、人工智能算法在繼電保護的應(yīng)用相關(guān)研究仍處于起步階段，所以要研制出適用于新型電力系統(tǒng)的繼電保護新裝置并非易事，仍有諸多技術(shù)難關(guān)亟需攻克。
比如，受停電窗口、人員承載力等多因素疊加影響，目前公司系統(tǒng)老舊繼電保護問題仍然突出，甚至已經(jīng)顯現(xiàn)出裝置性能下降等現(xiàn)實影響，老舊繼電保護的改造工作仍需加大力度。
再比如，電網(wǎng)穩(wěn)定管理對仿真建模和計算的要求很高，模型不準、計算不快、精度不高的問題仍然存在，省市一體仿真平臺尚未建立，電磁暫態(tài)仿真建模工作還未實現(xiàn)標準化和流程化管理，相關(guān)專業(yè)核心隊伍建設(shè)亟待加強。
……
2024年10月17日，國家電網(wǎng)有限公司召開電網(wǎng)穩(wěn)定工作會議暨2024年四季度工作會議，明確要健全電網(wǎng)穩(wěn)定管理體系，確保新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，以高水平安全保障高質(zhì)量發(fā)展，全力服務(wù)經(jīng)濟社會平穩(wěn)運行。
“安全穩(wěn)定”將始終是電網(wǎng)發(fā)展的主旋律。而安全穩(wěn)定的“幕后英雄”——繼電保護始終是關(guān)鍵一環(huán)。
當(dāng)下，新能源發(fā)展始終保持超預(yù)期的速度，新型電力系統(tǒng)建設(shè)步伐勢必加快。如何讓繼電保護成為新型電力系統(tǒng)的“安全穩(wěn)定之鑰”，而絕不成為新型電力系統(tǒng)的“阿喀琉斯之踵”，是眼下必須未雨綢繆的事情。
