對電網規劃和運行而言，安全是永恒的主題。作為電網安全第一道防線中的主保護，差動保護擔負著第一時間快速切除故障的重任，是電網和各類電氣設備的“貼身保鏢”。但隨著電網形態日趨復雜，運行控制難度增大，“貼身保鏢”也亟需升級。如何讓這位“貼身保鏢”更快、更準、更穩地保護大電網。由南瑞集團牽頭的“復雜電網差動保護關鍵技術及應用”項目團隊給出了“升級方案”。
電網日趨復雜，“貼身保鏢”亟需升級
隨著“西電東送”戰略實施，清潔能源大規模開發和外送，我國逐步建成世界上電壓等級最高、輸送距離最遠、交直流混聯的特大型復雜電網。
大電網快速建設發展，電網故障形態也日趨復雜。隨著電網電壓等級不斷提升、規模和復雜度持續加大，呈現線路分布電容電流成倍增長、大容量變壓器勵磁涌流與故障電流波形更趨相似、故障暫態電流幅值大衰減慢等特征，多次造成差動保護誤動或慢動，導致電網事故擴大和設備損壞，差動保護精準快速辨識故障難度愈加凸顯，面臨嚴峻挑戰。
因此，快速、靈敏、可靠切除故障成為保障復雜電網安全最迫切的要求。
突破核心技術，“保鏢”靈敏1.5倍，快了一半
一名合格的“貼身保鏢”要做到“眼觀六路、耳聽八方”，首先要正確判斷任何危險。所以差動保護的第一要義是要精準識別線路故障。
但是分布電容電流經常會影響到差動保護識別故障的靈敏度，對其造成干擾。在電壓等級低、線路短的情況下，分布電容很小，對線路兩端的電流影響不大，可以忽略其對差動保護的影響；但在高壓長線輸電或者電纜線路上，分布電容的等值容抗大大減小，因而其對差動保護影響就不能再被忽略。針對這一問題，項目組突破線路保護傳統技術思路，提出了不受分布電容電流影響的線路差動保護技術、電氣和通信參量協同辨識信道對稱性技術。他們解決了線路電容電流影響保護性能、信道異常伴隨線路故障同步發生導致線路差動保護不正確動作的難題。南瑞集團電網應用研發中心副主任吳通華向記者介紹。“我們的方法不受電容電流的影響。內外部故障區分度更明顯，靈敏度也更高，大概是以前的1.5倍左右，高阻故障動作時間相較之前也縮減了50%。”
同樣的，在變壓器中也會有“干擾分子”影響差動保護識別故障——勵磁涌流。勵磁涌流與變壓器內部故障電流相似，會導致差動保護錯誤識別，進而實施誤動作。所以，正確識別變壓器勵磁涌流問題，是實現變壓器保護動作正確率提高的根本。對此，項目組提出鐵芯飽和快速判別、不經勵磁涌流閉鎖的差動保護技術，構建解耦相-相影響、強化波形間斷特征的涌流按相判別方法。“這就是我們本項發明的一個關鍵所在，我們打破了傳統的基于勵磁涌流波形特征的判別方式，從勵磁涌流產生機理的本質出發進而識別故障。”南瑞集團資深專家潘書燕介紹。這一技術攻克了困擾國內外電力行業多年變壓器勵磁涌流影響保護精準快速辨識故障的難題，大大縮短了識別時間。
除了要“又準又快”，提升差動保護動作的可靠性也是項目組一直在攻克的目標。針對電流互感器飽和對各類電氣設備差動保護造成的不利影響,項目團隊通過飽和軌跡包絡逼近、超短數據窗線性區判別、故障相制動非故障相等差動保護等技術，解決了互感器飽和導致保護誤動的難題，同時又不犧牲內部故障時的快速性和靈敏性。“打個比方，像樹枝放電這樣的高阻故障和區外故障互感器飽和這兩種場景，都會產生差流，很容易混淆。可能會導致‘不應該跳的故障跳掉了，應該跳的沒跳’這種情況出現。傳統保護方法一般將故障分為兩區——制動區和動作區，但對于有些不容易明確識別的故障，我們在制動區和動作區中間又加了一個模糊區，將不好處理的故障進行二次判斷。”吳通華說道，“以前那種方法比較硬，現在更柔性化、精細化。”
項目構建了復雜電網差動保護技術體系，自適應于不同保護對象、不同應用場景、不同故障演化過程，解決了差動保護快速性、靈敏性、可靠性難以兼顧的難題。
保鏢助力“不停電”，批量替代進口產品
基于上述成果，項目團隊研制的系列繼電保護裝置通過德國技術監督協會等5家權威機構檢測認證。項目團隊獲授權發明專利59 項，出版專著4部，發表SCI/EI 論文97 篇。牽頭制定《1000千伏電力系統繼電保護技術導則》等國家標準。
目前，項目成果已廣泛應用于我國220千伏~1000千伏各電壓等級電網，涵蓋新一代調相機組工程、海上風電工程以及川藏聯網等重要工程。目前，不滿足我國復雜電網要求的進口保護裝置已經被批量替換，帶動我國高壓電網新投運設備實現100%國產配置，產品出口至數十個國家和地區。
多年來我國未發生類似美國、印度等國家影響千萬至數億人口的大停電。這項項目成果在其中發揮了重要作用，創造了巨大的經濟和社會效益。隨著新型電力系統建設、新能源的規模化持續開發利用、“一帶一路”建設的深入推進，這項成果將會具有更廣闊的應用前景。
感謝：袁仲偉 吳通華 潘書燕 王中浪
責任編輯 | 韓旭
