对电网规划和运行而言，安全是永恒的主题。作为电网安全第一道防线中的主保护，差动保护担负着第一时间快速切除故障的重任，是电网和各类电气设备的“贴身保镖”。但随着电网形态日趋复杂，运行控制难度增大，“贴身保镖”也亟需升级。如何让这位“贴身保镖”更快、更准、更稳地保护大电网。由南瑞集团牵头的“复杂电网差动保护关键技术及应用”项目团队给出了“升级方案”。
电网日趋复杂，“贴身保镖”亟需升级
随着“西电东送”战略实施，清洁能源大规模开发和外送，我国逐步建成世界上电压等级最高、输送距离最远、交直流混联的特大型复杂电网。
大电网快速建设发展，电网故障形态也日趋复杂。随着电网电压等级不断提升、规模和复杂度持续加大，呈现线路分布电容电流成倍增长、大容量变压器励磁涌流与故障电流波形更趋相似、故障暂态电流幅值大衰减慢等特征，多次造成差动保护误动或慢动，导致电网事故扩大和设备损坏，差动保护精准快速辨识故障难度愈加凸显，面临严峻挑战。
因此，快速、灵敏、可靠切除故障成为保障复杂电网安全最迫切的要求。
突破核心技术，“保镖”灵敏1.5倍，快了一半
一名合格的“贴身保镖”要做到“眼观六路、耳听八方”，首先要正确判断任何危险。所以差动保护的第一要义是要精准识别线路故障。
但是分布电容电流经常会影响到差动保护识别故障的灵敏度，对其造成干扰。在电压等级低、线路短的情况下，分布电容很小，对线路两端的电流影响不大，可以忽略其对差动保护的影响；但在高压长线输电或者电缆线路上，分布电容的等值容抗大大减小，因而其对差动保护影响就不能再被忽略。针对这一问题，项目组突破线路保护传统技术思路，提出了不受分布电容电流影响的线路差动保护技术、电气和通信参量协同辨识信道对称性技术。他们解决了线路电容电流影响保护性能、信道异常伴随线路故障同步发生导致线路差动保护不正确动作的难题。南瑞集团电网应用研发中心副主任吴通华向记者介绍。“我们的方法不受电容电流的影响。内外部故障区分度更明显，灵敏度也更高，大概是以前的1.5倍左右，高阻故障动作时间相较之前也缩减了50%。”
同样的，在变压器中也会有“干扰分子”影响差动保护识别故障——励磁涌流。励磁涌流与变压器内部故障电流相似，会导致差动保护错误识别，进而实施误动作。所以，正确识别变压器励磁涌流问题，是实现变压器保护动作正确率提高的根本。对此，项目组提出铁芯饱和快速判别、不经励磁涌流闭锁的差动保护技术，构建解耦相-相影响、强化波形间断特征的涌流按相判别方法。“这就是我们本项发明的一个关键所在，我们打破了传统的基于励磁涌流波形特征的判别方式，从励磁涌流产生机理的本质出发进而识别故障。”南瑞集团资深专家潘书燕介绍。这一技术攻克了困扰国内外电力行业多年变压器励磁涌流影响保护精准快速辨识故障的难题，大大缩短了识别时间。
除了要“又准又快”，提升差动保护动作的可靠性也是项目组一直在攻克的目标。针对电流互感器饱和对各类电气设备差动保护造成的不利影响,项目团队通过饱和轨迹包络逼近、超短数据窗线性区判别、故障相制动非故障相等差动保护等技术，解决了互感器饱和导致保护误动的难题，同时又不牺牲内部故障时的快速性和灵敏性。“打个比方，像树枝放电这样的高阻故障和区外故障互感器饱和这两种场景，都会产生差流，很容易混淆。可能会导致‘不应该跳的故障跳掉了，应该跳的没跳’这种情况出现。传统保护方法一般将故障分为两区——制动区和动作区，但对于有些不容易明确识别的故障，我们在制动区和动作区中间又加了一个模糊区，将不好处理的故障进行二次判断。”吴通华说道，“以前那种方法比较硬，现在更柔性化、精细化。”
项目构建了复杂电网差动保护技术体系，自适应于不同保护对象、不同应用场景、不同故障演化过程，解决了差动保护快速性、灵敏性、可靠性难以兼顾的难题。
保镖助力“不停电”，批量替代进口产品
基于上述成果，项目团队研制的系列继电保护装置通过德国技术监督协会等5家权威机构检测认证。项目团队获授权发明专利59 项，出版专著4部，发表SCI/EI 论文97 篇。牵头制定《1000千伏电力系统继电保护技术导则》等国家标准。
目前，项目成果已广泛应用于我国220千伏~1000千伏各电压等级电网，涵盖新一代调相机组工程、海上风电工程以及川藏联网等重要工程。目前，不满足我国复杂电网要求的进口保护装置已经被批量替换，带动我国高压电网新投运设备实现100%国产配置，产品出口至数十个国家和地区。
多年来我国未发生类似美国、印度等国家影响千万至数亿人口的大停电。这项项目成果在其中发挥了重要作用，创造了巨大的经济和社会效益。随着新型电力系统建设、新能源的规模化持续开发利用、“一带一路”建设的深入推进，这项成果将会具有更广阔的应用前景。
感谢：袁仲伟 吴通华 潘书燕 王中浪
责任编辑 | 韩旭
