特殊保護系統簡介

特殊保護系統，根據 CIGRE 的定義[30]，是指一種被設計用來偵測電力系統 的異常狀況並採取預先決定好的矯正措施，以維持系統的完整性並使電力系統能 提供可被用戶接受的電力品質。

特殊保護系統有別於電力系統設備保護，電力系統設備保護是保護特定的系 統設備，例如 : 發電機、變壓器與輸電線等，在系統發生事故時或設備發生故障 時能隔離特定的設備以降低該設備可能遭受的損害並進一步防止事故擴大。特殊 保護系統的功能層面則是關係到整個電力系統能否維持穩定及可靠地運轉；能否 避免在電力系統基礎設施上的重大投資，而改採較為經濟且有效的方式來充份利 用及控制現有的基礎設施；或者是放寬電力系統運轉上的限制，像是輸電能力的 限制以及備轉容量的限制等，此舉可以節省電力公司的營運成本。

特殊保護系統利用改變負載量、發電量及系統結構的方式來保持系統的穩定 度、電壓或者是電力潮流，要採取何種措施則取決於系統的狀態或事故的種類，

另外也藉由大量的離線電力系統模擬分析來預先協調不同電力系統設備的運作，

或是線上即時計算矯正控制動作。

一個強健有效的特殊保護系統是可靠(dependable)且安全(secure)的。換言之，

當系統面臨不穩定情況時，特殊保護系統可立即有效觸發(triggering)，而當系統正 常時或僅是遭受小擾動沒有穩定度問題時，特殊保護系統就不應該被觸發，否則

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誤動作將造成系統不必要損失。一般特殊保護系統不時時刻刻處於啟用狀態

（arming），當系統備用容量低時或是主幹線重載時，才啟用特殊保護系統，如此 可提升安全性[28]。

特殊保護系統從以前演變至今，有各種不同的名稱出現，除了本文所稱的特 殊保護系統(Special Protection Systems, SPS)外，還有以下幾種名稱:[31]

System Protection Scheme (SPS)、Special Protection Scheme (SPS)、Remedial Action Scheme (RAS)、Special stability controls、Dynamic security controls、Contingency arming schemes、Adaptive protection schemes、Corrective action schemes、Security enhancement schemes。因為國家或學派的不同，所以出現這麼多不同的名稱，其實 所要表達的意義都是差不多的。為求簡便，此後本文都將以 SPS 來簡稱特殊保護 系統。

4.2.2 特殊保護系統的應用領域 SPS 主要被應用在以下幾種情況[30]：

（1）使電力系統更安全穩定地靠近極限運轉

在世界各國的電力系統當中，運轉安全裕度常因下列種種緣故而被迫縮減:

- 環保的考量使系統網路的擴建或補強受到限制 - 輸變電工程計畫有時會因財務問題而延誤 - 電業解除管制下的競爭環境

（2）在維持相同系統安全的同時提升系統輸電能力

在輸變電工程進度無法如期進展或者電業財務狀況吃緊時可以利用 SPS 來保 持系統的安全運轉。對於很多電力公司來說，SPS 是電力系統規劃人員用來達成系 統性能要求的重要招數之一。

（3）暫時用來彌補工程進度落後所可能導致的系統不安全運轉 SPS 可以被用來當作新的輸電工程尚未建好時的暫時替代方案。

（4）增加系統面對可能導致系統崩潰的極度偶發事故的能力

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極度偶發事故通常是指會導致好幾個電力系統元件或設備從系統脫離或是會 造成連鎖跳脫的事故。極度偶發事故的評估通常被用來當作瞭解這些事故對系統 響應的影響及電力系統強健程度的手段。使用 SPS 來對治極度偶發事故已經是全 球公認可以提升電力系統安全性的方式。

（5）SPS 可被用在對治極度偶發事故的防禦計畫(defense plan)或安全網(safety

nets)

目前已經知道想預測或防止所有隨機發生而且可能導致系統崩潰的極度偶發 事故是不可行而且不可能的。當電力系統比較不複雜時，也許用幾套 SPS 就可以 適當地來保護電力系統，但是對大系統來講則必需整合協調各種不同的保護方式 而構成一個在設計及運轉上都相當複雜的保護系統，這樣做對確保系統能承受所 有可能的嚴重事故來說是必要的。防禦計畫可以被定義為一組相互協調的保護策 略，其主要目的是為了能確保整個電力系統在其保護下能對抗嚴重的擾動或多重 性偶發事故(multiple contingency events)，以降低這些事故的嚴重程度及避免系統 崩潰。所以防禦計畫主要是被用來提升系統的安全性，也被視為在系統崩潰勢不 可免的情況下被設計用來當作最後一道防線以穩住電力系統的額外一層保護。

4.2.3 特殊保護系統的基本架構 SPS 主要由以下三個部分構成:[30]

- 輸入(電力系統當中物理量的大小、斷路器的狀態等等) - 決策系統(基於輸入，經過運算來決定要採取的控制動作) - 動作單元(執行動作，例如卸載、卸除發電機等)

圖4.1 說明 SPS 的基本架構:

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其中輸入可來自於直接量測的物理量，若是無法直接量測得到，可透過估測 的方式取得。目前電力系統狀態量測可採用全球定位系統（GPS）所提供 1Hz 時 脈訊號及時標來達成全系統同步量測，時間同步誤差可控制於1 微秒（1μs）以內。

1 微秒誤差相當於 60Hz 電力系統相角誤差為 0.0216 度。應用如此高精度狀態監測 技術於特殊保護控制系統，則暫態穩定度可被即時監測[28]。

決策系統通常置於電力系統控制中心，它可為決策支援型式或全自動型式。

一般針對暫態不穩定情況，則需要全自動型式，因系統從啟始事故至系統失步崩 潰，只需要數秒時間，遠超過調度人員反應速度。而系統若是遭受電壓不穩定情 況，通常不穩定時間發展有數十分鐘之久，則電腦決策可採用輔助調度員做決策 之型式。無論是何種型式，SPS 之決策系統都必須是專用的，它應獨立於電力系統 控制中心做常態調度控制之電能管理系統（Energy Management System）[28]。

至於動作單元，大部分的 SPS 是基於以下的一種動作或多種動作來運轉的

[30]

電力系統擾動

電力系統

決策系統 輸入

動作單元

特殊保護系統

電力參數估測 直接量測

圖 4.1 特殊保護系統的基本架構[30]

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- 發電機卸除(Generation rejection)

- 渦輪快速閥動/發電機回復(Turbine fast valving/generator runback) - 汽渦輪機/抽水啟動(Gas turbine/pumping storage start-up)

- AGC（Automatic generation control）

- 低頻卸載(Underfrequency load shedding, UFLS) - 低壓卸載(Undervoltage load shedding, UVLS) - 遠端遙控卸載(Remote load shedding)

- HVDC 快速功率轉換(HVDC fast power change)

- 自動並聯切換(並聯電抗器或電容器的切離或投入) (Automatic shunt switching)(shunt reactor, or capacitor tripping or connecting)

- 動態制動或制動電阻(Dynamic braking or braking resistor)

- 互聯系統解聯控制/孤島區域(Controlled disconnection of interconnection/Area islanding)

- 分接頭切換阻擋及設定值調整(Tap changer blocking and setpoint adjustment) - 迅速增加發電機電壓設定值(Quick increase of generator voltage setpoint)

4.2.4 特殊保護系統的分類

SPS 可根據輸入信號、對系統的影響、動作時間、所因應的事故類型等來加以 分類。在此簡介最常見之分類方式，就是依輸入信號之不同來分類，分為事故驅 動(event-based)式及系統狀況驅動式(response-based)兩種

[32-33]

事故驅動式 SPS 係直接偵測事件，亦即電力系統事故，作為控制中心之輸入 信號，例如輸電線跳脫。因此，控制中心必須先備有一份各種事故與矯正措施之 對照表(look-up table)或稱為操作表。而對照表之製作必需事先模擬各種系統偶發 事故，並擬定適宜矯正措施以確保該措施可使系統穩定。當控制中心接收到系統 事件發生信號，隨即比對對照表，一旦項目核對成功，依該表之矯正措施動作。

這類的 SPS 優點為響應快速，極為適合因應造成擾動大、範圍大、衝擊大、響應 快之事故。一般而言，需要快速動作的特殊保護，時間要求甚快，可以用事故觸 發為基礎之保護方式；如暫態穩定度，大致可用這用這種保護方式。然而控制架

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構會較複雜，為提高可靠度，需有副系統並行運轉。該類型 SPS 包含遙控卸載、

卸除發電機等策略。

系統狀況驅動式之SPS 係採用系統狀況變數物理量作為輸入信號，如電壓、

頻率。像是由PMU (Phasor Measurement Unit)或 RTU (Remote Terminal Unit)量測的 訊號透過通信協定傳送至控制中心處理或作狀態估測。觸發方式為比對系統正常 工作點之物理量，一經發現異常變動，啟動預設之矯正措施，促使系統回歸至安 全工作點或穩定至新工作點。由於本類型 SPS 必需作進一步輸入信號之處理，狀 態估測也必需花費計算時間，故不適合因應快速的系統擾動，其應用時機適合地 區性低衝擊性事故。一般而言，不是要求很快速度的系統保護，大致可用系統狀 況觸發為基礎的特殊保護，例如過載、低壓卸載、低頻卸載等的要求在數秒以上。

最大的優點為簡單、安全、適應性高。

本章下一節將提出的大台北區 SPS，主要目標為防止發生大台北大停電，故採 用事故驅動式SPS 來規劃設計。

4.2.5 特殊保護系統的設計

SPS 設計的步驟，第一步一定要先瞭解系統對於擾動的反應，如同前一章所描 述的偶發事故分析，有些擾動所造成的後果比其他擾動嚴重很多，這要取決於擾 動的類型、發生的位置、複雜程度以及持續的時間。有些擾動所造成的後果嚴重 到不能用一般的設備保護來解決問題，此時就可考慮安裝 SPS 來保持系統穩定，

以下是典型的SPS 設計步驟[31]：

（1）嚴重擾動(critical disturbances)的界定

所謂的嚴重擾動是指在一個特定的系統狀態下，會給電力系統帶來重大衝擊 的擾動。要界定這些嚴重擾動，必須經過大量的穩定度模擬分析，有時也可藉由 過去實際發生在系統上的嚴重事故，像是會導致系統不穩定、解聯或大停電的事 故，來尋找嚴重擾動。這個步驟的最後結果必須能清楚地界定哪些擾動是屬於嚴 重擾動、要如何偵測到這些擾動以及這些擾動可能會造成的後果。也可利用電腦 模擬來找出矯正措施、該措施應有的執行速度以及執行措施後的系統表現。

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（2）觸發設備(recognition triggers)的界定

所謂的觸發設備是指被用來認定需要執行 SPS 矯正措施的事故所在設備。觸 發信號來源通常是各式各樣不同的保護電驛，也有可能是幾種不同保護電驛的組

所謂的觸發設備是指被用來認定需要執行 SPS 矯正措施的事故所在設備。觸 發信號來源通常是各式各樣不同的保護電驛，也有可能是幾種不同保護電驛的組