基于“三道防線”的廣域保護系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)綜述

陳琳

（廣東工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院電氣工程系，廣東 廣州510090）

0 前言

1996年美國大停電、2003年美國加州大停電和隨后世界范圍內(nèi)的幾次大停電事故，以及我國2008年特大冰雪災(zāi)害讓人們逐漸認(rèn)識到，傳統(tǒng)后備保護存在一些局限性，不能避免大規(guī)模停電事故的發(fā)生[1-4]。

近年來，廣域測量系統(tǒng)(Wide Area Measurement System，WAMS)在電力系統(tǒng)中的大量應(yīng)用，為電網(wǎng)保護系統(tǒng)的設(shè)計開闊了新思路[5,6]。廣域測量系統(tǒng)可獲取全網(wǎng)同步動態(tài)信息，其高速數(shù)據(jù)傳輸可使主站的數(shù)據(jù)更新周期達到20ms～50ms。這一特點使得從電網(wǎng)整體最優(yōu)出發(fā)，完成繼電保護功能成為可能。

因此，基于廣域測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，借助廣域測量技術(shù)和通信技術(shù)以解決互聯(lián)大電網(wǎng)繼電保護和安全自動裝置之間的協(xié)調(diào)問題，廣域保護系統(tǒng)應(yīng)運而生，反映了今后繼電保護的發(fā)展方向。

1 基于“三道防線”要求的廣域保護系統(tǒng)

2004年，山東大學(xué)叢偉博士，潘貞存教授提出了滿足“三道防線”要求的廣域保護系統(tǒng)[7]。由廣域繼電保護系統(tǒng)實現(xiàn)快速保護功能，構(gòu)筑電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的第一道防線；第二道防線由廣域安全自動控制系統(tǒng)防止穩(wěn)定破壞和參數(shù)越限的安全自動控制和緊急控制功能。當(dāng)系統(tǒng)受到嚴(yán)重擾動而失去穩(wěn)定，導(dǎo)致異步振蕩時，廣域保護系統(tǒng)執(zhí)行檢測系統(tǒng)振蕩、切負(fù)荷、發(fā)電機控制、系統(tǒng)解列等緊急控制策略，防止系統(tǒng)崩潰，組成第三道防線。

滿足“三道防線”要求的廣域保護系統(tǒng)借助廣域測量技術(shù)和通信技術(shù)，采集保護區(qū)域內(nèi)的多點運行信息，便于在一個系統(tǒng)內(nèi)集成實現(xiàn)“三道防線”功能，全面準(zhǔn)確反映系統(tǒng)的運行動態(tài)，針對擾動后系統(tǒng)的不同運行狀態(tài)采取不同的保護和控制策略，提高保護和控制設(shè)備裝置之間相互協(xié)調(diào)配合的工作性能，避免系統(tǒng)受到大擾動后出現(xiàn)失穩(wěn)或崩潰的情形。

廣域繼電保護的核心思想在于借助通信技術(shù)，采集電網(wǎng)中廣域同步測量信息，通過信息融合計算識別故障元件，在相鄰保護之間通過簡單的時序配合來保證保護動作的正確性[8]。

從工程化實際應(yīng)用角度出發(fā)，在我國實際電網(wǎng)背景下開展廣域繼電保護，其信息采集、交換無須覆蓋整個廣域范圍[9]，主要從以下三點原因加以考慮：

(1)從通信技術(shù)上進行分析，由于技術(shù)和經(jīng)濟條件的制約，目前實際電網(wǎng)中還未能設(shè)置專設(shè)的廣域通信網(wǎng)足以完全滿足廣域系統(tǒng)傳輸、交換大量信息的要求。故采用故障范圍內(nèi)就近有限區(qū)域的測量信息則可大大減輕廣域通信以及信息處理負(fù)擔(dān)，有利于廣域繼電保護系統(tǒng)準(zhǔn)確、及時獲取可靠的測量信息。

(2)從信息處理上進行分析，廣域繼電保護系統(tǒng)借助通信技術(shù)可獲取較大保護范圍內(nèi)的測量信息，可更準(zhǔn)確全面地進行故障定位與切除。但龐大的廣域數(shù)據(jù)量傳輸，易引發(fā)通信延遲，影響保護的速動性；更重要的是，當(dāng)某個決策點匯集大量數(shù)據(jù)時，中央決策單元有可能面臨“維數(shù)災(zāi)”的問題，從而使得求解復(fù)雜，并有可能導(dǎo)致決策失敗。

(3)從故障定位上進行分析，對某條故障線路而言，與其故障情況相關(guān)聯(lián)的僅包含在相鄰線路的一個較小區(qū)域內(nèi)，而故障線路與整個廣域范圍內(nèi)大部分線路存在很弱的耦合關(guān)系。因此，廣域保護系統(tǒng)不需獲取極大廣域范圍內(nèi)的所有信息，僅對故障區(qū)域內(nèi)相關(guān)聯(lián)信息進行決策計算便可有效實現(xiàn)故障定位。

構(gòu)造適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)模式對廣域繼電保護核心思想的實現(xiàn)至關(guān)重要。廣域繼電保護的結(jié)構(gòu)模式對廣域測量信息的采集、網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點數(shù)據(jù)的相互通信和決策中心的信息處理等方面均具有較大的影響。目前提出的廣域后備保護系統(tǒng)尚無統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)模式?？紤]到廣域后備保護系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能，以及廣域后備保護所用算法對信息需求的不同，以及保護系統(tǒng)對動作延時和可靠性的要求，研究學(xué)者提出了幾種結(jié)構(gòu)模式。

2 廣域保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有廣域后備保護的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般可分為變電站集中式、分布式和區(qū)域集中式結(jié)構(gòu)三類基本形式[10-12]。

2.1 變電站集中式結(jié)構(gòu)

變電站集中式結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 變電站集中式結(jié)構(gòu)

從結(jié)構(gòu)層次上看，變電站集中式結(jié)構(gòu)可分為兩層：第一層為中央決策單元，設(shè)置在每個變電站或由幾個變電站構(gòu)成的區(qū)域主站中；第二層為每個變電站的各個測量點處裝設(shè)的IED終端設(shè)備。兩層結(jié)構(gòu)對應(yīng)實現(xiàn)的功能如下：

1 ）終端設(shè)備完成的功能：

采集就地電氣量和狀態(tài)量信息，對信息進行簡單處理；

上傳實時信息，與本站中央決策單元通信，接收來自中央決策單元的指令；

根據(jù)接收的指令完成行跳、合開關(guān)的操作。

2 ）中央決策單元完成的功能有：

接收決策范圍內(nèi)各IED終端設(shè)備上送的實時信息；

與相鄰的其他變電站中央決策單元進行通信，收集外部信息；

分析處理綜合信息后制定保護控制策略；

發(fā)出決策指令下達至各IED終端設(shè)備中執(zhí)行，完成后備保護和穩(wěn)定控制的功能。

完成廣域保護系統(tǒng)的各種功能，做出保護和控制決策。

2.2 分布式結(jié)構(gòu)

分布式結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示：

圖2 變電站分布式結(jié)構(gòu)

分布式結(jié)構(gòu)中，在變電站各測量點處裝設(shè)IED終端設(shè)備，不需要設(shè)置中央決策單元。各IED終端設(shè)備地位對等，通過點對點的通信方式交換信息，共享數(shù)據(jù)，完成保護和穩(wěn)定控制的功能。其主要完成以下功能：（1）采集本站內(nèi)電氣量和狀態(tài)量信息，并對采集的信息進行簡單的處理；（2）借助通信系統(tǒng)與其他約定的IED終端設(shè)備通信；（3）融合本站信息和其他IED信息進行故障判斷，生成保護控制策略；（4）根據(jù)故障發(fā)生情況，由本端IED或交由鄰近IED控制斷路器執(zhí)行跳閘、合閘操作。

在分布式結(jié)構(gòu)中，可根據(jù)實際需要在各個變電站中設(shè)置監(jiān)控IED，作為各IED的監(jiān)視與管理中心，對各IED進行狀態(tài)監(jiān)視和檢測，并不參與任何保護和控制策略的形成。

2.3 區(qū)域集中式結(jié)構(gòu)

區(qū)域集中式結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示：

圖3 區(qū)域集中式結(jié)構(gòu)

在區(qū)域集中式結(jié)構(gòu)模式下，由若干變電站構(gòu)成一個整體區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)選擇一個決策中心站，其余各變電站作為執(zhí)行終端。從結(jié)構(gòu)層次上可分為三層：最底層的IED功能與集中式結(jié)構(gòu)類似，負(fù)責(zé)采集就地電氣量和狀態(tài)量信息，并僅與本站決策中心進行通信，通過站內(nèi)通信系統(tǒng)將信息上傳至變電站執(zhí)行終端。第二層是變電站內(nèi)的執(zhí)行終端。該終端獲取本站內(nèi)各IED上傳的實時信息，并進行相應(yīng)處理后，上傳至區(qū)域內(nèi)的區(qū)域決策中心；同時接收來自區(qū)域決策中心的控制指令，根據(jù)決策命令執(zhí)行相關(guān)操作。第三層是區(qū)域決策中心。區(qū)域決策中心管轄決策范圍內(nèi)的所有變電站，，依據(jù)區(qū)域電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，綜合各站上傳的各類實時信息識別故障元件，做出正確動作決策，下達至相關(guān)變電站執(zhí)行終端，由各執(zhí)行終端執(zhí)行動作指令。

3 各類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較

從廣域后備保護系統(tǒng)可采用的結(jié)構(gòu)形式看，變電站集中式、分布式結(jié)構(gòu)和區(qū)域集中式的結(jié)構(gòu)各有優(yōu)劣。

3.1 變電站集中式結(jié)構(gòu)

變電站集中式結(jié)構(gòu)的中央決策單元通過廣域通信網(wǎng)絡(luò)可最大限度的采集和利用電網(wǎng)中的各種信息，使用信息融合等方法，綜合制定決策判據(jù)，準(zhǔn)確、快速、可靠地切除故障和做出全局廣域系統(tǒng)安全控制決策。

該結(jié)構(gòu)模式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單、保護區(qū)域明確、信息交互路徑固定，對現(xiàn)有保護配置的改動較小，只需在現(xiàn)有配置的基礎(chǔ)上，每個變電站增設(shè)一個集運算、決策、通信為一體的IED。投資改造較少。

但系統(tǒng)對中心決策單元的依賴程度高，一旦故障將影響整個變電站的保護功能，存在單點失效的不足。且也存在保護分區(qū)困難，對電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化適應(yīng)性不高，擴展性較差。對通信要求較高。

3.2 變電站分布式結(jié)構(gòu)

分布式結(jié)構(gòu)無需建立中央決策單元，數(shù)據(jù)采集、處理、生成算法、制定決策以及決策執(zhí)行過程均分散至在各IED中執(zhí)行，各IED獨立完成保護與控制功能。其優(yōu)點在于對IED的可靠性要求降低，一般某個IED發(fā)生故障時可由相鄰IED協(xié)調(diào)動作彌補其職能，不會影響保護系統(tǒng)的整體工作；且各IED之間通信對象為事先設(shè)定，信息不會在各IED之間多次往返傳遞，降低了通信延時時間。

但分布式結(jié)構(gòu)對IED性能要求較高，在實際應(yīng)用時需對保護區(qū)域內(nèi)的所有保護裝置加以改造，投資成本增加。且各IED之間需要同時互相通信，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率較高，將致使整個通信網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，使通信系統(tǒng)的構(gòu)建困難，后期維護檢修工作繁復(fù)。根據(jù)IED間通信實現(xiàn)的不同，致使IED間的通信邏輯繁雜或通信通道數(shù)量極大，終將導(dǎo)致實際通信系統(tǒng)復(fù)雜化，后期維護檢修工作量繁復(fù)。同時，由于各IED交換的通信數(shù)據(jù)多元化，既包含本地電氣量和狀態(tài)量信息，還囊括相鄰IED節(jié)點收集到的相關(guān)信息，數(shù)據(jù)通信量相較于集中式結(jié)構(gòu)龐大。同時，固定的通信對象降低了系統(tǒng)靈活性，當(dāng)電網(wǎng)運行方式發(fā)生改變時難以及時有效調(diào)整。

3.3 區(qū)域集中式結(jié)構(gòu)

區(qū)域集中式結(jié)構(gòu)結(jié)合了變電站集中式結(jié)構(gòu)與分布式結(jié)構(gòu)的雙重優(yōu)點：一方面，采用分布在各個變電站的中央決策單元進行保護控制決策中，可集中應(yīng)用大量信息，系統(tǒng)實現(xiàn)的整體性能更加優(yōu)異，保護范圍也將更加廣泛。。另一方面，對各站的保護配置、IED的可靠性要求不高，各IED僅與區(qū)域決策中心站通信，不需進行站與站之間通信，減小數(shù)據(jù)通信負(fù)擔(dān)，簡化通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，且簡化了各IED功能，相比變電站集中式結(jié)構(gòu)的工程造價更少。

同變電站集中式結(jié)構(gòu)一樣，區(qū)域集中式結(jié)構(gòu)也對決策中心依賴程度高。一旦決策系統(tǒng)發(fā)生故障，輕者導(dǎo)致一個或數(shù)個保護IED出現(xiàn)誤動或拒動的情況，重者將導(dǎo)致整個保護區(qū)域內(nèi)的保護同時失效，后果將十分嚴(yán)重。因此要求決策中心的可靠性和信息處理能力達到較高水平。同時由于距離決策中心較遠的IED的信息，需要經(jīng)過多次路由進行轉(zhuǎn)發(fā)，將會造成信號傳輸?shù)經(jīng)Q策系統(tǒng)的延時較大，直接影響保護的速動性。

隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)的高速發(fā)展，并且目前220kV及以上系統(tǒng)變電站之間均已鋪設(shè)了光纖通道，加上具備高速運行能力的CPU及外圍設(shè)備，為區(qū)域集中式結(jié)構(gòu)的工程化應(yīng)用提供了良好的硬件條件。因此區(qū)域集中式結(jié)構(gòu)完全有可能成為今后廣域繼電保護的發(fā)展趨勢，同時這種基于局部集中的智能終端結(jié)構(gòu)也為今后電網(wǎng)分區(qū)域的安穩(wěn)計算提供了基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

針對目前傳統(tǒng)保護中存在的局限性，本文對基于廣域測量系統(tǒng)的廣域保護系統(tǒng)進行了研究綜述，結(jié)合工程化實際應(yīng)用要求，研究滿足“三道防線”要求的廣域保護系統(tǒng)保護區(qū)域的劃分。并分析了現(xiàn)有的廣域保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對比論述了變電站集中式、分布式、區(qū)域集中式三種體系結(jié)構(gòu)的工作特點以及優(yōu)缺點。

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