淺談變電站IED數(shù)據(jù)在繼電保護中的應(yīng)用

，(.國網(wǎng)上海市電力公司崇明供電公司，上海 050;.國網(wǎng)上海市電力公司市北供電公司，上海 00435)

0 引 言

繼電保護是保障大電網(wǎng)安全的第一道防線，而由于保護的誤動、拒動以及電網(wǎng)的潮流轉(zhuǎn)移等導致的連鎖動作最終造成事故擴大也有發(fā)生。因此，在復雜電網(wǎng)環(huán)境下審視繼電保護中存有的問題，研究出相應(yīng)的快速識別故障隔離故障，簡化保護方案是值得研究的。近年來，隨著廣域同步測量和智能變電站技術(shù)的不斷成熟發(fā)展，各種智能電子設(shè)備也相應(yīng)地安裝到智能變電站中，這就為改善繼電保護性能提供了良好的契機。

目前變電站內(nèi)穩(wěn)態(tài)、動態(tài)和暫態(tài)信息分別由測控單元、相量測量裝置(phasor measurement unit,PMU)和故障錄波裝置、繼電保護裝置采集。這些裝置在功能上存在交叉，因此在一定程度上也造成了不必要的成本增加和管理難度。文獻[1]提出一種用于三態(tài)(穩(wěn)態(tài)、動態(tài)、暫態(tài))數(shù)據(jù)監(jiān)控的新型多功能IED的實現(xiàn)方案，多功能IED通過信息共享和功能優(yōu)化有效減少網(wǎng)絡(luò)負擔，提高信息利用率。然而，伴隨這種多功能IED方案而來的又是對系統(tǒng)多種數(shù)據(jù)類型整合和實時分析的更高要求。由于多功能IED將多種功能集成，所以各個功能間的配合問題需要做出深入的研究。

由于IED裝置數(shù)量種類眾多，且大多來自不同廠家，有著不同的規(guī)格，IEC 61850國際標準的頒布切實地解決了此問題，實現(xiàn)了多種IED的互換性和一致性。IED的功能有狀態(tài)監(jiān)測、故障檢測、故障定位、故障診斷、信息交互以及開關(guān)操作控制。IED的特點包括實現(xiàn)信息的完全交互：IED之間以及IED與控制中心之間進行信息完全交互。信息交互不僅包括節(jié)點電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)、頻率、諧波、電壓波動和閃絡(luò)、開關(guān)位置信號、斷路器失效信號、重合閘與錄波信號，還包含保護與故障隔離的輸出信號、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)與故障診斷、決策信號等。而所有這些信號都是以標準格式存儲在IED中的數(shù)據(jù)形式。有效采集分析這些數(shù)據(jù)對提高繼電保護性能具有不容忽視的意義。下面將從IED模型建立、繼電保護算法分析、廣域繼電保護中IED數(shù)據(jù)傳遞與配合3個方面進行論述，分析各技術(shù)路線的研究重點和難點并給出建議，在此基礎(chǔ)上進一步展望有效利用IED數(shù)據(jù)的方法。

1 IED模型建模思想

1.1 基于IEC 61850標準的IED模型建立

文獻[2-3]介紹了關(guān)于特定IED裝置的建模方法和步驟。其中，基于IEC 61850標準的故障選線IED模型是將故障選線功能分解為IEC 61850定義的邏輯節(jié)點，對故障選線IED進行應(yīng)用信息和基本功能的標識和劃分，構(gòu)建新型模型的基本框架。由于需要監(jiān)測多條線路，檢測量眾多，所以為了避免數(shù)據(jù)流量較大、計算復雜的不利情況，考慮采用每條線路作為一個邏輯點再將線路信息匯總到選線算法模塊，進而選出故障線路的方法。這樣既避免了信息冗余，也使得數(shù)據(jù)傳輸能對應(yīng)邏輯節(jié)點，提高了系統(tǒng)可靠性。類似地，借鑒IEC 61850功能分層結(jié)構(gòu)、統(tǒng)一對象建模和抽象通信服務(wù)接口的特點，對廣域電流差動保護智能電子設(shè)備進行建模。其中廣域電流差動保護新邏輯節(jié)點的擴展是實現(xiàn)各IED互操作性的關(guān)鍵所在。圖1是超高壓線路保護裝置對象的建模實例。

由圖1可知，按照功能劃分原則，將一個或幾個性質(zhì)相似的功能歸到一個邏輯設(shè)備中，整個模型由幾個邏輯設(shè)備組成。

圖1 超高壓線路保護的對象模型

1.2 功能閉鎖IED模型建立

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷壯大，IED數(shù)量也相應(yīng)增加，這帶來了數(shù)量眾多的IED數(shù)據(jù)需要分類并有效處理的問題，而一旦處理有誤便會帶來嚴重的影響。功能閉鎖機制在避免因電力系統(tǒng)保護誤動而導致事故方面具有重要作用。目前國內(nèi)外的眾多研究都只是針對利用IED來為整個電力系統(tǒng)服務(wù)，提高系統(tǒng)性能，而忽視了IED本身的研究。文獻[4-5]提出設(shè)計數(shù)字化變電站運行功能閉鎖IED，以兩個設(shè)備為例分成正常、預(yù)留和釋放3種控制模式，將相關(guān)開關(guān)的預(yù)留閉鎖信息通過通信信道發(fā)送給對應(yīng)的IED，有效避免了某一個IED動作時因為包含其他一個或幾個IED相關(guān)動作信息而導致相應(yīng)的IED發(fā)生不正確的動作，實現(xiàn)資源的配置和設(shè)備的分布應(yīng)用，增強了系統(tǒng)運行的靈活和穩(wěn)定。圖2 闡釋了此種功能閉鎖IED的思想流程。

圖2 IED功能閉鎖信息流程

由圖2可知，此預(yù)留閉鎖信息的傳遞過程中，確認信息的成功發(fā)送很關(guān)鍵，只有成功預(yù)留了IEDb，才不會發(fā)生IEDb的誤動，有效避免因數(shù)據(jù)流量大而導致保護IED誤動。

1.3 基于IEC 61850的變電站后備IED設(shè)計

針對保護IED裝置本身發(fā)生故障的情況，文獻[6]提出后備IED的概念。傳統(tǒng)變電站系統(tǒng)只使用本地數(shù)據(jù)和時間曲線處理保護與協(xié)調(diào)，而IEC 61850的保護IED使用建立在以太網(wǎng)基礎(chǔ)上的通信網(wǎng)絡(luò)，采集其他IED的數(shù)據(jù)，最大化實現(xiàn)廣域范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)共享，提高保護與協(xié)調(diào)的有效性。后備IED包含變電站的每一種保護元素，由邏輯節(jié)點解析文件決定是否使能后備IED，根據(jù)具體實時的運行情況自動激活后備IED而不是由廠家整定。后備IED有利于減少整體后備IED族的數(shù)目，也可以為故障的IED提供后備。

后備IED建立的要求也十分嚴格：使用SCD文件構(gòu)造SCL基礎(chǔ)上的保護IED；避免物理重啟，保證持續(xù)運行；儲存變電站中的繼電保護裝置和邏輯節(jié)點的所有信息和功能。其中后備IED的運行也較為復雜，具體為：后備IED啟動一個主功能路徑監(jiān)測來自變電站的文件傳輸并等待后備命令；接收到含有邏輯名的文件之前，后備IED一直處于在線狀態(tài)但并不執(zhí)行任何動作；接收到文件后，解析文件獲取信息并匹配數(shù)據(jù)，執(zhí)行對故障IED的后備。故障IED修復后，站控層發(fā)送復位信息，此時后備IED銷毀所有路徑，但仍保留主路徑，刪除所有之前后備動作的相關(guān)信息；復位以后，后備IED回到初始狀態(tài)，監(jiān)測并等待后備信息[6]。這種后備IED的優(yōu)點在于不需要物理重啟，有效減少了保護失效的時間，但某種程度上會影響系統(tǒng)的實時動態(tài)性能和可靠性。所以可以考慮刷新系統(tǒng)，定期重啟后備IED，避免由整定和算法變化產(chǎn)生的不穩(wěn)定情況。

2 IED中的保護配合與算法應(yīng)用

2.1 分區(qū)域思想與聚類算法

文獻[7]提出利用廣域狀態(tài)信息進行模糊C均值聚類的方法實行故障區(qū)域的判別，利用線路智能電子裝置(IED)采集相應(yīng)的保護動作信息、斷路器狀態(tài)信息等，并以網(wǎng)絡(luò)各個線路IED狀態(tài)信息作為聚類的對象，定義了電網(wǎng)關(guān)聯(lián)IED的含義，將故障元件IED歸為關(guān)聯(lián)的一類，同方向區(qū)外故障IED歸類關(guān)聯(lián)的另一類。文獻[8]提出將廣域電網(wǎng)劃分為類蜂窩結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)分區(qū)域系統(tǒng)的繼電保護，更采用廣域繼電保護分布集中式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)區(qū)域電網(wǎng)。系統(tǒng)中IED主要完成就地電流互感器和電壓互感器測量信息及斷路器狀態(tài)信息的采集功能、斷路器操作的執(zhí)行功能、常規(guī)主保護功能等。構(gòu)成了基于信息拓撲樹搜索的保護判據(jù)，保護對象為樹根，其他相鄰元件為樹枝，以樹枝IED為節(jié)點建立了多層信息域。

2.2 IED方向比較原理

文獻[9]提出了一種基于方向比較原理的廣域繼電保護算法，建立廠站內(nèi)一次設(shè)備和廠站出線對應(yīng)的一次設(shè)備、方向元件關(guān)聯(lián)矩陣，并據(jù)此確定具體的故障元件。文獻[10]提出基于負序功率方向比較原理的廣域繼電保護算法。根據(jù)IED的安裝位置，形成了包含有母線及線路在內(nèi)的IED關(guān)聯(lián)域。系統(tǒng)發(fā)生故障后，通過IED在關(guān)聯(lián)域內(nèi)對故障信息的采集和共享，定位故障，并按照預(yù)定的IED動作策略迅速切除故障。綜合比較文獻[7-10]的算法思想，可得到聚類算法適應(yīng)性強，但得依賴同步測量工具；負序功率方向比較原理僅適用于非對稱故障情況。因此，可以采用將兩種思想融合的改進算法，即聯(lián)合負序功率方向比較與聚類的新繼電保護算法，這樣不僅可以對上述的算法進行優(yōu)勢互補，還可以通過增大系統(tǒng)的信息冗余提高系統(tǒng)故障判別的容錯性。圖3 闡釋的是改進算法的流程圖。

圖3 改進法的故障判別與后備保護流程

3 廣域繼電保護IED數(shù)據(jù)傳遞與配合

3.1 IED數(shù)據(jù)提取與傳遞

變電站中IED的安裝改變了保護工程的現(xiàn)狀，IED 設(shè)備不僅記錄大量模擬量和數(shù)字量，同時也經(jīng)由通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳送到控制中心。由IED產(chǎn)生的動作數(shù)據(jù)能夠分析系統(tǒng)中的故障部分，由非動作數(shù)據(jù)可以分析出故障的原因所在[11]。很明顯，IED的數(shù)據(jù)具有重要的意義，然而，伴隨著IED存儲數(shù)據(jù)和傳遞的過程會積累大量的不必要數(shù)據(jù)。因此，要求系統(tǒng)能夠自動辨識所有IED中的信息，提取出高質(zhì)量的有效信息。圖4給出了IED數(shù)據(jù)的提取過程。

圖4 IED數(shù)據(jù)生成提取五步法

3.2 事故分析中的IED數(shù)據(jù)應(yīng)用

IED的互換性問題解決之后為系統(tǒng)大流量的數(shù)據(jù)共享提供了方便，其中利用IED數(shù)據(jù)對變電站進行事故分析具有切實的重要作用。通過分析采集到的IED數(shù)據(jù)，能夠得到系統(tǒng)異常的原因，快速恢復供電，阻止事故擴大，保證設(shè)備高效率運行；做出基礎(chǔ)設(shè)施替換維修的決策，延長設(shè)備使用壽命，提高系統(tǒng)可靠性。將IED數(shù)據(jù)進行整理和分析可得到事件的分類情況，如表1所示。

表1 變電站事故分析表

3.3 故障隔離與供電恢復IED的協(xié)調(diào)與配合

文獻[12]研究了IED中不同原理的保護之間相互協(xié)調(diào)配合問題，指出通過將傳統(tǒng)的饋線終端單元換成智能電子設(shè)備(IED)，利用IED的數(shù)據(jù)信息交互實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的故障隔離和供電恢復。以圖5為例詳細介紹IED的保護配合。

圖5 保護IED配合結(jié)構(gòu)

由圖5可知，當k1處發(fā)生永久性故障時，IED15打開斷路器15。同時，IED15向IED14發(fā)送開、關(guān)命令來控制斷路器14的操作達到隔離故障的效果。此時，EF部分是非故障區(qū)域，需要恢復供電。IED13和IED9～IED12向系統(tǒng)側(cè)的IED7發(fā)送恢復電力供應(yīng)的請求。IED7合上回路開關(guān)7，此時EF部分由S3供電。當S1發(fā)生故障，IED14～IED16發(fā)送恢復供電請求給IED13，IED13合上開關(guān)，此時IED14～IED16由S3供電。同樣地，IED2和IED3向IED4發(fā)送恢復供電請求，此時IED2～IED3由S2供電。當k2處發(fā)生故障，IED10和IED11預(yù)測到故障點位于節(jié)點10和11之間，但節(jié)點10和11之間的開關(guān)僅是分段開關(guān)，無法切斷故障電流。IED11向IED12發(fā)送直接跳閘信號，IED12動作于斷路器12跳開故障。如果IED11檢測到饋線上沒有電壓，打開分段開關(guān)11，經(jīng)過一定延時，斷路器12重新合閘，接著合上分段開關(guān)11。如果故障是暫態(tài)故障，系統(tǒng)恢復到正常工作。如果是永久性故障，IED11重新監(jiān)測到故障電流，再次向IED12發(fā)送直接跳閘命令，斷開斷路器12。當IED11檢測到饋線上沒有電壓，打開分段開關(guān)11和分段開關(guān)10，當IED11和IED10檢測到分段開關(guān)11和分段開關(guān)10可靠打開以后，向IED12發(fā)送重合閘命令，斷路器重新合上。至此，節(jié)點12和節(jié)點11之間恢復供電。同樣地，IED10向IED7發(fā)送恢復供電請求，合上開關(guān)7，此時由S2供電，節(jié)點7和節(jié)點10之間供電恢復。

這種IED之間的相互動態(tài)配合與協(xié)調(diào)，能夠及時隔離故障區(qū)域，但每一次動作之后IED之間的相互上下級關(guān)系會發(fā)生變化，這是在實際應(yīng)用中需要注意的地方。

關(guān)于故障診斷方面，文獻[13-14]提出同時利用不同種類的IED(DPR、DFR、PMU等)并嵌入不同的故障定位算法，通過增加判據(jù)，增強故障定位的快速性，同時提高故障診斷的容錯能力。文獻[15-16]在廣域繼電保護的基礎(chǔ)上分析了IED數(shù)據(jù)使用的注意事項，指出了應(yīng)當將IED較大的數(shù)據(jù)信息視為研究重點，并不是數(shù)據(jù)信息越多越好，必須提取有用信息，減少不必要的干擾信息甚至是錯誤信息。因此，針對越來越多的IED安裝于智能變電站中，有必要研究如何充分有效地利用IED數(shù)據(jù)，同時精簡IED裝置數(shù)量，實現(xiàn)IED數(shù)據(jù)的在線自適應(yīng)調(diào)整和最有效分析。

4 結(jié) 語

分析了IED數(shù)據(jù)的產(chǎn)生及提取分析過程，概括總結(jié)出IED數(shù)據(jù)的應(yīng)用情況、應(yīng)用方法和應(yīng)用過程并對其數(shù)據(jù)的應(yīng)用情況進行了相關(guān)分類。通過具體的實例闡釋了利用IED中的算法和數(shù)據(jù)進行故障區(qū)域判別與故障定位以及IED在廣域繼電保護領(lǐng)域的配合問題。對具體應(yīng)用情況指出了研究內(nèi)容的難點并給出了一定的建議。

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