新一代智能變電站站域保護控制系統(tǒng)應(yīng)用研究

白格平

（內(nèi)蒙古電力（集團）有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

0 引言

為更好滿足智能變電站站域保護需要，必須設(shè)法實現(xiàn)過負(fù)荷聯(lián)切、備用電源自動投入、簡易母線保護、失靈保護、后備保護等功能的集成優(yōu)化，實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、多模塊自動加載技術(shù)也需要在其中充分發(fā)揮自身作用，同時還需要關(guān)注合適的算法和控制策略的選用。

1 智能變電站繼電保護方案對比

為保證站域保護控制系統(tǒng)更好滿足新一代智能變電站需要，繼電保護方案的合理選擇必須得到重視，因此本文簡單對比了4 種智能變電站繼電保護方案。

1.1 直采直跳方案

圖1 為典型的直采直跳方案。該智能變電站繼電保護方案的合并單元數(shù)據(jù)獲取采用點對點方式，且保護裝置不經(jīng)過交換機，跳閘命令的發(fā)送也采用點對點方式。由于保護功能的實現(xiàn)不依賴外部對時系統(tǒng)，交換機采樣和跳閘信息受到的組網(wǎng)方式影響得到較好控制，但由于存在數(shù)量過多的保護裝置光口，較為復(fù)雜的二次回路光纖影響了該方案的應(yīng)用[1]。

1.2 網(wǎng)采網(wǎng)跳方案

圖2 直觀展示了典型的智能變電站繼電保護網(wǎng)采網(wǎng)跳方案。該方案的合并單元數(shù)據(jù)獲取采用SV 網(wǎng)，跳閘命令的發(fā)送則應(yīng)用GOOSE 網(wǎng)。借助網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)采網(wǎng)跳方案實現(xiàn)有效輸入、輸出，據(jù)此可明顯縮減光口數(shù)量。例如，主變壓器保護及母線保護裝置光口，這一類跨間隔保護裝置光口均有所減少。此外，二次回路光纖連接也能夠同時實現(xiàn)有效簡化，但由于過度依賴對時系統(tǒng)，網(wǎng)采網(wǎng)跳方案存在的信息交互時延往往會影響智能變電站繼電保護有效性。

圖1 直采直跳方案

圖2 網(wǎng)采網(wǎng)跳方案

1.3 集中式保護方案

圖3 為典型集中式保護方案。該方案建立在網(wǎng)采網(wǎng)跳方案基礎(chǔ)上，通過配置高性能通信處理器，可實現(xiàn)多個間隔的保護測控功能集成。集中式保護方案的應(yīng)用需得到高可靠性、大容量內(nèi)存的支持。為進一步增加方案可靠性，重要部件需冗余配置。作為新型智能變電站繼電保護方案，近年來集中式保護方案在我國各地智能變電站開展了廣泛的應(yīng)用探索，方案簡化通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、提高二次設(shè)備集成度優(yōu)勢也由此得到了證明[2]。

圖3 集中式保護方案

1.4 層次化保護方案

圖4 為典型的層次化保護方案。該方案能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)全網(wǎng)數(shù)據(jù)信息的綜合應(yīng)用，配合自適應(yīng)、多原理的故障判別方法，可通過功能維、空間維、時間維的協(xié)調(diào)配合更好保障智能變電站安全穩(wěn)定運行，繼電保護有效性也能夠?qū)崿F(xiàn)進一步提升。層次化保護方案由廣域?qū)印⒄居驅(qū)蛹熬偷貙尤齻€層次組成。

圖4 層次化保護方案

2 智能變電站站域保護控制系統(tǒng)應(yīng)用

為全方位展示新時期智能變電站站域保護控制系統(tǒng)，本文選擇了某地220 kV 新一代智能變電站實踐作為研究對象，并基于工作組成、技術(shù)需求、軟硬件方案三個方面開展了深入分析。

2.1 功能組成

為滿足新一代智能變電站站域保護控制需要，實踐采用了站域保護控制機制，如圖5 所示。整個機制將網(wǎng)絡(luò)化傳輸技術(shù)、數(shù)字化采集技術(shù)作為基礎(chǔ)，集中相關(guān)電壓、電流信息，系統(tǒng)實現(xiàn)了過負(fù)荷聯(lián)切、備用電源自動投入、低頻低壓減載、母線保護、失靈保護、后備保護等功能的普遍升級與優(yōu)化。始終堅持站域保護控制裝置安全性與可靠性原則，強調(diào)以防誤動為主，GOOSE 發(fā)出控制、跳閘指令，最終作用于智能終端[3]。

圖5 站域保護控制系統(tǒng)方案

系統(tǒng)具體功能包括安全自動控制、優(yōu)化后備、子站廣域保護控制，具體功能如下。（1）安全自動控制。系統(tǒng)具備自動投入站域備用電源、低周低壓減載、主變壓器負(fù)荷均分和過負(fù)荷聯(lián)切等功能。（2）優(yōu)化后備。系統(tǒng)在線全程監(jiān)控站內(nèi)斷路器運行情況，一旦發(fā)現(xiàn)狀態(tài)異常，可及時發(fā)出警報并確定故障位置，連同監(jiān)測判別站內(nèi)電氣接線拓?fù)湟黄?，關(guān)聯(lián)矩陣形成后，保護功能將得到進一步的優(yōu)化。保護功能升級多需借助多間隔信息資源共享來實現(xiàn)，10 kV、35 kV 母線的失靈保護由此得以優(yōu)化，后備保護動作時間同樣實現(xiàn)了長足優(yōu)化。（3）子站廣域保護控制。子站能夠自動采集站域保護控制信息，并進行信息處理與轉(zhuǎn)發(fā)。

2.2 技術(shù)需要

新一代智能變電站站域保護控制系統(tǒng)運行過程中，通常需接入大量斷路器，負(fù)責(zé)全面收集數(shù)據(jù)信息，以便做到不同間隔的保護計算。新一代智能變電站站域保護控制系統(tǒng)對技術(shù)存在較高需求，這種需求主要體現(xiàn)在實時性、數(shù)據(jù)流量、存儲容量三個方面，具體需求如下。（1）實時性需要?？紤]到繼電保護通用技術(shù)條件實際需求，系統(tǒng)裝置完整動作時長應(yīng)需控制在40 ms內(nèi)。該時間由智能終端動作時間、保護到智能終端傳輸時間、保護裝置動作時間、合并單元到保護傳輸時間、合并單元采樣延時組成。由于系統(tǒng)集成了多個模塊，各軟件的實時性也會直接影響站域保護效果，因此系統(tǒng)動作時間需不超過30 ms。因此，系統(tǒng)配置了由30 個軟件模塊組成的站域保護控制系統(tǒng)，并保證了每個模塊的動作時間均控制在1 ms 內(nèi)，包括備用電源自動投入模塊2 個、集中式減載模塊2 個、10 kV 簡易母線模塊2 個、失靈保護模塊3 個、110 kV 線路后備保護模塊13 個。（2）數(shù)據(jù)流量需求。以每幀1 個ASDU、典型80 點/周波采樣實施精準(zhǔn)計算，確定各幀數(shù)據(jù)長度、合并單元流量各為169～226 byte、5 408 000～7 232 000 bit，因此可確定每個間隔流量最大值為7.23 Mbit。研究對象智能變電站中站域保護控制系統(tǒng)的運行期間，必須引入30 組SV，據(jù)此可判定接入流量數(shù)值為216.9 Mbit，因此原有的1 個百兆網(wǎng)口無法滿足系統(tǒng)需要，為滿足大流量數(shù)據(jù)的接入，需重新設(shè)計硬件。（3）存儲容量需求。各類軟件模塊聯(lián)合使用，模塊集成化要求系統(tǒng)融入不同類型、大量的多間隔保護程序信息，加以存儲，由此可見，系統(tǒng)CPU 內(nèi)存空間必須能夠滿足數(shù)據(jù)存儲要求。

2.3 軟硬件方案

2.3.1 硬件方案

圖6 直觀展示了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)由站控層通信插件、穩(wěn)壓電源插件、過程層接口插件、核心CPU插件組成，采用千兆光以太網(wǎng)口為過程層接口組件提供服務(wù)，負(fù)責(zé)GOOSE 數(shù)據(jù)、SV 數(shù)據(jù)的接收。核心CPU組件主要功能為收集并整合過程層接口組件信息，過程層接收或發(fā)出的數(shù)據(jù)信息全部由此組件處理，而后將其傳至通信轉(zhuǎn)換組件，實現(xiàn)轉(zhuǎn)換后信息格式發(fā)生變化，基本上為IEC61850-8-1 格式，上傳時格式為MMS 報文。作為系統(tǒng)的核心單元，采用了一款高性能雙核處理器作為核心CPU，并支持800 MHz～1.2 GHz時鐘頻率與雙準(zhǔn)確度浮點，具有512 kB 二級高速緩存與較高測量準(zhǔn)確度，單模塊運行時間為0.2～0.5 ms 且可配置為緩沖存儲器，系統(tǒng)的實時性、存儲空間等需求均得到了較好滿足。結(jié)合試驗可確定該CPU 可滿足大容量數(shù)據(jù)接入和處理要求，結(jié)合典型變電站CPU 占有率計算并按照50%的裕度考慮，系統(tǒng)可支持38 組SV。

圖6 站域保護控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3.2 軟件方案

結(jié)合系統(tǒng)功能，軟件方案主要包括模塊功能劃分、實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、多模塊自動加載系統(tǒng)三部分內(nèi)容，具體內(nèi)容如下。（1）模塊功能劃分。應(yīng)用程序、設(shè)備驅(qū)動、通信規(guī)約、人機接口、底層平臺均需要為系統(tǒng)功能的實現(xiàn)提供支持。例如，人機接口負(fù)責(zé)GUI 圖形界面管理、動態(tài)多語言管理，應(yīng)用程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)的運算、邏輯判別和控制操作。（2）實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。該系統(tǒng)由應(yīng)用接口函數(shù)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、歷史數(shù)據(jù)庫、內(nèi)存數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，具體組成如圖7 所示。（3）自動加載系統(tǒng)。圖8 直觀展示了多模塊自動加載系統(tǒng)。該系統(tǒng)可支持32 個保護軟件模塊的加載，通過隨意加載保護軟件模塊，智能變電站的各項保護需求滿足得到了有力支持，個性化需求的滿足也進一步提升了新一代站域保護控制系統(tǒng)的實用性。

圖7 實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

圖8 多模塊自動加載系統(tǒng)

3 結(jié)論

新一代智能變電站站域保護控制系統(tǒng)的應(yīng)用具有較強的現(xiàn)實意義，以此為前提，文中提及的工作構(gòu)成、技術(shù)要求、軟硬件方案等內(nèi)容，則直觀展示了新一代智能變電站站域保護控制系統(tǒng)的基本應(yīng)用，而為了更好推進我國智能變電站領(lǐng)域發(fā)展，系統(tǒng)可靠性檢測的開展、層次化保護的針對性實現(xiàn)同樣需要得到重視。