以變電站為對(duì)象的保護(hù)控制技術(shù)

齊昕陽(yáng),于同偉，葛維春，盧 巖

(1.大唐韓電(朝陽(yáng))新能源有限公司喀左分公司，遼寧 朝陽(yáng) 122300；2．國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006；3．國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

傳統(tǒng)保護(hù)控制系統(tǒng)以一次設(shè)備為對(duì)象按功能配置相互獨(dú)立的二次設(shè)備。變電站內(nèi)裝置及子系統(tǒng)數(shù)量眾多、運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜。隨著智能變電站技術(shù)發(fā)展，以數(shù)字通信為基礎(chǔ)的二次系統(tǒng)及設(shè)備得到了廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)繼電保護(hù)及測(cè)控系統(tǒng)的數(shù)字化遷移逐步開展。然而增加的過(guò)程層設(shè)備進(jìn)一步增加了設(shè)備數(shù)量，提升了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，以設(shè)備為對(duì)象的保護(hù)配置模式與數(shù)字化技術(shù)的適應(yīng)性問(wèn)題逐漸凸顯。因此業(yè)界對(duì)廣域、區(qū)域、站域保護(hù)測(cè)控技術(shù)的研究與實(shí)踐越來(lái)越多，為以變電站為對(duì)象的保護(hù)控制體系發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)，取得了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

研究分為兩個(gè)方向。一個(gè)方向是提高單裝置的集成化水平，對(duì)面向設(shè)備的保護(hù)控制應(yīng)用進(jìn)行高度集成[1-5]。雖然保護(hù)控制原理和功能配置不變，但集成裝置的運(yùn)維及同步可靠性問(wèn)題沒有給出理想的解決方案。另一個(gè)方向是面向區(qū)域的廣域保護(hù)新原理研究，基于通信網(wǎng)絡(luò)獲取信息進(jìn)行對(duì)保護(hù)控制進(jìn)行優(yōu)化[6-11]。廣域信息采集需要重新布設(shè)網(wǎng)絡(luò)，存在采樣同步、傳輸延時(shí)、可靠性及安全性等局限。

本文提出一種以變電站為對(duì)象的保護(hù)控制架構(gòu)，利用當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過(guò)采樣與應(yīng)用的解耦及同步系統(tǒng)可靠性策略，實(shí)現(xiàn)保護(hù)控制應(yīng)用在集中式保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)平臺(tái)的靈活部署，實(shí)現(xiàn)集中式保護(hù)控制設(shè)備的靈活便利運(yùn)維，同時(shí)也可作為廣域保護(hù)的基本組成單元。一種高集成度集中式保護(hù)測(cè)控方案于2012年在某220 kV變電站示范應(yīng)用，目前為止運(yùn)行穩(wěn)定。該工程采用磁光玻璃互感器，比典型設(shè)計(jì)方案建筑面積減少51.2%，二次屏柜數(shù)量減少62.5%，保護(hù)控制設(shè)備數(shù)量減少78.5%[12]。

1 以變電站為對(duì)象的保護(hù)控制架構(gòu)

傳統(tǒng)的繼電保護(hù)以設(shè)備為對(duì)象，采集設(shè)備各側(cè)信息獨(dú)立完成故障后的隔離。新一代智能變電站的站域保護(hù)控制對(duì)象是站內(nèi)變壓器、母線，故障設(shè)備隔離后實(shí)現(xiàn)備用電源自動(dòng)切換。本文提出的以變電站為對(duì)象的保護(hù)控制覆蓋變電站內(nèi)母線、變壓器及輸電線路的區(qū)域，如圖1所示。

從功能上涵蓋元件保護(hù)和站域優(yōu)化控制。由以變電站為對(duì)象的保護(hù)控制單元組成的電網(wǎng)保護(hù)控制系統(tǒng)的概念，體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

a.在拓?fù)渖弦跃€路為交互，基于現(xiàn)有通信通道的部署與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的自然及無(wú)縫覆蓋，構(gòu)成立體結(jié)構(gòu)如圖2所示。無(wú)需考慮系統(tǒng)規(guī)劃、調(diào)度、運(yùn)行方式、安全穩(wěn)定控制、保護(hù)通信等設(shè)計(jì)的特定要求，工程實(shí)施便利。

b.保護(hù)區(qū)域內(nèi)同步采樣。線路間隔采用兩套

相互獨(dú)立的采樣控制，一套與本站同步另一套與對(duì)站同步，解決不同保護(hù)系統(tǒng)間同步競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，在衛(wèi)星等全網(wǎng)時(shí)鐘源失效后不影響差動(dòng)保護(hù)的正常工作，如圖3所示。

c.智能化控制跳閘出口策略。支持多個(gè)保護(hù)應(yīng)用冗余運(yùn)行，根據(jù)其運(yùn)行狀態(tài)及工作狀態(tài)，智能化選擇串并行跳閘出口策略，如圖4所示。冗余運(yùn)行時(shí)串行出口，提高系統(tǒng)防誤動(dòng)水平，支持靈活運(yùn)行方式。

d.保護(hù)控制應(yīng)用的靈活部署。平臺(tái)化裝置由就地化及集中式裝置組成。既可實(shí)現(xiàn)縱向集成，又可實(shí)現(xiàn)橫向融合，還能支持動(dòng)態(tài)重構(gòu)及冗余配置。既支持傳統(tǒng)保護(hù)體系部署，又支持廣域保護(hù)體系部署。能夠根據(jù)用戶需求及技術(shù)的發(fā)展靈活部署保護(hù)控制應(yīng)用。

e.集中式裝置冗余配置支持便捷靈活運(yùn)維。對(duì)集中式裝置進(jìn)行維護(hù)時(shí)，分別對(duì)冗余配置的裝置進(jìn)行維護(hù)，將其切換到檢修模式或者退出運(yùn)行。雖然冗余配置增加了運(yùn)維工作量，但運(yùn)維復(fù)雜度降低的同時(shí)，保證了系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行。

2 集中式保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)平臺(tái)

集中式保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)平臺(tái)是以變電站為對(duì)象保護(hù)控制架構(gòu)的軟硬件平臺(tái)。設(shè)備由集中式保護(hù)測(cè)控裝置、綜合智能裝置、時(shí)鐘及交換機(jī)組成，按照站控層、間隔層和過(guò)程層分布，由站控層和過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)連接。間隔層配置集中式保護(hù)測(cè)控裝置，過(guò)程層配置綜合智能裝置，如圖5所示。

每臺(tái)斷路器配置綜合智能終端，采集一次設(shè)備的模擬及狀態(tài)量信息，控制斷路器等開關(guān)的分合。線路間隔斷路器通過(guò)縱聯(lián)通道采集線路對(duì)側(cè)斷路器模擬及狀態(tài)量信息。綜合智能終端接入同一網(wǎng)絡(luò)交換采集及控制信息。保護(hù)控制應(yīng)用程序通過(guò)對(duì)區(qū)域內(nèi)綜合智能終端的信息監(jiān)測(cè)與控制實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備的故障后的隔離以及斷路器失靈后的擴(kuò)大范圍隔離，實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定控制，支持廣域控制。保護(hù)控制應(yīng)用程序可以部署于接入同一網(wǎng)絡(luò)的集中式保護(hù)測(cè)控裝置，也可以部署于綜合智能終端?？紤]與現(xiàn)有系統(tǒng)的兼容及過(guò)渡，保護(hù)控制應(yīng)用可以是面向設(shè)備的分布式保護(hù)與控制，也可以是面向變電站、面向電網(wǎng)的集中式保護(hù)與控制。因此不論是綜合智能終端還是集中式保護(hù)測(cè)控裝置都是保護(hù)控制應(yīng)用的平臺(tái)，支持其靈活部署。本文僅以傳統(tǒng)保護(hù)測(cè)控應(yīng)用的高集成度部署為例介紹以變電站為對(duì)象的保護(hù)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法。

集中式保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)平臺(tái)提供高速網(wǎng)絡(luò)通信、高可靠同步采樣、高性能實(shí)時(shí)計(jì)算能力，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)保護(hù)測(cè)控的高度集成，也能夠?qū)崿F(xiàn)集中式保護(hù)控制。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 集中式保護(hù)測(cè)控技術(shù)

保護(hù)控制應(yīng)用靈活部署，采用基于多模塊獨(dú)立編譯、自動(dòng)加載、重定位技術(shù)。例如，可遵循IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，將目前變電站內(nèi)多臺(tái)間隔層IED集中在1臺(tái)IED上完成。每個(gè)IED被抽象成為1個(gè)邏輯保護(hù)、測(cè)控單元，簡(jiǎn)稱邏輯設(shè)備(LD)，每個(gè)LD保持功能上的相對(duì)獨(dú)立性并通過(guò)統(tǒng)一的通信接口與其他設(shè)備進(jìn)行交互。

集中式保護(hù)測(cè)控裝置將數(shù)十臺(tái)保護(hù)、測(cè)控裝置功能集成在1臺(tái)裝置中，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低建設(shè)及運(yùn)維成本。在單設(shè)備故障率相同的條件下，大大降低了保護(hù)控制系統(tǒng)的故障率。

3.2 綜合智能終端技術(shù)

實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備智能化。集成同步采樣、斷路器控制及光纖縱差接口功能，實(shí)現(xiàn)本、對(duì)側(cè)線路同步采樣。采用雙出口繼電器智能策略，支持2臺(tái)冗余設(shè)備的串行出口，提高防誤動(dòng)水平。支持保護(hù)控制功能的靈活部署。

綜合智能終端實(shí)現(xiàn)線路雙側(cè)同步采樣，支持集中式保護(hù)測(cè)控裝置的雙套冗余，支持冗余設(shè)備在運(yùn)行及檢修狀態(tài)下的多種運(yùn)行方式，具有高可靠性的同步策略，是解決網(wǎng)絡(luò)采樣跳閘、運(yùn)行可靠性問(wèn)題的重要基礎(chǔ)。

3.3 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

在綜合比較PRP冗余雙網(wǎng)、HSR無(wú)縫環(huán)網(wǎng)及軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的性能、成本、技術(shù)成熟度及運(yùn)維便利性后，在工程中以簡(jiǎn)單的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為宜。在兩級(jí)交換網(wǎng)絡(luò)下，終端交換機(jī)與中心交換機(jī)以千兆速率連接。SV、GOOSE、1588報(bào)文共網(wǎng)傳輸，用靜態(tài)VLAN技術(shù)實(shí)現(xiàn)采樣值報(bào)文隔離，采樣值報(bào)文的綜合延時(shí)為66.5～169.5 μs。

3.4 三級(jí)時(shí)鐘配置及無(wú)縫切換技術(shù)

時(shí)鐘系統(tǒng)可靠性是網(wǎng)絡(luò)同步采樣的基礎(chǔ)。提出“主時(shí)鐘+備用時(shí)鐘+交換機(jī)邊界時(shí)鐘”高可靠性對(duì)時(shí)方案，即使主、備時(shí)鐘同時(shí)故障，主干網(wǎng)交換機(jī)的邊界時(shí)鐘也可保障全站設(shè)備的對(duì)時(shí)和同步。時(shí)鐘系統(tǒng)示意圖如圖6所示。

時(shí)鐘本身的時(shí)間跳變、時(shí)鐘切換過(guò)程中的時(shí)間跳變都會(huì)導(dǎo)致所有依賴同步的保護(hù)應(yīng)用閉鎖，因此提出時(shí)鐘系統(tǒng)無(wú)縫切換及時(shí)間緩調(diào)技術(shù)。時(shí)鐘采用多源選用策略，采用北斗、GPS雙衛(wèi)星源，并且通過(guò)B碼實(shí)現(xiàn)主備鐘互備。另外配置專用PTP用于時(shí)鐘系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)接收外部的時(shí)鐘。主時(shí)鐘多源選用策略按照優(yōu)先級(jí)順序由高至低依次為：PTP(外部時(shí)鐘源接入時(shí))、北斗、GPS、B碼、本地時(shí)鐘。備用時(shí)鐘多源選用策略按照優(yōu)先級(jí)順序由高至低依次為：PTP、B碼、北斗、GPS、本地時(shí)鐘。

正常運(yùn)行時(shí)主備時(shí)鐘裝置優(yōu)先級(jí)分別設(shè)置為1和2,220 kV主干網(wǎng)交換機(jī)時(shí)鐘模式設(shè)置為OC+TC模式(邊界時(shí)鐘模式)，優(yōu)先級(jí)設(shè)置為128，其余交換機(jī)的優(yōu)先級(jí)設(shè)置為255。

當(dāng)時(shí)鐘裝置故障排除后需要恢復(fù)正常運(yùn)行時(shí)，操作步驟如下。

a.斷開時(shí)鐘裝置的輸出光纖，保證時(shí)鐘裝置無(wú)1588輸出。

b.連接時(shí)鐘裝置的PTP至主干網(wǎng)交換機(jī)，將交換機(jī)時(shí)間同步到時(shí)鐘裝置并觀察時(shí)鐘的運(yùn)行狀態(tài)從SLAVE變成MASTER，此時(shí)時(shí)鐘裝置已經(jīng)與主干網(wǎng)交換機(jī)完全同步。

c.恢復(fù)時(shí)鐘裝置的輸出光纖，此時(shí)站內(nèi)裝置將選擇主時(shí)鐘為“最佳主鐘”，由于時(shí)鐘裝置已經(jīng)與主干網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)了同步，因此這個(gè)切換過(guò)程時(shí)鐘未發(fā)生跳變。

d.斷開時(shí)鐘裝置的PTP，此時(shí)時(shí)鐘裝置將逐步調(diào)整到衛(wèi)星的時(shí)間，其中秒以上誤差可以1個(gè)對(duì)時(shí)周期完成修正，秒以下的誤差每個(gè)對(duì)時(shí)周期調(diào)整500 ns，保證全站時(shí)間不發(fā)生跳變。

3.5 高可靠性對(duì)時(shí)技術(shù)

設(shè)備的對(duì)時(shí)可靠性是網(wǎng)絡(luò)同步采樣的前提。時(shí)鐘系統(tǒng)的時(shí)間跳變導(dǎo)致同步采樣時(shí)刻的重新調(diào)整，中斷相關(guān)差動(dòng)保護(hù)的連續(xù)運(yùn)行。雖然本方案的三級(jí)時(shí)鐘系統(tǒng)不會(huì)發(fā)生時(shí)間跳變，但仍存在誤操作及交換機(jī)駐留時(shí)間錯(cuò)誤造成的時(shí)間跳變風(fēng)險(xiǎn)。因此提出一種高可靠性設(shè)備對(duì)時(shí)及同步方案，具備躲過(guò)持續(xù)10 min以下的時(shí)鐘異常能力，形成與高可靠時(shí)鐘系統(tǒng)配合的雙重保險(xiǎn)，保障設(shè)備同步的連續(xù)性。具體策略見圖7。

圖7中狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件如下。

a.連續(xù)10個(gè)對(duì)時(shí)周期，授時(shí)源時(shí)間均勻性誤差小于3 μs，調(diào)整采樣時(shí)刻，連續(xù)64個(gè)對(duì)時(shí)周期授時(shí)源時(shí)間均勻性誤差小于3 μs，進(jìn)入同步狀態(tài)的跟隨狀態(tài)。

b.MU時(shí)間與授時(shí)源絕對(duì)時(shí)間誤差大于10 μs(1次錯(cuò)誤對(duì)時(shí))，守時(shí)狀態(tài)，啟動(dòng)守時(shí)計(jì)時(shí)器。

c.連續(xù)10幀對(duì)時(shí)報(bào)文與MU絕對(duì)時(shí)間差小于等于10 μs，守時(shí)計(jì)時(shí)器清零，關(guān)閉計(jì)時(shí)器。

d.定時(shí)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)大于等于10 min，進(jìn)入失步狀態(tài)。

e.連續(xù)10幀報(bào)文與MU絕對(duì)時(shí)間差大于10 μs且時(shí)間均勻性小于3 μs，進(jìn)入失步狀態(tài)。

3.6 統(tǒng)一同步采樣技術(shù)

母線、變壓器差動(dòng)保護(hù)依賴三級(jí)時(shí)鐘及可靠對(duì)時(shí)策略下的各間隔綜合智能終端的同步采樣，按照采樣序號(hào)對(duì)齊即可使用。

線路差動(dòng)保護(hù)功能不依賴時(shí)鐘系統(tǒng)，時(shí)鐘系統(tǒng)失效后仍正常工作。綜合智能裝置通過(guò)乒乓算法調(diào)整采樣時(shí)刻實(shí)現(xiàn)線路雙端同步采樣，雙端采樣數(shù)據(jù)整合為一組采樣值。集中式保護(hù)裝置接收到各個(gè)智能裝置發(fā)送的采樣數(shù)據(jù)已包含所有線路雙端的同步采樣數(shù)據(jù)，因此無(wú)需同步即可使用。

網(wǎng)絡(luò)采樣的可靠性問(wèn)題是通過(guò)三級(jí)時(shí)鐘系統(tǒng)、對(duì)時(shí)可靠性技術(shù)、綜合智能終端與線路對(duì)側(cè)同步采樣技術(shù)間的相互配合解決的。

3.7 便捷運(yùn)維技術(shù)

集中式保護(hù)控制裝置在運(yùn)行過(guò)程中存在發(fā)生故障或異常需要退出運(yùn)行的情況，因此集中式保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)工程應(yīng)用中需要冗余配置。冗余的2臺(tái)裝置配置完全一致，接入同一個(gè)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)，控制同一臺(tái)綜合智能終端。存在3種運(yùn)行方式：2臺(tái)裝置同時(shí)運(yùn)行狀態(tài)；1臺(tái)裝置運(yùn)行狀態(tài)，另1臺(tái)裝置檢修狀態(tài)；1臺(tái)裝置的某一個(gè)間隔保護(hù)檢修狀態(tài)其他間隔保護(hù)運(yùn)行狀態(tài)，另1臺(tái)裝置對(duì)應(yīng)間隔保護(hù)運(yùn)行狀態(tài)其他間隔檢修狀態(tài)。不論是集中式保護(hù)測(cè)控裝置硬件及軟件系統(tǒng)檢修，還是某一個(gè)間隔保護(hù)功能單獨(dú)檢修，都可通過(guò)上述3種運(yùn)行方式完成。一個(gè)集中式保護(hù)控制裝置檢修不影響保護(hù)控制功能的完整性，如圖8所示。

集中式保護(hù)測(cè)控系統(tǒng)的冗余方案與高壓直流系統(tǒng)控制保護(hù)的3取2模式有相似之處，既降低誤動(dòng)概率又能夠滿足運(yùn)維過(guò)程中與其他間隔或者其他功能的物理隔離，運(yùn)維工作量小，配件管理及儲(chǔ)備大幅減少，實(shí)現(xiàn)全生命周期的低成本。

4 工程示范

在某220 kV變電站進(jìn)行工程示范?？紤]一次設(shè)備運(yùn)行方式的特點(diǎn)，將變電站的控制保護(hù)目標(biāo)劃分為4部分。全部220 kV線路、全部66 kV線路、220 kV母線和主變壓器(含母聯(lián))、66 kV母線(含電容器、所用變、母聯(lián))。

雙重化配置220 kV線路集中式保護(hù)測(cè)控裝置(本期4條，遠(yuǎn)期8條)，每重冗余配置2臺(tái)裝置。雙重化配置66 kV線路集中式保護(hù)測(cè)控裝置(本期12條，遠(yuǎn)期26條)，每重1臺(tái)裝置。雙重化配置220 kV元件集中式保護(hù)裝置(母線、主變壓器、母聯(lián))，每重冗余配置2臺(tái)裝置。雙重化配置66 kV元件集中式保護(hù)測(cè)控裝置(母線、電容器、所用變、母聯(lián))。全站保護(hù)控制屏柜共3面。

工程實(shí)施后經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)與同規(guī)模常規(guī)智能變電站的對(duì)比效益數(shù)據(jù)見表1。

表1 對(duì)比效益 %

該站運(yùn)行6年來(lái)經(jīng)歷了6次線路故障，均正確動(dòng)作，包含斷路器動(dòng)作的整組動(dòng)作時(shí)間見表2。

表2 整組動(dòng)作時(shí)間

5 結(jié)束語(yǔ)

以變電站為對(duì)象的保護(hù)控制平臺(tái)充分利用了數(shù)字化采樣帶來(lái)的信息共享，大幅減少保護(hù)、測(cè)控設(shè)備數(shù)量。雙套冗余不僅提高了防誤動(dòng)水平還實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫及便利運(yùn)維。實(shí)際工程的連續(xù)運(yùn)行證實(shí)了以變電站為對(duì)象的保護(hù)控制架構(gòu)的可行性、可靠性及實(shí)用性。示范應(yīng)用變電站于2016年底完成2條66 kV線路擴(kuò)建，擴(kuò)建過(guò)程簡(jiǎn)單便捷。隨著不同部署方式以及新型集中式保護(hù)控制應(yīng)用的實(shí)踐，隨著就地化、網(wǎng)絡(luò)及安全技術(shù)的成熟，以變電站為對(duì)象的保護(hù)控制技術(shù)將推動(dòng)智能電網(wǎng)技術(shù)發(fā)展。