基于變電站多信息的站域保護(hù)架構(gòu)和功能分析

南京南瑞繼保電氣有限公司 齊 巖 曹少珂 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司邳州市供電分公司 徐 貝

中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠 李 琛

關(guān)健詞：站域保護(hù)；智能變電站；多信息

電力是國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中至關(guān)重要的一環(huán)，關(guān)系到國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)安全穩(wěn)定。在電力系統(tǒng)中，繼電保護(hù)起到保障電網(wǎng)安全的作用。當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)需要快速隔離故障。在用電需求日益增大的情況下，傳統(tǒng)繼電保護(hù)暴露出諸多問(wèn)題，如后備保護(hù)整定配合困難，可能發(fā)生拒動(dòng)或誤動(dòng)，易引發(fā)連鎖跳閘，造成大面積停電事故等。

近年來(lái)，高性能硬件處理芯片、電子式互感器等硬件應(yīng)用日趨成熟，結(jié)合高速通信網(wǎng)絡(luò)及IEC61850通信規(guī)約，借助于多網(wǎng)合一的背景，傳統(tǒng)變電站中繼電保護(hù)得到的信息發(fā)生了較大變化。與傳統(tǒng)繼電保護(hù)相比，智能變電站利用站內(nèi)或站間信息，實(shí)現(xiàn)信息共享集成，將采集到的信息數(shù)字化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化、光纖通信廣域化和過(guò)程層通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化，有效改善傳統(tǒng)繼電保護(hù)可利用信息不足的問(wèn)題，大大提高了繼電保護(hù)的控制性能?；谥悄茏冸娬镜膬?yōu)良特性，采集多信息技術(shù)來(lái)搭建繼電保護(hù)系統(tǒng)受到了國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注。

1 站域保護(hù)概述

基于信息共享技術(shù)，智能變電站的繼電保護(hù)系統(tǒng)可以獲得多種信息，構(gòu)建模式也與傳統(tǒng)繼電保護(hù)有所不同。為了適應(yīng)多信息共享技術(shù)，將新型變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)分為三層：即間隔層、站域?qū)印V域?qū)?。其中站域?qū)颖Ｗo(hù)也被稱為站域保護(hù)[1]，是指充分利用采集的站域信息，例如站內(nèi)出線、母線、變壓器等元件上的信息及相鄰站的多源信息，建立SV和GOOSE信息的光纖通信網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)，根據(jù)IEC61850通信規(guī)約來(lái)完成信息的交互傳遞，結(jié)合相應(yīng)的保護(hù)算法來(lái)進(jìn)行決策判斷，整合信息從而實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)的功能。站域保護(hù)收集的信息包括：各處電壓電流數(shù)值大小、斷路器通斷狀態(tài)、刀閘開(kāi)關(guān)狀態(tài)等直接信息和算法處理過(guò)的中間信息、動(dòng)作結(jié)果等間接信息[2]。圖1介紹了站域保護(hù)通信構(gòu)成模式，根據(jù)采集到的直接、間接信息，來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)層之間保護(hù)的整定配合。

圖1 站域保護(hù)通信構(gòu)成模式

2 站域保護(hù)構(gòu)建模式

根據(jù)上文中提到的分層繼電保護(hù)的架構(gòu)，站域?qū)游挥谥虚g承上啟下的位置，利用電氣設(shè)備采集站域信息，承接間隔層和廣域?qū)?。站域保護(hù)的構(gòu)建方案不僅僅是簡(jiǎn)單搭建模型來(lái)直接集成，作為層次化繼電保護(hù)中承上啟下的一層，需要結(jié)合不同變電站的特點(diǎn)，兼顧上下兩層的配合，分電壓等級(jí)來(lái)研究站域保護(hù)構(gòu)建模式[3]。

綜合分析不同電壓等級(jí)變電站的特點(diǎn)，根據(jù)電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，按照電壓等級(jí)來(lái)搭建站域保護(hù)架構(gòu)方案，不僅有利于提高通信系統(tǒng)工作效率，還有利于減少保護(hù)裝置控制反應(yīng)時(shí)間，提高系統(tǒng)的安全可靠性。

2.1 電壓等級(jí)220kV以上

針對(duì)220kV及以上高電壓等級(jí)變電站，選擇不同的連接通道，把測(cè)量信息的輸入方法分為直采和網(wǎng)采模式。結(jié)合電力系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際情況來(lái)選擇不同的站域保護(hù)架構(gòu)。

2.1.1 高壓側(cè)直采網(wǎng)跳

高壓側(cè)直采網(wǎng)跳是指測(cè)量信息基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接方式通過(guò)合并單元與保護(hù)裝置通信。站域保護(hù)通過(guò)GOOSE網(wǎng)絡(luò)獲取間隔層保護(hù)信息，在站域?qū)訉?shí)現(xiàn)綜合信息判斷，由GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸信息最后控制斷路器通斷。

作為主保護(hù)和簡(jiǎn)化后備保護(hù)，高壓側(cè)間隔層保護(hù)采用直采網(wǎng)跳模式。站域?qū)颖Ｗo(hù)通過(guò)GOOSE網(wǎng)通道獲得間隔層傳輸?shù)男畔?。下面列出了該?gòu)建模式的優(yōu)缺點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)：間隔保護(hù)不依賴于SV通信網(wǎng)絡(luò)，同步測(cè)量容易實(shí)現(xiàn)；簡(jiǎn)化站域保護(hù)的處理，降低變電站SV網(wǎng)絡(luò)通信量，減小了對(duì)裝置硬件設(shè)計(jì)要求；站域保護(hù)失效時(shí)，間隔層保護(hù)配置的簡(jiǎn)化后備仍起作用。

缺點(diǎn)：要修改間隔保護(hù)裝置的通信功能，間隔層需要與站域保護(hù)通信來(lái)并實(shí)現(xiàn)配合。計(jì)算結(jié)果時(shí)，站域保護(hù)功能依賴于間隔層保護(hù)裝置的計(jì)算；站域保護(hù)不能獲得直接的測(cè)量值，對(duì)于實(shí)現(xiàn)一些新的保護(hù)原理有限。

2.1.2 高壓側(cè)網(wǎng)采網(wǎng)跳

網(wǎng)采網(wǎng)跳是指間隔層測(cè)量到的信息通過(guò)SV網(wǎng)絡(luò)通信傳輸?shù)秸居驅(qū)?，?jīng)過(guò)對(duì)信息的計(jì)算判斷處理，最后經(jīng)過(guò)GOOSE網(wǎng)絡(luò)來(lái)對(duì)斷路器發(fā)送決策判斷命令。

作為輸電系統(tǒng)的后備保護(hù)，站域?qū)颖Ｗo(hù)由SV網(wǎng)傳輸來(lái)獲得站內(nèi)測(cè)量信息。下面列出該模式的優(yōu)缺點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)：常規(guī)主保護(hù)保留，不依賴于SV通信網(wǎng)絡(luò)的高可靠性，同步測(cè)量容易實(shí)現(xiàn)；間隔保護(hù)與站域保護(hù)相互獨(dú)立，不需修改常規(guī)保護(hù)裝置；站域后備保護(hù)失效時(shí)，間隔層保護(hù)配置的簡(jiǎn)化后備仍起作用。

缺點(diǎn)：SV網(wǎng)絡(luò)通信量大，站域保護(hù)計(jì)算復(fù)雜，對(duì)硬件設(shè)計(jì)要求高；需要解決站域保護(hù)測(cè)量信息的同步問(wèn)題。

2.2 電壓等級(jí)110kV以下

對(duì)于110kV及以下中低壓等級(jí)輸電系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)出線多、信息量大，較為復(fù)雜。其中，根據(jù)測(cè)量到單側(cè)電氣量的三段式保護(hù)作為主保護(hù)，由于電壓等級(jí)較小，因此一般情況下無(wú)需安排母線保護(hù)和斷路器失靈保護(hù)。站域保護(hù)可以采用變電站集中式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用站域信息實(shí)現(xiàn)變電站繼電保護(hù)和控制功能。作為主后備保護(hù)的中低壓側(cè)站域保護(hù)，基于以下兩種模式，形成不同的站域保護(hù)架構(gòu)。

2.2.1 中低壓側(cè)直采網(wǎng)跳

直采網(wǎng)跳模式是指間隔層測(cè)量信息基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式，傳輸?shù)秸居虮Ｗo(hù)子單元、合并單元實(shí)現(xiàn)通信。站域保護(hù)中子單元獲取測(cè)量信息，將計(jì)算判斷后的結(jié)果發(fā)送給站域?qū)友b置，最后經(jīng)站域保護(hù)裝置來(lái)進(jìn)行決策，從而實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)主后備保護(hù)功能，通過(guò)GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸決策信息來(lái)實(shí)現(xiàn)斷路器控制。

中低壓側(cè)直采網(wǎng)跳模式中，間隔層保護(hù)子單元數(shù)量增多，因此可以更多地獲取合并單元的信息。作為主保護(hù)和后備保護(hù)，站域?qū)颖Ｗo(hù)可以直接獲取子單元的初步判斷結(jié)果。下面列出該模式的優(yōu)缺點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)：站域保護(hù)子單元采用直采網(wǎng)跳模式，不依賴于SV網(wǎng)絡(luò)同步采樣；站域保護(hù)實(shí)現(xiàn)主后備保護(hù)統(tǒng)一集成，減化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減小投資；站域保護(hù)集中站域信息，實(shí)現(xiàn)常規(guī)保護(hù)和控制功能，利用冗余信息優(yōu)化改進(jìn)；SV網(wǎng)通信量小。

缺點(diǎn)：直采模式下二次網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜；對(duì)保護(hù)子單元硬件設(shè)計(jì)要求高。

2.2.2 中低壓側(cè)網(wǎng)采網(wǎng)跳

間隔層測(cè)量的信息通過(guò)SV網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)秸居驅(qū)?，在站域保護(hù)裝置內(nèi)進(jìn)行多信息綜合判斷決策，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中主后備保護(hù)，通過(guò)GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸判斷的信息來(lái)對(duì)斷路器決策控制。

站域保護(hù)經(jīng)SV網(wǎng)通道來(lái)獲取間隔層測(cè)量的信息，通過(guò)對(duì)信息邏輯判斷實(shí)現(xiàn)主保護(hù)和后備保護(hù)功能。下面列出該模式的優(yōu)缺點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)：基于網(wǎng)采模式，減少設(shè)備數(shù)量，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有利于減少投資，便于運(yùn)行維護(hù)；集中站域信息，實(shí)現(xiàn)常規(guī)保護(hù)和控制功能，利用冗余信息優(yōu)化改進(jìn)。

缺點(diǎn)：由于采用網(wǎng)采模式，站域保護(hù)依賴于SV網(wǎng)絡(luò)同步測(cè)量技術(shù)；站域保護(hù)信息集中，計(jì)算量大。

3 功能分析

站域保護(hù)的功能大致可以分為兩類：第一類是基于電力系統(tǒng)中的安全穩(wěn)定性來(lái)分析，由于站域保護(hù)獲得多方位的信息，解決傳統(tǒng)繼電保護(hù)中信息不足、缺失關(guān)鍵信息的問(wèn)題，使變電站內(nèi)各控制裝置配合更加協(xié)調(diào)，在電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況下具有低頻低壓減載、備自投等緊急控制能力[4]。第二類是從故障判斷性考慮，作為后備保護(hù)，通過(guò)采集相關(guān)電氣設(shè)備的電壓、電流信息和設(shè)備狀態(tài)動(dòng)作信息，結(jié)合相關(guān)判斷邏輯進(jìn)行決策，從而實(shí)現(xiàn)間隔冗余后備保護(hù)并優(yōu)化站域后備保護(hù)的功能。

3.1 低頻低壓減載

在傳統(tǒng)低頻低壓減載中，由于主要采用非層次化架構(gòu)的輪切方案，各個(gè)減載節(jié)點(diǎn)沒(méi)有交互信息相互獨(dú)立，在實(shí)際電力系統(tǒng)中無(wú)法根據(jù)實(shí)時(shí)變化負(fù)荷來(lái)調(diào)整方案[5]。在多信息智能變電站中，站域保護(hù)的基本任務(wù)和功能為：監(jiān)視站內(nèi)各處電壓，利用采集到的站域信息和整定邏輯判斷擾動(dòng)原因，制定相應(yīng)的預(yù)減載方案。與本站上層即廣域?qū)拥皖l低壓減載裝置通信，將本站信息、對(duì)頻率電壓擾動(dòng)原因推斷結(jié)果和預(yù)減載方案上傳至廣域?qū)?，綜合廣域保護(hù)控制的控制指令，做出最終減載方案，改善在單間隔裝置由于信息孤島導(dǎo)致的邏輯缺陷。

3.2 備自投功能

在復(fù)雜的電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中，某些電氣設(shè)備會(huì)采用一些備自投動(dòng)作邏輯復(fù)雜的主接線方法，在現(xiàn)運(yùn)行的電力系統(tǒng)中很少有能夠充分考慮到針對(duì)不同斷路器的運(yùn)行方式。在站域保護(hù)中，由于可以采集到多信息并將信息進(jìn)行整合共享，站域控制系統(tǒng)能夠采集到范圍內(nèi)各種電氣設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)與特定的電氣量信息，綜合判斷來(lái)實(shí)現(xiàn)不同接線方式的容錯(cuò)識(shí)別[6]，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際情況來(lái)構(gòu)建控制邏輯，多信息技術(shù)可以使得備自投裝置靈活運(yùn)用于主接線不同形式中。

3.3 信息冗余

在220kV及以上高電壓等級(jí)變電站中，存在一些單個(gè)信息不能完全反映異常狀態(tài)的電氣設(shè)備?；谛畔⒐蚕砑夹g(shù)，站域保護(hù)獲得多間隔信息，實(shí)現(xiàn)線間互感的解耦，利用冗余信息解決CT/PT斷線的問(wèn)題，降低電力系統(tǒng)中CT飽和對(duì)繼電保護(hù)運(yùn)行控制的影響，綜合判斷冗余信息可以大大提高信息利用率，提高繼電保護(hù)中保護(hù)動(dòng)作的可靠性。

根據(jù)以上分析，本文提出了智能變電站站域保護(hù)架構(gòu)方案，根據(jù)不同電壓等級(jí)和通信方式，提出220kV以上和110kV以下“直采網(wǎng)跳”“網(wǎng)采網(wǎng)跳”的構(gòu)建模式，對(duì)比分析兩種模式的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合站域保護(hù)兩大特性進(jìn)行功能分析，簡(jiǎn)要介紹低頻低壓減載、備自投功能和后備保護(hù)。

在如今大規(guī)模電力系統(tǒng)運(yùn)行情況下，傳統(tǒng)繼電保護(hù)暴露出種種缺點(diǎn)，越來(lái)越不能適應(yīng)大電網(wǎng)復(fù)雜運(yùn)行的現(xiàn)狀?；诙嘈畔⒌闹悄茏冸娬竞芎玫貜浹a(bǔ)了傳統(tǒng)繼電保護(hù)的不足，為變電站繼電保護(hù)架構(gòu)方案提供了一個(gè)新思路。