淺議智能變電站站域后備保護(hù)的功能與實(shí)現(xiàn)

殷照華

（國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 211000）

為了使得智能變電站能夠在安全可靠的環(huán)境下運(yùn)行，將實(shí)現(xiàn)基于共享信息的變電站站域保護(hù)。變電站站域保護(hù)是基于智能變電站高速通信網(wǎng)絡(luò)的一種新型繼電保護(hù)系統(tǒng)。變電所站域保護(hù)基于模擬量、開關(guān)狀態(tài)、非電量、主保護(hù)動(dòng)作信號(hào)等共享信息，能夠準(zhǔn)確定位變電所內(nèi)故障設(shè)備及所連接的輸電線路。

1 智能變電站核心組件及功能

基于數(shù)字化變電站技術(shù)，智能變電站的主要特點(diǎn)是智能設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)化通信、智能控制和交互技術(shù)。在電力標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，智能變電站在邏輯上可分為三個(gè)不同的功能級(jí)別：過程級(jí)、間隔級(jí)和站級(jí)。智能變電站的結(jié)構(gòu)允許不同功能單元和智能控制和保護(hù)裝置之間的信息共享。

過程級(jí)包括斷路器、隔離開關(guān)、電流/電壓互感器、合并單元和其他一次設(shè)備以及相應(yīng)的智能單元。然而，在傳統(tǒng)系統(tǒng)中，該級(jí)別不存在，來自高壓設(shè)備的信息通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接線方式直接傳輸?shù)奖Ｗo(hù)裝置。在智能變電站中，合并單元提供同步數(shù)字采樣。對(duì)傳統(tǒng)高壓設(shè)備進(jìn)行了改造，與智能單元相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了測量、控制和監(jiān)控的一體化。

間隔級(jí)通過過程總線連接至過程級(jí)，并通過站總線連接至站級(jí)。它是繼電保護(hù)和系統(tǒng)監(jiān)控等二次設(shè)備的集成。二次設(shè)備利用本地采樣值信息執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)和控制功能，并向本地一次設(shè)備發(fā)送命令。相量測量裝置也可以安裝在間隔層，作為廣域保護(hù)和控制的數(shù)據(jù)采集單元功能。

智能變電站應(yīng)能夠動(dòng)態(tài)管理變電站站域條件，并與系統(tǒng)和調(diào)度中心建立有效可靠的信息連接。因此，站級(jí)功能包括變電站站域監(jiān)控、控制、報(bào)警、系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)采集和保護(hù)信息管理。

需要一個(gè)主時(shí)鐘來提供該級(jí)別的同步時(shí)間信號(hào)。主要有兩種方法：硬件時(shí)鐘和軟件時(shí)鐘。豐富的數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)化的共享通信網(wǎng)絡(luò)是智能變電站發(fā)展的關(guān)鍵。利用這些優(yōu)勢(shì)，電氣工程師關(guān)心的是實(shí)現(xiàn)精確的數(shù)據(jù)計(jì)算、有效的信息交互、可靠的保護(hù)功能、處理器協(xié)作和深度數(shù)據(jù)挖掘。

2 變電站站域保護(hù)框架及功能

2.1 系統(tǒng)構(gòu)架

傳統(tǒng)的保護(hù)系統(tǒng)是針對(duì)單個(gè)設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)主保護(hù)和備用保護(hù)功能。后備保護(hù)系統(tǒng)的整定和配合不可避免地存在困難，可能導(dǎo)致災(zāi)難性的連鎖事故。為了解決這些問題，研究人員提出了變電站站域保護(hù)。智能電網(wǎng)新一代保護(hù)體系結(jié)構(gòu)由單元保護(hù)、變電站站域保護(hù)和廣域保護(hù)三個(gè)子系統(tǒng)組成，保護(hù)范圍由小到大。廣域保護(hù)通過廣域通信網(wǎng)絡(luò)，將來自整體或局部電網(wǎng)的變電站站域保護(hù)信息匯集在一起，實(shí)現(xiàn)后備保護(hù)和穩(wěn)定控制功能。

2.2 站域保護(hù)功能

從新一代保護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)來看，變電站站域保護(hù)應(yīng)作為后備保護(hù)，配合單元保護(hù)和廣域保護(hù)，構(gòu)建完整的智能保護(hù)系統(tǒng)。此外，變電站區(qū)后備保護(hù)的合理范圍和功能應(yīng)考慮以下三個(gè)方面：（1）以輸電線路切換器為界，變電站站域保護(hù)的信息采集和保護(hù)范圍僅限于變電站內(nèi)部。此時(shí)，變電站區(qū)保護(hù)的保護(hù)功能應(yīng)包括冗余后備保護(hù)、優(yōu)化的變電站后備保護(hù)和安全自動(dòng)控制。（2）以相鄰變電站中的切換器為邊界，將變電站站域保護(hù)的信息采集和保護(hù)范圍擴(kuò)展到相鄰變電站。它可以采用新的原理實(shí)現(xiàn)輸電線路后備保護(hù)，簡化繼電器之間的協(xié)調(diào)，縮短后備動(dòng)作延遲。 在意外過載的情況下，可以解決傳統(tǒng)后備保護(hù)中大規(guī)模趨勢(shì)轉(zhuǎn)移引起的連鎖反應(yīng)問題。（3）變電站站保護(hù)應(yīng)能在未來為鄰近變電站提供遠(yuǎn)程后備保護(hù)，因?yàn)閷?shí)現(xiàn)完善的遠(yuǎn)程備份功能很大程度上是靠變電站之間的通信來支持的。

3 變電站站域保護(hù)功能介紹

3.1 單臺(tái)設(shè)備后備保護(hù)

在變電站站域保護(hù)中，單臺(tái)設(shè)備后備保護(hù)是最重要的功能，其保護(hù)原理、范圍以及整定值與傳統(tǒng)保護(hù)一致。當(dāng)獨(dú)立單元保護(hù)繼電器異常或停止運(yùn)行時(shí)，后備保護(hù)用作短期替代，以保障設(shè)備能夠正常運(yùn)行。

對(duì)于每臺(tái)單獨(dú)設(shè)備，都設(shè)置一個(gè)相互獨(dú)立的后備保護(hù)設(shè)置值和通斷開關(guān)。以典型的110kV智能變電站，最大支持規(guī)模為4臺(tái)3繞組變壓器、24條輸電線路和8條母線。110kV輸電線路設(shè)有相間故障、相間接地故障距離保護(hù)和零序電流保護(hù)，并且每個(gè)電壓等級(jí)的輸電線路都配有帶低壓閉鎖的定向過流保護(hù)。電力變壓器每側(cè)配置帶復(fù)合電壓閉鎖的過電流保護(hù)。變壓器差動(dòng)保護(hù)、母線差動(dòng)保護(hù)和斷路器故障保護(hù)通過優(yōu)化的后備保護(hù)邏輯實(shí)現(xiàn)，不再單獨(dú)配置后備保護(hù)。

后備保護(hù)在軟件架構(gòu)上采用模塊化設(shè)計(jì)。當(dāng)不同設(shè)備的后備保護(hù)執(zhí)行相同的保護(hù)邏輯時(shí)，它們調(diào)用相同的軟件模塊，以增強(qiáng)軟件的魯棒性，減少調(diào)試負(fù)擔(dān)。

3.2 變電站整體保護(hù)

變電站站域保護(hù)架構(gòu)的設(shè)計(jì)如圖1所示。后備保護(hù)只是在一個(gè)物理設(shè)備中實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的保護(hù)繼電器，也稱為集中式備份保護(hù)。更高級(jí)別的變電站站域保護(hù)應(yīng)能夠利用整個(gè)變電站的共享信息，實(shí)現(xiàn)性能更好的優(yōu)化后備保護(hù)。優(yōu)化的后備保護(hù)還包括斷路器故障保護(hù)和基于不完全電流差動(dòng)原理的低壓母線保護(hù)。

圖1 變電站站域保護(hù)架構(gòu)的設(shè)計(jì)

3.3 協(xié)調(diào)后備保護(hù)方案

協(xié)調(diào)后備保護(hù)方案是一個(gè)應(yīng)用概念。過程級(jí)采用智能變電站的統(tǒng)一通信協(xié)議和強(qiáng)大的信息網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)同步采樣值采集、動(dòng)作命令執(zhí)行和斷路器狀態(tài)上傳。根據(jù)所需信息，間隔級(jí)別包括保護(hù)智能電子設(shè)備的數(shù)量，每個(gè)智能電子設(shè)備的重點(diǎn)是一個(gè)保護(hù)間隔。智能電子設(shè)備的協(xié)調(diào)包括信息共享、冗余CPU空間利用和協(xié)調(diào)備份跳閘。站級(jí)是將有用的狀態(tài)信息和事件集成到變電站管理以及與調(diào)度中心或相鄰變電站的通信的頂層。

該方案更加注重不同智能電子設(shè)備之間的協(xié)調(diào)與合作。協(xié)調(diào)后備保護(hù)是一個(gè)擴(kuò)展概念，它將本地保護(hù)功能與協(xié)調(diào)概念相結(jié)合。協(xié)調(diào)后備保護(hù)計(jì)劃的協(xié)調(diào)概念有兩個(gè)方面：對(duì)其他智能電子設(shè)備的本地保護(hù)間隔需求和對(duì)其他智能電子設(shè)備的本地保護(hù)間隔智能電子設(shè)備支持。隨著多核微處理器和模塊化編程思想的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，在智能電子設(shè)備中實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)保護(hù)結(jié)構(gòu)成為可能。每個(gè)智能電子設(shè)備都是功能模塊的集成，有三個(gè)主要部分：功能模塊、本地協(xié)調(diào)模塊和遠(yuǎn)程協(xié)調(diào)模塊。功能模塊是保護(hù)算法部分，它處理從過程總線接收的樣本，并向斷路器發(fā)送動(dòng)作命令。

4 變電站站域保護(hù)硬件平臺(tái)

4.1 主板處理設(shè)計(jì)

采用分布式架構(gòu)設(shè)計(jì)變電站區(qū)域保護(hù)。這些功能分布在嵌入主處理器板的多個(gè)處理器中。主處理板提供8個(gè)光接口模塊，每個(gè)模塊可配置為面向通用對(duì)象的變電站事件。分離的芯片用于實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)物理層，以太網(wǎng)MAC層功能由FPGA實(shí)現(xiàn)。主處理板的核心功能由FPGA模塊和DSP模塊實(shí)現(xiàn)。DSP模塊借助其FLASH、NVRAM、SDRAM、McBSP等外圍設(shè)備實(shí)現(xiàn)變電站區(qū)域保護(hù)邏輯。FPGA模塊對(duì)從以太網(wǎng)接口接收到的面向通用對(duì)象的變電站事件數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

4.2 FPGA模塊設(shè)計(jì)

主處理板上的FPGA模塊用于對(duì)處理層數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。 它包括三個(gè)子模塊：采樣數(shù)據(jù)接收、面向通用對(duì)象的變電站事件信息收發(fā)和配置信息接口。加入這樣的預(yù)處理層，可以有效提高接收采樣數(shù)據(jù)和面向通用對(duì)象的變電站事件的效率，減輕DSP負(fù)擔(dān)。在過程層網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)牟蓸訑?shù)據(jù)的采樣率通常為4kHz。由于采樣數(shù)據(jù)通道數(shù)量眾多，在變電站區(qū)域保護(hù)中需要通過插值模塊將采樣率降低到1.2kHz來轉(zhuǎn)換頻率。

5 結(jié)語

與傳統(tǒng)的過流保護(hù)相比，后備保護(hù)能夠提高系統(tǒng)的運(yùn)行性能。比如，傳統(tǒng)過流保護(hù)以電壓大小作為依據(jù)，在低壓側(cè)出現(xiàn)故障時(shí)，高壓側(cè)的元件可能由于變壓器短路故障造成阻抗加大，從而導(dǎo)致電壓跌落而使得保護(hù)裝置不動(dòng)作。站域保護(hù)可以通過共享得到多測電壓進(jìn)行決策，提升保護(hù)的靈敏性，以及提升了系統(tǒng)的運(yùn)行性能。