新一代智能變電站層次化保護系統(tǒng)

宋璇坤 ，李穎超 ，李軍 ，肖智宏 ，劉穎，閆培麗

（1.國網北京經濟技術研究院，北京市 100052；2.北京交通大學，北京市 100044）

0 引言

電網互聯和新能源接入是我國堅強智能電網建設的重要內容。全國聯網可能引起的穩(wěn)定水平降低、新能源接入帶來的運行方式多樣等，對電網安全穩(wěn)定運行提出了嚴峻挑戰(zhàn)［1］。繼電保護作為電網安全穩(wěn)定運行的第一道防線，必須適應甚至超前電網的發(fā)展需求。目前，繼電保護仍堅持面向電力元件的配置方案，利用元件“本地”信息判斷故障，利用設備冗余和上下級保護的時間配合提高繼電保護的可靠性，隨著電網互聯和運行方式的復雜化，繼電保護整定配合越來越困難。與此同時，繼電保護缺乏對系統(tǒng)運行情況的“理解”和動作后對電網影響的評估，在傳統(tǒng)元件保護各自正確的相繼動作下，可能產生連鎖跳閘導致整個互聯系統(tǒng)崩潰［2］，繼電保護與安穩(wěn)控制的不協調問題凸顯。因此，不僅要加強繼電保護自身的可靠性，還應加強繼電保護與安全穩(wěn)定自動裝置的優(yōu)化配置［3］。

為改善繼電保護對系統(tǒng)運行方式的適應性，廣域保護成為近年來繼電保護領域研究的熱點［4－10］，但其應用實現還有待相關技術進一步成熟。近幾年，以IEC 61850、以太網應用為特點的數字化（智能）變電站建設，為繼電保護發(fā)展提供了新的契機，相關研究機構也迅速提出了多種變電站繼電保護方案。文獻［11］提出的基于數字化變電站的集中式保護，在傳統(tǒng)保護設置的基礎上，增加了基于拓撲理論的網絡保護模塊作為全站系統(tǒng)級保護，利用信息共享，提高了保護性能。文獻［12］提出一種分層配置的繼電保護方案，間隔層僅配置主保護，站控層設置站域智能保護管理單元進行站域后備保護和管理。文獻［13］進一步提出按元件配置主保護并下放到一次設備布置，變電站層配置集中式后備保護，并預留廣域保護接口。

本文提出一種面向區(qū)域電網的層次化保護控制系統(tǒng)，在現有保護配置基礎上，增加站域級和廣域級保護控制，優(yōu)化繼電保護與安穩(wěn)控制，提高繼電保護性能的同時，增強了其對電網運行的適應能力。

1 層次化保護控制系統(tǒng)總體架構

1.1 系統(tǒng)定義

層次化保護控制是指綜合應用電網全網數據信息，通過分布、協同的功能配置，實現時間維、空間維和功能維的協調配合，提升繼電保護性能和系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行能力的保護控制系統(tǒng)。

就地級面向單個被保護對象，利用被保護對象自身信息獨立決策，實現快速、可靠的保護功能。

站域級面向變電站內多個對象，利用相關對象的電壓、電流、開關狀態(tài)、保護啟動、動作等信息，集中決策，實現相關對象的保護及控制功能。

廣域級面向區(qū)域內各個變電站，利用站內綜合信息及跨站、跨對象信息，統(tǒng)一判斷決策，實現相關保護、安穩(wěn)控制等功能。

1.2 總體架構

層次化保護控制系統(tǒng)分別在就地級、站域級和廣域級設置保護裝置。就地級保護基于現有保護配置，面向單個元件，其功能實現不依賴于站域級和廣域級保護；站域保護與控制主機分別接入站內各電壓等級過程層網，綜合全站信息實現保護控制功能，布置上屬于間隔層裝置，功能上屬于站控層設備；廣域保護與控制主機布置在區(qū)域內樞紐變電站（500kV），通過廣域通信網絡接入各站相關信息，實現后備保護及安穩(wěn)控制的功能。層次化保護控制系統(tǒng)在就地級、站域級、廣域級配置多重保護，時間維、空間維、功能維協調配合，形成面向區(qū)域電網安全穩(wěn)定的立體防護體系，其架構如圖1所示。

圖1 層次化保護控制系統(tǒng)架構Fig.1 Framework of hierarchical protection ＆control system

1.3 層級關系

廣域保護控制采集站域保護控制、測量信息，并經站域保護控制系統(tǒng)下達指令；站域保護控制直接采集過程層信息，不經就地級保護直接下達控制指令；就地保護相對獨立，不受站域保護控制、廣域保護控制影響。

1.4 “三維”特點

在時間維度方面，就地級保護各類主保護無延時動作（20～30ms），后備保護通過分段延時實現相互配合，為了滿足選擇性和可靠性，犧牲了保護的速動性（0.8～1.2s）。站域級和廣域級保護可以用綜合信息加速就地后備保護（0.3～0.5s）。各級保護、安穩(wěn)控制協調配合，提升繼電保護性能和安穩(wěn)控制水平。各類功能的時間分布如圖2所示。

在空間維度方面，就地級保護實現對單個對象“貼身防衛(wèi)”；站域級保護與控制綜合利用站內信息實現“站內綜合防御”；廣域級保護與控制綜合利用站間信息實現“全網綜合防御”。層次化保護控制點面結合，實現對區(qū)域電網的全方位保護。各層級保護范圍如圖3所示。

圖2 層次化保護控制系統(tǒng)相關功能時間分布Fig.2 Time distribution of relative functions of hierarchical protection ＆control system

圖3 層次化保護控制系統(tǒng)各層級保護范圍劃分Fig.3 Protection range of each level of hierarchical protection ＆control system

在功能維度方面，就地級保護以快速、可靠隔離故障元件為目的，利用單個元件的信息獨立決策，實現快速、可靠的元件保護。站域保護控制配置站內所有保護單套配置元件的就地級保護作為冗余，配置部分公用保護（失靈保護）及相鄰變電站元件后備保護。根據電壓等級及變電站承擔任務的不同，站域保護可配置備用自投、低頻／低壓減負荷等功能。同時，站域保護作為廣域保護服務子站，為廣域保護發(fā)送本站信息，接收、轉發(fā)廣域保護主站發(fā)出的控制命令。廣域保護系統(tǒng)包括繼電保護和安全自動控制2個方面，配置差動原理的后備保護，完成站間聯絡線路的后備保護，同時實現電網拓撲分析、潮流分析、后備保護定值調整、穩(wěn)定預測、緊急控制等功能。

2 層次化保護控制配置方案

2.1 就地級配置方案

就地級保護基于現有保護配置方案，盡量靠近一次設備布置，安裝于就地戶外柜、匯控柜或預制式設備艙。

（1）220kV 及以上電壓等級線路按雙重化原則配置獨立的保護功能，110（66）kV 電壓等級按單套配置保護功能。線路保護裝置宜布置于就地戶外柜或匯控柜，保護直采直跳。當采用常規(guī)互感器時保護可采用電纜方式直接采樣；當保護功能與合并單元、智能終端集成設計時，就地化保護可只配置主保護功能，后備保護功能由站域保護實現。

（2）220kV 及以上電壓等級按雙重化原則配置獨立的母線保護功能，110（66）kV 電壓等級按單套配置母線保護功能。保護裝置布置于預制式設備艙，直采直跳，在保證可靠性和速動性的前提下，可采用網絡跳閘方式。

（3）220kV 及以上電壓等級按雙重化原則配置獨立的變壓器主后備保護功能，110（66）kV 電壓等級宜按單套配置保護功能，主后備保護分開配置。主后一體化配置時裝置宜布置于預制式設備艙；主后分開配置時后備保護宜就地化布置于就地戶外柜或匯控柜，主保護布置于預制式設備艙，保護直采直跳，在保證可靠性和速動性的前提下，可采用網絡方式跳閘。

2.2 站域級配置方案

220kV 及以上電壓等級采用了雙重化的保護配置，站域保護配置差動原理的站域后備保護，與就地保護配合（“或”關系）加速后備保護動作。利用站域信息優(yōu)化實現過負荷、低頻、低壓減載，并作為廣域保護控制系統(tǒng)（穩(wěn)控系統(tǒng)）子單元。

110kV 及以下電壓等級采用單套保護配置，站域保護配置各元件主保護，實現保護的非對稱冗余；同樣配置差動原理的站域后備保護及過負荷、低頻、低壓減載等控制功能。站域保護控制功能配置如表1所示。

站域保護控制裝置布置于預制式設備艙或二次設備室，單套配置。

2.3 廣域級配置方案

廣域保護控制面向區(qū)域電網，其功能包括繼電保護和安全自動控制2個方面。廣域保護配置差動原理的后備保護，完成站間聯絡線路的后備保護；廣域控制具備電網拓撲分析、潮流分析、后備保護定值調整、穩(wěn)定預測、緊急控制等功能。廣域保護控制典型功能配置如表2所示。

表1 站域保護控制功能配置Tab.1 Function configuration of substation－area protection ＆control

表2 廣域保護控制功能配置Tab.2 Function configuration of wide－area protection ＆control

廣域保護控制主機設置在區(qū)域電網樞紐變電站（500 kV），單套配置。

3 層次化保護控制系統(tǒng)性能分析

3.1 方案性能比對

目前在智能變電站建設中，保護配置仍沿用了傳統(tǒng)變電站應用方案，保護按對象進行配置，就地實現單個元件的保護，通過上下級保護的時間配合實現后備保護。針對現有保護整定困難、不能反映電網運行方式變化等問題，學者和科研機構提出了廣域保護方案，并進行了試點應用。

本文提出的層次化保護方案，綜合就地保護和廣域保護的優(yōu)勢，基于信息共享實現保護之間、保護與安穩(wěn)的協調配合，提升了保護的綜合性能。就地保護、廣域保護和層次化保護方案對比如表3所示。

表3 保護方案性能對比Tab.3 Performance comparison of different protection schemes

3.2 可靠性分析

影響繼電保護可靠性因素包括［14］裝置硬件、軟件、互感器等一次設備、二次回路、保護定值等，220 kV電壓等級及以上系統(tǒng)通過配置不同原理、不同廠家的雙套保護，以提高保護系統(tǒng)的整體可靠性。

層次化保護控制系統(tǒng)在現有保護配置的基礎上，增加了站域保護控制和廣域保護控制單元，站域保護利用一臺裝置實現所有單套保護元件的保護功能冗余，站域保護和廣域保護還兼有后備保護的功能，增加了保護的重數。在就地級保護故障失效時，站域保護、廣域保護能夠提供冗余和后備，自動承擔失效間隔的保護功能，提高了保護系統(tǒng)的有效性。在互感器、通信電源等設備故障情況下，層次化保護控制系統(tǒng)利用全站／區(qū)域信息獲得該間隔／變電站的電量信息實施該間隔／變電站的保護。新一代智能變電站將全面實施二次設備狀態(tài)監(jiān)測應用，可有效提高發(fā)現二次回路故障隱患的能力，通過狀態(tài)檢修，保護系統(tǒng)的有效性和可靠性將大幅提升。層次化保護控制系統(tǒng)在廣域層配置保護定值整定校核功能，結合電網狀態(tài)評估與緊急控制，將極大提高保護定值的可靠性和保護系統(tǒng)的有效性。

層次化保護控制系統(tǒng)在現有保護配置（就地級保護）基礎上配置站域保護控制和廣域保護控制，通過增加少量硬件提高了保護系統(tǒng)的冗余性，從裝置硬件、二次回路及設備等方面評估，有效性（可用性）和可靠性明顯提高。

4 應用示例

層次化保護控制系統(tǒng)布置在500，220，110 kV 電壓等級變電站，其中廣域保護控制主機布置在500kV樞紐站中，就地級保護和站域保護控制各站均配置。以某區(qū)域電網為例說明層次化保護控制應用。如圖4所示，該區(qū)域電網擁有500kV變電站1座、220kV變電站3座、110kV變電站9座，圖4右側為部分接線圖。

圖4 簡單區(qū)域電網及其部分接線圖Fig.4 Simple regional grid and partial connection diagram

（1）冗余（后備）保護。110kV 電壓等級保護單套配置，保護裝置故障時，相應元件需要退出運行。站域保護控制裝置配置110kV 各元件主后備完善的功能模塊，站域保護控制實時監(jiān)視各元件就地級保護運行狀態(tài)，檢測到保護拒動時，啟動相應保護模塊，臨時替代保護該間隔并進行告警。如此，保護故障時可不影響一次設備的正常運行。以500kV 變電站的66kV出線故障，線路保護拒動為例進行分析。傳統(tǒng)由主變66kV 側后備保護替代切除低壓側開關，會導致66kV母線全失壓，擴大了事故范圍，而站域保護可以根據全站的信息量判斷出66kV 線路保護拒動，而不是66 kV 開關拒動，從而避免事故擴大。

（2）110 kV 開關失靈保護。站域保護控制（110kV失靈保護功能模塊）在獲取相應間隔的主保護跳閘命令的同時監(jiān)視斷路器的狀態(tài)，經一定的延時確認斷路器未跳開后，依據拓撲結構圖跳開相關的斷路器。例如圖4中220kV 變電站1號110kV 出線L2故障，站域保護控制裝置監(jiān)視到該線路保護（就地級）動作出口，經一定延時線路斷路器仍未動作，則跳開110kV 母聯斷路器及線路對側斷路器。

（3）低壓簡易母線保護。按傳統(tǒng)保護配置，35（10）kV母線不配置保護，由變壓器后備保護切低壓母線故障。站域保護控制接入站控層網絡，可獲取各低壓間隔電量有效值，完成簡易母線保護，縮短低壓母線故障的切除時間。

（4）保護與安穩(wěn)協調。過負荷保護動作往往是引起大停電事故的主因。如圖4中110kV 線路L1負載達到過負荷保護定值，過負荷保護跳閘切開此條線路，此時，負荷轉移到進線L2，極有可能引起線路L2過負荷，進而引發(fā)連鎖跳閘，造成大面積停電。廣域保護控制可利用電網范圍內全景數據信息評估電網狀態(tài)，及時作出切負荷，備用電源投入等控制策略，避免按常規(guī)整定的保護在特殊情況下的誤動作引發(fā)的電網穩(wěn)定問題。

（5）自適應調整定值。電網拓撲發(fā)生變化后，很可能導致原保護整定不合理。廣域保護控制主機監(jiān)視區(qū)域電網內拓撲變化，啟動定值整定計算模塊，校驗、修正原有保護定值，通過站域保護控制裝置下發(fā)到各相應保護模塊；站域保護控制主機在收到廣域保護控制下發(fā)的定值調整命令后，校驗定值是否在調整范圍內，繼而決定下發(fā)定值或發(fā)出告警。

5 結論

針對智能電網發(fā)展對繼電保護提出的新的功能性能要求，提出了一種面向區(qū)域電網的保護方案——層次化保護控制系統(tǒng)，設計了層次化保護控制系統(tǒng)架構及功能配置方案，對比分析了該系統(tǒng)保護性能，給出了應用示例，說明了該方案的優(yōu)勢和可行性。

層次化保護控制系統(tǒng)基于現有保護配置方案進行改進，可靠性高、技術成熟、升級方便、經濟性較高，對系統(tǒng)運行方式的適應性強。該方案綜合就地保護和廣域保護的優(yōu)勢，深化信息共享應用，提升了繼電保護性能，加強了保護與安穩(wěn)控制的協調，可有力支撐電網互聯和新能源接入等智能電網建設新內容。方案涉及的保護之間、保護與安穩(wěn)控制之間的配合策略是下一步研究的重點，站內高速數據交互、廣域實時通信等關鍵技術也有待進一步研究。

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