基于信息冗余的站域保護優化方案

李 倍，和敬涵，劉 琳

（北京交通大學電氣工程學院，北京 100080）

0 引言

數字化變電站多采用基于本地信息的保護方案，限制了不同保護間的信息共享，導致了不同保護間難以協同工作。后備保護采用傳統的整定配合方式，通過整定值配合和時間延時來切除故障，由于變電站內接線復雜，運行方式多變，使得定值整定異常復雜，同時主動延時也延長了后備保護的動作時間［1－2］。智能變電站［3］和現代通信技術［4］的快速發展，為便捷、可靠地獲取站域冗余信息奠定了堅實的基礎，有效利用站內保護動作信息實現簡單、可靠、快速的保護將是未來的發展趨勢［5－6］。

近年來出現了多種利用冗余信息實現站域范圍保護的算法。文獻［1］提出基于本地信息的站域后備保護，依據某設備故障的條件是下一級過流保護未動作，上一級過流保護動作，并且所有下級設備未故障，得到動作方程。文獻［7］提出了基于專家系統的后備保護算法，通過對線路兩端各種傳統保護元件賦予動作系數，在故障后將各動作元件的系數相加得出被保護線路的動作系數。文獻［8］利用全局范圍負序功率方向信息實現后備保護。文獻［9-10］利用圖論知識構建后備保護的自適應分區。文獻［11-12］利用遺傳算法做信息融合實現對故障的識別，在信息出現錯誤、丟失的情況下依然能夠正確識別出故障。基于站域冗余信息共享，提出了信息冗余的站域保護優化方案，本文通過獲取的站域冗余信息，并利用矩陣構建動作方程，實現站域內的快速后備保護、冗余保護等，達到了提高站域保護的性能目的。

1 站域保護概述

1.1 站域保護的范圍

一個典型的站域結構圖如圖1所示，包括變電站及其進出線。站域保護通過獲取站域內的多節點冗余信息實現保護邏輯，與傳統保護相比優勢明顯，而且比廣域保護工程應用更易實現［13］。

圖1 一個典型的站域保護結構圖

1.2 站域保護的功能

站域保護的功能主要包括如下幾方面：保護站域內的電力設備；實現變電站層的系統保護；利用站域內保護狀態信息、中間計算量信息采用智能算法實現智能保護。

1）電力設備保護是對變電站內所有電力設備的保護，包括傳輸線、母線、變壓器和饋線。電力設備主保護將配置差動保護。利用站域冗余信息構建加速后備保護，由于多點信息的利用，與傳統后備保護相比，勿需延時配合。

2）變電站層面的系統保護是匯集站域內的監測信息以及相鄰多個站域的信息來實現綜合的保護功能。例如，一旦重要線路在過負荷斷開后可能導致潮流轉移從而引起連鎖跳閘，利用站域冗余信息來確定功率缺額的多少，在變電站層面切負荷可以避免出現連鎖跳閘；而當本站的切負荷未能減輕系統的惡化情況時，可以向相鄰變電站發請求信號，允許其切負荷。

3）智能保護功能通過獲取變電站域內的保護狀態以及開關狀態位信息，并利用智能算法來實現故障識別，或者離線演算站域后備保護方案。例如，為了克服信息丟失的缺點，利用遺傳算法、支持向量機（SVM）算法實現故障區域識別；某一或某些保護拒動的情況下，制定后備跳閘方案使停電范圍最小，而系統又不會被破壞。

1.3 站域保護的結構

站域保護的結構如圖2所示。多個變電站的站域保護智能電子設備（IED）通過光纖自愈環網進行信息交換，同時本區域的區域保護設備將獲取站域保護的信息實現區域保護功能。

圖2 站域保護結構

變電站的站域保護將從多個保護IED設備中獲取保護狀態信息，站域保護的信息流如圖3所示。從圖1拓撲結構上來看，母線保護1（簡稱BP1）與母線保護2（簡稱BP2）能夠在一定的功能上替代線路保護1（簡稱LP1）。例如，當線路1出現故障時，LP1將產生故障方向信息；而BP1與BP2也能夠產生故障方向信息，因此在LP1失靈的情況下，可以由BP1與BP2兩者的信息交換聯合來替代LP1實現保護功能。BP2，BP3，BP4和BP5通過各自的方向信息并進行交換，在一定的功能上能夠聯合替代變壓器保護（TP）。當TP出現失靈時，4個BP聯合切除與變壓器的開關。

圖3 站域保護信息流

2 站域保護的冗余信息獲取

站域保護IED設備除了從MU獲取少量重要的信息外，其余的數據獲取來自于其他IED設備，包括本站域內的所有線路保護IED設備、母線保護IED設備、變壓器保護IED設備、監測IED設備，獲取的信息包括方向信息、差動保護信息、距離保護信息、后備保護信息、開關狀態位等。

2.1 方向信息的冗余性

通過線路保護IED設備，可以獲取各個線路兩端的故障方向信號，而母線保護IED設備也可以獲取與母線相連的線路一端的故障方向信號，這樣就可獲取雙份的故障信號。一旦某些故障導致通信失敗或者數據丟包時，可以通過獲取的冗余信息進行補充，使系統的可靠性增強。

LP將會獲得線路兩端的方向信息，而BP也將獲得與之相連的所有線路的方向信息。兩者信息是有交叉的，如果母線上的方向信息取背離母線為正，指向母線為負，那么線路出現故障時，線路方向信息的冗余性如圖4所示。LP與BP設備會產生同一個開關處的相同方向信息，從而實現信息獲取的冗余性。

圖4 方向信息的冗余性

2.2 方向信息與距離保護的冗余性

由故障方向信息與距離保護的關聯性可以看到，距離保護動作信號可以表示雙端故障方向的方向性相同；而距離保護不動作信號，可以表示雙端故障方向的方向性不相同。這樣在丟失某些方向信息或者距離保護動作信息時，兩者可以互相補充實現信息的冗余。

方向信息與距離保護的冗余性如圖5所示。當線路出現故障時，兩端的距離I段保護（假設85%全長）將會產生動作信號，而此時兩端的方向信息都是正；當故障在某一距離保護的I段之外時，只會有一個距離保護產生動作信號。但經過分析發現，故障還是在區內，這時方向信息也都將是正向，這樣獲取二者信息就可以實現一種間接的冗余性。但是故障出現在區外時，這時距離保護是不會產生動作信息的，此時兩端的方向信息將不會是相同的，這樣可以實現一種糾錯性能。

圖5 方向信息與距離保護的冗余性

2.3 多信息的冗余性

監測IED設備將獲取本變電站域的所有開關開合狀態信息，而距離保護動作信息直接反映了開關開合的狀態（在沒有拒動情況），同樣差動保護動作信息也直接反映了與之相連的開關開合情況，這樣三者間就實現了信息的冗余獲取。

在開關不出現拒動的情況下，保護動作信號的發出必將導致開關動作，這樣保護動作信號就可以作為一種冗余信息，如圖6所示。通過監測保護IED設備，獲取本站內的所有開關狀態，可以形成一個關聯系統拓撲的開關狀態矩陣；而母線保護如果發出動作信號，那么與之相連接的線路開關將斷開，這樣開關狀態位置就必然與母線動作信號有關系；距離保護如果發出動作信號，其所保護的線路開關將斷開，這樣開關狀態位置將必然與距離保護信號有關系。從而母線保護信號、距離保護信號、開關狀態位置三者在邏輯上就形成了一種必然關系，這樣不僅信息實現了冗余，還具有糾錯功能。

圖6 多信息的冗余性

2.4 IED設備間的互相冗余

當線路保護IED設備出現故障時，線路兩端的母線保護IED設備可以聯合代替失靈IED的一部分功能；而當變壓器保護IED失靈時，同樣的與之相連接的母線保護IED設備可以聯合替代其切除故障；而線路保護IED設備還可以與母線保護IED設備交換信息，來實現信息在各IED保護中的冗余性。

3 站域保護功能實現

通過對獲取的保護狀態信息進行整合，再利用信息的冗余以及相互之間的邏輯關系進行糾錯，從而實現站域保護功能。站域保護處理中心將獲取以下信息：線路保護IED、母線保護IED的故障啟動信號；距離保護的動作信息；母線保護的動作信息；方向元件的方向信息；智能終端（IT）上傳開關的狀態位置。下面將通過算例來分析不同保護功能的實現。

1）后備加速保護功能 構建關聯系統拓撲結構的開關矩陣S（行表示不同的電力元件，列表示不同的開關），構建原始的開關狀態矩陣P（列表示不同的開關狀態，開或者合）。當線路L4出現故障f1時，根據距離保護動作信息，將更新開關狀態矩陣得到P1。計算出新的開關矩陣為S′＝S×P。而另一方面，根據智能終端上傳的開關狀態位置，可以得到故障后的開關矩陣S1。通過比較矩陣S′和S1即可判斷開關是否出現拒動，如果出現拒動，立即切除相關的開關。

2）冗余保護功能 通過線路保護IED的距離保護信息、方向保護信息以及母線保護IED的方向信息，實現信息的冗余。正常情況下可得到信息矩陣I（行表示不同電力元件的不同保護信息，列表示不同的開關）。故障發生后，更新矩陣I得到I1。通過分析I1可以判斷出故障元件。

3）后備冗余保護功能 設線路保護LP1出現異常，將會返回一個異常信號，此時LP1的信息都將丟失。此時利用與之相連的母線BP1與BP2進行信息交流，就可以替代線路保護LP1的功能。通過融合上述矩陣I中的母線方向信息，可以判斷線路是否出現故障，從而替代LP1實現故障切除的功能。設BP1出現異常，將會返回一個異常信號，此時BP1的信息都將丟失；與之相連的線路保護LP進行信息交流，可以替代其保護母線的功能。通過融合上述矩陣I中的線路方向信息，可以判斷母線BP1是否出現故障。

4）當互感器出現故障造成信息丟失的時候，將用其他信息進行替代 例如，當CB09的電流互感器信息丟失時，對于BP1保護IED而言，將獲取CB10的信號替代之。對于LP1保護IED而言，將CBG5、CB79的信號替代之（設電流指向母線為正向，則I09＋IG5＋I79＝0）。

根據從互感器檢測IED設備獲得信息，形成一個矩陣，用以表示互感器的故障情況（0表示出現故障，1表示正常），根據開關矩陣S，可以得到互感器矩陣HG表述的信息如表1所示。

表1 互感矩陣HG表述的信息

當CB07的電流互感器信息丟失時，對于BP1保護IED而言，根據09列，可以分析到L5線路是獲取CB09電流信息的，從而根據L5行得到CB10的電流信息可以替代之；當CB09的電流互感器信息丟失時，對于LP1保護IED而言，根據09列可以分析到BP1也獲取CB09信息，從而根據BP1行，用I09＋IG5＋I79＝0信息代替之。

5）系統保護功能 本地線路非故障過負荷，需要切除本地變電站的站內負荷以及發送允許信號去切相鄰變電站負荷。通過開關矩陣S判斷系統開關狀態（開關的開合），從而得到系統的拓撲結構。通過從線路保護IED及母線保護IED獲得線路的電流以及母線電壓的分布情況，判斷變電站過負荷情況，進而做出決策，需要減多少負荷，發出跳閘信號到饋線開關。

4 結語

本文詳細分析了站域保護的功能、結構以及信息的冗余性。站域保護通過獲取站內的冗余信息實現保護功能，提出了利用站域內冗余的保護狀態信息構建動作矩陣實現保護功能。由于信息來源之間存在邏輯關系以及必然聯系，信息間就形成了一種冗余關系，這就保證了信息來源的可靠性。如果某些信息丟失了，可以通過其他的信息進行彌補，由于信息間具有邏輯性，又能互相驗證信息的正確性。通過利用上述冗余信息，可以有效地構建站域保護優化方案，提高保護的性能。

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