基于“三道防線”的廣域保護系統及結構綜述

陳琳

（廣東工業大學 自動化學院電氣工程系，廣東 廣州510090）

0 前言

1996年美國大停電、2003年美國加州大停電和隨后世界范圍內的幾次大停電事故，以及我國2008年特大冰雪災害讓人們逐漸認識到，傳統后備保護存在一些局限性，不能避免大規模停電事故的發生[1-4]。

近年來，廣域測量系統(Wide Area Measurement System，WAMS)在電力系統中的大量應用，為電網保護系統的設計開闊了新思路[5,6]。廣域測量系統可獲取全網同步動態信息，其高速數據傳輸可使主站的數據更新周期達到20ms～50ms。這一特點使得從電網整體最優出發，完成繼電保護功能成為可能。

因此，基于廣域測量系統的基礎上，借助廣域測量技術和通信技術以解決互聯大電網繼電保護和安全自動裝置之間的協調問題，廣域保護系統應運而生，反映了今后繼電保護的發展方向。

1 基于“三道防線”要求的廣域保護系統

2004年，山東大學叢偉博士，潘貞存教授提出了滿足“三道防線”要求的廣域保護系統[7]。由廣域繼電保護系統實現快速保護功能，構筑電力系統安全穩定的第一道防線；第二道防線由廣域安全自動控制系統防止穩定破壞和參數越限的安全自動控制和緊急控制功能。當系統受到嚴重擾動而失去穩定，導致異步振蕩時，廣域保護系統執行檢測系統振蕩、切負荷、發電機控制、系統解列等緊急控制策略，防止系統崩潰，組成第三道防線。

滿足“三道防線”要求的廣域保護系統借助廣域測量技術和通信技術，采集保護區域內的多點運行信息，便于在一個系統內集成實現“三道防線”功能，全面準確反映系統的運行動態，針對擾動后系統的不同運行狀態采取不同的保護和控制策略，提高保護和控制設備裝置之間相互協調配合的工作性能，避免系統受到大擾動后出現失穩或崩潰的情形。

廣域繼電保護的核心思想在于借助通信技術，采集電網中廣域同步測量信息，通過信息融合計算識別故障元件，在相鄰保護之間通過簡單的時序配合來保證保護動作的正確性[8]。

從工程化實際應用角度出發，在我國實際電網背景下開展廣域繼電保護，其信息采集、交換無須覆蓋整個廣域范圍[9]，主要從以下三點原因加以考慮：

(1)從通信技術上進行分析，由于技術和經濟條件的制約，目前實際電網中還未能設置專設的廣域通信網足以完全滿足廣域系統傳輸、交換大量信息的要求。故采用故障范圍內就近有限區域的測量信息則可大大減輕廣域通信以及信息處理負擔，有利于廣域繼電保護系統準確、及時獲取可靠的測量信息。

(2)從信息處理上進行分析，廣域繼電保護系統借助通信技術可獲取較大保護范圍內的測量信息，可更準確全面地進行故障定位與切除。但龐大的廣域數據量傳輸，易引發通信延遲，影響保護的速動性；更重要的是，當某個決策點匯集大量數據時，中央決策單元有可能面臨“維數災”的問題，從而使得求解復雜，并有可能導致決策失敗。

(3)從故障定位上進行分析，對某條故障線路而言，與其故障情況相關聯的僅包含在相鄰線路的一個較小區域內，而故障線路與整個廣域范圍內大部分線路存在很弱的耦合關系。因此，廣域保護系統不需獲取極大廣域范圍內的所有信息，僅對故障區域內相關聯信息進行決策計算便可有效實現故障定位。

構造適當的結構模式對廣域繼電保護核心思想的實現至關重要。廣域繼電保護的結構模式對廣域測量信息的采集、網絡各節點數據的相互通信和決策中心的信息處理等方面均具有較大的影響。目前提出的廣域后備保護系統尚無統一的結構模式。考慮到廣域后備保護系統所要實現的功能，以及廣域后備保護所用算法對信息需求的不同，以及保護系統對動作延時和可靠性的要求，研究學者提出了幾種結構模式。

2 廣域保護系統結構

現有廣域后備保護的系統結構一般可分為變電站集中式、分布式和區域集中式結構三類基本形式[10-12]。

2.1 變電站集中式結構

變電站集中式結構示意圖如圖1所示。

圖1 變電站集中式結構

從結構層次上看，變電站集中式結構可分為兩層：第一層為中央決策單元，設置在每個變電站或由幾個變電站構成的區域主站中；第二層為每個變電站的各個測量點處裝設的IED終端設備。兩層結構對應實現的功能如下：

1 ）終端設備完成的功能：

采集就地電氣量和狀態量信息，對信息進行簡單處理；

上傳實時信息，與本站中央決策單元通信，接收來自中央決策單元的指令；

根據接收的指令完成行跳、合開關的操作。

2 ）中央決策單元完成的功能有：

接收決策范圍內各IED終端設備上送的實時信息；

與相鄰的其他變電站中央決策單元進行通信，收集外部信息；

分析處理綜合信息后制定保護控制策略；

發出決策指令下達至各IED終端設備中執行，完成后備保護和穩定控制的功能。

完成廣域保護系統的各種功能，做出保護和控制決策。

2.2 分布式結構

分布式結構示意圖如圖2所示：

圖2 變電站分布式結構

分布式結構中，在變電站各測量點處裝設IED終端設備，不需要設置中央決策單元。各IED終端設備地位對等，通過點對點的通信方式交換信息，共享數據，完成保護和穩定控制的功能。其主要完成以下功能：（1）采集本站內電氣量和狀態量信息，并對采集的信息進行簡單的處理；（2）借助通信系統與其他約定的IED終端設備通信；（3）融合本站信息和其他IED信息進行故障判斷，生成保護控制策略；（4）根據故障發生情況，由本端IED或交由鄰近IED控制斷路器執行跳閘、合閘操作。

在分布式結構中，可根據實際需要在各個變電站中設置監控IED，作為各IED的監視與管理中心，對各IED進行狀態監視和檢測，并不參與任何保護和控制策略的形成。

2.3 區域集中式結構

區域集中式結構示意圖如圖3所示：

圖3 區域集中式結構

在區域集中式結構模式下，由若干變電站構成一個整體區域，在此區域內選擇一個決策中心站，其余各變電站作為執行終端。從結構層次上可分為三層：最底層的IED功能與集中式結構類似，負責采集就地電氣量和狀態量信息，并僅與本站決策中心進行通信，通過站內通信系統將信息上傳至變電站執行終端。第二層是變電站內的執行終端。該終端獲取本站內各IED上傳的實時信息，并進行相應處理后，上傳至區域內的區域決策中心；同時接收來自區域決策中心的控制指令，根據決策命令執行相關操作。第三層是區域決策中心。區域決策中心管轄決策范圍內的所有變電站，，依據區域電網的拓撲結構，綜合各站上傳的各類實時信息識別故障元件，做出正確動作決策，下達至相關變電站執行終端，由各執行終端執行動作指令。

3 各類系統結構比較

從廣域后備保護系統可采用的結構形式看，變電站集中式、分布式結構和區域集中式的結構各有優劣。

3.1 變電站集中式結構

變電站集中式結構的中央決策單元通過廣域通信網絡可最大限度的采集和利用電網中的各種信息，使用信息融合等方法，綜合制定決策判據，準確、快速、可靠地切除故障和做出全局廣域系統安全控制決策。

該結構模式拓撲結構簡單、保護區域明確、信息交互路徑固定，對現有保護配置的改動較小，只需在現有配置的基礎上，每個變電站增設一個集運算、決策、通信為一體的IED。投資改造較少。

但系統對中心決策單元的依賴程度高，一旦故障將影響整個變電站的保護功能，存在單點失效的不足。且也存在保護分區困難，對電網拓撲結構變化適應性不高，擴展性較差。對通信要求較高。

3.2 變電站分布式結構

分布式結構無需建立中央決策單元，數據采集、處理、生成算法、制定決策以及決策執行過程均分散至在各IED中執行，各IED獨立完成保護與控制功能。其優點在于對IED的可靠性要求降低，一般某個IED發生故障時可由相鄰IED協調動作彌補其職能，不會影響保護系統的整體工作；且各IED之間通信對象為事先設定，信息不會在各IED之間多次往返傳遞，降低了通信延時時間。

但分布式結構對IED性能要求較高，在實際應用時需對保護區域內的所有保護裝置加以改造，投資成本增加。且各IED之間需要同時互相通信，網絡負載率較高，將致使整個通信網絡復雜，使通信系統的構建困難，后期維護檢修工作繁復。根據IED間通信實現的不同，致使IED間的通信邏輯繁雜或通信通道數量極大，終將導致實際通信系統復雜化，后期維護檢修工作量繁復。同時，由于各IED交換的通信數據多元化，既包含本地電氣量和狀態量信息，還囊括相鄰IED節點收集到的相關信息，數據通信量相較于集中式結構龐大。同時，固定的通信對象降低了系統靈活性，當電網運行方式發生改變時難以及時有效調整。

3.3 區域集中式結構

區域集中式結構結合了變電站集中式結構與分布式結構的雙重優點：一方面，采用分布在各個變電站的中央決策單元進行保護控制決策中，可集中應用大量信息，系統實現的整體性能更加優異，保護范圍也將更加廣泛。。另一方面，對各站的保護配置、IED的可靠性要求不高，各IED僅與區域決策中心站通信，不需進行站與站之間通信，減小數據通信負擔，簡化通信系統的結構，且簡化了各IED功能，相比變電站集中式結構的工程造價更少。

同變電站集中式結構一樣，區域集中式結構也對決策中心依賴程度高。一旦決策系統發生故障，輕者導致一個或數個保護IED出現誤動或拒動的情況，重者將導致整個保護區域內的保護同時失效，后果將十分嚴重。因此要求決策中心的可靠性和信息處理能力達到較高水平。同時由于距離決策中心較遠的IED的信息，需要經過多次路由進行轉發，將會造成信號傳輸到決策系統的延時較大，直接影響保護的速動性。

隨著計算機技術、通信技術的高速發展，并且目前220kV及以上系統變電站之間均已鋪設了光纖通道，加上具備高速運行能力的CPU及外圍設備，為區域集中式結構的工程化應用提供了良好的硬件條件。因此區域集中式結構完全有可能成為今后廣域繼電保護的發展趨勢，同時這種基于局部集中的智能終端結構也為今后電網分區域的安穩計算提供了基礎。

4 結論

針對目前傳統保護中存在的局限性，本文對基于廣域測量系統的廣域保護系統進行了研究綜述，結合工程化實際應用要求，研究滿足“三道防線”要求的廣域保護系統保護區域的劃分。并分析了現有的廣域保護系統結構，對比論述了變電站集中式、分布式、區域集中式三種體系結構的工作特點以及優缺點。

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