基于智能變電站站域保護的研究

廖先澤，莊圣賢，施孟陽

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610031）

基于智能變電站站域保護的研究

廖先澤，莊圣賢，施孟陽

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610031）

傳統(tǒng)繼電保護僅利用本單元的電氣量及有限的狀態(tài)量完成故障判斷，不能反映電網(wǎng)的整體運行狀況，相互之間缺乏協(xié)調(diào)配合，為此提出了站域保護的基本概念。研究了適用于智能變電站的站域保護邏輯結(jié)構(gòu)，站域保護系統(tǒng)通過交換機和以太網(wǎng)實現(xiàn)了變電站內(nèi)智能設(shè)備間信息的共享和互操作，系統(tǒng)釆用集中式的處理結(jié)構(gòu)，利用多信息進行故障定位。結(jié)合典型的500 kV變電站接線，分析了按電壓等級構(gòu)建的站域保護配置方案。基于智能變電站信息共享的站域保護信息量完整，改善了傳統(tǒng)繼電保護的不足，能提升繼電保護性能和系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行能力。

智能變電站；站域保護；方案；信息矩陣

0 引言

隨著我國智能電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，各大區(qū)域電網(wǎng)逐漸互聯(lián)，運行方式愈加靈活多變，使得電網(wǎng)故障出現(xiàn)的幾率也顯著增加。繼電保護作為保障電網(wǎng)系統(tǒng)安全的第一道防線，其準確、快速和可靠的動作將有效遏制故障范圍擴大，減小局部故障對整個電網(wǎng)的影響；反之，在故障情況下保護的拒動或誤動將擴大故障范圍，甚至可能加速電網(wǎng)的崩潰。對大停電事故的研究表明，傳統(tǒng)繼電保護僅利用本單元的電氣量信息和斷路器狀態(tài)量，只是反映局部保護元件的故障特征，保護與安穩(wěn)控制相互之間缺乏協(xié)調(diào)，已不能適應(yīng)電網(wǎng)安全的要求。因此，研究如何將全局信息引入繼電保護系統(tǒng)，提高保護的準確性和可靠性，解決后備保護受運行方式的影響有著重要的理論和現(xiàn)實意義[1]。

最新研究的基于信息共享的站域保護能夠適應(yīng)當前和未來智能變電站的發(fā)展要求[2]。目前，國內(nèi)外針對站域保護的研究主要集中于以下幾個方面：解決相關(guān)的技術(shù)應(yīng)用問題；保護算法的研究[3-6]；SABP（服務(wù)區(qū)域廣播協(xié)議）與主保護之間如何協(xié)調(diào)配合[7]；SABP信息通信網(wǎng)絡(luò)實時性能研究及減小信息傳輸延時和動作延時[8]等。

綜合近年來國內(nèi)外智能變電站站域保護的研究方案，著重論述了站域保護的原理和故障定位方法，提出了站域保護配置方案，實現(xiàn)全站信息的共享，利用更多的故障信息以提高后備保護的準確性和可靠性。針對典型智能變電站站域保護應(yīng)用實例，進行了較系統(tǒng)地分析。

1 智能變電站站域保護的概念和功能

1.1 站域保護的概念

目前，學(xué)術(shù)界對站域保護還沒有明確、具體的定義。分析當前出現(xiàn)的幾種主要觀點對站域保護概念作如下簡述：基于智能變電站高速通信網(wǎng)絡(luò)，在利用變電站全站信息實現(xiàn)信息共享的基礎(chǔ)上，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，對故障進行快速、可靠、精確的切除，這種整合并集成站內(nèi)后備保護和控制系統(tǒng)于一體，以簡化后備保護配置，改善保護及控制系統(tǒng)性能的繼電保護稱為站域保護。

1.2 站域保護的功能

由于集中了變電站的全站信息，與傳統(tǒng)的繼電保護相比，站域保護獲得了更多的故障信息，有利于提高和改進其保護性能；站域保護實時獲取變電站全站的電氣量，可以快速、精確、可靠地對變電站站內(nèi)以及引出線上發(fā)生的故障進行定位，以優(yōu)化的跳閘策略快速切除故障設(shè)備；主保護拒動時，站域保護起到快速近后備保護作用；斷路器失靈時，跳開失靈斷路器的相鄰斷路器；當變電站直流電源消失，本站不能切除故障時，由相鄰后備保護切除相應(yīng)的斷路器，實現(xiàn)遠后備保護[9-10]。

站域保護系統(tǒng)可以提供各種需要的信息，如有關(guān)元件的電壓、電流、頻率、故障狀態(tài)和就地動作結(jié)果等。站域保護還可以簡化變電站繼電保護及控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，改善其性能，并且根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和潮流的變化智能調(diào)整定值，如故障時調(diào)整為重負荷定值，根據(jù)電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)自動調(diào)整定值等。同時也可以作為子站接入保護系統(tǒng)，與主保護配合，實現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)保護與安全控制。子站可以提供實時同步的電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上可實現(xiàn)一些高級的分析功能，如利用PMU（同步相量測量單元）數(shù)據(jù)實現(xiàn)雙端電源系統(tǒng)的振蕩自動識別等[11]。

2 站域保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 站域后備保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

站域保護過程包括相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理。智能變電站的分層分布式結(jié)構(gòu)，即站控層、間隔層和過程層，以及高速的網(wǎng)絡(luò)通信功能完全能夠滿足站域保護對數(shù)據(jù)采集，傳輸和處理的要求。基于智能變電站的信息共享特點，站域后備保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

按照國家電網(wǎng)制定的協(xié)議標準，SV（電壓電流采樣值）報文和GOOSE（面向通用對象的變電站事件）報文包含的開關(guān)量信息和跳閘/關(guān)斷命令，應(yīng)該直接傳送給繼電保護設(shè)備。而且，SV和GOOSE將通過以太網(wǎng)發(fā)送給過程總線構(gòu)建雙信息網(wǎng)絡(luò)，間隔層的其他IED（智能電子設(shè)備）從這個雙網(wǎng)絡(luò)獲得數(shù)字信號以執(zhí)行相應(yīng)的功能。在站控層，MMS（制造報文規(guī)范）網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了工作站、調(diào)度中心和間隔層IED的自動控制和監(jiān)控。

如圖1所示，站域保護層位于間隔層，全站配置了2套站域保護系統(tǒng)，在保護原理上2套系統(tǒng)完全一樣，都包括了數(shù)據(jù)采集及計算模塊、故障定位模塊、保護跳閘決策模塊等3個功能模塊組成，彼此互為備用工作，提高了保護系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。控制設(shè)備，測量單元和其他IED（不包括保護設(shè)備）通過相同的通信網(wǎng)絡(luò)獲取電壓/電流采樣值，開關(guān)狀態(tài)信息并傳送控制命令，實現(xiàn)了IED之間的信息共享和電氣設(shè)備間的互操作。

此外，智能變電站站域保護系統(tǒng)的硬件設(shè)備采用集成化，能夠?qū)崿F(xiàn)測量、保護和控制等功能一體化，使站域保護系統(tǒng)突破了間隔的限制，簡化了硬件結(jié)構(gòu)，降低了開發(fā)成本，減少了現(xiàn)場運行維護工作量和難度。

3 站域保護原理

站域保護在運行理念和原理方面和廣域后備保護很相似，僅僅是保護域和應(yīng)用范圍的不同，可以參考廣域后備保護算法進行研究。在此分析了可以應(yīng)用于站域保護系統(tǒng)的電流差動保護和縱聯(lián)方向比較保護2種算法。

3.1 電流差動保護原理

傳統(tǒng)電流差動保護原理可以描述為：被保護對象各端差流的產(chǎn)生引起差動繼電器電流比較結(jié)果的變化，該變化反映了保護區(qū)域內(nèi)有故障的存在[12-13]。站域電流差動保護的運行機制與傳統(tǒng)電流差動保護很相似，然而，站域電流差動保護對象針對的是區(qū)域，而不是單個元件，明顯減小了后備保護系統(tǒng)的動作延時和故障切除范圍。

文獻[14]提出了一種可行的分區(qū)結(jié)構(gòu)：對于每個保護單元，IED是廣域保護的核心元件，最小的保護區(qū)域由線路和安裝了IED的主變壓器組成，最大保護區(qū)域是由最小的保護區(qū)域及其線路和相鄰母線組成。圖2為一種電流差動保護區(qū)域劃分圖。

圖2中每個保護IED安裝在相應(yīng)的斷路器上并對其編號，L1和L2代表線路，T表示主變壓器，A，B，C和D代表母線。區(qū)域Ⅰ為最小的保護區(qū)域，包括IED所在線路和背側(cè)母線，由區(qū)域Ⅰ-1和區(qū)域Ⅰ-2組成。區(qū)域Ⅱ是最大保護區(qū)域，劃分為與最小保護區(qū)域相鄰的所有線路和母線構(gòu)成的區(qū)域，由區(qū)域Ⅱ-1和區(qū)域Ⅱ-2組成。

以IED5為例，其他 IED的分析方法類似。故障發(fā)生后，首先判斷IED5電流與IED2電流、IED3電流、IED4電流和IED6電流的關(guān)系，如果確定區(qū)域Ⅰ發(fā)生故障，IED立即發(fā)送跳閘信息跳開所控制的斷路器。如果主變壓器T發(fā)生故障，IED5不能獲得來自IED6的電流信息，IED5將自動擴展當前的電流差動保護區(qū)域。

站域電流差動保護的優(yōu)勢在于相對簡單的工作原理和良好的快速性及選擇性。這種保護對電流采樣值的實時通信具有很高的要求，需要與GPS（全球定位系統(tǒng)）和相位測量單元相配合。因此，站域保護系統(tǒng)的設(shè)計具有一定的復(fù)雜性。

3.2 縱聯(lián)方向比較原理

縱聯(lián)方向比較原理可以描述為：保護系統(tǒng)通過方向保護IED采集各安裝點的故障方向信息，并在對方向信息矩陣評估和分析的基礎(chǔ)上完成故障的定位和判斷，然后向相應(yīng)的IED發(fā)送動作信息跳開斷路器。如圖3所示，以5節(jié)點電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為例，詳細的描述了廣域方向保護的故障過程模式。

圖2 電流差動保護區(qū)域劃分

圖3 5節(jié)點電力系統(tǒng)方向保護原理

每個方向保護IED安裝在對應(yīng)的斷路器和電路互感器上，標記為IED1—IED10。L1—L5代表線路，B1—B5表示母線。母線作為變電站電能匯聚和分配的重要一次設(shè)備，所有的方向元件和斷路器都與其直接相連，其與出線的聯(lián)系可以表示出站域的拓撲聯(lián)系[15]。變電站實時采集站域內(nèi)各方向元件的信息，形成如表1格式的方向保護IED和線路/母線的關(guān)系表。

表1 方向保護IED和線路/母線的關(guān)系

假定流出母線的電流為正，用1表示；流入母線的電流為負，用-1表示。圖3所示箭頭方向即為各方向元件電流的正方向。正常情況下形成的方向信息矩陣表示為Z。

信息矩陣Z一直處于更新狀態(tài)，同時保護系統(tǒng)不斷地分析矩陣Z，如果出現(xiàn)和矩陣Z有不相同的元素，啟動保護元件，經(jīng)邏輯判斷實現(xiàn)故障的定位。

這種基于縱聯(lián)方向比較原理的站域保護以方向信息的綜合判斷為基礎(chǔ)，優(yōu)勢在于傳輸?shù)膶崟r數(shù)據(jù)量較少，只有方向信息和開關(guān)狀態(tài)量，原理簡單可靠。然而，在特定的狀況下，如系統(tǒng)振蕩引起電壓、電流幅值和頻率的變化，故障分量中會出現(xiàn)較大的不平衡量，方向保護IED的性能會受到一定的影響，可能引起保護的誤動。

4 500 kV變電站站域保護配置方案

在智能變電站設(shè)計中，應(yīng)該堅持主保護面向間隔，后備保護面向站級的站域保護配置原則，主保護仍然由變電站內(nèi)智能保護設(shè)備實現(xiàn)[16]。為了滿足繼電保護速動性、選擇性、可靠性、靈敏性的要求，500 kV變電站采取如圖4所示的直采直跳雙重化的主保護加后備保護配置方案，二者并行、協(xié)同地工作。

圖中500 kV出線和220 kV出線配置電流差動保護和縱聯(lián)保護作為線路主保護，35 kV出線配置相間距離保護和方向過流保護作為本單元的主保護。對變電站內(nèi)主設(shè)備和間隔單元不單獨配置后備保護，而是在主保護基礎(chǔ)上只增加1套站域后備保護，對后備保護進行集中控制和決策，完成變電站內(nèi)所有一次設(shè)備的后備保護功能。

若出現(xiàn)220 kV出線故障，傳統(tǒng)繼電保護只能由變壓器220 kV側(cè)的后備保護越級跳閘切除線路故障。直采直跳的雙重化主保護加站域保護完全可以利用采集的全站信息判斷出是220 kV線路保護的拒動，而不是220 kV斷路器拒動，迅速地跳開220 kV出線，避免了事故的擴大；若是220 kV斷路器拒動，站域保護也可以迅速地指令主變壓器220 kV側(cè)斷路器跳閘，保證了電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定。

集中式后備保護簡化了原來分散到變壓器、母線和斷路器保護重復(fù)設(shè)置的后備保護，由于實現(xiàn)了全站信息的共享，結(jié)合相應(yīng)的站域保護算法，減少了后備保護的動作時間，提高了后備保護的容錯性能。

圖4 智能變電站站域保護的配置方案

5 結(jié)語

站域保護實現(xiàn)了站內(nèi)信息的高度共享，改善了后備保護的性能，提高了繼電保護對電網(wǎng)的適應(yīng)能力。基于電流差動原理的站域保護整定簡單，動作延時固定，靈敏度較高；基于縱聯(lián)比較原理的站域保護以方向信息的綜合判斷為基礎(chǔ)，傳輸?shù)膶崟r數(shù)據(jù)量較少，對故障的定位具有很高的精準性。設(shè)計的雙重化配置的保護方案既保留了傳統(tǒng)主保護的性能，又優(yōu)化了后備保護的配置，提高了后備保護的容錯性能。

[1]王慧芳，何奔騰．利用狀態(tài)量信息的集合保護規(guī)范化判據(jù)研究[J]．中國電機工程學(xué)報，2008，28（22）∶81-86．

[2]陳磊，張侃君，夏勇軍，等．智能變電站站域保護研究綜述[J]．華東電力，2013，41（5）∶947-953．

[3]蔡小玲，王禮偉，林傳偉，等．基于智能變電站的站域保護原理和實現(xiàn)[J]．電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2012，24（6）∶128-133．

[4]王媛，焦彥軍．基于多Agent技術(shù)的站域保護系統(tǒng)的研究[J]．電力系統(tǒng)保護與控制，2013，41（3）∶80-85．

[5]劉益青，高厚磊，高偉聰．適用于數(shù)字化變電站的繼電保護數(shù)據(jù)處理新方法[J]．電力系統(tǒng)自動化，2011，35（15）∶68-72．

[6]高厚磊，劉益青，蘇建軍，等．智能變電站新型站域后備保護研究[J]．電力系統(tǒng)保護與控制，2013，41（2）∶32-38．

[7]CHEN LEI，ZHANG KANJUN，XIA YONGJUN，et al．Study on the Substation Area Backup Protection in Smart Substation[C]．Power and Energy Engineering Conference，2012．

[8]CHEN LEI，ZHANG KANJUN，XIA YONGJUN，et al．Scheme design and real-time performance analysis of information communication network used in substation area backup protection[C]．Power Engineering and Automation Conference，2012．

[9]ZHOU L C，HANG B H，CHENG L Y，et al．Centralized substation backup protection with high reliability[J]．IEEE Trans on Power Delivery，2012，17（2）∶375-380．

[10]李穎超．新一代智能變電站層次化保護控制系統(tǒng)方案及其可靠性研究[D]．北京：北京交通大學(xué)，2013．

[11]耿建風(fēng)．智能變電站設(shè)計與應(yīng)用[M]．北京：中國電力出版社，2012．

[12]叢偉，潘貞存，趙建國，等．基于電流差動原理的廣域繼電保護系統(tǒng)[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（5）∶91-95．

[13]周澤昕，王興國，杜丁香，等．一種基于電流差動原理的變電站后備保護[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2013，37（4）∶1113-1120．

[14]CONG W，PAN Z C，ZHAO J G，et al．A Wide Area Protective Relaying System Based on Current Differential Protection Principle[J].Power System Technology，2006（30）∶91-95.

[15]胡忠山．基于站域信息的繼電保護組網(wǎng)方案研究[D]．北京：華北電力大學(xué)，2012．

[16]高東學(xué)，智全中，朱麗均，等．智能變電站保護配置方案研究[J]．電力系統(tǒng)保護與控制，2012，40（1）∶68-71．

（本文編輯：楊 勇）

Study on Substation Area Protection in Intelligent Substation

LIAO Xianze，ZHUANG Shengxian，SHI Mengyang
（College of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

For conventional relay protection，the electrical quantity and limited quantity of state are used for fault diagnosis.The two kinds of quantity are not enough to reflect the overall operation of power grid and lack coordination and cooperation.Therefore，the paper proposes a basic concept of substation area protection and investigates substation area protection logic structure applicable to intelligent substations.The substation area protection system enables information among intelligent devices in substation to share and interoperate via exchanger and Ethernet；it uses a structure of centralized processing and employs multiple information for fault location.Combining typical 500 kV substation wiring，the paper analyzes substation area protection configuration scheme established in line with voltage class.The substation area protection based on information sharing of intelligent substation，owning complete information quantity and improving disadvantages of conventional relay protection，can enhance relay protection performance and operation safety and stability.

intelligent substation；substation area protection；scheme；information matrix

TM732

A

1007-1881（2015）05-0006-04

2015-01-13

廖先澤（1989），男，碩士，主要研究方向為智能變電站繼電保護。