電力系統站域保護技術發展及應用探討

蘇松鴻

摘 要：文章從站域繼電保護基本作用出發，分析站域繼電保護的原理，闡述了站域保護的算法，并從系統監測和事故記錄、電力系統狀態估計、融合多Agent體系結構、構建新的信息交換及預警機制等角度，分析了電力系統站域保護的應用，最后提出了站域保護技術發展的前景。

關鍵詞：電力系統；站域保護；發展；應用

中圖分類號：TM77 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）05-0011-02

站域保護是智能變電站后備保護的一項重要技術，能夠克服傳統繼電保護難題，因此具有一定優勢。當前，國際相關領域十分重視該技術的研究，我國有關企業已著手開展產品研發，如許繼、南瑞以及南自等，已推出了相應的產品。針對站域保護技術的發展歷程和實際運用，本文進行了重點論述。

1 電力系統站域保護的原理分析

站域保護利用智能變電站IEC61850規約通信系統，實時收集所有設備的開關量等信息，從而實現站域保護功能。因此，站域保護能夠集中為刀閘、模擬器、斷路器等一次設備提供近后備保護，在后備保護領域具有突出優勢。

站域保護包括多個獨立的功能模塊。各模塊之間展開類似于傳統繼電保護的配合，實現站域保護的整體邏輯，但在功能和定值方面，站域保護與就地保護無配合關系。站域保護的結構多為集中式，因此，在220 kV及以上的變電站內，站域保護應采取冗余配置，才能保證其動作的可靠性。

2 電力系統站域保護的保護算法分析

當前，對于電力系統的站域保護來說，其保護算法還有待完善，正處于發展時期。站域保護一般分為三大模塊：一是數據采集和計算，二是故障位置判別，三是保護跳閘決策。站域保護裝置結構圖，如圖1所示。

2.1 數據采集和計算

利用IEC61850規約通信，該模塊對站域保護所需的所有信息，包括一次設備的狀態欄等信息進行收集并進行計算，如智能變電站中的斷路器開關所在位置，以及電壓電流等站內模擬器等。

2.2 故障位置判別

對于站域保護來說，該模塊具有重要的核心作用，通過收集故障的方向和距離等信息，從而確定故障位置。以下幾種方法是故障位置判別時常用的算法。

2.2.1 基于故障電壓分布的故障位置判別

站域保護通過IEC61850規約，可同時采集系統兩側的電壓故障分量，然后利用一側的電壓和電流故障分量，對另外一側的電壓故障分量進行估算，二者若相同，則可判定為區外故障。反之，若二者相差明顯，則為區內故障。利用系統兩側電壓故障分量差異狀況的算法，特別適用于判別邊界元件的故障類型，是當前站域保護中普遍采用的一種保護算法。

2.2.2 基于遺傳信息融合技術的故障位置判別

近年來，作為新興人工智能技術的代表，遺傳信息技術越來越多地被站域保護技術所應用，其將故障方向列為遺傳算法的處理對象，利用多種判別方法，根據所收集的保護判據信息，對目前狀態值和保護期望值進行分析，計算二者差異構造的極大值，并建立相應的適應度函數，然后通過遺傳信息技術，對函數進行快速搜索和收集判據，以尋出最優解，從而做出正確的故障方向決策，實現故障元件的判別。這種利用遺傳信息技術的故障位置判別，不僅可靠程度較高，也具有較高的容錯性，同時，在較大范圍內，顯著提高了站域保護的抗干擾性。然而，由于人工智能技術還處于發展時期，對于該技術的實際應用還有待觀察。

2.3 跳閘決策模塊

站域保護進行故障位置判別，而后作出定位邏輯判斷，進而利用智能變電站的過程層網絡，將跳閘策略GOOSE報文發至對應間隔的智能系統終端執行，從而跳開系統內故障元件，以排除故障。當前，站域保護跳閘方式主要有兩種，一是通過動作時限跳閘配合，二是利用故障識別執行跳閘決策。

3 電力系統站域保護的應用

3.1 系統監測和事故記錄

在智能變電站中，所有間隔的電流、電壓，以及一次設備的實時信息，如斷路器、刀閘位置等，均由站內保護收集，并集中提供近后備保護和系統監測，其對母聯、斷路器失靈、線路以及主變和母線等具有后備保護功能，并記錄事故。

3.2 電力系統狀態估計

通過變電站等本地區域測試信息的繼電保護。其整合站域安全控制等功能，相互協調，可集成為站域保護。當前，隨著智能變電站的發展和普及，為研究和應用站域繼電保護創造了良好的契機。

近年來，WAMS（WideArea Measurement System），即廣域同步測量系統備受關注，其以GPS、PMU（Phasor Measurement Unit），及SDH（Synchronous Digital Hierarchy）等為基礎，通過通信網技術，多點位、同步實時收集和傳輸信息，實現了現代電網的安全控制和動態控制，極大提升了站域保護的發展。

3.3 融合多Agent體系結構

其以Agent技術為基礎，在智能變電站內構建分層分布式保護系統，將物理集成和邏輯集成融合于站內保護系統之中。該保護系統結構，如圖2所示。

由圖可見，執行級Agent能夠獨自完成本單元設置的保護任務，并利用通信網絡，與協調級Agent之間相互傳遞信息，從而實現更為復雜的保護功能。協調級Agent能夠在簡化模式下替代組織級Agent，對系統級保護目標做出決定。

對于分布式保護來說，如何實現可靠的、實時的數據傳輸和同步采樣的高精度是亟待解決的難題。在方案中，如果設置過多的分布接入點，勢必考慮通信設備和鏈路是否穩定可靠，因此，采用“冗余”同步時鐘源，以降低上述因素的影響。另外，在繼電保護方面，Agent技術的應用還有待完善和考察，目前，主要成果多為理論性，并且Agent不僅要具備知識庫、系統通信等功能，還應完成故障識別和執行結果等多項任務，因此，還需進一步研究和分析其協調控制能力和最優決策。

3.4 構建新的信息交換及預警機制

目前，以遺傳算法為基礎的站域繼電保護技術，已融合基于概率識別的信息技術，從而大大減少了計算量，避免了過早收斂現象的發生，提高了保護判別和信息容錯的能力，實現了基于遺傳算法故障元件判別原理的簡化和完善。

該算法的前提是在有限的廣域范圍之內，多處故障不可能同時發生，其只對域內元件個體故障編制故障識別碼，從而縮小了搜索范圍，與遺傳算法相比，簡化了搜索過程，避免了復雜的收斂判斷。算法的加權系數，是根據保護原理的靈敏度，以及選擇性而加以設定的。

4 電力系統站域保護應用需解決的幾個問題

4.1 站域信息同步問題

當前，該問題的解決，只能依靠GPS等全球衛星同步時鐘，但因自然環境的影響和技術的不完善，如果站域同步采樣選取該方法，效果差強人意，所以，應對策略還應通過站域保護的原理算法進行。

4.2 后備保護系統的完善配置問題

該問題是針對站域通信的失效和站域后備是否靈敏而提出的。因此，為避免站域后備保護發生誤動，應采取有效應對措施。此外，為切除故障，遠后備保護因其以就地信息為基礎和執行簡單，也應保留設置，如采取固定整定值、靈敏度較高的長延時保護等末級后備措施。

4.3 站域繼電保護可靠性與風險評估問題

對于廣域后備保護來說，其信息多源，對站域信息通信的依賴度較高，因此，可靠性面臨多種考驗，但是，也存在多項利于可靠性提高的因素，應謹慎評估其安全風險，以利于實際應用。

5 結 語

當前，我國電網輸電等級日益提高，不僅網架結構日趨復雜，而且系統交直流互聯發展已成為趨勢。廣域保護和控制等繼電保護技術的發展，如站域保護，突破了傳統保護的局限，為電網運行的安全可靠提供了有力保障。

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