區域電網層次化保護控制系統

盧澤光，張 波，李偉碩，康洺睿（.國網德州供電公司，山東 德州 53000；.山東魯能智能技術有限公司，濟南 500）

區域電網層次化保護控制系統

盧澤光1，張 波1，李偉碩2，康洺睿2
（1.國網德州供電公司，山東 德州 253000；2.山東魯能智能技術有限公司，濟南 250101）

智能電網下新型變電站具有信息共享和集成的獨特優勢，對現有繼電保護構建模式進行重新審視，以更好適應智能電網的發展需求，是當前繼電保護領域的研究重點。本文從現有電網繼電保護發展應用所面臨的挑戰和存在問題展開討論，結合智能變電站特點，構建了區域電網層次化保護控制系統體系。基于四個層級的保護邏輯架構，詳述了區域電網層次化保護控制系統的性能和功能配置，并與當前智能站保護、區域電網保護進行分析比對，從中可以看到，區域電網層次化保護控制體系的研究對加強電網安全、構建可靠的第一道防線具有重要的指導意義。

層次化保護控制系統；智能電網；信息共享；區域電網保護

0　引言

基于構建全球能源互聯網，推動以清潔和綠色方式滿足全球電力需求的戰略思想，我國正穩步推進對智能電網的建設，當前電網結構逐步從交直流混聯向特高壓交直流互聯電網過渡，電源結構從常規能源向常規能源與風電、光伏等新能源相結合過渡，其帶來的系統網架重構、分布式電源靈活接入、特高壓交直流集中饋入，微電網保護控制等技術，對常規繼電保護提出了新的要求［1-2］。同時，智能電網的建設，推進了電網保護與控制領域的科技進步，為繼電保護與控制設備的模塊化設計和功能集成提供了可能；IEC61850 標準的推廣應用，實現了站內設備或其他變電站信息的共享和交互，提升保護性能成為可能。隨著廣域繼電保護和同步測量技術的不斷完善發展，從系統的角度綜合考慮繼電保護設計和配置的層次化繼電保護，為改善和提高傳統繼電保護和控制性能帶來機遇。

1　當前電網保護系統面臨挑戰和存在問題

傳統的繼電保護僅利用元件的本地信息來進行故障識別和切除。隨著電網規模的迅速擴張、新能源的接入、特高壓交直流的集中饋入、區域電網的互聯等，一方面優化了資源配置、提高了電網運行經濟效益，另一方面卻使得網架結構和電網運行控制變得日益復雜，因此會出現整定計算復雜、無法適應大范圍潮流轉移而連鎖動作等問題使傳統保護暴露出更多的弊病，如近些年國內外發生的眾多大停電事故［3-6］。

同時，各種分布式電源的靈活入網，使得電網運行方式呈現多樣化、網絡暫態過程變得更為復雜；多變壓器運行方式帶來的后備保護配合、雙向潮流、系統阻抗的變化等問題也給繼電保護定值整定的適應能力帶來嚴峻考驗；特高壓電網的建設、電網規模的擴大導致短路電流的助增，造成保護整定值可靠系數降低、抑制設備運行等問題。現有的保護和安全自動控制裝置已經不能適應智能電網的快速發展，表現出整定計算困難、動作速度慢、失配情況普遍、甚至發生誤動等問題，已成為電網安全的薄弱環節。因此有必要以系統性思想來重構電網整體的保護與控制系統，建立一種區域電網層次化保護與控制系統，提高區域電網的供電可靠性和安全性。

2　區域電網層次化保護控制體系架構

層次化保護控制是指綜合應用電網全景數據信息，通過多原理的故障判別方法和自適應的保護配置，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安全穩定運行能力的保護控制系統［7-8］，從體系架構上劃分為變電站過程層、變電站站域層、區域控制層三個層面。區域電網層次化保護系統架構如圖1所示。

圖1　區域電網層次化保護控制體系架構

區域控制層包含區域電網保護與控制中心和區域電網二次系統監控中心。其中，區域電網保護與控制中心基于廣域電網全景信息實現對區域電網運行安全的協同控制和自愈；區域電網二次系統監控中心負責對整個區域內的電網運行信息進行采集、處理和最終決策，監視區域范圍內的所有二次設備并對其控制。變電站站控層包含一個或多個完成保護控制功能的站域保護控制設備、二次系統記錄和分析設備、通信輔助設備等，負責變電站范圍內所有二次設備信息的接收處理和轉發，基于站內信息完成全站范圍內的主后備保護和控制，同時接收區域控制層的控制命令并與區域控制層系統設備協調完成保護與控制功能。變電站過程層包含了整個系統的采集和控制執行設備、就地化保護設備，負責采集站內模擬量開關量信號、就地化后備保護、以及執行相關的控制命令。

區域電網層次化保護控制系統在空間維度上執行區域級、站控級、就地級多級保護控制，實現電網全范圍保護控制功能覆蓋。在時間上相互銜接，執行保護與安全穩定控制系統的協同控制，實現狀態自動監測、定值在線核對、裝置智能診斷、故障全景回放等高級應用功能。

3　區域電網層次化保護控制系統功能配置

基于國網的“三道防線”思想，本文提出區域電網層次化保護控制系統體系，在邏輯架構上可以分為四個層級，四層保護之間保護區域明確、動作特性獨立，共同構成一個針對區域電網范圍的全面繼電保護系統，有利于構建更嚴密的電網安全防護體系。區域電網層次化保護控制邏輯架構如圖2所示。

第一層級保護分別由就地保護控制裝置和站間遠方數據采集和控制設備配置。第一層級保護采用本體保護、電壓電流保護作為總后備保護，也可以針對高壓線路開關采用距離保護等保護方案。本體保護、電壓電流保護、距離保護技術成熟可靠，起到一個最基本的保障作用，按照設備配置，可下放就地安裝。就地保護控制裝置1 ～ N內的智能終端、合并單元設備用來采集電氣場內一次設備和遠方變電站就地保護設備的模擬量和開關量信息，上送至站控層差動保護設備，經過數據轉化后再將信息通過智能終端向電氣場內一次設備和遠方變電站保護設備輸送；站內就地保護控制設備處于間隔層，按保護對象就地配置，通過IEC 61850規范的GOOSE方式采集智能終端和站間遠方數據采集和控制裝置上送的所有過程層保護控制設備的模擬量和開關量信息，并將數據轉化后的信息下發到相應保護設備來實現站內就地保護；站間遠方數據采集和控制設備通過GOOSE方式和SV數據網采采集并傳輸遠方變電站就地保護設備的模擬量和開關量信息，實現與站控層差動保護設備、就地保護控制裝置、區域控制層設備的數據共享和信息交互。

圖2　區域電網層次化保護控制邏輯架構圖

站控層保護采用站控保護子系統實現，站控保護子系統集中組屏安裝在變電站主控室內，處于變電站的站控層。站控保護通過過程層SV網采集變電站內模擬量信息，并通過GOOSE網絡采集全站開關量信息及發送GOOSE出口命令對一次設備進行操作。站控層保護包括第二層級的站內快速差動保護設備和第三層級的站內短延時差動保護設備。站內快速差動保護設備設置在變電站主控室內，基于GOOSE方式和SV網采接收的過程層單元數據，實現以元件為中心的站內一次設備或站間線路的差動保護。該站內快速差動保護設備僅動作于站內跳閘控制，在整個區域電網層次化保護與控制系統中起主保護作用，其與目前智能站采用的差動保護裝置原理和具體實現基本一致，主要完成站內變壓器元件、母線元件的差動保護功能；站內短延時差動保護設備設置在站內變壓器元件、母線元件的差動保護范圍之外，基于站內的同步信息進行差動保護數據整合運算和邏輯判別，實現以開關為中心的站內電網區域范圍內的差動保護。站內短延時差動保護作為主保護的后備保護，當主保護在特殊原因無法動作的情況下，跳本開關使保護動作來切除故障相當于傳統保護體系中的階段式后備保護。

區域保護作為第四層級保護，區域保護內的站間延時差動保護設備基于接收過程層和間隔層單元的數據，實現以開關為中心的站間區域電網范圍內的差動保護。當主保護無法動作的情況下，站間延時后備保護則通過跳所有周邊開關保護動作，相當于傳統保護體系中的失靈保護、死區保護。它一方面收集區域電網內及同步相量測量單元數據信息，另一方面利用區域電網全景信息進行潮流分析、切負荷等來制定分析保護控制策略，向站控層保護控制系統發送指令，協調和加速區域電網內就地級保護裝置動作。總之，在系統發生故障時，區域保護能夠迅速確定故障位置，有選擇的將故障元件從系統中斷開，縮短了后備保護動作時間，有效解決下層就地保護控制裝置的拒動；在電網運行方式不斷發生變化時，能夠根據區域電網信息識別電網的拓撲結構和運行狀態，優化后備保護的定值；在電網失步振蕩時，能夠準確定位并判斷多端面失步，選擇最優斷面實施解列，實現復雜聯網條件下的多端面失步解列協調控制。

4　與當前智能站保護和區域電網保護比對

目前，傳統變電站保護技術仍停留在面向元件的層面上，難以在系統層面上實現故障自我恢復和安穩控制協調。隨著電網規模和結構復雜化，單純基于就地數據的傳統后備保護暴露越來越多的問題，如后備保護（距離保護和零序保護）存在整定配合困難、遠后備保護延時過長，電網結構或運行工況發生非預設性變化可能引發的拒動或誤動，在大負荷轉移情況下易引發非預期連鎖跳閘，造成大面積停電事故等。近年來，智能變電站信息共享技術和光纖通信技術的發展，為繼電保護發展提供了新的契機，相關研究機構也提出了多種變電站繼電保護方案。文獻［9］提出的基于數字化變電站的集中式保護，在傳統保護設置的基礎上，增加了基于拓撲理論的網絡保護模塊作為全站系統級保護，利用信息共享，提高了保護性能。鑒于廣域保護原理、高速通信網絡技術的出現，文獻［10］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［11-12］提出的一種由就地間隔保護、站域保護和廣域保護構成的三層次繼電保護系統，實現以就地間隔保護為主體、站域保護與廣域保護為補充的繼電器保護框架。文獻［13］提出的一個保護控制主站，若干保護控制子站、就地采集控制設備及通訊網關設備，解決現有保護與控制系統無法實現電網全過程協同優化控制的問題。但上述文獻所述廣域保護均具有不可忽視的缺點，在保護原理架構上仍然沿用了以往傳統微機保護系統的原理架構，不同層次間保護動作行為存在相互依賴性。

仍然未能良好解決整定困難、速動型差、現場失配可能導致的誤動等問題。在實現方式上體現為保護信息非常有限，先進保護算法無法應用；保護信息的安全性和實時性較低，廣域保護切除故障時間過長；與變電站內繼電保護系統相隔離，相互間匹配及協調難度大。

本文以系統性思想來重構電網整體的保護與控制系統，通過智能變電站技術共享的原始數據源重新進行了區域保護的原理架構，全面采用差動原理優勢消除不同層次間保護動作行為的相互依賴性，并且保護定值和保護動作時間整定配合簡單、不存在失配問題；快速差動瞬時最小范圍切除故障、短延時差動作為后備能夠不依賴其它保護的動作行為在短時間內將主保護動作失效影響范圍控制到最小。圖3給出了區域電網層次化保護控制系統的配置方案與傳統方案的對比圖。

圖3　區域電網層次化保護控制系統的配置方案與傳統方案對比圖

5　結束語

區域電網層次化保護與傳統的基于單個元件保護的動作原理不同，區域電網層次化保護控制體系在全面獲取區域性全景信息的基礎上，能夠從整體或區域電網的角度同時實現繼電保護和自動控制功能，使各層次的保護和自動控制裝置的動作匹配性更高，加強對故障后系統的自愈和穩定控制具有全局性和可預見性。隨著我國電網互聯趨勢的發展，區域電網層次化保護可以克服傳統保護局部性的局限，能有效地遏制日益頻發的大規模電力系統連鎖故障，提高系統穩定性和輸電網絡的利用率，是提升大型互聯電網安全性和穩定性的有效手段。

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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.126

盧澤光（1985-），男，本科，助理工程師，主要從事為電力二次設備運檢和管理工作。