淺議智能變電站站域后備保護的功能與實現

殷照華

（國電南瑞南京控制系統有限公司，江蘇 南京 211000）

為了使得智能變電站能夠在安全可靠的環境下運行，將實現基于共享信息的變電站站域保護。變電站站域保護是基于智能變電站高速通信網絡的一種新型繼電保護系統。變電所站域保護基于模擬量、開關狀態、非電量、主保護動作信號等共享信息，能夠準確定位變電所內故障設備及所連接的輸電線路。

1 智能變電站核心組件及功能

基于數字化變電站技術，智能變電站的主要特點是智能設備、標準化通信、智能控制和交互技術。在電力標準的基礎上，智能變電站在邏輯上可分為三個不同的功能級別：過程級、間隔級和站級。智能變電站的結構允許不同功能單元和智能控制和保護裝置之間的信息共享。

過程級包括斷路器、隔離開關、電流/電壓互感器、合并單元和其他一次設備以及相應的智能單元。然而，在傳統系統中，該級別不存在，來自高壓設備的信息通過點對點接線方式直接傳輸到保護裝置。在智能變電站中，合并單元提供同步數字采樣。對傳統高壓設備進行了改造，與智能單元相結合，實現了測量、控制和監控的一體化。

間隔級通過過程總線連接至過程級，并通過站總線連接至站級。它是繼電保護和系統監控等二次設備的集成。二次設備利用本地采樣值信息執行相應的保護和控制功能，并向本地一次設備發送命令。相量測量裝置也可以安裝在間隔層，作為廣域保護和控制的數據采集單元功能。

智能變電站應能夠動態管理變電站站域條件，并與系統和調度中心建立有效可靠的信息連接。因此，站級功能包括變電站站域監控、控制、報警、系統控制和數據采集和保護信息管理。

需要一個主時鐘來提供該級別的同步時間信號。主要有兩種方法：硬件時鐘和軟件時鐘。豐富的數據和標準化的共享通信網絡是智能變電站發展的關鍵。利用這些優勢，電氣工程師關心的是實現精確的數據計算、有效的信息交互、可靠的保護功能、處理器協作和深度數據挖掘。

2 變電站站域保護框架及功能

2.1 系統構架

傳統的保護系統是針對單個設備，以實現主保護和備用保護功能。后備保護系統的整定和配合不可避免地存在困難，可能導致災難性的連鎖事故。為了解決這些問題，研究人員提出了變電站站域保護。智能電網新一代保護體系結構由單元保護、變電站站域保護和廣域保護三個子系統組成，保護范圍由小到大。廣域保護通過廣域通信網絡，將來自整體或局部電網的變電站站域保護信息匯集在一起，實現后備保護和穩定控制功能。

2.2 站域保護功能

從新一代保護系統架構來看，變電站站域保護應作為后備保護，配合單元保護和廣域保護，構建完整的智能保護系統。此外，變電站區后備保護的合理范圍和功能應考慮以下三個方面：（1）以輸電線路切換器為界，變電站站域保護的信息采集和保護范圍僅限于變電站內部。此時，變電站區保護的保護功能應包括冗余后備保護、優化的變電站后備保護和安全自動控制。（2）以相鄰變電站中的切換器為邊界，將變電站站域保護的信息采集和保護范圍擴展到相鄰變電站。它可以采用新的原理實現輸電線路后備保護，簡化繼電器之間的協調，縮短后備動作延遲。 在意外過載的情況下，可以解決傳統后備保護中大規模趨勢轉移引起的連鎖反應問題。（3）變電站站保護應能在未來為鄰近變電站提供遠程后備保護，因為實現完善的遠程備份功能很大程度上是靠變電站之間的通信來支持的。

3 變電站站域保護功能介紹

3.1 單臺設備后備保護

在變電站站域保護中，單臺設備后備保護是最重要的功能，其保護原理、范圍以及整定值與傳統保護一致。當獨立單元保護繼電器異常或停止運行時，后備保護用作短期替代，以保障設備能夠正常運行。

對于每臺單獨設備，都設置一個相互獨立的后備保護設置值和通斷開關。以典型的110kV智能變電站，最大支持規模為4臺3繞組變壓器、24條輸電線路和8條母線。110kV輸電線路設有相間故障、相間接地故障距離保護和零序電流保護，并且每個電壓等級的輸電線路都配有帶低壓閉鎖的定向過流保護。電力變壓器每側配置帶復合電壓閉鎖的過電流保護。變壓器差動保護、母線差動保護和斷路器故障保護通過優化的后備保護邏輯實現，不再單獨配置后備保護。

后備保護在軟件架構上采用模塊化設計。當不同設備的后備保護執行相同的保護邏輯時，它們調用相同的軟件模塊，以增強軟件的魯棒性，減少調試負擔。

3.2 變電站整體保護

變電站站域保護架構的設計如圖1所示。后備保護只是在一個物理設備中實現傳統的保護繼電器，也稱為集中式備份保護。更高級別的變電站站域保護應能夠利用整個變電站的共享信息，實現性能更好的優化后備保護。優化的后備保護還包括斷路器故障保護和基于不完全電流差動原理的低壓母線保護。

圖1 變電站站域保護架構的設計

3.3 協調后備保護方案

協調后備保護方案是一個應用概念。過程級采用智能變電站的統一通信協議和強大的信息網絡，實現同步采樣值采集、動作命令執行和斷路器狀態上傳。根據所需信息，間隔級別包括保護智能電子設備的數量，每個智能電子設備的重點是一個保護間隔。智能電子設備的協調包括信息共享、冗余CPU空間利用和協調備份跳閘。站級是將有用的狀態信息和事件集成到變電站管理以及與調度中心或相鄰變電站的通信的頂層。

該方案更加注重不同智能電子設備之間的協調與合作。協調后備保護是一個擴展概念，它將本地保護功能與協調概念相結合。協調后備保護計劃的協調概念有兩個方面：對其他智能電子設備的本地保護間隔需求和對其他智能電子設備的本地保護間隔智能電子設備支持。隨著多核微處理器和模塊化編程思想的發展和廣泛應用，在智能電子設備中實現協調保護結構成為可能。每個智能電子設備都是功能模塊的集成，有三個主要部分：功能模塊、本地協調模塊和遠程協調模塊。功能模塊是保護算法部分，它處理從過程總線接收的樣本，并向斷路器發送動作命令。

4 變電站站域保護硬件平臺

4.1 主板處理設計

采用分布式架構設計變電站區域保護。這些功能分布在嵌入主處理器板的多個處理器中。主處理板提供8個光接口模塊，每個模塊可配置為面向通用對象的變電站事件。分離的芯片用于實現以太網物理層，以太網MAC層功能由FPGA實現。主處理板的核心功能由FPGA模塊和DSP模塊實現。DSP模塊借助其FLASH、NVRAM、SDRAM、McBSP等外圍設備實現變電站區域保護邏輯。FPGA模塊對從以太網接口接收到的面向通用對象的變電站事件數據進行預處理。

4.2 FPGA模塊設計

主處理板上的FPGA模塊用于對處理層數據進行預處理。 它包括三個子模塊：采樣數據接收、面向通用對象的變電站事件信息收發和配置信息接口。加入這樣的預處理層，可以有效提高接收采樣數據和面向通用對象的變電站事件的效率，減輕DSP負擔。在過程層網絡上傳輸的采樣數據的采樣率通常為4kHz。由于采樣數據通道數量眾多，在變電站區域保護中需要通過插值模塊將采樣率降低到1.2kHz來轉換頻率。

5 結語

與傳統的過流保護相比，后備保護能夠提高系統的運行性能。比如，傳統過流保護以電壓大小作為依據，在低壓側出現故障時，高壓側的元件可能由于變壓器短路故障造成阻抗加大，從而導致電壓跌落而使得保護裝置不動作。站域保護可以通過共享得到多測電壓進行決策，提升保護的靈敏性，以及提升了系統的運行性能。