基于智能变电站的广域控制保护方案实现

2010-11-07成霞广东省电力设计研究院

中国科技信息 2010年22期

成霞广东省电力设计研究院

基于智能变电站的广域控制保护方案实现

成霞广东省电力设计研究院

传统变电站的控制与保护装置基本上是按照间隔配置的，这主要是由于装置间无法方便的实现信息共享。智能变电站依托站内高速通信网及发布/订阅者通信机制，可以方便的共享信息，这就为实现广域保护和控制方案提供了条件。本文介绍了智能变电站的概念、基本组成、广域控制保护的功能、系统结构及现阶段的可实施方案。

智能变电站; 广域保护; 功能; 系统结构

1、智能变电站概述

国家电网公司发布的《智能变电站技术导则》对于智能变电站描述如下：智能变电站是采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站。国家电网公司先后部署了两批智能变电站试点工程，遍及其下属各个省公司。目前，第一批包含7个智能变电站试点工程，4个已经投运；其他3个处在实施建设阶段。第二批包含42个新建智能变电站项目和25个改造试点项目，基本都处于技术方案设计和审查阶段。

与现有变电站相比，智能变电站具有如下主要优势：

1）可靠：智能变电站具有高可靠性，是调度控制中心决策可靠性和正确性的基础保证；

2）灵活：控制、保护策略根据当前运行工况自适应地调整，可优化经济运行指标，并提高保护性能；

3）互动：能够与电源（包括分布式电源）和大用户等进行实时信息交换，实现协调运行并提供更好的服务；

4）集成：二次设备（测控、保护、录波、计量、PMU等）高度集成，进一步降低二次回路复杂性，提高运行管理水平，减少维护工作量；

5）环保：站内采用低损耗设备，节约能源，降低污染物和碳排放。

2、智能变电站的基本组成

智能变电站主要由智能一次设备、电子式互感器及自动化系统组成。全站设备支持IEC61850标准，采用高速以太网传输数据，使用MMS、GOOSE、SV报文实现信息交换数字化。全站的自动化系统通信体系按三层设备、两层网络的模式设计。智能设备在功能逻辑上分为站控层（或称变电站层）、间隔层和过程层，三层设备之间用分层、分布、开放式的两层网络系统实现连接。

图1 变电站架构示意图

1）站控层设备

站控层是全站的监控、管理中心，具有监视与报警、控制与操作、防误操作闭锁、顺序控制、事件顺序记录及事故追忆、在线计算及制表、自诊断和自恢复、远动、保护及故障信息管理、与站内智能设备的通信、运行管理、网络通信记录分析等基本功能，还应具有站域控制与保护、经济运行优化控制、智能告警及事故信息综合分析决策、广域保护等高级应用功能。

站控层设备由监控系统主机、工程师站、远动通信装置、高级应用服务器、在线监测管理机等构成，提供站内运行的人机联系界面，实现管理控制间隔层、过程层设备等功能，形成全站监控、管理中心，并实现与调度通信中心以及集控中心通信。

2）间隔层设备

间隔层设备包括测控装置、继电保护装置、故障录波装置、同步相量测量装置（PMU）、电能计量装置、安全稳定控制装置以及其它智能接口设备等，通过过程层网络与智能终端、合并单元等过程层设备通信，获得采样值和开关量等信息，并通过站控层网络与监控主机等设备通信。

间隔层由若干个二次子系统组成，在站控层网络失效的情况下，仍能独立完成间隔层设备的就地监控、保护功能。

3）过程层设备

过程层设备包括智能变压器、智能断路器、智能GIS、电子式互感器、合并单元、智能终端等，完成与一次设备相关的功能，完成实时运行电气量的采集、设备运行状态的监测、控制命令的执行等。

4）两层网络

全站的网络在逻辑功能上分为站控层网络和过程层网络，两层网络物理上相互独立。依据IEC 61850标准，站控层网络构建为全站统一的MMS网，过程层网络则包括GOOSE网和SV网。

MMS，即制造报文规范，是ISO/IEC 9506标准所定义的一套用于工业控制系统的通信协议。MMS规范了工业领域具有通信能力的智能传感器、IED、智能控制设备的通信行为，使出自不同制造商的设备之间具有互操作性。GOOSE是一种通用面向对象变电站事件。主要用于实现在多IED之间的信息传递，包括调整跳/合闸信号，具有高传输成功概率。SV即电气一次设备的电流、电压采样值的传输服务，映射方式为IEC 61850-9-2。

站控层设备主要通MMS网实现本层设备之间的横向通信以及站控层与间隔层设备间的纵向通信，远动通信装置则通过IEC 61970规约和各级调度之间进行通信。间隔层设备通过MMS网与站控层设备进行纵向通信，同时，通过过程层的GOOSE网与本层设备进行横向通信、通过GOOSE网和SV网与过程层设备进行纵向通信。

3、广域控制保护及站域控制保护

广域控制保护可以利用空间多个节点的同步信息完成对区域电网多个元件的保护与控制。节点信息可以是某个元件的电流、电压，也可以是变电站各元件的运行状态。全站级别的保护控制是建立在站域控制基础之上的。站域控制是指通过对站内信息的集中处理、判断，实现站内自动控制装置的协调工作，适应系统运行方式的要求。在通信和数据处理速度满足要求的情况下，可采用集中式控制装置，采集站内全部或者部分实时运行数据集中运算，基于全站级策略实现控制。

广域控制保护可实现如下功能：

1）后备保护功能

独立的后备保护系统采集本变电站元件的电压和电流信息、断路器状态信息及主保护动作信号，接收相邻变电站元件的故障方向信息、断路器状态信息及主保护动作信号。根据实时信息，独立判别在远后备范围内元件的故障，并做出最优的跳闸策略。

2）线路/主变过载切负荷功能

根据本站所带负荷，按线路输送容量或主变下送功率确定切负荷量，进而自动选择负荷线路进线切除。还可以根据需要实现远切下一级变电站负荷功能。

将线路过负荷控制功能与后备保护集成在一起，可以避免由于潮流转移引起线路过载的时候后备保护动作而使紧急控制手段失效。识别出潮流转移过负荷后，如果允许线路和设备承受合理的短时过负荷，则可以为消除或缓解线路过负荷争取时间，从而避免连锁跳闸。

3）频率电压紧急控制功能

频率电压紧急控制可分为低频低压减负荷、失步解列等。智能变电站广域保护通过网络采集母线电压、线路电流电压、断路器运行状态等，计算系统频率电压，按设定好的策略进行逻辑判别后，根据需要跳闸切除负荷线路。

4）备自投功能

网络备自投功能是由不同保护对象的间隔层装置共同完成，由进线测控装置完成进线开关位置和有流无流判别；由分段测控装置完成分段开关位置采集；由母线测控装置完成母线有压无压判别；将获得的信息通过网络传输给主逻辑单元，完成运行方式识别和动作逻辑判断。逻辑输出结果可以以GOOSE方式传输给分散执行单元，完成开关的跳合闸操作。

4、广域控制保护系统结构

根据广域保护系统所完成功能的不同以及各种功能对动作延时、动作范围和可靠性要求的不同，广域保护系统可分为集中式和分布式结构形式。

（1）集中式结构

集中式结构是在变电站的每个测量点处都装设子站设备，在一个变电站或由几个变电站构成的区域设置主站设备。

子站完成的功能要有：采集安装点的模拟量信息和开关量信息，对信息进行简单的处理，与中央单元通信上传信息，接收来中央单元的命令信息，根据接收的命令信息执行跳、合开关的操作。

主站单元接收来自多个终端设备的信息，完成广域保护系统的各种功能，做出保护和控制决策后再经通信系统下达至子站设备执行。集中式结构实际上只在功能决策环节进行了集中，而从信息的采集和通信角度看则属于分层分布式结构。

（2）分布式结构

在分布式结构中，只在变电站各测量点装设智能电子设备（IED），不设中央单元。每个IED的地位是平等的，它们完成的功能主要有：

采集安装点的模拟量信息和开关量信息；

与其它IED进行对等通信；

根据自身的信息和通过通信系统接收到的来自其它IED的信息做出保护和控制策略：

根据做出的保护和控制策略执行跳、合开关的操作。

在这种结构中保护和控制策略都是以IED为中心完成的，可以设上位机，但它们只对分布式的IED进行管理和监视，并不参与保护和控制策略的形成过程。

（3）广域保护可实施性比较

在集中式结构中，测量、通信和命令执行功能被分散到多个子站设备中完成，主站单元只保留决策功能。这种结构对主站单元的依赖程度仍然较高，因此需要对主站单元进行双机或多机备用配置。在这种结构下，主站单元要通过通信系统获取各终端设备的信息，做出决策后再由通信系统将控制命令下达至子站设备，这样如何控制好信息交换的延时就成为影响到广域保护系统性能的重要因素。

分布式结构将保护和控制功能完全分散到各个IED中完成，它对IED的要求比较高，需要独立完成信息的采集、通信、算法的执行、策略的生成以及跳、合闸命令的执行功能。分布式结构的系统受IED故障的影响较小，某个IED故障一般不会影响到整个保护系统的工作，因此除了特别重要的测量点，一般没有必要对IED进行双机或多机备用配置。在分布式结构中，只要确定好信息交换的范围，不会出现信息在IED之间多次往返的情况，因此通信延时不会较长。

分布式结构对于通信要求较高，需要实现安装各个点与相邻点之间的通信，通信通道数量很大，同时分布式结构对IED的要求比较高，因此，在现阶段的广域后备保护中推荐采用集中式结构。