新一代智能变电站层次化保护系统

2013-08-08宋璇坤李颖超李军肖智宏刘颖闫培丽

电力建设 2013年7期

宋璇坤，李颖超，李军，肖智宏，刘颖，闫培丽

（1.国网北京经济技术研究院，北京市 100052；2.北京交通大学，北京市 100044）

0 引言

电网互联和新能源接入是我国坚强智能电网建设的重要内容。全国联网可能引起的稳定水平降低、新能源接入带来的运行方式多样等，对电网安全稳定运行提出了严峻挑战［1］。继电保护作为电网安全稳定运行的第一道防线，必须适应甚至超前电网的发展需求。目前，继电保护仍坚持面向电力元件的配置方案，利用元件“本地”信息判断故障，利用设备冗余和上下级保护的时间配合提高继电保护的可靠性，随着电网互联和运行方式的复杂化，继电保护整定配合越来越困难。与此同时，继电保护缺乏对系统运行情况的“理解”和动作后对电网影响的评估，在传统元件保护各自正确的相继动作下，可能产生连锁跳闸导致整个互联系统崩溃［2］，继电保护与安稳控制的不协调问题凸显。因此，不仅要加强继电保护自身的可靠性，还应加强继电保护与安全稳定自动装置的优化配置［3］。

为改善继电保护对系统运行方式的适应性，广域保护成为近年来继电保护领域研究的热点［4－10］，但其应用实现还有待相关技术进一步成熟。近几年，以IEC 61850、以太网应用为特点的数字化（智能）变电站建设，为继电保护发展提供了新的契机，相关研究机构也迅速提出了多种变电站继电保护方案。文献［11］提出的基于数字化变电站的集中式保护，在传统保护设置的基础上，增加了基于拓扑理论的网络保护模块作为全站系统级保护，利用信息共享，提高了保护性能。文献［12］提出一种分层配置的继电保护方案，间隔层仅配置主保护，站控层设置站域智能保护管理单元进行站域后备保护和管理。文献［13］进一步提出按元件配置主保护并下放到一次设备布置，变电站层配置集中式后备保护，并预留广域保护接口。

本文提出一种面向区域电网的层次化保护控制系统，在现有保护配置基础上，增加站域级和广域级保护控制，优化继电保护与安稳控制，提高继电保护性能的同时，增强了其对电网运行的适应能力。

1 层次化保护控制系统总体架构

1.1 系统定义

层次化保护控制是指综合应用电网全网数据信息，通过分布、协同的功能配置，实现时间维、空间维和功能维的协调配合，提升继电保护性能和系统安全稳定运行能力的保护控制系统。

就地级面向单个被保护对象，利用被保护对象自身信息独立决策，实现快速、可靠的保护功能。

站域级面向变电站内多个对象，利用相关对象的电压、电流、开关状态、保护启动、动作等信息，集中决策，实现相关对象的保护及控制功能。

广域级面向区域内各个变电站，利用站内综合信息及跨站、跨对象信息，统一判断决策，实现相关保护、安稳控制等功能。

1.2 总体架构

层次化保护控制系统分别在就地级、站域级和广域级设置保护装置。就地级保护基于现有保护配置，面向单个元件，其功能实现不依赖于站域级和广域级保护；站域保护与控制主机分别接入站内各电压等级过程层网，综合全站信息实现保护控制功能，布置上属于间隔层装置，功能上属于站控层设备；广域保护与控制主机布置在区域内枢纽变电站（500kV），通过广域通信网络接入各站相关信息，实现后备保护及安稳控制的功能。层次化保护控制系统在就地级、站域级、广域级配置多重保护，时间维、空间维、功能维协调配合，形成面向区域电网安全稳定的立体防护体系，其架构如图1所示。

图1 层次化保护控制系统架构Fig.1 Framework of hierarchical protection ＆control system

1.3 层级关系

广域保护控制采集站域保护控制、测量信息，并经站域保护控制系统下达指令；站域保护控制直接采集过程层信息，不经就地级保护直接下达控制指令；就地保护相对独立，不受站域保护控制、广域保护控制影响。

1.4 “三维”特点

在时间维度方面，就地级保护各类主保护无延时动作（20～30ms），后备保护通过分段延时实现相互配合，为了满足选择性和可靠性，牺牲了保护的速动性（0.8～1.2s）。站域级和广域级保护可以用综合信息加速就地后备保护（0.3～0.5s）。各级保护、安稳控制协调配合，提升继电保护性能和安稳控制水平。各类功能的时间分布如图2所示。

在空间维度方面，就地级保护实现对单个对象“贴身防卫”；站域级保护与控制综合利用站内信息实现“站内综合防御”；广域级保护与控制综合利用站间信息实现“全网综合防御”。层次化保护控制点面结合，实现对区域电网的全方位保护。各层级保护范围如图3所示。

图2 层次化保护控制系统相关功能时间分布Fig.2 Time distribution of relative functions of hierarchical protection ＆control system

图3 层次化保护控制系统各层级保护范围划分Fig.3 Protection range of each level of hierarchical protection ＆control system

在功能维度方面，就地级保护以快速、可靠隔离故障元件为目的，利用单个元件的信息独立决策，实现快速、可靠的元件保护。站域保护控制配置站内所有保护单套配置元件的就地级保护作为冗余，配置部分公用保护（失灵保护）及相邻变电站元件后备保护。根据电压等级及变电站承担任务的不同，站域保护可配置备用自投、低频／低压减负荷等功能。同时，站域保护作为广域保护服务子站，为广域保护发送本站信息，接收、转发广域保护主站发出的控制命令。广域保护系统包括继电保护和安全自动控制2个方面，配置差动原理的后备保护，完成站间联络线路的后备保护，同时实现电网拓扑分析、潮流分析、后备保护定值调整、稳定预测、紧急控制等功能。

2 层次化保护控制配置方案

2.1 就地级配置方案

就地级保护基于现有保护配置方案，尽量靠近一次设备布置，安装于就地户外柜、汇控柜或预制式设备舱。

（1）220kV 及以上电压等级线路按双重化原则配置独立的保护功能，110（66）kV 电压等级按单套配置保护功能。线路保护装置宜布置于就地户外柜或汇控柜，保护直采直跳。当采用常规互感器时保护可采用电缆方式直接采样；当保护功能与合并单元、智能终端集成设计时，就地化保护可只配置主保护功能，后备保护功能由站域保护实现。

（2）220kV 及以上电压等级按双重化原则配置独立的母线保护功能，110（66）kV 电压等级按单套配置母线保护功能。保护装置布置于预制式设备舱，直采直跳，在保证可靠性和速动性的前提下，可采用网络跳闸方式。

（3）220kV 及以上电压等级按双重化原则配置独立的变压器主后备保护功能，110（66）kV 电压等级宜按单套配置保护功能，主后备保护分开配置。主后一体化配置时装置宜布置于预制式设备舱；主后分开配置时后备保护宜就地化布置于就地户外柜或汇控柜，主保护布置于预制式设备舱，保护直采直跳，在保证可靠性和速动性的前提下，可采用网络方式跳闸。

2.2 站域级配置方案

220kV 及以上电压等级采用了双重化的保护配置，站域保护配置差动原理的站域后备保护，与就地保护配合（“或”关系）加速后备保护动作。利用站域信息优化实现过负荷、低频、低压减载，并作为广域保护控制系统（稳控系统）子单元。

110kV 及以下电压等级采用单套保护配置，站域保护配置各元件主保护，实现保护的非对称冗余；同样配置差动原理的站域后备保护及过负荷、低频、低压减载等控制功能。站域保护控制功能配置如表1所示。

站域保护控制装置布置于预制式设备舱或二次设备室，单套配置。

2.3 广域级配置方案

广域保护控制面向区域电网，其功能包括继电保护和安全自动控制2个方面。广域保护配置差动原理的后备保护，完成站间联络线路的后备保护；广域控制具备电网拓扑分析、潮流分析、后备保护定值调整、稳定预测、紧急控制等功能。广域保护控制典型功能配置如表2所示。

表1 站域保护控制功能配置Tab.1 Function configuration of substation－area protection ＆control

表2 广域保护控制功能配置Tab.2 Function configuration of wide－area protection ＆control

广域保护控制主机设置在区域电网枢纽变电站（500 kV），单套配置。

3 层次化保护控制系统性能分析

3.1 方案性能比对

目前在智能变电站建设中，保护配置仍沿用了传统变电站应用方案，保护按对象进行配置，就地实现单个元件的保护，通过上下级保护的时间配合实现后备保护。针对现有保护整定困难、不能反映电网运行方式变化等问题，学者和科研机构提出了广域保护方案，并进行了试点应用。

本文提出的层次化保护方案，综合就地保护和广域保护的优势，基于信息共享实现保护之间、保护与安稳的协调配合，提升了保护的综合性能。就地保护、广域保护和层次化保护方案对比如表3所示。

表3 保护方案性能对比Tab.3 Performance comparison of different protection schemes

3.2 可靠性分析

影响继电保护可靠性因素包括［14］装置硬件、软件、互感器等一次设备、二次回路、保护定值等，220 kV电压等级及以上系统通过配置不同原理、不同厂家的双套保护，以提高保护系统的整体可靠性。

层次化保护控制系统在现有保护配置的基础上，增加了站域保护控制和广域保护控制单元，站域保护利用一台装置实现所有单套保护元件的保护功能冗余，站域保护和广域保护还兼有后备保护的功能，增加了保护的重数。在就地级保护故障失效时，站域保护、广域保护能够提供冗余和后备，自动承担失效间隔的保护功能，提高了保护系统的有效性。在互感器、通信电源等设备故障情况下，层次化保护控制系统利用全站／区域信息获得该间隔／变电站的电量信息实施该间隔／变电站的保护。新一代智能变电站将全面实施二次设备状态监测应用，可有效提高发现二次回路故障隐患的能力，通过状态检修，保护系统的有效性和可靠性将大幅提升。层次化保护控制系统在广域层配置保护定值整定校核功能，结合电网状态评估与紧急控制，将极大提高保护定值的可靠性和保护系统的有效性。

层次化保护控制系统在现有保护配置（就地级保护）基础上配置站域保护控制和广域保护控制，通过增加少量硬件提高了保护系统的冗余性，从装置硬件、二次回路及设备等方面评估，有效性（可用性）和可靠性明显提高。

4 应用示例

层次化保护控制系统布置在500，220，110 kV 电压等级变电站，其中广域保护控制主机布置在500kV枢纽站中，就地级保护和站域保护控制各站均配置。以某区域电网为例说明层次化保护控制应用。如图4所示，该区域电网拥有500kV变电站1座、220kV变电站3座、110kV变电站9座，图4右侧为部分接线图。

图4 简单区域电网及其部分接线图Fig.4 Simple regional grid and partial connection diagram

（1）冗余（后备）保护。110kV 电压等级保护单套配置，保护装置故障时，相应元件需要退出运行。站域保护控制装置配置110kV 各元件主后备完善的功能模块，站域保护控制实时监视各元件就地级保护运行状态，检测到保护拒动时，启动相应保护模块，临时替代保护该间隔并进行告警。如此，保护故障时可不影响一次设备的正常运行。以500kV 变电站的66kV出线故障，线路保护拒动为例进行分析。传统由主变66kV 侧后备保护替代切除低压侧开关，会导致66kV母线全失压，扩大了事故范围，而站域保护可以根据全站的信息量判断出66kV 线路保护拒动，而不是66 kV 开关拒动，从而避免事故扩大。

（2）110 kV 开关失灵保护。站域保护控制（110kV失灵保护功能模块）在获取相应间隔的主保护跳闸命令的同时监视断路器的状态，经一定的延时确认断路器未跳开后，依据拓扑结构图跳开相关的断路器。例如图4中220kV 变电站1号110kV 出线L2故障，站域保护控制装置监视到该线路保护（就地级）动作出口，经一定延时线路断路器仍未动作，则跳开110kV 母联断路器及线路对侧断路器。

（3）低压简易母线保护。按传统保护配置，35（10）kV母线不配置保护，由变压器后备保护切低压母线故障。站域保护控制接入站控层网络，可获取各低压间隔电量有效值，完成简易母线保护，缩短低压母线故障的切除时间。

（4）保护与安稳协调。过负荷保护动作往往是引起大停电事故的主因。如图4中110kV 线路L1负载达到过负荷保护定值，过负荷保护跳闸切开此条线路，此时，负荷转移到进线L2，极有可能引起线路L2过负荷，进而引发连锁跳闸，造成大面积停电。广域保护控制可利用电网范围内全景数据信息评估电网状态，及时作出切负荷，备用电源投入等控制策略，避免按常规整定的保护在特殊情况下的误动作引发的电网稳定问题。

（5）自适应调整定值。电网拓扑发生变化后，很可能导致原保护整定不合理。广域保护控制主机监视区域电网内拓扑变化，启动定值整定计算模块，校验、修正原有保护定值，通过站域保护控制装置下发到各相应保护模块；站域保护控制主机在收到广域保护控制下发的定值调整命令后，校验定值是否在调整范围内，继而决定下发定值或发出告警。

5 结论

针对智能电网发展对继电保护提出的新的功能性能要求，提出了一种面向区域电网的保护方案——层次化保护控制系统，设计了层次化保护控制系统架构及功能配置方案，对比分析了该系统保护性能，给出了应用示例，说明了该方案的优势和可行性。

层次化保护控制系统基于现有保护配置方案进行改进，可靠性高、技术成熟、升级方便、经济性较高，对系统运行方式的适应性强。该方案综合就地保护和广域保护的优势，深化信息共享应用，提升了继电保护性能，加强了保护与安稳控制的协调，可有力支撑电网互联和新能源接入等智能电网建设新内容。方案涉及的保护之间、保护与安稳控制之间的配合策略是下一步研究的重点，站内高速数据交互、广域实时通信等关键技术也有待进一步研究。

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