基于信息冗余的站域保护优化方案

李 倍，和敬涵，刘 琳

（北京交通大学电气工程学院，北京 100080）

0 引言

数字化变电站多采用基于本地信息的保护方案，限制了不同保护间的信息共享，导致了不同保护间难以协同工作。后备保护采用传统的整定配合方式，通过整定值配合和时间延时来切除故障，由于变电站内接线复杂，运行方式多变，使得定值整定异常复杂，同时主动延时也延长了后备保护的动作时间［1－2］。智能变电站［3］和现代通信技术［4］的快速发展，为便捷、可靠地获取站域冗余信息奠定了坚实的基础，有效利用站内保护动作信息实现简单、可靠、快速的保护将是未来的发展趋势［5－6］。

近年来出现了多种利用冗余信息实现站域范围保护的算法。文献［1］提出基于本地信息的站域后备保护，依据某设备故障的条件是下一级过流保护未动作，上一级过流保护动作，并且所有下级设备未故障，得到动作方程。文献［7］提出了基于专家系统的后备保护算法，通过对线路两端各种传统保护元件赋予动作系数，在故障后将各动作元件的系数相加得出被保护线路的动作系数。文献［8］利用全局范围负序功率方向信息实现后备保护。文献［9-10］利用图论知识构建后备保护的自适应分区。文献［11-12］利用遗传算法做信息融合实现对故障的识别，在信息出现错误、丢失的情况下依然能够正确识别出故障。基于站域冗余信息共享，提出了信息冗余的站域保护优化方案，本文通过获取的站域冗余信息，并利用矩阵构建动作方程，实现站域内的快速后备保护、冗余保护等，达到了提高站域保护的性能目的。

1 站域保护概述

1.1 站域保护的范围

一个典型的站域结构图如图1所示，包括变电站及其进出线。站域保护通过获取站域内的多节点冗余信息实现保护逻辑，与传统保护相比优势明显，而且比广域保护工程应用更易实现［13］。

图1 一个典型的站域保护结构图

1.2 站域保护的功能

站域保护的功能主要包括如下几方面：保护站域内的电力设备；实现变电站层的系统保护；利用站域内保护状态信息、中间计算量信息采用智能算法实现智能保护。

1）电力设备保护是对变电站内所有电力设备的保护，包括传输线、母线、变压器和馈线。电力设备主保护将配置差动保护。利用站域冗余信息构建加速后备保护，由于多点信息的利用，与传统后备保护相比，勿需延时配合。

2）变电站层面的系统保护是汇集站域内的监测信息以及相邻多个站域的信息来实现综合的保护功能。例如，一旦重要线路在过负荷断开后可能导致潮流转移从而引起连锁跳闸，利用站域冗余信息来确定功率缺额的多少，在变电站层面切负荷可以避免出现连锁跳闸；而当本站的切负荷未能减轻系统的恶化情况时，可以向相邻变电站发请求信号，允许其切负荷。

3）智能保护功能通过获取变电站域内的保护状态以及开关状态位信息，并利用智能算法来实现故障识别，或者离线演算站域后备保护方案。例如，为了克服信息丢失的缺点，利用遗传算法、支持向量机（SVM）算法实现故障区域识别；某一或某些保护拒动的情况下，制定后备跳闸方案使停电范围最小，而系统又不会被破坏。

1.3 站域保护的结构

站域保护的结构如图2所示。多个变电站的站域保护智能电子设备（IED）通过光纤自愈环网进行信息交换，同时本区域的区域保护设备将获取站域保护的信息实现区域保护功能。

图2 站域保护结构

变电站的站域保护将从多个保护IED设备中获取保护状态信息，站域保护的信息流如图3所示。从图1拓扑结构上来看，母线保护1（简称BP1）与母线保护2（简称BP2）能够在一定的功能上替代线路保护1（简称LP1）。例如，当线路1出现故障时，LP1将产生故障方向信息；而BP1与BP2也能够产生故障方向信息，因此在LP1失灵的情况下，可以由BP1与BP2两者的信息交换联合来替代LP1实现保护功能。BP2，BP3，BP4和BP5通过各自的方向信息并进行交换，在一定的功能上能够联合替代变压器保护（TP）。当TP出现失灵时，4个BP联合切除与变压器的开关。

图3 站域保护信息流

2 站域保护的冗余信息获取

站域保护IED设备除了从MU获取少量重要的信息外，其余的数据获取来自于其他IED设备，包括本站域内的所有线路保护IED设备、母线保护IED设备、变压器保护IED设备、监测IED设备，获取的信息包括方向信息、差动保护信息、距离保护信息、后备保护信息、开关状态位等。

2.1 方向信息的冗余性

通过线路保护IED设备，可以获取各个线路两端的故障方向信号，而母线保护IED设备也可以获取与母线相连的线路一端的故障方向信号，这样就可获取双份的故障信号。一旦某些故障导致通信失败或者数据丢包时，可以通过获取的冗余信息进行补充，使系统的可靠性增强。

LP将会获得线路两端的方向信息，而BP也将获得与之相连的所有线路的方向信息。两者信息是有交叉的，如果母线上的方向信息取背离母线为正，指向母线为负，那么线路出现故障时，线路方向信息的冗余性如图4所示。LP与BP设备会产生同一个开关处的相同方向信息，从而实现信息获取的冗余性。

图4 方向信息的冗余性

2.2 方向信息与距离保护的冗余性

由故障方向信息与距离保护的关联性可以看到，距离保护动作信号可以表示双端故障方向的方向性相同；而距离保护不动作信号，可以表示双端故障方向的方向性不相同。这样在丢失某些方向信息或者距离保护动作信息时，两者可以互相补充实现信息的冗余。

方向信息与距离保护的冗余性如图5所示。当线路出现故障时，两端的距离I段保护（假设85%全长）将会产生动作信号，而此时两端的方向信息都是正；当故障在某一距离保护的I段之外时，只会有一个距离保护产生动作信号。但经过分析发现，故障还是在区内，这时方向信息也都将是正向，这样获取二者信息就可以实现一种间接的冗余性。但是故障出现在区外时，这时距离保护是不会产生动作信息的，此时两端的方向信息将不会是相同的，这样可以实现一种纠错性能。

图5 方向信息与距离保护的冗余性

2.3 多信息的冗余性

监测IED设备将获取本变电站域的所有开关开合状态信息，而距离保护动作信息直接反映了开关开合的状态（在没有拒动情况），同样差动保护动作信息也直接反映了与之相连的开关开合情况，这样三者间就实现了信息的冗余获取。

在开关不出现拒动的情况下，保护动作信号的发出必将导致开关动作，这样保护动作信号就可以作为一种冗余信息，如图6所示。通过监测保护IED设备，获取本站内的所有开关状态，可以形成一个关联系统拓扑的开关状态矩阵；而母线保护如果发出动作信号，那么与之相连接的线路开关将断开，这样开关状态位置就必然与母线动作信号有关系；距离保护如果发出动作信号，其所保护的线路开关将断开，这样开关状态位置将必然与距离保护信号有关系。从而母线保护信号、距离保护信号、开关状态位置三者在逻辑上就形成了一种必然关系，这样不仅信息实现了冗余，还具有纠错功能。

图6 多信息的冗余性

2.4 IED设备间的互相冗余

当线路保护IED设备出现故障时，线路两端的母线保护IED设备可以联合代替失灵IED的一部分功能；而当变压器保护IED失灵时，同样的与之相连接的母线保护IED设备可以联合替代其切除故障；而线路保护IED设备还可以与母线保护IED设备交换信息，来实现信息在各IED保护中的冗余性。

3 站域保护功能实现

通过对获取的保护状态信息进行整合，再利用信息的冗余以及相互之间的逻辑关系进行纠错，从而实现站域保护功能。站域保护处理中心将获取以下信息：线路保护IED、母线保护IED的故障启动信号；距离保护的动作信息；母线保护的动作信息；方向元件的方向信息；智能终端（IT）上传开关的状态位置。下面将通过算例来分析不同保护功能的实现。

1）后备加速保护功能 构建关联系统拓扑结构的开关矩阵S（行表示不同的电力元件，列表示不同的开关），构建原始的开关状态矩阵P（列表示不同的开关状态，开或者合）。当线路L4出现故障f1时，根据距离保护动作信息，将更新开关状态矩阵得到P1。计算出新的开关矩阵为S′＝S×P。而另一方面，根据智能终端上传的开关状态位置，可以得到故障后的开关矩阵S1。通过比较矩阵S′和S1即可判断开关是否出现拒动，如果出现拒动，立即切除相关的开关。

2）冗余保护功能 通过线路保护IED的距离保护信息、方向保护信息以及母线保护IED的方向信息，实现信息的冗余。正常情况下可得到信息矩阵I（行表示不同电力元件的不同保护信息，列表示不同的开关）。故障发生后，更新矩阵I得到I1。通过分析I1可以判断出故障元件。

3）后备冗余保护功能 设线路保护LP1出现异常，将会返回一个异常信号，此时LP1的信息都将丢失。此时利用与之相连的母线BP1与BP2进行信息交流，就可以替代线路保护LP1的功能。通过融合上述矩阵I中的母线方向信息，可以判断线路是否出现故障，从而替代LP1实现故障切除的功能。设BP1出现异常，将会返回一个异常信号，此时BP1的信息都将丢失；与之相连的线路保护LP进行信息交流，可以替代其保护母线的功能。通过融合上述矩阵I中的线路方向信息，可以判断母线BP1是否出现故障。

4）当互感器出现故障造成信息丢失的时候，将用其他信息进行替代 例如，当CB09的电流互感器信息丢失时，对于BP1保护IED而言，将获取CB10的信号替代之。对于LP1保护IED而言，将CBG5、CB79的信号替代之（设电流指向母线为正向，则I09＋IG5＋I79＝0）。

根据从互感器检测IED设备获得信息，形成一个矩阵，用以表示互感器的故障情况（0表示出现故障，1表示正常），根据开关矩阵S，可以得到互感器矩阵HG表述的信息如表1所示。

表1 互感矩阵HG表述的信息

当CB07的电流互感器信息丢失时，对于BP1保护IED而言，根据09列，可以分析到L5线路是获取CB09电流信息的，从而根据L5行得到CB10的电流信息可以替代之；当CB09的电流互感器信息丢失时，对于LP1保护IED而言，根据09列可以分析到BP1也获取CB09信息，从而根据BP1行，用I09＋IG5＋I79＝0信息代替之。

5）系统保护功能 本地线路非故障过负荷，需要切除本地变电站的站内负荷以及发送允许信号去切相邻变电站负荷。通过开关矩阵S判断系统开关状态（开关的开合），从而得到系统的拓扑结构。通过从线路保护IED及母线保护IED获得线路的电流以及母线电压的分布情况，判断变电站过负荷情况，进而做出决策，需要减多少负荷，发出跳闸信号到馈线开关。

4 结语

本文详细分析了站域保护的功能、结构以及信息的冗余性。站域保护通过获取站内的冗余信息实现保护功能，提出了利用站域内冗余的保护状态信息构建动作矩阵实现保护功能。由于信息来源之间存在逻辑关系以及必然联系，信息间就形成了一种冗余关系，这就保证了信息来源的可靠性。如果某些信息丢失了，可以通过其他的信息进行弥补，由于信息间具有逻辑性，又能互相验证信息的正确性。通过利用上述冗余信息，可以有效地构建站域保护优化方案，提高保护的性能。

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