新一代智能变电站站域保护控制系统应用研究

王青云,肖凡

(三峡大学电气与新能源学院，湖北　宜昌　443000)



新一代智能变电站站域保护控制系统应用研究

王青云1,肖凡2

(三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌443000)

在新一代智能变电站研究与设计的框架下，具体研究分析了层次化保护控制系统中站域保护的应用的关键问题。根据国网会议精神对站域保护的整体要求，提出了关于站域保护控制装置具体的性能特点、结构设计方案和接入过程层的通信方案。研究结果表明，所提出的站域保护的应用方案对今后新一代智能变电站保护保护的配置具有借鉴指导意义。

新一代智能变电站；继电保护；站域保护；过程层网络

1　引言

在变电站中，变电站综合自动化系统中的继电保护系统肩负着整个电网安全运行的重要责任，其工作性能的好坏将会对电网运行产生重大影响。在当前的变电站保护系统中，为了防止保护系统失败提高保护的可靠性，主要是依靠双重化配置原则配置两套相互独立的保护装置，而且按间隔配置的保护只关注到单个元件，缺乏系统层面的协调。在未来智能电网中，电网的自愈特征将会对继电保护的选择性、可靠性、速动性、灵敏性提出更高的要求，而传统的继电保护通常难以同时兼顾“四性”[1]。因此，在智能变电站和新一代智能变电站中如何利用智能电网全景信息来构建层次化的保护控制系统来改善继电保护的性能是意义重大的研究课题。随着IEC61850在智能变电站中得到越来越广泛的应用[2]，继电保护外部环境发生了革命性变化，继电保护不能再维持原有的独立性，继电保护必将由“保护装置”时代，实现向“保护系统”划时代的转变[3]。层次化保护控制系统在空间维度上分为就地级、站域级、广域级三个层次。就地层利用自身有限信息，面向单个对象，独立、分散实现保护功能，实现可靠、快速地切除故障。站域层面向变电站，利用站内多个对象信息，集中决策，变电站层面的保护及安全自动控制功能。广域层面向区域电网，利用多站的综合信息，统一判别决策，实现相关保护及安全稳定控制等功能。

而在构建层次化保护控制系统的过程中，站域保护就地化方案为其中的关键技术。本文基于国网的会议精神提出的要求以及网络通信传输标准，将变电站的间隔层和站控层进行整合，通过高可靠的通信网络将变电站的过程层信息上传实现站域保护功能，全面地分析研究站域保护控制装置在新一代智能变电站中的应用。

2　站域保护控制的特点

2.1应用范围

由于220kV变电站继电保护多采用双重化配置原则，站域保护控制系统主要用于为110kV的变电站。作为单套配置的主保护的冗余保护、部分保护功能的提升以及安全自动控制的实现。

2.2站域保护功能配置

站域保护控制装置利用站内多个对象的电气量、开关量和就地级保护设备状态等信息，集中决策，实现保护的冗余和优化，完成并提升变电站层面的安全自动控制功能，不经就地级保护，直接下达控制指令；同时具备支撑广域级保护控制技术的子站功能。具体功能配置如下：

(1)冗余保护功能：作为单套配置保护的冗余，包含110kV线路冗余保护、110kV主变冗余保护和母联(分段)过流保护。

(2)优化后备保护：包含断路器跳闸失灵保护功能；实现变电站内部故障定位，缩短后备保护切除故障时间；基于GOOSE信息的简易母线保护功能。

(3)安全自动控制：包含低周低压减载功能；站内各电压等级综合备自投功能；主变过载联切、负荷均分功能。

(4)广域保护支撑：实现站域信息的采集、处理及发送以及作为区域电网保护控制子站的功能。

2.3站域保护控制装置的性能特点

首先站域保护控制主机接入各电压等级过程层网，布置上属于间隔层设备，功能上属于站控层设备。其次，站域保护采用网采网跳的方式，保护跳闸及控制命令不经就地主保护和测控装置直接作用于智能终端。其数字量输入接口协议IEC61850-9-2(通信服务映射，传输采样测量值)，并且支持SV、GOOSE共网。再次，网络化的信息采集，能够突破间隔的限制，对多个间隔进行保护，多个合并单元传送SV网采样值。并且由于可以对每个间隔交换机传输的报文设置不同的标志位，可以实现站域保护装置对每个间隔的保护及安自功能相互独立、互不影响，其中任一间隔失效退出不影响其他间隔。

3　站域保护控制装置结构设计

智能变电站过程层数据传输网络化以后，保护装置的硬件结构也随之发生了很大的变化[4]。与传统保护相比主要区别如图1和图2所示。

图1　传统保护装置硬件框图

图2　网络保护装置硬件框图

站域保护控制装置，将多个间隔的保护控制功能集成在一起。实际上就是一个多输入多输出的控制处理器，用站内直流电源供电，有一个CPU。其输入信息有SV报文(变压器、母线、线路的电压电流同步采样信息)和GOOSE报文(开关量信息)，输出信息有跳闸合闸信息、保护启动信息、方向信息以及送上一级广域保护的信息。在其数据总线上应该按间隔接入不同的功能模块，每个间隔的保护控制功能相互独立。各个模块都通过光纤以太网接入过程层网络，各个模块分别写入其保护功能对应保护原理的程序。站域保护控制装置硬件结构设计图如图3所示。

图3　站域保护控制装置硬件结构设计图

4　站域保护控制通信方案

站域保护通信网络包括站内的保护控制通信和区域保护控制通信。预留广域保护的通信现在暂不考虑，现在主要考虑站内保护控制的通信，其中有过程层与间隔层之间的信息交换、间隔层内部的信息交换、间隔层之间的信息交换、间隔层和站控层的信息交换[5]。

4.1接入过程层的具体方案

国网会议精神要求站域保护控制装置接入过程层网。那么可以可配合新一代智能变电站采用的三层一网的单星型组网结构，将站域保护控制系统通过过程层中心交换机接入，对全站每个间隔进行保护控制，既能实现站域保护控制的功能也能大大地减少交换机的数量。

4.2交换机及数据流量分析

由IEC61850-9-2中规定的针对原始采样数据的光纤以太网通信帧格式，按照每个间隔的合并单元发送的SV报文包含两个电压电流值的话，可算出合并单元每秒钟发出的最大报文长度为159字节，加上12字节帧间隔，每秒一共是171字节，采样率为每个周期80点，可计算出每秒的数据流量为171*8*80*50=5.472Mbit；GOOSE报文传送的开关量信息不考虑50Hz的频率，其每秒钟流量很小；对时系统的IEEE1588报文每个设备每秒所需要的带宽也很小。

总之一个合并单元每秒传送的数据流量不超过10M，但是110kV变电站也有可能由于间隔数量多而配置多达十多台间隔交换机，所以要实现站域保护控制装置对全部间隔的控制，其每秒的数据流量可能会超过100M，所以选择1000M光口接入中心交换机，接入过程层的具体通信方案如图4所示。

图4　站域保护控制装置接入过程层方案

5　结论

站域保护控制装置面向变电站，利用站内多个对象的电压、电流、开关和就地级保护设备状态等信息，集中决策，实现就地化保护的冗余和优化；站域保护控制装置功能替代站内独立分散的低周低压减载、备自投等安全自动装置，完成并提升了变电站层面的安全自动控制功能。本文根据国网会议精神提出的关于站域保护控制的要求，总结分析了站域保护装置具体的功能配置和性能特点，并设计了其硬件结构模式；然后根据变电站的网络通信方案，提出了站域保护控制装置接入变电站过程层网中心交换机的具体的交换机组网方案。在新一代智能变电站中配置站域保护控制装置，利用通信网络获取的多点信息，充分利用信息冗余，提高保护系统的选择性、灵敏性和可靠性，并能实现全局最优协调控制，有力保障电网的安全稳定运行，必然是未来继电保护的发展方向之一。

[1]李颖超.新一代智能变电站层次化保护控制系统方案及其可靠性研究[D].北京:北京交通大学,2013.

[2]Q/GDW 396-2009,IEC 61850工程继电保护应用模型[S].北京：国家电网公司,2009.

[3]卢孟杰.智能变电站继电保护技术优化研究[D].北京:华北电力大学.2013.

[4]钟连宏,梁异先.智能变电站技术与应用[M].北京:中国电力出版社,2010.

[5]胡忠山.基于站域信息的继电保护组网方案研究[D].北京:华北电力大学,2012.

Research on Application of Substation Area Protection System in New Generation Smart Substation

WANGQing-yun1，XIAOFan2

(School of Electrical Engineering&renewable Energy,China Three Gorges University,Hubei Yichang 443000,China)

Based on the research of new generation smart substation,researching a key issue of hierarchical protect&control system that application of substation-area protection system.According to claim of substation-area protection by the conference of state grid corpotation of China,putting forward some schemes about substation-area protection system,such as it's characteristic,structural design′s scheme and how to access to process-layer network.Studies have shown that:the proposed scheme could be reference for the future construction of new generation smart substation.

new generation of smart substation;relay protection;substation-area protection;process-layer network

1004-289X(2016)02-0044-03

TM63

B

2015-05-12

王青云(1991-)，男，湖北荆州，硕士研究生，研究方向电力系统运行与控制。