基于变电站多信息的站域保护架构和功能分析

南京南瑞继保电气有限公司 齐 岩 曹少珂 国网江苏省电力有限公司邳州市供电分公司 徐 贝

中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂 李 琛

关健词：站域保护；智能变电站；多信息

电力是国家基础设施建设中至关重要的一环，关系到国家经济发展和社会安全稳定。在电力系统中，继电保护起到保障电网安全的作用。当发生紧急情况时需要快速隔离故障。在用电需求日益增大的情况下，传统继电保护暴露出诸多问题，如后备保护整定配合困难，可能发生拒动或误动，易引发连锁跳闸，造成大面积停电事故等。

近年来，高性能硬件处理芯片、电子式互感器等硬件应用日趋成熟，结合高速通信网络及IEC61850通信规约，借助于多网合一的背景，传统变电站中继电保护得到的信息发生了较大变化。与传统继电保护相比，智能变电站利用站内或站间信息，实现信息共享集成，将采集到的信息数字化、信息共享标准化、光纤通信广域化和过程层通信平台网络化，有效改善传统继电保护可利用信息不足的问题，大大提高了继电保护的控制性能。基于智能变电站的优良特性，采集多信息技术来搭建继电保护系统受到了国内外广泛关注。

1 站域保护概述

基于信息共享技术，智能变电站的继电保护系统可以获得多种信息，构建模式也与传统继电保护有所不同。为了适应多信息共享技术，将新型变电站继电保护系统分为三层：即间隔层、站域层、广域层。其中站域层保护也被称为站域保护[1]，是指充分利用采集的站域信息，例如站内出线、母线、变压器等元件上的信息及相邻站的多源信息，建立SV和GOOSE信息的光纤通信网络传输平台，根据IEC61850通信规约来完成信息的交互传递，结合相应的保护算法来进行决策判断，整合信息从而实现继电保护的功能。站域保护收集的信息包括：各处电压电流数值大小、断路器通断状态、刀闸开关状态等直接信息和算法处理过的中间信息、动作结果等间接信息[2]。图1介绍了站域保护通信构成模式，根据采集到的直接、间接信息，来实现各个层之间保护的整定配合。

图1 站域保护通信构成模式

2 站域保护构建模式

根据上文中提到的分层继电保护的架构，站域层位于中间承上启下的位置，利用电气设备采集站域信息，承接间隔层和广域层。站域保护的构建方案不仅仅是简单搭建模型来直接集成，作为层次化继电保护中承上启下的一层，需要结合不同变电站的特点，兼顾上下两层的配合，分电压等级来研究站域保护构建模式[3]。

综合分析不同电压等级变电站的特点，根据电力系统实际运行情况，按照电压等级来搭建站域保护架构方案，不仅有利于提高通信系统工作效率，还有利于减少保护装置控制反应时间，提高系统的安全可靠性。

2.1 电压等级220kV以上

针对220kV及以上高电压等级变电站，选择不同的连接通道，把测量信息的输入方法分为直采和网采模式。结合电力系统运行实际情况来选择不同的站域保护架构。

2.1.1 高压侧直采网跳

高压侧直采网跳是指测量信息基于点对点连接方式通过合并单元与保护装置通信。站域保护通过GOOSE网络获取间隔层保护信息，在站域层实现综合信息判断，由GOOSE网络传输信息最后控制断路器通断。

作为主保护和简化后备保护，高压侧间隔层保护采用直采网跳模式。站域层保护通过GOOSE网通道获得间隔层传输的信息。下面列出了该构建模式的优缺点。

优点：间隔保护不依赖于SV通信网络，同步测量容易实现；简化站域保护的处理，降低变电站SV网络通信量，减小了对装置硬件设计要求；站域保护失效时，间隔层保护配置的简化后备仍起作用。

缺点：要修改间隔保护装置的通信功能，间隔层需要与站域保护通信来并实现配合。计算结果时，站域保护功能依赖于间隔层保护装置的计算；站域保护不能获得直接的测量值，对于实现一些新的保护原理有限。

2.1.2 高压侧网采网跳

网采网跳是指间隔层测量到的信息通过SV网络通信传输到站域层，经过对信息的计算判断处理，最后经过GOOSE网络来对断路器发送决策判断命令。

作为输电系统的后备保护，站域层保护由SV网传输来获得站内测量信息。下面列出该模式的优缺点。

优点：常规主保护保留，不依赖于SV通信网络的高可靠性，同步测量容易实现；间隔保护与站域保护相互独立，不需修改常规保护装置；站域后备保护失效时，间隔层保护配置的简化后备仍起作用。

缺点：SV网络通信量大，站域保护计算复杂，对硬件设计要求高；需要解决站域保护测量信息的同步问题。

2.2 电压等级110kV以下

对于110kV及以下中低压等级输电系统，系统结构出线多、信息量大，较为复杂。其中，根据测量到单侧电气量的三段式保护作为主保护，由于电压等级较小，因此一般情况下无需安排母线保护和断路器失灵保护。站域保护可以采用变电站集中式系统结构，利用站域信息实现变电站继电保护和控制功能。作为主后备保护的中低压侧站域保护，基于以下两种模式，形成不同的站域保护架构。

2.2.1 中低压侧直采网跳

直采网跳模式是指间隔层测量信息基于点对点通信方式，传输到站域保护子单元、合并单元实现通信。站域保护中子单元获取测量信息，将计算判断后的结果发送给站域层装置，最后经站域保护装置来进行决策，从而实现继电保护主后备保护功能，通过GOOSE网络传输决策信息来实现断路器控制。

中低压侧直采网跳模式中，间隔层保护子单元数量增多，因此可以更多地获取合并单元的信息。作为主保护和后备保护，站域层保护可以直接获取子单元的初步判断结果。下面列出该模式的优缺点。

优点：站域保护子单元采用直采网跳模式，不依赖于SV网络同步采样；站域保护实现主后备保护统一集成，减化系统结构，减小投资；站域保护集中站域信息，实现常规保护和控制功能，利用冗余信息优化改进；SV网通信量小。

缺点：直采模式下二次网络复杂；对保护子单元硬件设计要求高。

2.2.2 中低压侧网采网跳

间隔层测量的信息通过SV网络传输到站域层，在站域保护装置内进行多信息综合判断决策，实现系统中主后备保护，通过GOOSE网络传输判断的信息来对断路器决策控制。

站域保护经SV网通道来获取间隔层测量的信息，通过对信息逻辑判断实现主保护和后备保护功能。下面列出该模式的优缺点。

优点：基于网采模式，减少设备数量，简化系统结构，有利于减少投资，便于运行维护；集中站域信息，实现常规保护和控制功能，利用冗余信息优化改进。

缺点：由于采用网采模式，站域保护依赖于SV网络同步测量技术；站域保护信息集中，计算量大。

3 功能分析

站域保护的功能大致可以分为两类：第一类是基于电力系统中的安全稳定性来分析，由于站域保护获得多方位的信息，解决传统继电保护中信息不足、缺失关键信息的问题，使变电站内各控制装置配合更加协调，在电力系统实际运行情况下具有低频低压减载、备自投等紧急控制能力[4]。第二类是从故障判断性考虑，作为后备保护，通过采集相关电气设备的电压、电流信息和设备状态动作信息，结合相关判断逻辑进行决策，从而实现间隔冗余后备保护并优化站域后备保护的功能。

3.1 低频低压减载

在传统低频低压减载中，由于主要采用非层次化架构的轮切方案，各个减载节点没有交互信息相互独立，在实际电力系统中无法根据实时变化负荷来调整方案[5]。在多信息智能变电站中，站域保护的基本任务和功能为：监视站内各处电压，利用采集到的站域信息和整定逻辑判断扰动原因，制定相应的预减载方案。与本站上层即广域层低频低压减载装置通信，将本站信息、对频率电压扰动原因推断结果和预减载方案上传至广域层，综合广域保护控制的控制指令，做出最终减载方案，改善在单间隔装置由于信息孤岛导致的逻辑缺陷。

3.2 备自投功能

在复杂的电网实际运行中，某些电气设备会采用一些备自投动作逻辑复杂的主接线方法，在现运行的电力系统中很少有能够充分考虑到针对不同断路器的运行方式。在站域保护中，由于可以采集到多信息并将信息进行整合共享，站域控制系统能够采集到范围内各种电气设备的开关状态与特定的电气量信息，综合判断来实现不同接线方式的容错识别[6]，根据系统运行实际情况来构建控制逻辑，多信息技术可以使得备自投装置灵活运用于主接线不同形式中。

3.3 信息冗余

在220kV及以上高电压等级变电站中，存在一些单个信息不能完全反映异常状态的电气设备。基于信息共享技术，站域保护获得多间隔信息，实现线间互感的解耦，利用冗余信息解决CT/PT断线的问题，降低电力系统中CT饱和对继电保护运行控制的影响，综合判断冗余信息可以大大提高信息利用率，提高继电保护中保护动作的可靠性。

根据以上分析，本文提出了智能变电站站域保护架构方案，根据不同电压等级和通信方式，提出220kV以上和110kV以下“直采网跳”“网采网跳”的构建模式，对比分析两种模式的优缺点，结合站域保护两大特性进行功能分析，简要介绍低频低压减载、备自投功能和后备保护。

在如今大规模电力系统运行情况下，传统继电保护暴露出种种缺点，越来越不能适应大电网复杂运行的现状。基于多信息的智能变电站很好地弥补了传统继电保护的不足，为变电站继电保护架构方案提供了一个新思路。