基于智能电网的层次化保护研究

【摘 要】计算机网络技术、互联网技术、高级测量技术以及数字信号处理技术的日益完善，使智能变电站得到快速的发展，这给继电保护带来了发展机遇。本文分别从继电保护组织形态以展开讨论，研究智能电网环境下层次化保护的发展状况。基于通信网络信息的共享，构建了以广域保护、集中保护以及就地化保护为系统的层次化保护。提高了继电保护的可靠性，在工程实践中具有探索性的指导意义。

【关键词】智能电网；继电保护；层次化保护

0.引言

目前，智能电网尚处于发展的初级阶段，研究深度还停留在二次系统数字化、规范化所面临的相关技术问题层面，其构建模式大部分仍旧采用传统方式，其保护、自动控制以及计量等装置，几乎均是功能单一、互相独立的系统，这些系统存在硬件配置重复、运维工作量大、信息孤立等缺点，不能充分发挥智能电网的优势。

同时，我国的电网规模不断扩大，大区域联网的加快对电力系统安全稳定运行提出了更高的要求，大规模、远距离的输电的增加、互联系统之间的弱联系使得电网变得越来越脆弱。传统的保护已经不能适应系统发展的需求，很多情况下还是造成系统崩溃的助力。因此，适应于智能电网新环境的继电保护组织形态亟待开发。

为此，本文从继电保护组织形态展开讨论研究适应智能电网新环境的继电保护新形态。电力系统本质是一个广域系统，系统中各个电气量之间相互联系，这从根本上决定了电力系统继电保护应该是一个全局问题，本文从全局的角度出发，提出层次化保护――从全局出发的广域后备保护、从全站出发的集中后备保护以及就地化主保护三个层次，讨论了各个层次保护的范围、原理。以提升继电保护的可靠性，充分发挥智能变电站二次系统数字化和信息共享的优势，改善智能化二次系统。

1.层次化保护的概念

层次化保护就是在整个电网范围内，依据电网结构从外向内依次划分保护范围，分别配以不同的保护办法，并借助计算机、网络传输、广域测量以及动态分析等技术对所需保护信息进行采集处理，实现实时可靠的系统保护。在电网系统中选择电气联系较强的变电站划分在同一区域，在这些变电站之间实行广域后备保护，变电站B1、B2、B3、B4、B5组成一个区域系统，广域后备保护的区域范围包括L1、L2、L3、L4、L5线路。变电站中间层站域集中后备保护，安装在各个变电站内，执行变电站范围内的后备保护功能，并负责将这些中间测量结果向上层广域保护单元传送，接收并执行广域保护的决策结果，图1中，变电站B2的保护范围包括与B2相关联的所有线路L1、L2、L4。变电站内各个间隔主保护实行就地化，并负责变电站内数据的采集，将采集的电气量和开关量打上时间标记，上送给站域保护层和广域保护层，同时接收、执行上层的跳闸、控制命令。

2.层次化保护实现的关键技术

计算机技术、网络通信技术、广域测量系统以及动态系统分析等技术的发展，是智能电网实现层次化保护的关键技术。

（1）通信标准：IEC61850通信标准的逐步应用，使得各保护、控制设备有了共同的国际标准，可以实现变电站之间以及站内的无缝通信，是实现层次化保护的根本。

（2）计算机技术：超大容量新型存储设备为海量的离线和实时数据的存储提供了可能；实时数据库的开发为实时的数据测量和计算处理提供了空间，安全有序的存储办法保证了数据的安全性。为层次化保护的数据采集以及快速计算提供了技术支持。

（3）智能化一次设备技术：电子式互感器以及智能断路器等高性能一次设备技术的快速发展，使得数据的采集和传输在变电站内部完全数字化，数据信息得以共享，对跳闸、控制命令的执行时间缩短。

（4）网络通信技术：随着互联网技术的发展，基于以太网的Internet技术应用日益广泛，百兆/千兆/万兆以太网技术的成熟，高速通信网络用于超大规模的变电站也游刃有余。电力系统中已实现以太网和SDH（Synchronous Digital Hierarchy）光纤环网为主体的广域网建设，为层次化保护提供安全可靠的通信支架。

（5）广域测量以及数据处理技术：基于同步动态相量测量（DPUM，dynamic PMU）的广域相量测量系统（WAMS，Wide Area Measurement System）是实现层次化保护信息同步采集、传输和交换的重要手段。动态系统分析技术、智能控制、非线性理论等跨学科技术的发展，也为层次化保护的实现提供了有力的支撑。

3.层次化保护系统设计方案

层次化保护系统机构示意图如图1所示，其中广域后备保护主站实现变电站1到变电站N的集中后备保护，变电站1到变电站N作为广域后备保护的子站，为广域保护提供采样数据、开关位置等信息，并接受主站保护的跳闸、控制策略。同时，每一个保护子站又作为一个独立的个体，配置独立的保护系统，包括各个间隔就地化的主保护和站域集中后备保护。各个保护层次之间通过网络进行通信，就地化保护采用光纤直采直跳的就地化通信。各个保护层均采用统一的时间同步源GPS，保持数据同步。

图1 层次化保护系统机构示意图

下面对各个层次的保护原理进行讨论。

（1）广域后备保护

广域后备保护是继电保护实现由点到面的一个过渡，将电力系统作为一个整体进行保护，利用网络通信系统，从系统中采集多点信息，对故障进行快速可靠的切除。广域后备保护用来弥补传统三段式后备保护延时长的不足，主要采用电流差动、阻抗方向以及功率方向等原件识别故障点，并向子站跳闸、控制命令，实现故障的及时隔离。

广域后备保护宜双套冗余配置，各自独立，互为备用。广域后备保护对同步性要求较高，要求整个广域区域内使用GPS进行同步。

（2）站域集中后备保护

传统变电站中，一般将后备保护与主保护集成在同一个保护装置内，由于各个间隔后备保护原理相似，进行单独配置，使设备大量冗余浪费，同时信息各自孤立，缺乏相互之间的有效沟通，使后备延时过长，保护的时效性和可靠性都不能满足需求。站域集中后备保护进行全站后备保护的集中配置，使信息进行全站共享，进行全站信息的综合判断，给出快速准确的跳闸命令。保护进行双套冗余配置，每一套保护均可以完成全站所有设备的后备保护功能，互为备用。

（3）就地化主保护

传统变电站中，保护装置采用直采直跳的方式，保护动作时间较短；数字化变电站过程层组网方式下，同等保护原理下，继电保护动作时间会有所延长，影响保护动作时间延长的原因有：电子互感器数据处理延时，网络处理延时等，这对于系统的安全性是非常不利的。介于主保护的重要性，各个间隔还是进行主保护的就地化配置，从数据采集到计算处理、跳闸控制出口均在本间隔就地进行，只将需要参加站域集中后备保护和广域后备保护的相关电气量、开关量通过网络传送即可。

就地化主保护是独立于站域与广域系统的独立系统。当主保护判断系统故障时，就地跳闸的同时，将故障元件、故障类型和保护动作信号上送至上层保护系统，支持上层保护决策。

作为整个层次化保护的最底层保护，其负责整个保护系统的数据源，需要保证数据信息的同步性、安全性。

4.层次化保护的配合关系

层次化保护在进行电网系统保护时，一般全部处在工作状态，在属于自己的管辖范围内实施保护。一般情况下，各个间隔发生故障时，首先调动就地化主保护将故障切除，若主保护失灵、或者断路器拒动，则启用站域集中后备保护对故障进行进一步的切除，最糟糕的情况下，集中后备不起作用或断路器失灵，则广域后备保护根据故障电流信息以及断路器位置信息，扩大范围的切除与故障线路相关的周边断路器，最终实现故障的可靠切除。如图2所示，进行实例说明。

图2 层次化保护配合示意图

当变电站B1和变电站B2之间的线路L1发生线路故障时，层次化保护方法包括以下步骤：

（1）就地化主保护层采集L1线路的CT1和CT4的电流，并进行差动计算，当满足线路差动保护条件时，线路差动保护动作，跳闸信号出口跳断路器QF1；

（2）如果差动保护不返回且CT1持续有流，则判定QF1断路器失灵，站域后备保护启动QF1断路器失灵保护；

（3）失灵保护启动后，发跳闸命令到QF1；

（4）若QF1仍旧不能跳开，则将QF2、QF3和QF4作为QF1失灵的广域后备保护开关集合，如图3中虚线框内所示，计算CT2、CT3和CT4的广域差动电流，若广域差动电流大于设定的广域差动的动作定值，确认QF1失灵；

（5）与失灵断路器QF1相关的开关有：所在的母线开关QF2 和QF3，以及线路开关对侧的QF4、QF5、QF6作为切除范围的开关集合，满足动作定值则跳开断路器QF2、QF3、QF4、QF5和QF6，最终切除故障。

5.结束语

智能电网的发展，为继电保护带来了改革的空间，由传统的独立保护上升到整个电网的全方位、大范围的保护，由点到面的变化，使保护系统获得的信息更加准确，保护策略也更加精准。层次化保护将更好的为大电网服务，层层递进的保护关系，实现电力系统的“无死区”保护，保证电力系统安全稳定运行。

参考文献：

[1]徐天奇，尹项根，游大海，等. 广域保护系统功能与可行结构分析[J]. 电力系统保护与控制，2009，37（3）：93-97.

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