康豐，楊東，李玉平，劉慶海，楊青松

(南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司，南京　211100)

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基于全主站式的區(qū)域備自投功能的設計與實現(xiàn)

康豐，楊東，李玉平，劉慶海，楊青松

(南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司，南京211100)

針對目前區(qū)域備用電源自動投入(以下簡稱備自投)系統(tǒng)運行方式存在局限性，通信網(wǎng)絡技術及可靠性需求高的問題，提出了一種基于全主站式的區(qū)域備自投自適應控制方案，通過對區(qū)域備自投系統(tǒng)模型的分析，闡述了區(qū)域備自投的控制邏輯，并詳細介紹了全主站式的區(qū)域備自投控制方案的整體框架、實施方法和適應范圍。

全主站式；區(qū)域備自投；可靠性；自適應；局限性

圖1　典型的區(qū)域備自投系統(tǒng)

0　引言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，電網(wǎng)結構日趨復雜，用戶對供電的可靠性、穩(wěn)定性需求越來越高。備用電源自動投入(以下簡稱備自投)系統(tǒng)在這方面發(fā)揮著不可或缺的作用[1]。但現(xiàn)有的常規(guī)備自投系統(tǒng)只能實現(xiàn)單一變電站的就地備用投入，當工作電源和備用電源處于不同電網(wǎng)時，常規(guī)備自投系統(tǒng)無法將備用電源投入使用，在故障時不能有效發(fā)揮作用。方案配置上，現(xiàn)有的區(qū)域備自投系統(tǒng)[2-7]大都采用固定配置方案，必須依據(jù)電網(wǎng)的格局做固定配置，后期擴展存在局限性；通信網(wǎng)絡上，現(xiàn)有區(qū)域備自投系統(tǒng)采用主站-子站模式[8-10]，主站-子站之間采用專用單通道光纖通信，一旦專用光纖出現(xiàn)異常，整個區(qū)域備自投裝置都無法正常工作。

現(xiàn)階段的區(qū)域備自投系統(tǒng)一般采用主站-子站的模式，子站負責數(shù)據(jù)量的采集、初步的邏輯分析及跳、合閘的執(zhí)行，并通過光纖通道把初步邏輯分析結果上送至主站，主站再通過整體分析，實現(xiàn)備自投邏輯處理。但當主站出現(xiàn)異常時，如主站與某個子站通信異常時，將導致整個系統(tǒng)閉鎖，無法發(fā)揮作用，或如主站誤發(fā)異常信號給子站，會導致子站跳、合閘邏輯異常?？梢娭髡?子站這種模式?jīng)Q定了主站在整個區(qū)域備自投系統(tǒng)中所擔風險甚高，通信網(wǎng)絡的好壞也影響區(qū)域備自投系統(tǒng)的運行。

全站式區(qū)域備自投系統(tǒng)采用雙網(wǎng)絡通信的方式，且每個子站各自判別本身的邏輯，能大大降低上述風險，提高區(qū)域備自投系統(tǒng)保護的可靠性[11-12]。

1　區(qū)域備自投系統(tǒng)模型分析

圖1為典型的區(qū)域備自投系統(tǒng)模型，該系統(tǒng)兩端的變電站提供電源，中間通過n個串聯(lián)變電站連接起來，中間變電站兩端都有相應的斷路器，中間變電站通過兩端斷路器的分位和合位能組成多種組合。但在實際應用中，串聯(lián)變電站中要求只有1個斷路器位置斷開且其他斷路器閉合才可構成區(qū)域備自投裝置充電狀態(tài)，此種狀態(tài)也存在2n+1種組合。以圖1的模型為例對區(qū)域備自投系統(tǒng)邏輯分析如下。

1.1充電狀態(tài)

變電站C的C1斷路器斷開，其他斷路器閉合。

1.2區(qū)域備自投系統(tǒng)動作狀態(tài)

(1)除變電站C外的其他串聯(lián)變電站內(nèi)部故障。

(2)兩端變電站故障。

圖2　全主站式區(qū)域備自投系統(tǒng)

(3)除C1斷路器所在線路外的故障。

上面3個條件滿足任一，則故障發(fā)生后經(jīng)延時合斷路器C1。

1.3區(qū)域備自投系統(tǒng)放電狀態(tài)

(1)C1斷路器所在線路故障。

(2)變電站C內(nèi)部故障。

(3)串聯(lián)變電站回路中還有其他斷路器斷開。

(4)區(qū)域重合閘失敗。

(5)兩端變電站中某段失壓一段時間。

(6)任一斷路器檢修。

(7)變電站之間的光纖通道異常。

上面任一條件滿足時，區(qū)域備自投系統(tǒng)放電。

2　常用的區(qū)域備自投模式

2.1主站-子站模式

現(xiàn)階段區(qū)域備自投保護主要采用主站-子站方式。區(qū)域電網(wǎng)中的每個變電站都配置1套子站設備，負責各個變電站的運行情況，并把運行情況轉換成相應的數(shù)據(jù)上送到主站，接收主站的跳、合閘指令，并轉換成實際節(jié)點控制斷路器的跳、合閘。主站一般放在區(qū)域電網(wǎng)中某個變電站中，負責整理各個子站上送的數(shù)據(jù)，運行區(qū)域備自投系統(tǒng)把最終指令發(fā)送到各個子站。

主站和子站主要通過光纖以太網(wǎng)聯(lián)系，一般采用星形連接方式。在主站所在的變電站放置1個光纖以太網(wǎng)路由器，主站和子站的光纖以太網(wǎng)通過此路由器進行數(shù)據(jù)交換。

主站-子站模式網(wǎng)絡結構相對簡單，一般采用單網(wǎng)絡模式，每個子站與主站都有專用的光纖通道，故對通信設備的要求高。此模式中主站的區(qū)域備自投邏輯需根據(jù)現(xiàn)場實際運行的變電站來設定，如果后期區(qū)域電網(wǎng)增加了1個變電站，該主站的區(qū)域備自投邏輯需重新進行設定和測試，不便于變電站的擴充。

2.2借用現(xiàn)有網(wǎng)絡結構模式

此模式主要依賴于現(xiàn)有的通信管理網(wǎng)絡系統(tǒng)，如能量管理系統(tǒng)(EMS)網(wǎng)絡，在相應的管理系統(tǒng)中增加區(qū)域備自投功能。

此模式實現(xiàn)區(qū)域備自投功能簡單，但區(qū)域備自投系統(tǒng)的遙信、遙測數(shù)據(jù)及保護動作信號依賴網(wǎng)絡采集，速度慢，往往需要10 s以上，因此，借用現(xiàn)有網(wǎng)絡結構模式的區(qū)域備自投系統(tǒng)響應速度慢，且在網(wǎng)絡故障或網(wǎng)絡風暴時更容易受影響。

上述2種模式是現(xiàn)在常用的區(qū)域備自投模式。模式1中通信設備要求高，模式2中響應速度慢，且這2種模式中區(qū)域備自投方案均需預先設定邏輯。全主站式區(qū)域備自投系統(tǒng)采用雙環(huán)網(wǎng)通信技術和自適應邏輯方案，能有效解決上述問題。

3　全主站式區(qū)域備自投系統(tǒng)的關鍵技術

3.1雙環(huán)網(wǎng)通信的實現(xiàn)

圖2為全主站式的區(qū)域備自投系統(tǒng)結構。此系統(tǒng)由n+2個區(qū)域備自投裝置組成，這些區(qū)域備自投裝置無主站、子站區(qū)別，每個子站即為主站，各站之間采用級聯(lián)雙環(huán)網(wǎng)(雙網(wǎng)獨立)的方式通信聯(lián)系，2個級聯(lián)環(huán)網(wǎng)絡任意1個網(wǎng)絡正常，區(qū)域備自投裝置即可正常工作，大大降低了網(wǎng)絡異常對區(qū)域備自投系統(tǒng)運行的影響；區(qū)域備自投系統(tǒng)的邏輯可實現(xiàn)就地識別，實現(xiàn)自身的跳閘功能，不影響其他站的跳閘，從而避免了本裝置異常而造成其他裝置誤跳的情況。

該備自投裝置之間通過級聯(lián)雙環(huán)網(wǎng)連接,數(shù)據(jù)交互通過IEC 61850通信規(guī)約的格式實現(xiàn)。各區(qū)域備自投裝置包含2個獨立的通信接口，分別用于連接2個級聯(lián)環(huán)網(wǎng)絡，且2個通信接口的通信方向相反。當級聯(lián)雙環(huán)網(wǎng)中任意1臺備自投裝置接收到數(shù)據(jù)時，判斷所述數(shù)據(jù)是否為本備自投裝置的通信報文，如果是，則此通信報文不轉發(fā)；如果不是，則直接轉發(fā)到下一個變電站的備自投裝置。在此系統(tǒng)中所有變電站的區(qū)域備自投裝置都按此原則轉發(fā)通信報文。其數(shù)據(jù)的具體接收規(guī)則和內(nèi)容如下。

3.1.1級聯(lián)雙環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)的接收規(guī)則

(1)當A環(huán)網(wǎng)異常時，用B環(huán)網(wǎng)的數(shù)據(jù)。

(2)當B環(huán)網(wǎng)異常時，用A環(huán)網(wǎng)的數(shù)據(jù)。

(3)當A，B環(huán)網(wǎng)都異常時，閉鎖區(qū)域備自投裝置。

(4)當A，B環(huán)網(wǎng)都正常時，采用先到先用，后到舍棄的原則。

3.1.2級聯(lián)網(wǎng)絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)規(guī)則

區(qū)域備自投系統(tǒng)把各自間隔的變電站地址、交流量(與內(nèi)部固定門檻做比較)、開關量、放電及本身的跳、合閘信號按電壓相關量、電流相關量、斷路器位置、放電信號、保護動作信號、其他保護的動作節(jié)點及裝置的跳、合閘等信息轉換成1個32位整數(shù)送到通信網(wǎng)絡上，供串聯(lián)電網(wǎng)各個區(qū)域備自投裝置接收。

3.2全主站式區(qū)域備自投技術的實現(xiàn)

本文中的全主站式區(qū)域備自投系統(tǒng)的每個子站(間隔)都是1個獨立的系統(tǒng)，能獨立完成區(qū)域備自投邏輯，根據(jù)自身判斷的結果跳、合閘。每個子站(間隔)都接收其他子站的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)進行充電、放電和備自投邏輯判斷。

3.2.1各間隔充電邏輯的判斷

(1)串聯(lián)電網(wǎng)中所有變電站母線均有壓。

(2)串聯(lián)電網(wǎng)中只有1個斷路器斷開，其他斷路器均合閘。

(3)通信網(wǎng)絡正常。

(4)串聯(lián)電網(wǎng)中無重合閘跳、合閘動作。

上述條件同時滿足時，備自投系統(tǒng)開始充電，10 s后充電完成，可以進行備自投邏輯判別。

基于需要層次論和當代大學生的現(xiàn)狀，可將社交需要和尊重需要作為激勵因素，突出沙盤實訓課程對學生社交需要和尊重需要的滿足。根據(jù)ERG理論，可突出沙盤實訓課程對學生相互關系和諧的需要和成長需要的作用。根據(jù)雙因素理論，學習本身的收獲和樂趣及被同學、老師所認可，可作為激勵學生學習積極性的動力。根據(jù)成就需要理論，在沙盤實訓課程中，追求經(jīng)營成功，把事情做好的成就需要；承擔責任、影響他人、參與競爭的權力需要以及團隊合作、溝通理解的歸屬需要都能得到很好的體現(xiàn)。

3.2.2各間隔放電條件

(1)串聯(lián)網(wǎng)絡中有放電信號。

(2)斷開短路器的兩邊有故障。

(3)通信回路異常。

上述條件滿足任一，備自投系統(tǒng)放電，并閉鎖備自投邏輯。

3.2.3各間隔的斷點斷路器判別

在串聯(lián)電網(wǎng)中，鏈路中有且只有1個斷路器斷開，其他斷路器閉合，當斷點斷路器確定時，各個間隔根據(jù)斷點斷路器的位置，自動設置本身間隔的屬性，其主要屬性有：斷點的斷路器在本間隔的左右或本身，本間隔是否連接斷點斷路器。

(1)每個區(qū)域的備自投系統(tǒng)接收相應間隔線路光差保護、母線保護的動作節(jié)點，根據(jù)所述動作節(jié)點判斷串聯(lián)電網(wǎng)中故障點的位置。故障點確定后，各個間隔的備自投系統(tǒng)自動判別故障的類型，故障點是否在本間隔保護范圍內(nèi)等故障屬性。

(2)當沒有線路光差保護或母線保護的動作節(jié)點，但串聯(lián)電網(wǎng)中非斷點的斷路器分位，且分位前本線路無電流，則認為是斷路器偷跳，相應間隔的區(qū)域備自投系統(tǒng)也對此種情況設置偷跳屬性。

3.2.5間隔備自投邏輯

根據(jù)各間隔的斷點斷路器和串聯(lián)電網(wǎng)故障點的判別結果，區(qū)域備自投系統(tǒng)獨立完成各自間隔的備自投邏輯，在備自投邏輯起作用時，能跳開備自投系統(tǒng)對應的斷路器，并向通信網(wǎng)絡發(fā)出合閘命令；當斷點斷路器間隔的備自投系統(tǒng)接收到所述合閘命令時，自動合上斷點的斷路器，完成整個備自投邏輯，串聯(lián)網(wǎng)絡恢復供電。其邏輯如圖3所示。

圖3　間隔區(qū)域備自投邏輯

3.2.6區(qū)域備自投邏輯的自適應性。

該全主站式區(qū)域備自投保護系統(tǒng)的各個間隔的軟件一致，主要通過間隔的地址來區(qū)分，此地址要求從串聯(lián)電網(wǎng)一個電源站到另一個電源站依次增大，不允許地址交叉，以便區(qū)域備自投系統(tǒng)進行間隔位置的判斷。當新增1個間隔時，區(qū)域備自投保護系統(tǒng)按實際地址重新設定各個間隔的地址即可，各間隔區(qū)域備自投系統(tǒng)自動按新地址進行邏輯判斷，無需更改軟、硬件。

3.3全主站式區(qū)域備自投技術的應用

利用上述全主站式區(qū)域備自投技術分析某串聯(lián)電網(wǎng)在各種故障模型的區(qū)域備自投邏輯，如圖4所示，來檢驗該技術的有效性。

在圖4中，電源站A1和B1分別接1個區(qū)域備自投裝置，其地址一般為n+1和n+2。變電站1，變電站2，…，變電站n分別對應地址1、地址2，…，地址n的區(qū)域備自投裝置。每個區(qū)域備自投裝置采集各自對應變電站內(nèi)的母線電壓、線路保護動作節(jié)點、母線保護動作節(jié)點、對應的斷路器節(jié)點n1和n2，并把這些量轉換成32位整數(shù)傳送到各個間隔的區(qū)域備自投裝置。各個區(qū)域備自投分別做如下判斷。

3.3.1充電狀態(tài)的判別

在圖4中，斷路器11斷開，其他斷路器合位，各個變電站母線均有壓，區(qū)域備自投系統(tǒng)開始充電。

3.3.2區(qū)域備自投動作邏輯

(1)在F1點故障時的各個區(qū)域備自投系統(tǒng)的動作情況如下。

1)電源站A1的區(qū)域備自投裝置接收相應的線路保護跳閘節(jié)點，并把此節(jié)點傳送到其他間隔的區(qū)域備自投裝置。判斷出自己所負責的斷路器A1為非斷點斷路器，A1處區(qū)域備自投裝置不動作，此時如果接收到變電站1的放電標志，電源站A1區(qū)域備自投裝置放電。

2)變電站1接收到電源站A1的線路保護動作，并判斷出斷路器11為斷點，故障在斷點斷路器所在線路，故往外發(fā)送放電標志并自身放電。

3)變電站2，變電站3，…，變電站n，電源站B接收電源站A的動作信息后，并判斷出故障不在所負責的保護區(qū)域內(nèi)，此時接收到變電站1的放電標志，變電站2，變電站3，…，變電站n，電源站B的區(qū)域備自投裝置放電。

(2)在F2點故障時的各個區(qū)域備自投的動作情況如下。

1)變電站1區(qū)域備自投裝置接收到變電站內(nèi)部故障信息(母線保護動作)，往外發(fā)送變電站1內(nèi)部故障標志和放電標志，變電站1區(qū)域備自投裝置自身放電。

2)變電站2，變電站3，…，變電站n，電源站A，B接收變電站1的動作信息并判故障不在所負責的保護區(qū)域內(nèi)，此時接收到變電站1的放電標志，變電站2，變電站3，…，變電站n，電源站A，B的區(qū)域備自投裝置放電。

(3)在F3點故障時的各個區(qū)域備自投裝置的動作情況如下。

1)變電站1區(qū)域備自投裝置接收到負責斷路器12的線路保護動作信號，判斷出故障在自己所負責間隔的兩側，且故障點不在斷點斷路器11側，變電站1區(qū)域備自投裝置動作，斷開斷路器12，合斷路器11，并向其他站區(qū)域備自投裝置發(fā)區(qū)域備自投動作標志和斷路器12所在線路故障標志。

2)變電站2區(qū)域備自投裝置接收到負責斷路器21的線路保護動作信號，判斷出故障在自己所負責間隔的兩側，由于該間隔所負責的斷路器為非斷點斷路器，故區(qū)域備自投裝置不動作。當接收到變電站1區(qū)域備自保護動作標志時，變電站2區(qū)域備自投裝置放電。

3)變電站3，變電站4，…，變電站n，電源站A，B接收變電站1的動作信息并判斷故障不在所負責的保護區(qū)域內(nèi)，當接收到變電站1的區(qū)域備自投動作標志時，變電站2，變電站3，…，變電站n，電源站A，B的區(qū)域備自投裝置放電。

(4)F4—F(2n+1)的備自投邏輯參考(3)。

利用上述分析，全主站式區(qū)域備自投裝置只負責自己所對應的斷路器的斷開和閉合，且能夠根據(jù)故障點的位置和斷點斷路器的位置判斷自己的備自投邏輯，不影響到其他間隔的備自投邏輯。

圖4　某區(qū)域備自投系統(tǒng)故障接線

4　結束語

本文詳細介紹了全站式的區(qū)域備自投系統(tǒng)的原理及技術應用。全主站式區(qū)域備自投系統(tǒng)采用全主站級聯(lián)備自投模式，該模式簡單直觀，物理意義明確，與常規(guī)主站-子站模式的區(qū)域備自投系統(tǒng)相比，全主站式備自投系統(tǒng)不僅減少設備的使用，節(jié)省經(jīng)濟成本，其采用的雙環(huán)網(wǎng)級聯(lián)通信方式還減少了因網(wǎng)絡通信異常而導致系統(tǒng)無法正常工作的概率，提高了電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性。全主站式區(qū)域備自投系統(tǒng)每個子站都能夠根據(jù)串聯(lián)電網(wǎng)實際特征，自適應確定備自投邏輯，擴充時無需更換裝置、變更程序，即能滿足系統(tǒng)要求，自適應性好。

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(本文責編：弋洋)

2016-03-17；

2016-06-07

TM 762.1

A

1674-1951(2016)06-0023-05

康豐(1978)，男，湖北漢川人，工程師，從事微機保護的軟件應用與開發(fā)方面的工作(E-mail:feng-kang@sac-china.com)。

楊東(1986—)，男，江蘇鹽城人，助理工程師，從事微機保護的軟件應用與開發(fā)方面的工作。

李玉平(1978—)，男，湖南郴州人，工程師，工程碩士，從事微機保護的軟件應用與開發(fā)方面的工作。

劉慶海(1987—)，男，江蘇鹽城人，助理工程師，從事微機保護的軟件應用與開發(fā)方面的工作。

楊青松(1990—)，男，江蘇鹽城人，工程師，工學碩士，從事微機保護的軟件應用與開發(fā)方面的工作。