南京南瑞繼保電氣有限公司 齊 巖 曹少珂 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司邳州市供電分公司 徐 貝

中國長江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠 李 琛

關健詞：站域保護；智能變電站；多信息

電力是國家基礎設施建設中至關重要的一環(huán)，關系到國家經(jīng)濟發(fā)展和社會安全穩(wěn)定。在電力系統(tǒng)中，繼電保護起到保障電網(wǎng)安全的作用。當發(fā)生緊急情況時需要快速隔離故障。在用電需求日益增大的情況下，傳統(tǒng)繼電保護暴露出諸多問題，如后備保護整定配合困難，可能發(fā)生拒動或誤動，易引發(fā)連鎖跳閘，造成大面積停電事故等。

近年來，高性能硬件處理芯片、電子式互感器等硬件應用日趨成熟，結(jié)合高速通信網(wǎng)絡及IEC61850通信規(guī)約，借助于多網(wǎng)合一的背景，傳統(tǒng)變電站中繼電保護得到的信息發(fā)生了較大變化。與傳統(tǒng)繼電保護相比，智能變電站利用站內(nèi)或站間信息，實現(xiàn)信息共享集成，將采集到的信息數(shù)字化、信息共享標準化、光纖通信廣域化和過程層通信平臺網(wǎng)絡化，有效改善傳統(tǒng)繼電保護可利用信息不足的問題，大大提高了繼電保護的控制性能。基于智能變電站的優(yōu)良特性，采集多信息技術來搭建繼電保護系統(tǒng)受到了國內(nèi)外廣泛關注。

1 站域保護概述

基于信息共享技術，智能變電站的繼電保護系統(tǒng)可以獲得多種信息，構建模式也與傳統(tǒng)繼電保護有所不同。為了適應多信息共享技術，將新型變電站繼電保護系統(tǒng)分為三層：即間隔層、站域?qū)?、廣域?qū)印Ｆ渲姓居驅(qū)颖Ｗo也被稱為站域保護[1]，是指充分利用采集的站域信息，例如站內(nèi)出線、母線、變壓器等元件上的信息及相鄰站的多源信息，建立SV和GOOSE信息的光纖通信網(wǎng)絡傳輸平臺，根據(jù)IEC61850通信規(guī)約來完成信息的交互傳遞，結(jié)合相應的保護算法來進行決策判斷，整合信息從而實現(xiàn)繼電保護的功能。站域保護收集的信息包括：各處電壓電流數(shù)值大小、斷路器通斷狀態(tài)、刀閘開關狀態(tài)等直接信息和算法處理過的中間信息、動作結(jié)果等間接信息[2]。圖1介紹了站域保護通信構成模式，根據(jù)采集到的直接、間接信息，來實現(xiàn)各個層之間保護的整定配合。

圖1 站域保護通信構成模式

2 站域保護構建模式

根據(jù)上文中提到的分層繼電保護的架構，站域?qū)游挥谥虚g承上啟下的位置，利用電氣設備采集站域信息，承接間隔層和廣域?qū)印Ｕ居虮Ｗo的構建方案不僅僅是簡單搭建模型來直接集成，作為層次化繼電保護中承上啟下的一層，需要結(jié)合不同變電站的特點，兼顧上下兩層的配合，分電壓等級來研究站域保護構建模式[3]。

綜合分析不同電壓等級變電站的特點，根據(jù)電力系統(tǒng)實際運行情況，按照電壓等級來搭建站域保護架構方案，不僅有利于提高通信系統(tǒng)工作效率，還有利于減少保護裝置控制反應時間，提高系統(tǒng)的安全可靠性。

2.1 電壓等級220kV以上

針對220kV及以上高電壓等級變電站，選擇不同的連接通道，把測量信息的輸入方法分為直采和網(wǎng)采模式。結(jié)合電力系統(tǒng)運行實際情況來選擇不同的站域保護架構。

2.1.1 高壓側(cè)直采網(wǎng)跳

高壓側(cè)直采網(wǎng)跳是指測量信息基于點對點連接方式通過合并單元與保護裝置通信。站域保護通過GOOSE網(wǎng)絡獲取間隔層保護信息，在站域?qū)訉崿F(xiàn)綜合信息判斷，由GOOSE網(wǎng)絡傳輸信息最后控制斷路器通斷。

作為主保護和簡化后備保護，高壓側(cè)間隔層保護采用直采網(wǎng)跳模式。站域?qū)颖Ｗo通過GOOSE網(wǎng)通道獲得間隔層傳輸?shù)男畔?。下面列出了該構建模式的?yōu)缺點。

優(yōu)點：間隔保護不依賴于SV通信網(wǎng)絡，同步測量容易實現(xiàn)；簡化站域保護的處理，降低變電站SV網(wǎng)絡通信量，減小了對裝置硬件設計要求；站域保護失效時，間隔層保護配置的簡化后備仍起作用。

缺點：要修改間隔保護裝置的通信功能，間隔層需要與站域保護通信來并實現(xiàn)配合。計算結(jié)果時，站域保護功能依賴于間隔層保護裝置的計算；站域保護不能獲得直接的測量值，對于實現(xiàn)一些新的保護原理有限。

2.1.2 高壓側(cè)網(wǎng)采網(wǎng)跳

網(wǎng)采網(wǎng)跳是指間隔層測量到的信息通過SV網(wǎng)絡通信傳輸?shù)秸居驅(qū)?，?jīng)過對信息的計算判斷處理，最后經(jīng)過GOOSE網(wǎng)絡來對斷路器發(fā)送決策判斷命令。

作為輸電系統(tǒng)的后備保護，站域?qū)颖Ｗo由SV網(wǎng)傳輸來獲得站內(nèi)測量信息。下面列出該模式的優(yōu)缺點。

優(yōu)點：常規(guī)主保護保留，不依賴于SV通信網(wǎng)絡的高可靠性，同步測量容易實現(xiàn)；間隔保護與站域保護相互獨立，不需修改常規(guī)保護裝置；站域后備保護失效時，間隔層保護配置的簡化后備仍起作用。

缺點：SV網(wǎng)絡通信量大，站域保護計算復雜，對硬件設計要求高；需要解決站域保護測量信息的同步問題。

2.2 電壓等級110kV以下

對于110kV及以下中低壓等級輸電系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構出線多、信息量大，較為復雜。其中，根據(jù)測量到單側(cè)電氣量的三段式保護作為主保護，由于電壓等級較小，因此一般情況下無需安排母線保護和斷路器失靈保護。站域保護可以采用變電站集中式系統(tǒng)結(jié)構，利用站域信息實現(xiàn)變電站繼電保護和控制功能。作為主后備保護的中低壓側(cè)站域保護，基于以下兩種模式，形成不同的站域保護架構。

2.2.1 中低壓側(cè)直采網(wǎng)跳

直采網(wǎng)跳模式是指間隔層測量信息基于點對點通信方式，傳輸?shù)秸居虮Ｗo子單元、合并單元實現(xiàn)通信。站域保護中子單元獲取測量信息，將計算判斷后的結(jié)果發(fā)送給站域?qū)友b置，最后經(jīng)站域保護裝置來進行決策，從而實現(xiàn)繼電保護主后備保護功能，通過GOOSE網(wǎng)絡傳輸決策信息來實現(xiàn)斷路器控制。

中低壓側(cè)直采網(wǎng)跳模式中，間隔層保護子單元數(shù)量增多，因此可以更多地獲取合并單元的信息。作為主保護和后備保護，站域?qū)颖Ｗo可以直接獲取子單元的初步判斷結(jié)果。下面列出該模式的優(yōu)缺點。

優(yōu)點：站域保護子單元采用直采網(wǎng)跳模式，不依賴于SV網(wǎng)絡同步采樣；站域保護實現(xiàn)主后備保護統(tǒng)一集成，減化系統(tǒng)結(jié)構，減小投資；站域保護集中站域信息，實現(xiàn)常規(guī)保護和控制功能，利用冗余信息優(yōu)化改進；SV網(wǎng)通信量小。

缺點：直采模式下二次網(wǎng)絡復雜；對保護子單元硬件設計要求高。

2.2.2 中低壓側(cè)網(wǎng)采網(wǎng)跳

間隔層測量的信息通過SV網(wǎng)絡傳輸?shù)秸居驅(qū)樱谡居虮Ｗo裝置內(nèi)進行多信息綜合判斷決策，實現(xiàn)系統(tǒng)中主后備保護，通過GOOSE網(wǎng)絡傳輸判斷的信息來對斷路器決策控制。

站域保護經(jīng)SV網(wǎng)通道來獲取間隔層測量的信息，通過對信息邏輯判斷實現(xiàn)主保護和后備保護功能。下面列出該模式的優(yōu)缺點。

優(yōu)點：基于網(wǎng)采模式，減少設備數(shù)量，簡化系統(tǒng)結(jié)構，有利于減少投資，便于運行維護；集中站域信息，實現(xiàn)常規(guī)保護和控制功能，利用冗余信息優(yōu)化改進。

缺點：由于采用網(wǎng)采模式，站域保護依賴于SV網(wǎng)絡同步測量技術；站域保護信息集中，計算量大。

3 功能分析

站域保護的功能大致可以分為兩類：第一類是基于電力系統(tǒng)中的安全穩(wěn)定性來分析，由于站域保護獲得多方位的信息，解決傳統(tǒng)繼電保護中信息不足、缺失關鍵信息的問題，使變電站內(nèi)各控制裝置配合更加協(xié)調(diào)，在電力系統(tǒng)實際運行情況下具有低頻低壓減載、備自投等緊急控制能力[4]。第二類是從故障判斷性考慮，作為后備保護，通過采集相關電氣設備的電壓、電流信息和設備狀態(tài)動作信息，結(jié)合相關判斷邏輯進行決策，從而實現(xiàn)間隔冗余后備保護并優(yōu)化站域后備保護的功能。

3.1 低頻低壓減載

在傳統(tǒng)低頻低壓減載中，由于主要采用非層次化架構的輪切方案，各個減載節(jié)點沒有交互信息相互獨立，在實際電力系統(tǒng)中無法根據(jù)實時變化負荷來調(diào)整方案[5]。在多信息智能變電站中，站域保護的基本任務和功能為：監(jiān)視站內(nèi)各處電壓，利用采集到的站域信息和整定邏輯判斷擾動原因，制定相應的預減載方案。與本站上層即廣域?qū)拥皖l低壓減載裝置通信，將本站信息、對頻率電壓擾動原因推斷結(jié)果和預減載方案上傳至廣域?qū)樱C合廣域保護控制的控制指令，做出最終減載方案，改善在單間隔裝置由于信息孤島導致的邏輯缺陷。

3.2 備自投功能

在復雜的電網(wǎng)實際運行中，某些電氣設備會采用一些備自投動作邏輯復雜的主接線方法，在現(xiàn)運行的電力系統(tǒng)中很少有能夠充分考慮到針對不同斷路器的運行方式。在站域保護中，由于可以采集到多信息并將信息進行整合共享，站域控制系統(tǒng)能夠采集到范圍內(nèi)各種電氣設備的開關狀態(tài)與特定的電氣量信息，綜合判斷來實現(xiàn)不同接線方式的容錯識別[6]，根據(jù)系統(tǒng)運行實際情況來構建控制邏輯，多信息技術可以使得備自投裝置靈活運用于主接線不同形式中。

3.3 信息冗余

在220kV及以上高電壓等級變電站中，存在一些單個信息不能完全反映異常狀態(tài)的電氣設備?；谛畔⒐蚕砑夹g，站域保護獲得多間隔信息，實現(xiàn)線間互感的解耦，利用冗余信息解決CT/PT斷線的問題，降低電力系統(tǒng)中CT飽和對繼電保護運行控制的影響，綜合判斷冗余信息可以大大提高信息利用率，提高繼電保護中保護動作的可靠性。

根據(jù)以上分析，本文提出了智能變電站站域保護架構方案，根據(jù)不同電壓等級和通信方式，提出220kV以上和110kV以下“直采網(wǎng)跳”“網(wǎng)采網(wǎng)跳”的構建模式，對比分析兩種模式的優(yōu)缺點，結(jié)合站域保護兩大特性進行功能分析，簡要介紹低頻低壓減載、備自投功能和后備保護。

在如今大規(guī)模電力系統(tǒng)運行情況下，傳統(tǒng)繼電保護暴露出種種缺點，越來越不能適應大電網(wǎng)復雜運行的現(xiàn)狀。基于多信息的智能變電站很好地彌補了傳統(tǒng)繼電保護的不足，為變電站繼電保護架構方案提供了一個新思路。