成霞 廣東省電力設(shè)計研究院

基于智能變電站的廣域控制保護方案實現(xiàn)

成霞 廣東省電力設(shè)計研究院

傳統(tǒng)變電站的控制與保護裝置基本上是按照間隔配置的，這主要是由于裝置間無法方便的實現(xiàn)信息共享。智能變電站依托站內(nèi)高速通信網(wǎng)及發(fā)布/訂閱者通信機制，可以方便的共享信息，這就為實現(xiàn)廣域保護和控制方案提供了條件。本文介紹了智能變電站的概念、基本組成、廣域控制保護的功能、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及現(xiàn)階段的可實施方案。

智能變電站; 廣域保護; 功能; 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1、智能變電站概述

國家電網(wǎng)公司發(fā)布的《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》對于智能變電站描述如下：智能變電站是采用先進、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設(shè)備，以全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標準化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監(jiān)測等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能的變電站。國家電網(wǎng)公司先后部署了兩批智能變電站試點工程，遍及其下屬各個省公司。目前，第一批包含7個智能變電站試點工程，4個已經(jīng)投運；其他3個處在實施建設(shè)階段。第二批包含42個新建智能變電站項目和25個改造試點項目，基本都處于技術(shù)方案設(shè)計和審查階段。

與現(xiàn)有變電站相比，智能變電站具有如下主要優(yōu)勢：

1）可靠：智能變電站具有高可靠性，是調(diào)度控制中心決策可靠性和正確性的基礎(chǔ)保證；

2）靈活：控制、保護策略根據(jù)當(dāng)前運行工況自適應(yīng)地調(diào)整，可優(yōu)化經(jīng)濟運行指標，并提高保護性能；

3）互動：能夠與電源（包括分布式電源）和大用戶等進行實時信息交換，實現(xiàn)協(xié)調(diào)運行并提供更好的服務(wù)；

4）集成：二次設(shè)備（測控、保護、錄波、計量、PMU等）高度集成，進一步降低二次回路復(fù)雜性，提高運行管理水平，減少維護工作量；

5）環(huán)保：站內(nèi)采用低損耗設(shè)備，節(jié)約能源，降低污染物和碳排放。

2、智能變電站的基本組成

智能變電站主要由智能一次設(shè)備、電子式互感器及自動化系統(tǒng)組成。全站設(shè)備支持IEC61850標準，采用高速以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，使用MMS、GOOSE、SV報文實現(xiàn)信息交換數(shù)字化。全站的自動化系統(tǒng)通信體系按三層設(shè)備、兩層網(wǎng)絡(luò)的模式設(shè)計。智能設(shè)備在功能邏輯上分為站控層（或稱變電站層）、間隔層和過程層，三層設(shè)備之間用分層、分布、開放式的兩層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實現(xiàn)連接。

圖1 變電站架構(gòu)示意圖

1）站控層設(shè)備

站控層是全站的監(jiān)控、管理中心，具有監(jiān)視與報警、控制與操作、防誤操作閉鎖、順序控制、事件順序記錄及事故追憶、在線計算及制表、自診斷和自恢復(fù)、遠動、保護及故障信息管理、與站內(nèi)智能設(shè)備的通信、運行管理、網(wǎng)絡(luò)通信記錄分析等基本功能，還應(yīng)具有站域控制與保護、經(jīng)濟運行優(yōu)化控制、智能告警及事故信息綜合分析決策、廣域保護等高級應(yīng)用功能。

站控層設(shè)備由監(jiān)控系統(tǒng)主機、工程師站、遠動通信裝置、高級應(yīng)用服務(wù)器、在線監(jiān)測管理機等構(gòu)成，提供站內(nèi)運行的人機聯(lián)系界面，實現(xiàn)管理控制間隔層、過程層設(shè)備等功能，形成全站監(jiān)控、管理中心，并實現(xiàn)與調(diào)度通信中心以及集控中心通信。

2）間隔層設(shè)備

間隔層設(shè)備包括測控裝置、繼電保護裝置、故障錄波裝置、同步相量測量裝置（PMU）、電能計量裝置、安全穩(wěn)定控制裝置以及其它智能接口設(shè)備等，通過過程層網(wǎng)絡(luò)與智能終端、合并單元等過程層設(shè)備通信，獲得采樣值和開關(guān)量等信息，并通過站控層網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控主機等設(shè)備通信。

間隔層由若干個二次子系統(tǒng)組成，在站控層網(wǎng)絡(luò)失效的情況下，仍能獨立完成間隔層設(shè)備的就地監(jiān)控、保護功能。

3）過程層設(shè)備

過程層設(shè)備包括智能變壓器、智能斷路器、智能GIS、電子式互感器、合并單元、智能終端等，完成與一次設(shè)備相關(guān)的功能，完成實時運行電氣量的采集、設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測、控制命令的執(zhí)行等。

4）兩層網(wǎng)絡(luò)

全站的網(wǎng)絡(luò)在邏輯功能上分為站控層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò)，兩層網(wǎng)絡(luò)物理上相互獨立。依據(jù)IEC 61850標準，站控層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建為全站統(tǒng)一的MMS網(wǎng)，過程層網(wǎng)絡(luò)則包括GOOSE網(wǎng)和SV網(wǎng)。

MMS，即制造報文規(guī)范，是ISO/IEC 9506標準所定義的一套用于工業(yè)控制系統(tǒng)的通信協(xié)議。MMS規(guī)范了工業(yè)領(lǐng)域具有通信能力的智能傳感器、IED、智能控制設(shè)備的通信行為，使出自不同制造商的設(shè)備之間具有互操作性。GOOSE是一種通用面向?qū)ο笞冸娬臼录Ｖ饕糜趯崿F(xiàn)在多IED之間的信息傳遞，包括調(diào)整跳/合閘信號，具有高傳輸成功概率。SV即電氣一次設(shè)備的電流、電壓采樣值的傳輸服務(wù)，映射方式為IEC 61850-9-2。

站控層設(shè)備主要通MMS網(wǎng)實現(xiàn)本層設(shè)備之間的橫向通信以及站控層與間隔層設(shè)備間的縱向通信，遠動通信裝置則通過IEC 61970規(guī)約和各級調(diào)度之間進行通信。間隔層設(shè)備通過MMS網(wǎng)與站控層設(shè)備進行縱向通信，同時，通過過程層的GOOSE網(wǎng)與本層設(shè)備進行橫向通信、通過GOOSE網(wǎng)和SV網(wǎng)與過程層設(shè)備進行縱向通信。

3、廣域控制保護及站域控制保護

廣域控制保護可以利用空間多個節(jié)點的同步信息完成對區(qū)域電網(wǎng)多個元件的保護與控制。節(jié)點信息可以是某個元件的電流、電壓，也可以是變電站各元件的運行狀態(tài)。全站級別的保護控制是建立在站域控制基礎(chǔ)之上的。站域控制是指通過對站內(nèi)信息的集中處理、判斷，實現(xiàn)站內(nèi)自動控制裝置的協(xié)調(diào)工作，適應(yīng)系統(tǒng)運行方式的要求。在通信和數(shù)據(jù)處理速度滿足要求的情況下，可采用集中式控制裝置，采集站內(nèi)全部或者部分實時運行數(shù)據(jù)集中運算，基于全站級策略實現(xiàn)控制。

廣域控制保護可實現(xiàn)如下功能：

1）后備保護功能

獨立的后備保護系統(tǒng)采集本變電站元件的電壓和電流信息、斷路器狀態(tài)信息及主保護動作信號，接收相鄰變電站元件的故障方向信息、斷路器狀態(tài)信息及主保護動作信號。根據(jù)實時信息，獨立判別在遠后備范圍內(nèi)元件的故障，并做出最優(yōu)的跳閘策略。

2）線路/主變過載切負荷功能

根據(jù)本站所帶負荷，按線路輸送容量或主變下送功率確定切負荷量，進而自動選擇負荷線路進線切除。還可以根據(jù)需要實現(xiàn)遠切下一級變電站負荷功能。

將線路過負荷控制功能與后備保護集成在一起，可以避免由于潮流轉(zhuǎn)移引起線路過載的時候后備保護動作而使緊急控制手段失效。識別出潮流轉(zhuǎn)移過負荷后，如果允許線路和設(shè)備承受合理的短時過負荷，則可以為消除或緩解線路過負荷爭取時間，從而避免連鎖跳閘。

3）頻率電壓緊急控制功能

頻率電壓緊急控制可分為低頻低壓減負荷、失步解列等。智能變電站廣域保護通過網(wǎng)絡(luò)采集母線電壓、線路電流電壓、斷路器運行狀態(tài)等，計算系統(tǒng)頻率電壓，按設(shè)定好的策略進行邏輯判別后，根據(jù)需要跳閘切除負荷線路。

4）備自投功能

網(wǎng)絡(luò)備自投功能是由不同保護對象的間隔層裝置共同完成，由進線測控裝置完成進線開關(guān)位置和有流無流判別；由分段測控裝置完成分段開關(guān)位置采集；由母線測控裝置完成母線有壓無壓判別；將獲得的信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給主邏輯單元，完成運行方式識別和動作邏輯判斷。邏輯輸出結(jié)果可以以GOOSE方式傳輸給分散執(zhí)行單元，完成開關(guān)的跳合閘操作。

4、廣域控制保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)廣域保護系統(tǒng)所完成功能的不同以及各種功能對動作延時、動作范圍和可靠性要求的不同，廣域保護系統(tǒng)可分為集中式和分布式結(jié)構(gòu)形式。

（1）集中式結(jié)構(gòu)

集中式結(jié)構(gòu)是在變電站的每個測量點處都裝設(shè)子站設(shè)備，在一個變電站或由幾個變電站構(gòu)成的區(qū)域設(shè)置主站設(shè)備。

子站完成的功能要有：采集安裝點的模擬量信息和開關(guān)量信息，對信息進行簡單的處理，與中央單元通信上傳信息，接收來中央單元的命令信息，根據(jù)接收的命令信息執(zhí)行跳、合開關(guān)的操作。

主站單元接收來自多個終端設(shè)備的信息，完成廣域保護系統(tǒng)的各種功能，做出保護和控制決策后再經(jīng)通信系統(tǒng)下達至子站設(shè)備執(zhí)行。集中式結(jié)構(gòu)實際上只在功能決策環(huán)節(jié)進行了集中，而從信息的采集和通信角度看則屬于分層分布式結(jié)構(gòu)。

（2）分布式結(jié)構(gòu)

在分布式結(jié)構(gòu)中，只在變電站各測量點裝設(shè)智能電子設(shè)備（IED），不設(shè)中央單元。每個IED的地位是平等的，它們完成的功能主要有：

采集安裝點的模擬量信息和開關(guān)量信息；

與其它IED進行對等通信；

根據(jù)自身的信息和通過通信系統(tǒng)接收到的來自其它IED的信息做出保護和控制策略：

根據(jù)做出的保護和控制策略執(zhí)行跳、合開關(guān)的操作。

在這種結(jié)構(gòu)中保護和控制策略都是以IED為中心完成的，可以設(shè)上位機，但它們只對分布式的IED進行管理和監(jiān)視，并不參與保護和控制策略的形成過程。

（3）廣域保護可實施性比較

在集中式結(jié)構(gòu)中，測量、通信和命令執(zhí)行功能被分散到多個子站設(shè)備中完成，主站單元只保留決策功能。這種結(jié)構(gòu)對主站單元的依賴程度仍然較高，因此需要對主站單元進行雙機或多機備用配置。在這種結(jié)構(gòu)下，主站單元要通過通信系統(tǒng)獲取各終端設(shè)備的信息，做出決策后再由通信系統(tǒng)將控制命令下達至子站設(shè)備，這樣如何控制好信息交換的延時就成為影響到廣域保護系統(tǒng)性能的重要因素。

分布式結(jié)構(gòu)將保護和控制功能完全分散到各個IED中完成，它對IED的要求比較高，需要獨立完成信息的采集、通信、算法的執(zhí)行、策略的生成以及跳、合閘命令的執(zhí)行功能。分布式結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)受IED故障的影響較小，某個IED故障一般不會影響到整個保護系統(tǒng)的工作，因此除了特別重要的測量點，一般沒有必要對IED進行雙機或多機備用配置。在分布式結(jié)構(gòu)中，只要確定好信息交換的范圍，不會出現(xiàn)信息在IED之間多次往返的情況，因此通信延時不會較長。

分布式結(jié)構(gòu)對于通信要求較高，需要實現(xiàn)安裝各個點與相鄰點之間的通信，通信通道數(shù)量很大，同時分布式結(jié)構(gòu)對IED的要求比較高，因此，在現(xiàn)階段的廣域后備保護中推薦采用集中式結(jié)構(gòu)。

5、 結(jié)語

隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴大及電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，以及智能電網(wǎng)的建設(shè)，要求電力系統(tǒng)繼電保護尤其是后備保護具備更好的適應(yīng)性。本文在分析智能變電站主要功能的基礎(chǔ)上，提出了現(xiàn)階段廣域保護的基本功能及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2010.22.064

成霞(1983—)，女，碩士研究生，從事電力系統(tǒng)繼電保護及安全穩(wěn)定控制的規(guī)劃設(shè)計工作。