宋璇坤 ，李穎超 ，李軍 ，肖智宏 ，劉穎，閆培麗

（1.國網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京市 100052；2.北京交通大學(xué)，北京市 100044）

0 引言

電網(wǎng)互聯(lián)和新能源接入是我國堅強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)的重要內(nèi)容。全國聯(lián)網(wǎng)可能引起的穩(wěn)定水平降低、新能源接入帶來的運行方式多樣等，對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)［1］。繼電保護(hù)作為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的第一道防線，必須適應(yīng)甚至超前電網(wǎng)的發(fā)展需求。目前，繼電保護(hù)仍堅持面向電力元件的配置方案，利用元件“本地”信息判斷故障，利用設(shè)備冗余和上下級保護(hù)的時間配合提高繼電保護(hù)的可靠性，隨著電網(wǎng)互聯(lián)和運行方式的復(fù)雜化，繼電保護(hù)整定配合越來越困難。與此同時，繼電保護(hù)缺乏對系統(tǒng)運行情況的“理解”和動作后對電網(wǎng)影響的評估，在傳統(tǒng)元件保護(hù)各自正確的相繼動作下，可能產(chǎn)生連鎖跳閘導(dǎo)致整個互聯(lián)系統(tǒng)崩潰［2］，繼電保護(hù)與安穩(wěn)控制的不協(xié)調(diào)問題凸顯。因此，不僅要加強(qiáng)繼電保護(hù)自身的可靠性，還應(yīng)加強(qiáng)繼電保護(hù)與安全穩(wěn)定自動裝置的優(yōu)化配置［3］。

為改善繼電保護(hù)對系統(tǒng)運行方式的適應(yīng)性，廣域保護(hù)成為近年來繼電保護(hù)領(lǐng)域研究的熱點［4－10］，但其應(yīng)用實現(xiàn)還有待相關(guān)技術(shù)進(jìn)一步成熟。近幾年，以IEC 61850、以太網(wǎng)應(yīng)用為特點的數(shù)字化（智能）變電站建設(shè)，為繼電保護(hù)發(fā)展提供了新的契機(jī)，相關(guān)研究機(jī)構(gòu)也迅速提出了多種變電站繼電保護(hù)方案。文獻(xiàn)［11］提出的基于數(shù)字化變電站的集中式保護(hù)，在傳統(tǒng)保護(hù)設(shè)置的基礎(chǔ)上，增加了基于拓?fù)淅碚摰木W(wǎng)絡(luò)保護(hù)模塊作為全站系統(tǒng)級保護(hù)，利用信息共享，提高了保護(hù)性能。文獻(xiàn)［12］提出一種分層配置的繼電保護(hù)方案，間隔層僅配置主保護(hù)，站控層設(shè)置站域智能保護(hù)管理單元進(jìn)行站域后備保護(hù)和管理。文獻(xiàn)［13］進(jìn)一步提出按元件配置主保護(hù)并下放到一次設(shè)備布置，變電站層配置集中式后備保護(hù)，并預(yù)留廣域保護(hù)接口。

本文提出一種面向區(qū)域電網(wǎng)的層次化保護(hù)控制系統(tǒng)，在現(xiàn)有保護(hù)配置基礎(chǔ)上，增加站域級和廣域級保護(hù)控制，優(yōu)化繼電保護(hù)與安穩(wěn)控制，提高繼電保護(hù)性能的同時，增強(qiáng)了其對電網(wǎng)運行的適應(yīng)能力。

1 層次化保護(hù)控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)定義

層次化保護(hù)控制是指綜合應(yīng)用電網(wǎng)全網(wǎng)數(shù)據(jù)信息，通過分布、協(xié)同的功能配置，實現(xiàn)時間維、空間維和功能維的協(xié)調(diào)配合，提升繼電保護(hù)性能和系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行能力的保護(hù)控制系統(tǒng)。

就地級面向單個被保護(hù)對象，利用被保護(hù)對象自身信息獨立決策，實現(xiàn)快速、可靠的保護(hù)功能。

站域級面向變電站內(nèi)多個對象，利用相關(guān)對象的電壓、電流、開關(guān)狀態(tài)、保護(hù)啟動、動作等信息，集中決策，實現(xiàn)相關(guān)對象的保護(hù)及控制功能。

廣域級面向區(qū)域內(nèi)各個變電站，利用站內(nèi)綜合信息及跨站、跨對象信息，統(tǒng)一判斷決策，實現(xiàn)相關(guān)保護(hù)、安穩(wěn)控制等功能。

1.2 總體架構(gòu)

層次化保護(hù)控制系統(tǒng)分別在就地級、站域級和廣域級設(shè)置保護(hù)裝置。就地級保護(hù)基于現(xiàn)有保護(hù)配置，面向單個元件，其功能實現(xiàn)不依賴于站域級和廣域級保護(hù)；站域保護(hù)與控制主機(jī)分別接入站內(nèi)各電壓等級過程層網(wǎng)，綜合全站信息實現(xiàn)保護(hù)控制功能，布置上屬于間隔層裝置，功能上屬于站控層設(shè)備；廣域保護(hù)與控制主機(jī)布置在區(qū)域內(nèi)樞紐變電站（500kV），通過廣域通信網(wǎng)絡(luò)接入各站相關(guān)信息，實現(xiàn)后備保護(hù)及安穩(wěn)控制的功能。層次化保護(hù)控制系統(tǒng)在就地級、站域級、廣域級配置多重保護(hù)，時間維、空間維、功能維協(xié)調(diào)配合，形成面向區(qū)域電網(wǎng)安全穩(wěn)定的立體防護(hù)體系，其架構(gòu)如圖1所示。

圖1 層次化保護(hù)控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Framework of hierarchical protection ＆control system

1.3 層級關(guān)系

廣域保護(hù)控制采集站域保護(hù)控制、測量信息，并經(jīng)站域保護(hù)控制系統(tǒng)下達(dá)指令；站域保護(hù)控制直接采集過程層信息，不經(jīng)就地級保護(hù)直接下達(dá)控制指令；就地保護(hù)相對獨立，不受站域保護(hù)控制、廣域保護(hù)控制影響。

1.4 “三維”特點

在時間維度方面，就地級保護(hù)各類主保護(hù)無延時動作（20～30ms），后備保護(hù)通過分段延時實現(xiàn)相互配合，為了滿足選擇性和可靠性，犧牲了保護(hù)的速動性（0.8～1.2s）。站域級和廣域級保護(hù)可以用綜合信息加速就地后備保護(hù)（0.3～0.5s）。各級保護(hù)、安穩(wěn)控制協(xié)調(diào)配合，提升繼電保護(hù)性能和安穩(wěn)控制水平。各類功能的時間分布如圖2所示。

在空間維度方面，就地級保護(hù)實現(xiàn)對單個對象“貼身防衛(wèi)”；站域級保護(hù)與控制綜合利用站內(nèi)信息實現(xiàn)“站內(nèi)綜合防御”；廣域級保護(hù)與控制綜合利用站間信息實現(xiàn)“全網(wǎng)綜合防御”。層次化保護(hù)控制點面結(jié)合，實現(xiàn)對區(qū)域電網(wǎng)的全方位保護(hù)。各層級保護(hù)范圍如圖3所示。

圖2 層次化保護(hù)控制系統(tǒng)相關(guān)功能時間分布Fig.2 Time distribution of relative functions of hierarchical protection ＆control system

圖3 層次化保護(hù)控制系統(tǒng)各層級保護(hù)范圍劃分Fig.3 Protection range of each level of hierarchical protection ＆control system

在功能維度方面，就地級保護(hù)以快速、可靠隔離故障元件為目的，利用單個元件的信息獨立決策，實現(xiàn)快速、可靠的元件保護(hù)。站域保護(hù)控制配置站內(nèi)所有保護(hù)單套配置元件的就地級保護(hù)作為冗余，配置部分公用保護(hù)（失靈保護(hù)）及相鄰變電站元件后備保護(hù)。根據(jù)電壓等級及變電站承擔(dān)任務(wù)的不同，站域保護(hù)可配置備用自投、低頻／低壓減負(fù)荷等功能。同時，站域保護(hù)作為廣域保護(hù)服務(wù)子站，為廣域保護(hù)發(fā)送本站信息，接收、轉(zhuǎn)發(fā)廣域保護(hù)主站發(fā)出的控制命令。廣域保護(hù)系統(tǒng)包括繼電保護(hù)和安全自動控制2個方面，配置差動原理的后備保護(hù)，完成站間聯(lián)絡(luò)線路的后備保護(hù)，同時實現(xiàn)電網(wǎng)拓?fù)浞治觥⒊绷鞣治?、后備保護(hù)定值調(diào)整、穩(wěn)定預(yù)測、緊急控制等功能。

2 層次化保護(hù)控制配置方案

2.1 就地級配置方案

就地級保護(hù)基于現(xiàn)有保護(hù)配置方案，盡量靠近一次設(shè)備布置，安裝于就地戶外柜、匯控柜或預(yù)制式設(shè)備艙。

（1）220kV 及以上電壓等級線路按雙重化原則配置獨立的保護(hù)功能，110（66）kV 電壓等級按單套配置保護(hù)功能。線路保護(hù)裝置宜布置于就地戶外柜或匯控柜，保護(hù)直采直跳。當(dāng)采用常規(guī)互感器時保護(hù)可采用電纜方式直接采樣；當(dāng)保護(hù)功能與合并單元、智能終端集成設(shè)計時，就地化保護(hù)可只配置主保護(hù)功能，后備保護(hù)功能由站域保護(hù)實現(xiàn)。

（2）220kV 及以上電壓等級按雙重化原則配置獨立的母線保護(hù)功能，110（66）kV 電壓等級按單套配置母線保護(hù)功能。保護(hù)裝置布置于預(yù)制式設(shè)備艙，直采直跳，在保證可靠性和速動性的前提下，可采用網(wǎng)絡(luò)跳閘方式。

（3）220kV 及以上電壓等級按雙重化原則配置獨立的變壓器主后備保護(hù)功能，110（66）kV 電壓等級宜按單套配置保護(hù)功能，主后備保護(hù)分開配置。主后一體化配置時裝置宜布置于預(yù)制式設(shè)備艙；主后分開配置時后備保護(hù)宜就地化布置于就地戶外柜或匯控柜，主保護(hù)布置于預(yù)制式設(shè)備艙，保護(hù)直采直跳，在保證可靠性和速動性的前提下，可采用網(wǎng)絡(luò)方式跳閘。

2.2 站域級配置方案

220kV 及以上電壓等級采用了雙重化的保護(hù)配置，站域保護(hù)配置差動原理的站域后備保護(hù)，與就地保護(hù)配合（“或”關(guān)系）加速后備保護(hù)動作。利用站域信息優(yōu)化實現(xiàn)過負(fù)荷、低頻、低壓減載，并作為廣域保護(hù)控制系統(tǒng)（穩(wěn)控系統(tǒng)）子單元。

110kV 及以下電壓等級采用單套保護(hù)配置，站域保護(hù)配置各元件主保護(hù)，實現(xiàn)保護(hù)的非對稱冗余；同樣配置差動原理的站域后備保護(hù)及過負(fù)荷、低頻、低壓減載等控制功能。站域保護(hù)控制功能配置如表1所示。

站域保護(hù)控制裝置布置于預(yù)制式設(shè)備艙或二次設(shè)備室，單套配置。

2.3 廣域級配置方案

廣域保護(hù)控制面向區(qū)域電網(wǎng)，其功能包括繼電保護(hù)和安全自動控制2個方面。廣域保護(hù)配置差動原理的后備保護(hù)，完成站間聯(lián)絡(luò)線路的后備保護(hù)；廣域控制具備電網(wǎng)拓?fù)浞治?、潮流分析、后備保護(hù)定值調(diào)整、穩(wěn)定預(yù)測、緊急控制等功能。廣域保護(hù)控制典型功能配置如表2所示。

表1 站域保護(hù)控制功能配置Tab.1 Function configuration of substation－area protection ＆control

表2 廣域保護(hù)控制功能配置Tab.2 Function configuration of wide－area protection ＆control

廣域保護(hù)控制主機(jī)設(shè)置在區(qū)域電網(wǎng)樞紐變電站（500 kV），單套配置。

3 層次化保護(hù)控制系統(tǒng)性能分析

3.1 方案性能比對

目前在智能變電站建設(shè)中，保護(hù)配置仍沿用了傳統(tǒng)變電站應(yīng)用方案，保護(hù)按對象進(jìn)行配置，就地實現(xiàn)單個元件的保護(hù)，通過上下級保護(hù)的時間配合實現(xiàn)后備保護(hù)。針對現(xiàn)有保護(hù)整定困難、不能反映電網(wǎng)運行方式變化等問題，學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)提出了廣域保護(hù)方案，并進(jìn)行了試點應(yīng)用。

本文提出的層次化保護(hù)方案，綜合就地保護(hù)和廣域保護(hù)的優(yōu)勢，基于信息共享實現(xiàn)保護(hù)之間、保護(hù)與安穩(wěn)的協(xié)調(diào)配合，提升了保護(hù)的綜合性能。就地保護(hù)、廣域保護(hù)和層次化保護(hù)方案對比如表3所示。

表3 保護(hù)方案性能對比Tab.3 Performance comparison of different protection schemes

3.2 可靠性分析

影響繼電保護(hù)可靠性因素包括［14］裝置硬件、軟件、互感器等一次設(shè)備、二次回路、保護(hù)定值等，220 kV電壓等級及以上系統(tǒng)通過配置不同原理、不同廠家的雙套保護(hù)，以提高保護(hù)系統(tǒng)的整體可靠性。

層次化保護(hù)控制系統(tǒng)在現(xiàn)有保護(hù)配置的基礎(chǔ)上，增加了站域保護(hù)控制和廣域保護(hù)控制單元，站域保護(hù)利用一臺裝置實現(xiàn)所有單套保護(hù)元件的保護(hù)功能冗余，站域保護(hù)和廣域保護(hù)還兼有后備保護(hù)的功能，增加了保護(hù)的重數(shù)。在就地級保護(hù)故障失效時，站域保護(hù)、廣域保護(hù)能夠提供冗余和后備，自動承擔(dān)失效間隔的保護(hù)功能，提高了保護(hù)系統(tǒng)的有效性。在互感器、通信電源等設(shè)備故障情況下，層次化保護(hù)控制系統(tǒng)利用全站／區(qū)域信息獲得該間隔／變電站的電量信息實施該間隔／變電站的保護(hù)。新一代智能變電站將全面實施二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測應(yīng)用，可有效提高發(fā)現(xiàn)二次回路故障隱患的能力，通過狀態(tài)檢修，保護(hù)系統(tǒng)的有效性和可靠性將大幅提升。層次化保護(hù)控制系統(tǒng)在廣域?qū)优渲帽Ｗo(hù)定值整定校核功能，結(jié)合電網(wǎng)狀態(tài)評估與緊急控制，將極大提高保護(hù)定值的可靠性和保護(hù)系統(tǒng)的有效性。

層次化保護(hù)控制系統(tǒng)在現(xiàn)有保護(hù)配置（就地級保護(hù)）基礎(chǔ)上配置站域保護(hù)控制和廣域保護(hù)控制，通過增加少量硬件提高了保護(hù)系統(tǒng)的冗余性，從裝置硬件、二次回路及設(shè)備等方面評估，有效性（可用性）和可靠性明顯提高。

4 應(yīng)用示例

層次化保護(hù)控制系統(tǒng)布置在500，220，110 kV 電壓等級變電站，其中廣域保護(hù)控制主機(jī)布置在500kV樞紐站中，就地級保護(hù)和站域保護(hù)控制各站均配置。以某區(qū)域電網(wǎng)為例說明層次化保護(hù)控制應(yīng)用。如圖4所示，該區(qū)域電網(wǎng)擁有500kV變電站1座、220kV變電站3座、110kV變電站9座，圖4右側(cè)為部分接線圖。

圖4 簡單區(qū)域電網(wǎng)及其部分接線圖Fig.4 Simple regional grid and partial connection diagram

（1）冗余（后備）保護(hù)。110kV 電壓等級保護(hù)單套配置，保護(hù)裝置故障時，相應(yīng)元件需要退出運行。站域保護(hù)控制裝置配置110kV 各元件主后備完善的功能模塊，站域保護(hù)控制實時監(jiān)視各元件就地級保護(hù)運行狀態(tài)，檢測到保護(hù)拒動時，啟動相應(yīng)保護(hù)模塊，臨時替代保護(hù)該間隔并進(jìn)行告警。如此，保護(hù)故障時可不影響一次設(shè)備的正常運行。以500kV 變電站的66kV出線故障，線路保護(hù)拒動為例進(jìn)行分析。傳統(tǒng)由主變66kV 側(cè)后備保護(hù)替代切除低壓側(cè)開關(guān)，會導(dǎo)致66kV母線全失壓，擴(kuò)大了事故范圍，而站域保護(hù)可以根據(jù)全站的信息量判斷出66kV 線路保護(hù)拒動，而不是66 kV 開關(guān)拒動，從而避免事故擴(kuò)大。

（2）110 kV 開關(guān)失靈保護(hù)。站域保護(hù)控制（110kV失靈保護(hù)功能模塊）在獲取相應(yīng)間隔的主保護(hù)跳閘命令的同時監(jiān)視斷路器的狀態(tài)，經(jīng)一定的延時確認(rèn)斷路器未跳開后，依據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖跳開相關(guān)的斷路器。例如圖4中220kV 變電站1號110kV 出線L2故障，站域保護(hù)控制裝置監(jiān)視到該線路保護(hù)（就地級）動作出口，經(jīng)一定延時線路斷路器仍未動作，則跳開110kV 母聯(lián)斷路器及線路對側(cè)斷路器。

（3）低壓簡易母線保護(hù)。按傳統(tǒng)保護(hù)配置，35（10）kV母線不配置保護(hù)，由變壓器后備保護(hù)切低壓母線故障。站域保護(hù)控制接入站控層網(wǎng)絡(luò)，可獲取各低壓間隔電量有效值，完成簡易母線保護(hù)，縮短低壓母線故障的切除時間。

（4）保護(hù)與安穩(wěn)協(xié)調(diào)。過負(fù)荷保護(hù)動作往往是引起大停電事故的主因。如圖4中110kV 線路L1負(fù)載達(dá)到過負(fù)荷保護(hù)定值，過負(fù)荷保護(hù)跳閘切開此條線路，此時，負(fù)荷轉(zhuǎn)移到進(jìn)線L2，極有可能引起線路L2過負(fù)荷，進(jìn)而引發(fā)連鎖跳閘，造成大面積停電。廣域保護(hù)控制可利用電網(wǎng)范圍內(nèi)全景數(shù)據(jù)信息評估電網(wǎng)狀態(tài)，及時作出切負(fù)荷，備用電源投入等控制策略，避免按常規(guī)整定的保護(hù)在特殊情況下的誤動作引發(fā)的電網(wǎng)穩(wěn)定問題。

（5）自適應(yīng)調(diào)整定值。電網(wǎng)拓?fù)浒l(fā)生變化后，很可能導(dǎo)致原保護(hù)整定不合理。廣域保護(hù)控制主機(jī)監(jiān)視區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)拓?fù)渥兓?，啟動定值整定計算模塊，校驗、修正原有保護(hù)定值，通過站域保護(hù)控制裝置下發(fā)到各相應(yīng)保護(hù)模塊；站域保護(hù)控制主機(jī)在收到廣域保護(hù)控制下發(fā)的定值調(diào)整命令后，校驗定值是否在調(diào)整范圍內(nèi)，繼而決定下發(fā)定值或發(fā)出告警。

5 結(jié)論

針對智能電網(wǎng)發(fā)展對繼電保護(hù)提出的新的功能性能要求，提出了一種面向區(qū)域電網(wǎng)的保護(hù)方案——層次化保護(hù)控制系統(tǒng)，設(shè)計了層次化保護(hù)控制系統(tǒng)架構(gòu)及功能配置方案，對比分析了該系統(tǒng)保護(hù)性能，給出了應(yīng)用示例，說明了該方案的優(yōu)勢和可行性。

層次化保護(hù)控制系統(tǒng)基于現(xiàn)有保護(hù)配置方案進(jìn)行改進(jìn)，可靠性高、技術(shù)成熟、升級方便、經(jīng)濟(jì)性較高，對系統(tǒng)運行方式的適應(yīng)性強(qiáng)。該方案綜合就地保護(hù)和廣域保護(hù)的優(yōu)勢，深化信息共享應(yīng)用，提升了繼電保護(hù)性能，加強(qiáng)了保護(hù)與安穩(wěn)控制的協(xié)調(diào)，可有力支撐電網(wǎng)互聯(lián)和新能源接入等智能電網(wǎng)建設(shè)新內(nèi)容。方案涉及的保護(hù)之間、保護(hù)與安穩(wěn)控制之間的配合策略是下一步研究的重點，站內(nèi)高速數(shù)據(jù)交互、廣域?qū)崟r通信等關(guān)鍵技術(shù)也有待進(jìn)一步研究。

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