李杰祎

(廣州市電力工程設(shè)計院有限公司，廣東 廣州 510220)

1 概述

目前廣州電網(wǎng)110kV變電站主變電氣量保護(hù)按電流差動保護(hù)加各側(cè)復(fù)合電壓閉鎖電流保護(hù)(二段配置)；110kV線路保護(hù)普遍配置距離保護(hù)，廣泛采用階段式距離保護(hù)作為主保護(hù)；傳統(tǒng)階段式后備保護(hù)整定配合復(fù)雜，通過就地檢測量和延時實現(xiàn)配合的方式在很多情況下難以確保選擇性，當(dāng)電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)及運行方式發(fā)生頻繁和大幅改變時，易導(dǎo)致后備保護(hù)動作特性失配；在目前的保護(hù)配置下，若電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制裝置、開關(guān)或主保護(hù)拒動，可能導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定破壞，甚至引發(fā)嚴(yán)重連鎖故障，威脅電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

目前廣州電網(wǎng)按三道防線加備自投的配置原則來作為保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的措施，廣州電網(wǎng)的三道防線及備自投設(shè)備為相互獨立，信息不共享的孤立系統(tǒng)。在故障發(fā)生時，各級裝置之間無法協(xié)調(diào)配合，會造成事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。

2 廣域保護(hù)及控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

2.1 廣域保護(hù)系統(tǒng)的概念

目前，廣域保護(hù)系統(tǒng)還沒有統(tǒng)一的概念，文獻(xiàn)[2][3]把廣域保護(hù)分位兩類；第一類是以廣域測量為基礎(chǔ)的繼電保護(hù)，利用廣域信息，解決傳統(tǒng)保護(hù)不能解決的故障，是一種兼有自適應(yīng)性和協(xié)調(diào)性的保護(hù)；第二類是一種緊急控制系統(tǒng)，利用廣域信息，解決電力系統(tǒng)大范圍穩(wěn)定破壞、連鎖反應(yīng)事故。廣州電網(wǎng)運行的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)屬于第二類兼有第二道和第三道防線功能。由于系統(tǒng)中存在的各種保護(hù)及穩(wěn)定裝置的動作原理、動作時間不相同，故障發(fā)生時，它們之前的相互影響可能會使系統(tǒng)狀況更加惡化。

2.2 廣域保護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)支撐

(1)同步測量技術(shù)

同步相量測量技術(shù)是在高精度衛(wèi)星時鐘信號的同步下，測量電網(wǎng)的電壓電流相量，通過高速通信網(wǎng)絡(luò)把帶有時標(biāo)的相量傳送到主站，為電網(wǎng)的實時監(jiān)測、分析和控制提供信息。目前廣州電網(wǎng)內(nèi)變電站內(nèi)普遍配有衛(wèi)星定位系統(tǒng)，各個子站廣域測量設(shè)備的A/D采樣數(shù)據(jù)按標(biāo)準(zhǔn)時鐘同步采樣，不論有多少個采樣點，所測的數(shù)據(jù)均能打上精確時標(biāo)(誤差不大于1微秒)，使得全網(wǎng)統(tǒng)一時刻數(shù)據(jù)進(jìn)行比對、統(tǒng)計分析實時精確計算成為可能。

圖1 電力系統(tǒng)廣域保護(hù)的基本結(jié)構(gòu)

(2)實時通信技術(shù)

快速可靠的通信網(wǎng)絡(luò)是廣域保護(hù)不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施，早期的電力系統(tǒng)中采用微波進(jìn)行通信，目前隨著Internet網(wǎng)絡(luò)及光纖、衛(wèi)星等設(shè)備的應(yīng)用，微波通信方式已經(jīng)被淘汰。平均延時僅為幾十毫秒的SDH，ATM等協(xié)議的光纖通信，能夠為電力系統(tǒng)中的實時應(yīng)用提供快速、可靠的信息傳輸。目前廣州電網(wǎng)具備雙SDH通信網(wǎng)絡(luò)。

同步測量技術(shù)及實時通信技術(shù)的提升為廣域保護(hù)所必須的實時數(shù)據(jù)提供了可能性。

2.3 廣域保護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

廣域保護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一般分為區(qū)域集中、站域集中、區(qū)域分散3種結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于IEC61850建模的分區(qū)域分布集中式廣域繼電保護(hù)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將整個電網(wǎng)分成若干區(qū)域，每個區(qū)域以某個變電站為中心，除中心外的其他站稱為該變電站的子站。各變電站采集本站內(nèi)所有IED測量信息及開關(guān)狀態(tài)信息，子站僅與所屬區(qū)域中心通信并接受其遠(yuǎn)程控制。荔城片區(qū)廣域保護(hù)及廣域備自投系統(tǒng)采用了此結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)見圖1。

廣域保護(hù)系統(tǒng)一般由監(jiān)控主站、監(jiān)控子站、通信網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器及數(shù)據(jù)庫等組成。

監(jiān)控主站系統(tǒng)安裝在控制中心，與監(jiān)控子站通訊，獲取各種數(shù)據(jù)，進(jìn)行廣域保護(hù)計算判斷，對各站模擬和開關(guān)信號進(jìn)行在線監(jiān)測，記錄有關(guān)數(shù)據(jù)，并存入數(shù)據(jù)庫。一般包括EMS、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和電網(wǎng)安全穩(wěn)定監(jiān)測與控制主站。

監(jiān)控子站系統(tǒng)分布在變電站中，完成廣域數(shù)據(jù)采集，執(zhí)行廣域保護(hù)控制策略，一般由監(jiān)控子站、數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行裝置(測量單元、繼電保護(hù)終端、穩(wěn)定控制終端)、通信裝置及相關(guān)軟件構(gòu)成。

2.4 廣域保護(hù)系統(tǒng)的功能

廣域保護(hù)系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，包括繼電保護(hù)和安全自動控制兩方面，與傳統(tǒng)的保護(hù)控制功能的最大區(qū)別在于信息的利用范圍及形式不同。

(1)廣域控制系統(tǒng)功能

廣域保護(hù)控制主站主要完成整個區(qū)域電網(wǎng)的控制功能，例如區(qū)域備用電源自投功能(廣域備自投)、穩(wěn)控聯(lián)切等功能。各個控制子站除了完成各自的站域保護(hù)和控制功能以外，還要和主站以及其它相關(guān)子站一起完成區(qū)域保護(hù)和控制功能。

(2)廣域繼電保護(hù)功能

廣域保護(hù)系統(tǒng)中的繼電保護(hù)功能包括主保護(hù)功能和后備保護(hù)功能。

主保護(hù)功能包括依賴通信的基于電流差動或縱聯(lián)比較原理的單元快速保護(hù)和不依賴通信的基于本地信息的快速I段保護(hù)(例如工頻變化量距離、距離I段、零序電流I段等)。

后備保護(hù)功能也需要借助通信完成，利用空間多點信息的比較而不是動作時間上的配合來保證后備保護(hù)的選擇性，從而達(dá)到縮短后備保護(hù)動作時間，縮小故障切除范圍的目的。

(3) 廣域保護(hù)保護(hù)控制系統(tǒng)與原有保護(hù)控制系統(tǒng)之間的關(guān)系

圖2 荔城片區(qū)廣域保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

廣域保護(hù)控制系統(tǒng)獨立于原有的電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)，與原有保護(hù)系統(tǒng)的配置邏輯及保護(hù)范圍相同，只是廣域保護(hù)可以通過區(qū)域間信息的交互，完成原來保護(hù)系統(tǒng)不能完成的功能，其不能替代原來的保護(hù)功能，是在其基礎(chǔ)上對原來的保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行必要的，有益的補(bǔ)充，全面提高區(qū)域電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)的整體性能。

廣域保護(hù)控制系統(tǒng)在故障發(fā)生時，對故障設(shè)備進(jìn)行隔離，在沒有其他變電站的信息交互時，仍按傳統(tǒng)的定值大小，動作時間長短等進(jìn)行配合以保證選擇性，，除了增加區(qū)域保護(hù)控制系統(tǒng)動作閉鎖原先重合閘的回路，兩個系統(tǒng)間無其他通過電纜或GOOSE方式傳遞相互配合的信息。

廣域保護(hù)控制系統(tǒng)失效時，將本身系統(tǒng)進(jìn)行閉鎖，不影響原來的保護(hù)系統(tǒng)，僅是增加的性能有所缺失，同樣的，原來的保護(hù)系統(tǒng)發(fā)生故障時，區(qū)域保護(hù)控制系統(tǒng)仍然能夠部分地完成保護(hù)功能，不會因為一個保護(hù)裝置的失效而緊急停運一次設(shè)備，大大提高了供電的可靠性。兩個系統(tǒng)既相互獨立又互相補(bǔ)充，這樣可以最大限度地保留兩套系統(tǒng)的獨立性，不會因為相互影響導(dǎo)致連鎖故障的發(fā)生。

3 廣州電網(wǎng)荔城片區(qū)廣域保護(hù)系統(tǒng)及控制的應(yīng)用

(1)荔城片區(qū)廣域保護(hù)系統(tǒng)及控制的系統(tǒng)架構(gòu)

按照分層控制的原則，并考慮到電網(wǎng)實際運行需求來配置整個荔城片網(wǎng)的廣域保護(hù)系統(tǒng)。廣域系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

在220kV荔城站設(shè)置一套監(jiān)控主站系統(tǒng)PCS998，主要完成整個區(qū)域電網(wǎng)的控制功能，包括廣域備自投功能、廣域負(fù)荷控制功能等?？紤]到220kV荔城站需要和其它110kV變電站配合實現(xiàn)廣域繼電保護(hù)功能，因此還要配置一套監(jiān)控子站系統(tǒng)，該子站和主站之間通過站內(nèi)2M多模尾纖互聯(lián)。在110kV荔電降壓站、110kV東方站、110kV正果站、110kV朱村站、110kV小樓站、110kV中新站各設(shè)置監(jiān)控子站PCS998S系統(tǒng)一套。

就地安裝的數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行裝置PCS－222EA負(fù)責(zé)采集保護(hù)所需的電壓、電流電氣量，并轉(zhuǎn)為數(shù)字量，通過IEC61850－9－2協(xié)議上送到控制子站PCS－998S，同時與區(qū)域控制子站PCS－998S以GOOSE方式進(jìn)行開入開出信息交互。PCS－998S集成母差保護(hù)、變壓器保護(hù)、線路保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)和區(qū)域控制功能于一體，根據(jù)就地電氣量完成相關(guān)的保護(hù)邏輯判斷，并將判斷結(jié)果以GOOSE方式通過SDH通信網(wǎng)出站，同時通過SDH通信網(wǎng)接收其它站來的GOOSE信號，結(jié)合就地判據(jù)，最終完成區(qū)域保護(hù)邏輯。PCS－998S將跳合閘信號以GOOSE方式下送到執(zhí)行裝置PCS－222EA，PCS－222EA轉(zhuǎn)為接點方式輸出，并接入傳統(tǒng)跳合閘回路實現(xiàn)跳合閘操作。

在控制主站和各個控制子站均配置MUX－22C通信復(fù)接裝置，負(fù)責(zé)站間通信，MUX－22C裝置和PCS－998裝置之間用100M以太網(wǎng)通信，可以擴(kuò)展出最多22個2M電接口，用于以點對點的方式進(jìn)行站間通信。

(2)荔城片區(qū)廣域保護(hù)功能及邏輯實現(xiàn)

區(qū)域保護(hù)的設(shè)計和安裝為一套獨立的系統(tǒng)，不影響原有的傳統(tǒng)保護(hù)裝置的功能和定值整定配合關(guān)系，區(qū)域保護(hù)功能集成在控制子站中?？刂谱诱緸橐惶兹略O(shè)計的集中式保護(hù)和控制裝置PCS－998S，在保護(hù)方面集成了線路保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)、母差保護(hù)和主變差動保護(hù)功能，區(qū)域保護(hù)不與原有的傳統(tǒng)保護(hù)裝置有功能和定值上的配合關(guān)系。

根據(jù)110kV母線各支路電流實現(xiàn)站內(nèi)母差保護(hù)，并可通過站間GOOSE通信實現(xiàn)遠(yuǎn)跳對側(cè)開關(guān)功能(對于有“T”分支線路，只遠(yuǎn)跳對側(cè)為本次改造七個站范圍內(nèi)的線路開關(guān))；

根據(jù)主變各側(cè)電流實現(xiàn)就地主變保護(hù)差動保護(hù)(無后備保護(hù))；

借助區(qū)域SDH網(wǎng)傳輸允許信號實現(xiàn)線路主保護(hù)。

在線路兩側(cè)裝設(shè)線路保護(hù)(對應(yīng)PCS－998S裝置中的一個線路DSP插件)，發(fā)生線路區(qū)內(nèi)故障，兩側(cè)線路保護(hù)裝置的距離Ⅱ段元件若動作，則借助區(qū)域網(wǎng)絡(luò)向?qū)?cè)發(fā)送允許信號。保護(hù)裝置根據(jù)接收的允許信號，結(jié)合自己距離保護(hù)Ⅱ段元件的動作情況，實現(xiàn)全線快速跳閘。即借助區(qū)域網(wǎng)絡(luò)通道，在無需建立專用縱聯(lián)通道的情況下，實現(xiàn)傳統(tǒng)線路保護(hù)的全線速動功能，提高保護(hù)性能。荔城片網(wǎng)共有荔朱線、朱小線和正東線三條線路實現(xiàn)區(qū)域主保護(hù)功能，見圖3。

圖3 無縱聯(lián)通道的線路主保護(hù)

(3)荔城片區(qū)廣域備自投系統(tǒng)框架

基于“廣域?qū)崟r采樣、實時交換數(shù)據(jù)、實時判別、實時控制”的思路來實現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)備用電源自投的功能，解決了基于調(diào)度自動化的備用電源自投系統(tǒng)的實時性相對較差、數(shù)據(jù)發(fā)生時刻的時序關(guān)系不準(zhǔn)確等的問題，從而能使電網(wǎng)快速準(zhǔn)確地恢復(fù)供電。

荔城片區(qū)廣域備自投系統(tǒng)框架如下：6個110kV子站(荔電降壓站、東方站、正果站、小樓站、朱村站、中新站)分別實現(xiàn)各自站內(nèi)的站域備自投功能，220kV荔城站主站實現(xiàn)區(qū)域備自投功能。這種分層設(shè)計的優(yōu)點在于：概念清晰，功能相對獨立。

各個子站控制設(shè)備接入各站母線的三相電壓、進(jìn)線的三相電流，相關(guān)開關(guān)的位置信號(跳閘位置和KKJ)。各個區(qū)域控制子站將各自采集的電流電壓和相關(guān)開關(guān)位置信號以1.667ms的間隔實時發(fā)送給控制主站，一旦發(fā)生線路跳閘，立即將跳閘信號實時發(fā)送給控制主站?？刂浦髡颈４嬗姓麄€區(qū)域電網(wǎng)的控制邏輯策略表，事故發(fā)生后，查找策略表，確定備用電源自投的邏輯，然后將跳閘和合閘命令發(fā)到相應(yīng)子站控制設(shè)備。

當(dāng)串供回路上發(fā)生故障時，開環(huán)點變電站的常規(guī)備自投裝置可能會先動作跳開本站主供線路，合上原開環(huán)的備用開關(guān)。這對于區(qū)域備自投來說，為了恢復(fù)原開環(huán)點站的上級變電站的供電，需要再次合被原開環(huán)點變電站的常規(guī)備自投裝置動作跳開的開關(guān)。綜合考慮當(dāng)區(qū)域備自投和常規(guī)備自投均具備動作條件時，區(qū)域備自投動作優(yōu)先。

4 結(jié)論

目前廣泛應(yīng)用的廣域保護(hù)系統(tǒng)包括本文中的荔城片區(qū)的廣域保護(hù)控制系統(tǒng)只是針對事先假定的事件采取控制措施，是根據(jù)假定策略進(jìn)行的離線預(yù)算，實時匹配。而對于復(fù)雜的大電網(wǎng)事故時各種不穩(wěn)定事件在一定條件下會相互轉(zhuǎn)化，使不穩(wěn)定狀態(tài)呈現(xiàn)多種可能，依賴預(yù)先設(shè)定的控制策略的廣域保護(hù)系統(tǒng)會在多重故障時發(fā)生匹配失效。

基于電網(wǎng)動態(tài)響應(yīng)的廣域保護(hù)不需要檢測具體事件，能夠分析大電網(wǎng)的各種運行狀態(tài)：正常狀態(tài)、警戒狀態(tài)、緊急狀態(tài)和恢復(fù)狀態(tài)，并通過各種保護(hù)控制措施，使系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài)，它可以應(yīng)對不可預(yù)知的事件引起的穩(wěn)定問題，因此基于電網(wǎng)動態(tài)響應(yīng)的廣域保護(hù)應(yīng)該是未來系統(tǒng)保護(hù)的發(fā)展方向。

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