陳琳

（廣東工業(yè)大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院電氣工程系，廣東 廣州510090）

0 前言

1996年美國(guó)大停電、2003年美國(guó)加州大停電和隨后世界范圍內(nèi)的幾次大停電事故，以及我國(guó)2008年特大冰雪災(zāi)害讓人們逐漸認(rèn)識(shí)到，傳統(tǒng)后備保護(hù)存在一些局限性，不能避免大規(guī)模停電事故的發(fā)生[1-4]。

近年來(lái)，廣域測(cè)量系統(tǒng)(Wide Area Measurement System，WAMS)在電力系統(tǒng)中的大量應(yīng)用，為電網(wǎng)保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)闊了新思路[5,6]。廣域測(cè)量系統(tǒng)可獲取全網(wǎng)同步動(dòng)態(tài)信息，其高速數(shù)據(jù)傳輸可使主站的數(shù)據(jù)更新周期達(dá)到20ms～50ms。這一特點(diǎn)使得從電網(wǎng)整體最優(yōu)出發(fā)，完成繼電保護(hù)功能成為可能。

因此，基于廣域測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，借助廣域測(cè)量技術(shù)和通信技術(shù)以解決互聯(lián)大電網(wǎng)繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置之間的協(xié)調(diào)問(wèn)題，廣域保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，反映了今后繼電保護(hù)的發(fā)展方向。

1 基于“三道防線”要求的廣域保護(hù)系統(tǒng)

2004年，山東大學(xué)叢偉博士，潘貞存教授提出了滿足“三道防線”要求的廣域保護(hù)系統(tǒng)[7]。由廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)快速保護(hù)功能，構(gòu)筑電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的第一道防線；第二道防線由廣域安全自動(dòng)控制系統(tǒng)防止穩(wěn)定破壞和參數(shù)越限的安全自動(dòng)控制和緊急控制功能。當(dāng)系統(tǒng)受到嚴(yán)重?cái)_動(dòng)而失去穩(wěn)定，導(dǎo)致異步振蕩時(shí)，廣域保護(hù)系統(tǒng)執(zhí)行檢測(cè)系統(tǒng)振蕩、切負(fù)荷、發(fā)電機(jī)控制、系統(tǒng)解列等緊急控制策略，防止系統(tǒng)崩潰，組成第三道防線。

滿足“三道防線”要求的廣域保護(hù)系統(tǒng)借助廣域測(cè)量技術(shù)和通信技術(shù)，采集保護(hù)區(qū)域內(nèi)的多點(diǎn)運(yùn)行信息，便于在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)集成實(shí)現(xiàn)“三道防線”功能，全面準(zhǔn)確反映系統(tǒng)的運(yùn)行動(dòng)態(tài)，針對(duì)擾動(dòng)后系統(tǒng)的不同運(yùn)行狀態(tài)采取不同的保護(hù)和控制策略，提高保護(hù)和控制設(shè)備裝置之間相互協(xié)調(diào)配合的工作性能，避免系統(tǒng)受到大擾動(dòng)后出現(xiàn)失穩(wěn)或崩潰的情形。

廣域繼電保護(hù)的核心思想在于借助通信技術(shù)，采集電網(wǎng)中廣域同步測(cè)量信息，通過(guò)信息融合計(jì)算識(shí)別故障元件，在相鄰保護(hù)之間通過(guò)簡(jiǎn)單的時(shí)序配合來(lái)保證保護(hù)動(dòng)作的正確性[8]。

從工程化實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，在我國(guó)實(shí)際電網(wǎng)背景下開(kāi)展廣域繼電保護(hù)，其信息采集、交換無(wú)須覆蓋整個(gè)廣域范圍[9]，主要從以下三點(diǎn)原因加以考慮：

(1)從通信技術(shù)上進(jìn)行分析，由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件的制約，目前實(shí)際電網(wǎng)中還未能設(shè)置專設(shè)的廣域通信網(wǎng)足以完全滿足廣域系統(tǒng)傳輸、交換大量信息的要求。故采用故障范圍內(nèi)就近有限區(qū)域的測(cè)量信息則可大大減輕廣域通信以及信息處理負(fù)擔(dān)，有利于廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)準(zhǔn)確、及時(shí)獲取可靠的測(cè)量信息。

(2)從信息處理上進(jìn)行分析，廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)借助通信技術(shù)可獲取較大保護(hù)范圍內(nèi)的測(cè)量信息，可更準(zhǔn)確全面地進(jìn)行故障定位與切除。但龐大的廣域數(shù)據(jù)量傳輸，易引發(fā)通信延遲，影響保護(hù)的速動(dòng)性；更重要的是，當(dāng)某個(gè)決策點(diǎn)匯集大量數(shù)據(jù)時(shí)，中央決策單元有可能面臨“維數(shù)災(zāi)”的問(wèn)題，從而使得求解復(fù)雜，并有可能導(dǎo)致決策失敗。

(3)從故障定位上進(jìn)行分析，對(duì)某條故障線路而言，與其故障情況相關(guān)聯(lián)的僅包含在相鄰線路的一個(gè)較小區(qū)域內(nèi)，而故障線路與整個(gè)廣域范圍內(nèi)大部分線路存在很弱的耦合關(guān)系。因此，廣域保護(hù)系統(tǒng)不需獲取極大廣域范圍內(nèi)的所有信息，僅對(duì)故障區(qū)域內(nèi)相關(guān)聯(lián)信息進(jìn)行決策計(jì)算便可有效實(shí)現(xiàn)故障定位。

構(gòu)造適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)模式對(duì)廣域繼電保護(hù)核心思想的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。廣域繼電保護(hù)的結(jié)構(gòu)模式對(duì)廣域測(cè)量信息的采集、網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的相互通信和決策中心的信息處理等方面均具有較大的影響。目前提出的廣域后備保護(hù)系統(tǒng)尚無(wú)統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)模式?？紤]到廣域后備保護(hù)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，以及廣域后備保護(hù)所用算法對(duì)信息需求的不同，以及保護(hù)系統(tǒng)對(duì)動(dòng)作延時(shí)和可靠性的要求，研究學(xué)者提出了幾種結(jié)構(gòu)模式。

2 廣域保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有廣域后備保護(hù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般可分為變電站集中式、分布式和區(qū)域集中式結(jié)構(gòu)三類基本形式[10-12]。

2.1 變電站集中式結(jié)構(gòu)

變電站集中式結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 變電站集中式結(jié)構(gòu)

從結(jié)構(gòu)層次上看，變電站集中式結(jié)構(gòu)可分為兩層：第一層為中央決策單元，設(shè)置在每個(gè)變電站或由幾個(gè)變電站構(gòu)成的區(qū)域主站中；第二層為每個(gè)變電站的各個(gè)測(cè)量點(diǎn)處裝設(shè)的IED終端設(shè)備。兩層結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能如下：

1 ）終端設(shè)備完成的功能：

采集就地電氣量和狀態(tài)量信息，對(duì)信息進(jìn)行簡(jiǎn)單處理；

上傳實(shí)時(shí)信息，與本站中央決策單元通信，接收來(lái)自中央決策單元的指令；

根據(jù)接收的指令完成行跳、合開(kāi)關(guān)的操作。

2 ）中央決策單元完成的功能有：

接收決策范圍內(nèi)各IED終端設(shè)備上送的實(shí)時(shí)信息；

與相鄰的其他變電站中央決策單元進(jìn)行通信，收集外部信息；

分析處理綜合信息后制定保護(hù)控制策略；

發(fā)出決策指令下達(dá)至各IED終端設(shè)備中執(zhí)行，完成后備保護(hù)和穩(wěn)定控制的功能。

完成廣域保護(hù)系統(tǒng)的各種功能，做出保護(hù)和控制決策。

2.2 分布式結(jié)構(gòu)

分布式結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示：

圖2 變電站分布式結(jié)構(gòu)

分布式結(jié)構(gòu)中，在變電站各測(cè)量點(diǎn)處裝設(shè)IED終端設(shè)備，不需要設(shè)置中央決策單元。各IED終端設(shè)備地位對(duì)等，通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式交換信息，共享數(shù)據(jù)，完成保護(hù)和穩(wěn)定控制的功能。其主要完成以下功能：（1）采集本站內(nèi)電氣量和狀態(tài)量信息，并對(duì)采集的信息進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理；（2）借助通信系統(tǒng)與其他約定的IED終端設(shè)備通信；（3）融合本站信息和其他IED信息進(jìn)行故障判斷，生成保護(hù)控制策略；（4）根據(jù)故障發(fā)生情況，由本端IED或交由鄰近IED控制斷路器執(zhí)行跳閘、合閘操作。

在分布式結(jié)構(gòu)中，可根據(jù)實(shí)際需要在各個(gè)變電站中設(shè)置監(jiān)控IED，作為各IED的監(jiān)視與管理中心，對(duì)各IED進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視和檢測(cè)，并不參與任何保護(hù)和控制策略的形成。

2.3 區(qū)域集中式結(jié)構(gòu)

區(qū)域集中式結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示：

圖3 區(qū)域集中式結(jié)構(gòu)

在區(qū)域集中式結(jié)構(gòu)模式下，由若干變電站構(gòu)成一個(gè)整體區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)選擇一個(gè)決策中心站，其余各變電站作為執(zhí)行終端。從結(jié)構(gòu)層次上可分為三層：最底層的IED功能與集中式結(jié)構(gòu)類似，負(fù)責(zé)采集就地電氣量和狀態(tài)量信息，并僅與本站決策中心進(jìn)行通信，通過(guò)站內(nèi)通信系統(tǒng)將信息上傳至變電站執(zhí)行終端。第二層是變電站內(nèi)的執(zhí)行終端。該終端獲取本站內(nèi)各IED上傳的實(shí)時(shí)信息，并進(jìn)行相應(yīng)處理后，上傳至區(qū)域內(nèi)的區(qū)域決策中心；同時(shí)接收來(lái)自區(qū)域決策中心的控制指令，根據(jù)決策命令執(zhí)行相關(guān)操作。第三層是區(qū)域決策中心。區(qū)域決策中心管轄決策范圍內(nèi)的所有變電站，，依據(jù)區(qū)域電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，綜合各站上傳的各類實(shí)時(shí)信息識(shí)別故障元件，做出正確動(dòng)作決策，下達(dá)至相關(guān)變電站執(zhí)行終端，由各執(zhí)行終端執(zhí)行動(dòng)作指令。

3 各類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較

從廣域后備保護(hù)系統(tǒng)可采用的結(jié)構(gòu)形式看，變電站集中式、分布式結(jié)構(gòu)和區(qū)域集中式的結(jié)構(gòu)各有優(yōu)劣。

3.1 變電站集中式結(jié)構(gòu)

變電站集中式結(jié)構(gòu)的中央決策單元通過(guò)廣域通信網(wǎng)絡(luò)可最大限度的采集和利用電網(wǎng)中的各種信息，使用信息融合等方法，綜合制定決策判據(jù)，準(zhǔn)確、快速、可靠地切除故障和做出全局廣域系統(tǒng)安全控制決策。

該結(jié)構(gòu)模式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、保護(hù)區(qū)域明確、信息交互路徑固定，對(duì)現(xiàn)有保護(hù)配置的改動(dòng)較小，只需在現(xiàn)有配置的基礎(chǔ)上，每個(gè)變電站增設(shè)一個(gè)集運(yùn)算、決策、通信為一體的IED。投資改造較少。

但系統(tǒng)對(duì)中心決策單元的依賴程度高，一旦故障將影響整個(gè)變電站的保護(hù)功能，存在單點(diǎn)失效的不足。且也存在保護(hù)分區(qū)困難，對(duì)電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化適應(yīng)性不高，擴(kuò)展性較差。對(duì)通信要求較高。

3.2 變電站分布式結(jié)構(gòu)

分布式結(jié)構(gòu)無(wú)需建立中央決策單元，數(shù)據(jù)采集、處理、生成算法、制定決策以及決策執(zhí)行過(guò)程均分散至在各IED中執(zhí)行，各IED獨(dú)立完成保護(hù)與控制功能。其優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)IED的可靠性要求降低，一般某個(gè)IED發(fā)生故障時(shí)可由相鄰IED協(xié)調(diào)動(dòng)作彌補(bǔ)其職能，不會(huì)影響保護(hù)系統(tǒng)的整體工作；且各IED之間通信對(duì)象為事先設(shè)定，信息不會(huì)在各IED之間多次往返傳遞，降低了通信延時(shí)時(shí)間。

但分布式結(jié)構(gòu)對(duì)IED性能要求較高，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需對(duì)保護(hù)區(qū)域內(nèi)的所有保護(hù)裝置加以改造，投資成本增加。且各IED之間需要同時(shí)互相通信，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率較高，將致使整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，使通信系統(tǒng)的構(gòu)建困難，后期維護(hù)檢修工作繁復(fù)。根據(jù)IED間通信實(shí)現(xiàn)的不同，致使IED間的通信邏輯繁雜或通信通道數(shù)量極大，終將導(dǎo)致實(shí)際通信系統(tǒng)復(fù)雜化，后期維護(hù)檢修工作量繁復(fù)。同時(shí)，由于各IED交換的通信數(shù)據(jù)多元化，既包含本地電氣量和狀態(tài)量信息，還囊括相鄰IED節(jié)點(diǎn)收集到的相關(guān)信息，數(shù)據(jù)通信量相較于集中式結(jié)構(gòu)龐大。同時(shí)，固定的通信對(duì)象降低了系統(tǒng)靈活性，當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行方式發(fā)生改變時(shí)難以及時(shí)有效調(diào)整。

3.3 區(qū)域集中式結(jié)構(gòu)

區(qū)域集中式結(jié)構(gòu)結(jié)合了變電站集中式結(jié)構(gòu)與分布式結(jié)構(gòu)的雙重優(yōu)點(diǎn)：一方面，采用分布在各個(gè)變電站的中央決策單元進(jìn)行保護(hù)控制決策中，可集中應(yīng)用大量信息，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的整體性能更加優(yōu)異，保護(hù)范圍也將更加廣泛。。另一方面，對(duì)各站的保護(hù)配置、IED的可靠性要求不高，各IED僅與區(qū)域決策中心站通信，不需進(jìn)行站與站之間通信，減小數(shù)據(jù)通信負(fù)擔(dān)，簡(jiǎn)化通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，且簡(jiǎn)化了各IED功能，相比變電站集中式結(jié)構(gòu)的工程造價(jià)更少。

同變電站集中式結(jié)構(gòu)一樣，區(qū)域集中式結(jié)構(gòu)也對(duì)決策中心依賴程度高。一旦決策系統(tǒng)發(fā)生故障，輕者導(dǎo)致一個(gè)或數(shù)個(gè)保護(hù)IED出現(xiàn)誤動(dòng)或拒動(dòng)的情況，重者將導(dǎo)致整個(gè)保護(hù)區(qū)域內(nèi)的保護(hù)同時(shí)失效，后果將十分嚴(yán)重。因此要求決策中心的可靠性和信息處理能力達(dá)到較高水平。同時(shí)由于距離決策中心較遠(yuǎn)的IED的信息，需要經(jīng)過(guò)多次路由進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，將會(huì)造成信號(hào)傳輸?shù)經(jīng)Q策系統(tǒng)的延時(shí)較大，直接影響保護(hù)的速動(dòng)性。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的高速發(fā)展，并且目前220kV及以上系統(tǒng)變電站之間均已鋪設(shè)了光纖通道，加上具備高速運(yùn)行能力的CPU及外圍設(shè)備，為區(qū)域集中式結(jié)構(gòu)的工程化應(yīng)用提供了良好的硬件條件。因此區(qū)域集中式結(jié)構(gòu)完全有可能成為今后廣域繼電保護(hù)的發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)這種基于局部集中的智能終端結(jié)構(gòu)也為今后電網(wǎng)分區(qū)域的安穩(wěn)計(jì)算提供了基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

針對(duì)目前傳統(tǒng)保護(hù)中存在的局限性，本文對(duì)基于廣域測(cè)量系統(tǒng)的廣域保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了研究綜述，結(jié)合工程化實(shí)際應(yīng)用要求，研究滿足“三道防線”要求的廣域保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)區(qū)域的劃分。并分析了現(xiàn)有的廣域保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)比論述了變電站集中式、分布式、區(qū)域集中式三種體系結(jié)構(gòu)的工作特點(diǎn)以及優(yōu)缺點(diǎn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]印永華，郭劍波，趙建軍，等．美加“8·40”大停電事故初步分析以及應(yīng)吸取的教訓(xùn)[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2003，27(10)：8-11．

[2]張保會(huì)．加強(qiáng)繼電保護(hù)與緊急控制系統(tǒng)的研究提高互聯(lián)電網(wǎng)安全防御能力[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24(7)：1-61．

[3]肖世杰．構(gòu)建中國(guó)智能電網(wǎng)技術(shù)思考[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33(9)：1-4．

[4]Serizawa Y，Myoujin M，Kitamura K，et al．Wide-area current differential backup protection employing broadband communications and time transfer systems[J]．IEEE Trans on Power Delivery，1998，13(4)：1046-1052．

[5]薛禹勝．時(shí)空協(xié)調(diào)的大停電防御框架(二)廣域信息、在線量化分析和自適應(yīng)優(yōu)化控制[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006，30(2)：1-8．

[6]何志勤，張哲，尹項(xiàng)根，等．電力系統(tǒng)廣域繼電保護(hù)研究綜述[J]．電力自動(dòng)化設(shè)備，2010，30(5)：125-130．

[7]叢偉，潘貞存，丁磊，等．滿足“三道防線”要求的廣域保護(hù)系統(tǒng)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2004，28(18)：29-33．

[8]叢偉，潘貞存，趙建國(guó)，等．基于電流差動(dòng)原理的廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2006，30(5)：91-95，110．

[9]吳科成，林湘寧，魯文軍，等.分層式電網(wǎng)區(qū)域保護(hù)系統(tǒng)的原理和實(shí)現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007，31(3):72-77

[10]張保會(huì)，周良才．變電站集中式后備保護(hù)[J]．電力自動(dòng)化設(shè)備，2009，29(6)：1-5．

[11]Jiang Huang，S S Venkata. Wide area adaptive protection：architecture，algorithms and communication[C]．Power Systems and Communications Infrastructures for the Future ，Beijing，September 2002．

[12]周樂(lè)榮，韋崗．一種基于UCA體系的網(wǎng)絡(luò)化遠(yuǎn)動(dòng)通信結(jié)構(gòu)[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2004，28(10)：65-68．