盧澤光,張 波,李偉碩,康洺睿(.國網(wǎng)德州供電公司,山東 德州 53000;.山東魯能智能技術(shù)有限公司,濟(jì)南 500)
區(qū)域電網(wǎng)層次化保護(hù)控制系統(tǒng)
盧澤光1,張 波1,李偉碩2,康洺睿2
(1.國網(wǎng)德州供電公司,山東 德州 253000;2.山東魯能智能技術(shù)有限公司,濟(jì)南 250101)
智能電網(wǎng)下新型變電站具有信息共享和集成的獨(dú)特優(yōu)勢,對現(xiàn)有繼電保護(hù)構(gòu)建模式進(jìn)行重新審視,以更好適應(yīng)智能電網(wǎng)的發(fā)展需求,是當(dāng)前繼電保護(hù)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。本文從現(xiàn)有電網(wǎng)繼電保護(hù)發(fā)展應(yīng)用所面臨的挑戰(zhàn)和存在問題展開討論,結(jié)合智能變電站特點(diǎn),構(gòu)建了區(qū)域電網(wǎng)層次化保護(hù)控制系統(tǒng)體系?;谒膫€(gè)層級的保護(hù)邏輯架構(gòu),詳述了區(qū)域電網(wǎng)層次化保護(hù)控制系統(tǒng)的性能和功能配置,并與當(dāng)前智能站保護(hù)、區(qū)域電網(wǎng)保護(hù)進(jìn)行分析比對,從中可以看到,區(qū)域電網(wǎng)層次化保護(hù)控制體系的研究對加強(qiáng)電網(wǎng)安全、構(gòu)建可靠的第一道防線具有重要的指導(dǎo)意義。
層次化保護(hù)控制系統(tǒng);智能電網(wǎng);信息共享;區(qū)域電網(wǎng)保護(hù)
基于構(gòu)建全球能源互聯(lián)網(wǎng),推動(dòng)以清潔和綠色方式滿足全球電力需求的戰(zhàn)略思想,我國正穩(wěn)步推進(jìn)對智能電網(wǎng)的建設(shè),當(dāng)前電網(wǎng)結(jié)構(gòu)逐步從交直流混聯(lián)向特高壓交直流互聯(lián)電網(wǎng)過渡,電源結(jié)構(gòu)從常規(guī)能源向常規(guī)能源與風(fēng)電、光伏等新能源相結(jié)合過渡,其帶來的系統(tǒng)網(wǎng)架重構(gòu)、分布式電源靈活接入、特高壓交直流集中饋入,微電網(wǎng)保護(hù)控制等技術(shù),對常規(guī)繼電保護(hù)提出了新的要求[1-2]。同時(shí),智能電網(wǎng)的建設(shè),推進(jìn)了電網(wǎng)保護(hù)與控制領(lǐng)域的科技進(jìn)步,為繼電保護(hù)與控制設(shè)備的模塊化設(shè)計(jì)和功能集成提供了可能;IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)的推廣應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了站內(nèi)設(shè)備或其他變電站信息的共享和交互,提升保護(hù)性能成為可能。隨著廣域繼電保護(hù)和同步測量技術(shù)的不斷完善發(fā)展,從系統(tǒng)的角度綜合考慮繼電保護(hù)設(shè)計(jì)和配置的層次化繼電保護(hù),為改善和提高傳統(tǒng)繼電保護(hù)和控制性能帶來機(jī)遇。
傳統(tǒng)的繼電保護(hù)僅利用元件的本地信息來進(jìn)行故障識(shí)別和切除。隨著電網(wǎng)規(guī)模的迅速擴(kuò)張、新能源的接入、特高壓交直流的集中饋入、區(qū)域電網(wǎng)的互聯(lián)等,一方面優(yōu)化了資源配置、提高了電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益,另一方面卻使得網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和電網(wǎng)運(yùn)行控制變得日益復(fù)雜,因此會(huì)出現(xiàn)整定計(jì)算復(fù)雜、無法適應(yīng)大范圍潮流轉(zhuǎn)移而連鎖動(dòng)作等問題使傳統(tǒng)保護(hù)暴露出更多的弊病,如近些年國內(nèi)外發(fā)生的眾多大停電事故[3-6]。
同時(shí),各種分布式電源的靈活入網(wǎng),使得電網(wǎng)運(yùn)行方式呈現(xiàn)多樣化、網(wǎng)絡(luò)暫態(tài)過程變得更為復(fù)雜;多變壓器運(yùn)行方式帶來的后備保護(hù)配合、雙向潮流、系統(tǒng)阻抗的變化等問題也給繼電保護(hù)定值整定的適應(yīng)能力帶來嚴(yán)峻考驗(yàn);特高壓電網(wǎng)的建設(shè)、電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大導(dǎo)致短路電流的助增,造成保護(hù)整定值可靠系數(shù)降低、抑制設(shè)備運(yùn)行等問題?,F(xiàn)有的保護(hù)和安全自動(dòng)控制裝置已經(jīng)不能適應(yīng)智能電網(wǎng)的快速發(fā)展,表現(xiàn)出整定計(jì)算困難、動(dòng)作速度慢、失配情況普遍、甚至發(fā)生誤動(dòng)等問題,已成為電網(wǎng)安全的薄弱環(huán)節(jié)。因此有必要以系統(tǒng)性思想來重構(gòu)電網(wǎng)整體的保護(hù)與控制系統(tǒng),建立一種區(qū)域電網(wǎng)層次化保護(hù)與控制系統(tǒng),提高區(qū)域電網(wǎng)的供電可靠性和安全性。
層次化保護(hù)控制是指綜合應(yīng)用電網(wǎng)全景數(shù)據(jù)信息,通過多原理的故障判別方法和自適應(yīng)的保護(hù)配置,實(shí)現(xiàn)時(shí)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(yùn)行能力的保護(hù)控制系統(tǒng)[7-8],從體系架構(gòu)上劃分為變電站過程層、變電站站域?qū)?、區(qū)域控制層三個(gè)層面。區(qū)域電網(wǎng)層次化保護(hù)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。
圖1 區(qū)域電網(wǎng)層次化保護(hù)控制體系架構(gòu)
區(qū)域控制層包含區(qū)域電網(wǎng)保護(hù)與控制中心和區(qū)域電網(wǎng)二次系統(tǒng)監(jiān)控中心。其中,區(qū)域電網(wǎng)保護(hù)與控制中心基于廣域電網(wǎng)全景信息實(shí)現(xiàn)對區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)行安全的協(xié)同控制和自愈;區(qū)域電網(wǎng)二次系統(tǒng)監(jiān)控中心負(fù)責(zé)對整個(gè)區(qū)域內(nèi)的電網(wǎng)運(yùn)行信息進(jìn)行采集、處理和最終決策,監(jiān)視區(qū)域范圍內(nèi)的所有二次設(shè)備并對其控制。變電站站控層包含一個(gè)或多個(gè)完成保護(hù)控制功能的站域保護(hù)控制設(shè)備、二次系統(tǒng)記錄和分析設(shè)備、通信輔助設(shè)備等,負(fù)責(zé)變電站范圍內(nèi)所有二次設(shè)備信息的接收處理和轉(zhuǎn)發(fā),基于站內(nèi)信息完成全站范圍內(nèi)的主后備保護(hù)和控制,同時(shí)接收區(qū)域控制層的控制命令并與區(qū)域控制層系統(tǒng)設(shè)備協(xié)調(diào)完成保護(hù)與控制功能。變電站過程層包含了整個(gè)系統(tǒng)的采集和控制執(zhí)行設(shè)備、就地化保護(hù)設(shè)備,負(fù)責(zé)采集站內(nèi)模擬量開關(guān)量信號、就地化后備保護(hù)、以及執(zhí)行相關(guān)的控制命令。
區(qū)域電網(wǎng)層次化保護(hù)控制系統(tǒng)在空間維度上執(zhí)行區(qū)域級、站控級、就地級多級保護(hù)控制,實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)全范圍保護(hù)控制功能覆蓋。在時(shí)間上相互銜接,執(zhí)行保護(hù)與安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的協(xié)同控制,實(shí)現(xiàn)狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測、定值在線核對、裝置智能診斷、故障全景回放等高級應(yīng)用功能。
基于國網(wǎng)的“三道防線”思想,本文提出區(qū)域電網(wǎng)層次化保護(hù)控制系統(tǒng)體系,在邏輯架構(gòu)上可以分為四個(gè)層級,四層保護(hù)之間保護(hù)區(qū)域明確、動(dòng)作特性獨(dú)立,共同構(gòu)成一個(gè)針對區(qū)域電網(wǎng)范圍的全面繼電保護(hù)系統(tǒng),有利于構(gòu)建更嚴(yán)密的電網(wǎng)安全防護(hù)體系。區(qū)域電網(wǎng)層次化保護(hù)控制邏輯架構(gòu)如圖2所示。
第一層級保護(hù)分別由就地保護(hù)控制裝置和站間遠(yuǎn)方數(shù)據(jù)采集和控制設(shè)備配置。第一層級保護(hù)采用本體保護(hù)、電壓電流保護(hù)作為總后備保護(hù),也可以針對高壓線路開關(guān)采用距離保護(hù)等保護(hù)方案。本體保護(hù)、電壓電流保護(hù)、距離保護(hù)技術(shù)成熟可靠,起到一個(gè)最基本的保障作用,按照設(shè)備配置,可下放就地安裝。就地保護(hù)控制裝置1 ~ N內(nèi)的智能終端、合并單元設(shè)備用來采集電氣場內(nèi)一次設(shè)備和遠(yuǎn)方變電站就地保護(hù)設(shè)備的模擬量和開關(guān)量信息,上送至站控層差動(dòng)保護(hù)設(shè)備,經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后再將信息通過智能終端向電氣場內(nèi)一次設(shè)備和遠(yuǎn)方變電站保護(hù)設(shè)備輸送;站內(nèi)就地保護(hù)控制設(shè)備處于間隔層,按保護(hù)對象就地配置,通過IEC 61850規(guī)范的GOOSE方式采集智能終端和站間遠(yuǎn)方數(shù)據(jù)采集和控制裝置上送的所有過程層保護(hù)控制設(shè)備的模擬量和開關(guān)量信息,并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化后的信息下發(fā)到相應(yīng)保護(hù)設(shè)備來實(shí)現(xiàn)站內(nèi)就地保護(hù);站間遠(yuǎn)方數(shù)據(jù)采集和控制設(shè)備通過GOOSE方式和SV數(shù)據(jù)網(wǎng)采采集并傳輸遠(yuǎn)方變電站就地保護(hù)設(shè)備的模擬量和開關(guān)量信息,實(shí)現(xiàn)與站控層差動(dòng)保護(hù)設(shè)備、就地保護(hù)控制裝置、區(qū)域控制層設(shè)備的數(shù)據(jù)共享和信息交互。
圖2 區(qū)域電網(wǎng)層次化保護(hù)控制邏輯架構(gòu)圖
站控層保護(hù)采用站控保護(hù)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),站控保護(hù)子系統(tǒng)集中組屏安裝在變電站主控室內(nèi),處于變電站的站控層。站控保護(hù)通過過程層SV網(wǎng)采集變電站內(nèi)模擬量信息,并通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)采集全站開關(guān)量信息及發(fā)送GOOSE出口命令對一次設(shè)備進(jìn)行操作。站控層保護(hù)包括第二層級的站內(nèi)快速差動(dòng)保護(hù)設(shè)備和第三層級的站內(nèi)短延時(shí)差動(dòng)保護(hù)設(shè)備。站內(nèi)快速差動(dòng)保護(hù)設(shè)備設(shè)置在變電站主控室內(nèi),基于GOOSE方式和SV網(wǎng)采接收的過程層單元數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)以元件為中心的站內(nèi)一次設(shè)備或站間線路的差動(dòng)保護(hù)。該站內(nèi)快速差動(dòng)保護(hù)設(shè)備僅動(dòng)作于站內(nèi)跳閘控制,在整個(gè)區(qū)域電網(wǎng)層次化保護(hù)與控制系統(tǒng)中起主保護(hù)作用,其與目前智能站采用的差動(dòng)保護(hù)裝置原理和具體實(shí)現(xiàn)基本一致,主要完成站內(nèi)變壓器元件、母線元件的差動(dòng)保護(hù)功能;站內(nèi)短延時(shí)差動(dòng)保護(hù)設(shè)備設(shè)置在站內(nèi)變壓器元件、母線元件的差動(dòng)保護(hù)范圍之外,基于站內(nèi)的同步信息進(jìn)行差動(dòng)保護(hù)數(shù)據(jù)整合運(yùn)算和邏輯判別,實(shí)現(xiàn)以開關(guān)為中心的站內(nèi)電網(wǎng)區(qū)域范圍內(nèi)的差動(dòng)保護(hù)。站內(nèi)短延時(shí)差動(dòng)保護(hù)作為主保護(hù)的后備保護(hù),當(dāng)主保護(hù)在特殊原因無法動(dòng)作的情況下,跳本開關(guān)使保護(hù)動(dòng)作來切除故障相當(dāng)于傳統(tǒng)保護(hù)體系中的階段式后備保護(hù)。
區(qū)域保護(hù)作為第四層級保護(hù),區(qū)域保護(hù)內(nèi)的站間延時(shí)差動(dòng)保護(hù)設(shè)備基于接收過程層和間隔層單元的數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)以開關(guān)為中心的站間區(qū)域電網(wǎng)范圍內(nèi)的差動(dòng)保護(hù)。當(dāng)主保護(hù)無法動(dòng)作的情況下,站間延時(shí)后備保護(hù)則通過跳所有周邊開關(guān)保護(hù)動(dòng)作,相當(dāng)于傳統(tǒng)保護(hù)體系中的失靈保護(hù)、死區(qū)保護(hù)。它一方面收集區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)及同步相量測量單元數(shù)據(jù)信息,另一方面利用區(qū)域電網(wǎng)全景信息進(jìn)行潮流分析、切負(fù)荷等來制定分析保護(hù)控制策略,向站控層保護(hù)控制系統(tǒng)發(fā)送指令,協(xié)調(diào)和加速區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)就地級保護(hù)裝置動(dòng)作。總之,在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),區(qū)域保護(hù)能夠迅速確定故障位置,有選擇的將故障元件從系統(tǒng)中斷開,縮短了后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)間,有效解決下層就地保護(hù)控制裝置的拒動(dòng);在電網(wǎng)運(yùn)行方式不斷發(fā)生變化時(shí),能夠根據(jù)區(qū)域電網(wǎng)信息識(shí)別電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài),優(yōu)化后備保護(hù)的定值;在電網(wǎng)失步振蕩時(shí),能夠準(zhǔn)確定位并判斷多端面失步,選擇最優(yōu)斷面實(shí)施解列,實(shí)現(xiàn)復(fù)雜聯(lián)網(wǎng)條件下的多端面失步解列協(xié)調(diào)控制。
目前,傳統(tǒng)變電站保護(hù)技術(shù)仍停留在面向元件的層面上,難以在系統(tǒng)層面上實(shí)現(xiàn)故障自我恢復(fù)和安穩(wěn)控制協(xié)調(diào)。隨著電網(wǎng)規(guī)模和結(jié)構(gòu)復(fù)雜化,單純基于就地?cái)?shù)據(jù)的傳統(tǒng)后備保護(hù)暴露越來越多的問題,如后備保護(hù)(距離保護(hù)和零序保護(hù))存在整定配合困難、遠(yuǎn)后備保護(hù)延時(shí)過長,電網(wǎng)結(jié)構(gòu)或運(yùn)行工況發(fā)生非預(yù)設(shè)性變化可能引發(fā)的拒動(dòng)或誤動(dòng),在大負(fù)荷轉(zhuǎn)移情況下易引發(fā)非預(yù)期連鎖跳閘,造成大面積停電事故等。近年來,智能變電站信息共享技術(shù)和光纖通信技術(shù)的發(fā)展,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)也提出了多種變電站繼電保護(hù)方案。文獻(xiàn)[9]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。鑒于廣域保護(hù)原理、高速通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn),文獻(xiàn)[10]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)[11-12]提出的一種由就地間隔保護(hù)、站域保護(hù)和廣域保護(hù)構(gòu)成的三層次繼電保護(hù)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)以就地間隔保護(hù)為主體、站域保護(hù)與廣域保護(hù)為補(bǔ)充的繼電器保護(hù)框架。文獻(xiàn)[13]提出的一個(gè)保護(hù)控制主站,若干保護(hù)控制子站、就地采集控制設(shè)備及通訊網(wǎng)關(guān)設(shè)備,解決現(xiàn)有保護(hù)與控制系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)全過程協(xié)同優(yōu)化控制的問題。但上述文獻(xiàn)所述廣域保護(hù)均具有不可忽視的缺點(diǎn),在保護(hù)原理架構(gòu)上仍然沿用了以往傳統(tǒng)微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的原理架構(gòu),不同層次間保護(hù)動(dòng)作行為存在相互依賴性。
仍然未能良好解決整定困難、速動(dòng)型差、現(xiàn)場失配可能導(dǎo)致的誤動(dòng)等問題。在實(shí)現(xiàn)方式上體現(xiàn)為保護(hù)信息非常有限,先進(jìn)保護(hù)算法無法應(yīng)用;保護(hù)信息的安全性和實(shí)時(shí)性較低,廣域保護(hù)切除故障時(shí)間過長;與變電站內(nèi)繼電保護(hù)系統(tǒng)相隔離,相互間匹配及協(xié)調(diào)難度大。
本文以系統(tǒng)性思想來重構(gòu)電網(wǎng)整體的保護(hù)與控制系統(tǒng),通過智能變電站技術(shù)共享的原始數(shù)據(jù)源重新進(jìn)行了區(qū)域保護(hù)的原理架構(gòu),全面采用差動(dòng)原理優(yōu)勢消除不同層次間保護(hù)動(dòng)作行為的相互依賴性,并且保護(hù)定值和保護(hù)動(dòng)作時(shí)間整定配合簡單、不存在失配問題;快速差動(dòng)瞬時(shí)最小范圍切除故障、短延時(shí)差動(dòng)作為后備能夠不依賴其它保護(hù)的動(dòng)作行為在短時(shí)間內(nèi)將主保護(hù)動(dòng)作失效影響范圍控制到最小。圖3給出了區(qū)域電網(wǎng)層次化保護(hù)控制系統(tǒng)的配置方案與傳統(tǒng)方案的對比圖。
圖3 區(qū)域電網(wǎng)層次化保護(hù)控制系統(tǒng)的配置方案與傳統(tǒng)方案對比圖
區(qū)域電網(wǎng)層次化保護(hù)與傳統(tǒng)的基于單個(gè)元件保護(hù)的動(dòng)作原理不同,區(qū)域電網(wǎng)層次化保護(hù)控制體系在全面獲取區(qū)域性全景信息的基礎(chǔ)上,能夠從整體或區(qū)域電網(wǎng)的角度同時(shí)實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)和自動(dòng)控制功能,使各層次的保護(hù)和自動(dòng)控制裝置的動(dòng)作匹配性更高,加強(qiáng)對故障后系統(tǒng)的自愈和穩(wěn)定控制具有全局性和可預(yù)見性。隨著我國電網(wǎng)互聯(lián)趨勢的發(fā)展,區(qū)域電網(wǎng)層次化保護(hù)可以克服傳統(tǒng)保護(hù)局部性的局限,能有效地遏制日益頻發(fā)的大規(guī)模電力系統(tǒng)連鎖故障,提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和輸電網(wǎng)絡(luò)的利用率,是提升大型互聯(lián)電網(wǎng)安全性和穩(wěn)定性的有效手段。
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10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.126
盧澤光(1985-),男,本科,助理工程師,主要從事為電力二次設(shè)備運(yùn)檢和管理工作。