齊昕陽,于同偉，葛維春，盧 巖

(1.大唐韓電(朝陽)新能源有限公司喀左分公司，遼寧 朝陽 122300；2．國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；3．國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006)

傳統(tǒng)保護控制系統(tǒng)以一次設備為對象按功能配置相互獨立的二次設備。變電站內裝置及子系統(tǒng)數(shù)量眾多、運行維護復雜。隨著智能變電站技術發(fā)展，以數(shù)字通信為基礎的二次系統(tǒng)及設備得到了廣泛應用，傳統(tǒng)繼電保護及測控系統(tǒng)的數(shù)字化遷移逐步開展。然而增加的過程層設備進一步增加了設備數(shù)量，提升了系統(tǒng)的復雜程度，以設備為對象的保護配置模式與數(shù)字化技術的適應性問題逐漸凸顯。因此業(yè)界對廣域、區(qū)域、站域保護測控技術的研究與實踐越來越多，為以變電站為對象的保護控制體系發(fā)展奠定了理論基礎，取得了實踐經(jīng)驗。

研究分為兩個方向。一個方向是提高單裝置的集成化水平，對面向設備的保護控制應用進行高度集成[1-5]。雖然保護控制原理和功能配置不變，但集成裝置的運維及同步可靠性問題沒有給出理想的解決方案。另一個方向是面向區(qū)域的廣域保護新原理研究，基于通信網(wǎng)絡獲取信息進行對保護控制進行優(yōu)化[6-11]。廣域信息采集需要重新布設網(wǎng)絡，存在采樣同步、傳輸延時、可靠性及安全性等局限。

本文提出一種以變電站為對象的保護控制架構，利用當前網(wǎng)絡架構，通過采樣與應用的解耦及同步系統(tǒng)可靠性策略，實現(xiàn)保護控制應用在集中式保護測控系統(tǒng)平臺的靈活部署，實現(xiàn)集中式保護控制設備的靈活便利運維，同時也可作為廣域保護的基本組成單元。一種高集成度集中式保護測控方案于2012年在某220 kV變電站示范應用，目前為止運行穩(wěn)定。該工程采用磁光玻璃互感器，比典型設計方案建筑面積減少51.2%，二次屏柜數(shù)量減少62.5%，保護控制設備數(shù)量減少78.5%[12]。

1 以變電站為對象的保護控制架構

傳統(tǒng)的繼電保護以設備為對象，采集設備各側信息獨立完成故障后的隔離。新一代智能變電站的站域保護控制對象是站內變壓器、母線，故障設備隔離后實現(xiàn)備用電源自動切換。本文提出的以變電站為對象的保護控制覆蓋變電站內母線、變壓器及輸電線路的區(qū)域，如圖1所示。

從功能上涵蓋元件保護和站域優(yōu)化控制。由以變電站為對象的保護控制單元組成的電網(wǎng)保護控制系統(tǒng)的概念，體現(xiàn)在以下幾個方面。

a.在拓撲上以線路為交互，基于現(xiàn)有通信通道的部署與網(wǎng)絡架構實現(xiàn)電網(wǎng)的自然及無縫覆蓋，構成立體結構如圖2所示。無需考慮系統(tǒng)規(guī)劃、調度、運行方式、安全穩(wěn)定控制、保護通信等設計的特定要求，工程實施便利。

b.保護區(qū)域內同步采樣。線路間隔采用兩套

相互獨立的采樣控制，一套與本站同步另一套與對站同步，解決不同保護系統(tǒng)間同步競爭問題，在衛(wèi)星等全網(wǎng)時鐘源失效后不影響差動保護的正常工作，如圖3所示。

c.智能化控制跳閘出口策略。支持多個保護應用冗余運行，根據(jù)其運行狀態(tài)及工作狀態(tài)，智能化選擇串并行跳閘出口策略，如圖4所示。冗余運行時串行出口，提高系統(tǒng)防誤動水平，支持靈活運行方式。

d.保護控制應用的靈活部署。平臺化裝置由就地化及集中式裝置組成。既可實現(xiàn)縱向集成，又可實現(xiàn)橫向融合，還能支持動態(tài)重構及冗余配置。既支持傳統(tǒng)保護體系部署，又支持廣域保護體系部署。能夠根據(jù)用戶需求及技術的發(fā)展靈活部署保護控制應用。

e.集中式裝置冗余配置支持便捷靈活運維。對集中式裝置進行維護時，分別對冗余配置的裝置進行維護，將其切換到檢修模式或者退出運行。雖然冗余配置增加了運維工作量，但運維復雜度降低的同時，保證了系統(tǒng)的連續(xù)運行。

2 集中式保護測控系統(tǒng)平臺

集中式保護測控系統(tǒng)平臺是以變電站為對象保護控制架構的軟硬件平臺。設備由集中式保護測控裝置、綜合智能裝置、時鐘及交換機組成，按照站控層、間隔層和過程層分布，由站控層和過程層網(wǎng)絡連接。間隔層配置集中式保護測控裝置，過程層配置綜合智能裝置，如圖5所示。

每臺斷路器配置綜合智能終端，采集一次設備的模擬及狀態(tài)量信息，控制斷路器等開關的分合。線路間隔斷路器通過縱聯(lián)通道采集線路對側斷路器模擬及狀態(tài)量信息。綜合智能終端接入同一網(wǎng)絡交換采集及控制信息。保護控制應用程序通過對區(qū)域內綜合智能終端的信息監(jiān)測與控制實現(xiàn)一次設備的故障后的隔離以及斷路器失靈后的擴大范圍隔離，實現(xiàn)安全穩(wěn)定控制，支持廣域控制。保護控制應用程序可以部署于接入同一網(wǎng)絡的集中式保護測控裝置，也可以部署于綜合智能終端?？紤]與現(xiàn)有系統(tǒng)的兼容及過渡，保護控制應用可以是面向設備的分布式保護與控制，也可以是面向變電站、面向電網(wǎng)的集中式保護與控制。因此不論是綜合智能終端還是集中式保護測控裝置都是保護控制應用的平臺，支持其靈活部署。本文僅以傳統(tǒng)保護測控應用的高集成度部署為例介紹以變電站為對象的保護控制系統(tǒng)實現(xiàn)方法。

集中式保護測控系統(tǒng)平臺提供高速網(wǎng)絡通信、高可靠同步采樣、高性能實時計算能力，能夠實現(xiàn)傳統(tǒng)保護測控的高度集成，也能夠實現(xiàn)集中式保護控制。

3 關鍵技術

3.1 集中式保護測控技術

保護控制應用靈活部署，采用基于多模塊獨立編譯、自動加載、重定位技術。例如，可遵循IEC 61850標準，將目前變電站內多臺間隔層IED集中在1臺IED上完成。每個IED被抽象成為1個邏輯保護、測控單元，簡稱邏輯設備(LD)，每個LD保持功能上的相對獨立性并通過統(tǒng)一的通信接口與其他設備進行交互。

集中式保護測控裝置將數(shù)十臺保護、測控裝置功能集成在1臺裝置中，簡化了系統(tǒng)結構，降低建設及運維成本。在單設備故障率相同的條件下，大大降低了保護控制系統(tǒng)的故障率。

3.2 綜合智能終端技術

實現(xiàn)一次設備智能化。集成同步采樣、斷路器控制及光纖縱差接口功能，實現(xiàn)本、對側線路同步采樣。采用雙出口繼電器智能策略，支持2臺冗余設備的串行出口，提高防誤動水平。支持保護控制功能的靈活部署。

綜合智能終端實現(xiàn)線路雙側同步采樣，支持集中式保護測控裝置的雙套冗余，支持冗余設備在運行及檢修狀態(tài)下的多種運行方式，具有高可靠性的同步策略，是解決網(wǎng)絡采樣跳閘、運行可靠性問題的重要基礎。

3.3 網(wǎng)絡技術

在綜合比較PRP冗余雙網(wǎng)、HSR無縫環(huán)網(wǎng)及軟件定義網(wǎng)絡技術的性能、成本、技術成熟度及運維便利性后，在工程中以簡單的星型網(wǎng)絡結構為宜。在兩級交換網(wǎng)絡下，終端交換機與中心交換機以千兆速率連接。SV、GOOSE、1588報文共網(wǎng)傳輸，用靜態(tài)VLAN技術實現(xiàn)采樣值報文隔離，采樣值報文的綜合延時為66.5～169.5 μs。

3.4 三級時鐘配置及無縫切換技術

時鐘系統(tǒng)可靠性是網(wǎng)絡同步采樣的基礎。提出“主時鐘+備用時鐘+交換機邊界時鐘”高可靠性對時方案，即使主、備時鐘同時故障，主干網(wǎng)交換機的邊界時鐘也可保障全站設備的對時和同步。時鐘系統(tǒng)示意圖如圖6所示。

時鐘本身的時間跳變、時鐘切換過程中的時間跳變都會導致所有依賴同步的保護應用閉鎖，因此提出時鐘系統(tǒng)無縫切換及時間緩調技術。時鐘采用多源選用策略，采用北斗、GPS雙衛(wèi)星源，并且通過B碼實現(xiàn)主備鐘互備。另外配置專用PTP用于時鐘系統(tǒng)恢復時接收外部的時鐘。主時鐘多源選用策略按照優(yōu)先級順序由高至低依次為：PTP(外部時鐘源接入時)、北斗、GPS、B碼、本地時鐘。備用時鐘多源選用策略按照優(yōu)先級順序由高至低依次為：PTP、B碼、北斗、GPS、本地時鐘。

正常運行時主備時鐘裝置優(yōu)先級分別設置為1和2,220 kV主干網(wǎng)交換機時鐘模式設置為OC+TC模式(邊界時鐘模式)，優(yōu)先級設置為128，其余交換機的優(yōu)先級設置為255。

當時鐘裝置故障排除后需要恢復正常運行時，操作步驟如下。

a.斷開時鐘裝置的輸出光纖，保證時鐘裝置無1588輸出。

b.連接時鐘裝置的PTP至主干網(wǎng)交換機，將交換機時間同步到時鐘裝置并觀察時鐘的運行狀態(tài)從SLAVE變成MASTER，此時時鐘裝置已經(jīng)與主干網(wǎng)交換機完全同步。

c.恢復時鐘裝置的輸出光纖，此時站內裝置將選擇主時鐘為“最佳主鐘”，由于時鐘裝置已經(jīng)與主干網(wǎng)交換機實現(xiàn)了同步，因此這個切換過程時鐘未發(fā)生跳變。

d.斷開時鐘裝置的PTP，此時時鐘裝置將逐步調整到衛(wèi)星的時間，其中秒以上誤差可以1個對時周期完成修正，秒以下的誤差每個對時周期調整500 ns，保證全站時間不發(fā)生跳變。

3.5 高可靠性對時技術

設備的對時可靠性是網(wǎng)絡同步采樣的前提。時鐘系統(tǒng)的時間跳變導致同步采樣時刻的重新調整，中斷相關差動保護的連續(xù)運行。雖然本方案的三級時鐘系統(tǒng)不會發(fā)生時間跳變，但仍存在誤操作及交換機駐留時間錯誤造成的時間跳變風險。因此提出一種高可靠性設備對時及同步方案，具備躲過持續(xù)10 min以下的時鐘異常能力，形成與高可靠時鐘系統(tǒng)配合的雙重保險，保障設備同步的連續(xù)性。具體策略見圖7。

圖7中狀態(tài)轉換的條件如下。

a.連續(xù)10個對時周期，授時源時間均勻性誤差小于3 μs，調整采樣時刻，連續(xù)64個對時周期授時源時間均勻性誤差小于3 μs，進入同步狀態(tài)的跟隨狀態(tài)。

b.MU時間與授時源絕對時間誤差大于10 μs(1次錯誤對時)，守時狀態(tài)，啟動守時計時器。

c.連續(xù)10幀對時報文與MU絕對時間差小于等于10 μs，守時計時器清零，關閉計時器。

d.定時計時器計時大于等于10 min，進入失步狀態(tài)。

e.連續(xù)10幀報文與MU絕對時間差大于10 μs且時間均勻性小于3 μs，進入失步狀態(tài)。

3.6 統(tǒng)一同步采樣技術

母線、變壓器差動保護依賴三級時鐘及可靠對時策略下的各間隔綜合智能終端的同步采樣，按照采樣序號對齊即可使用。

線路差動保護功能不依賴時鐘系統(tǒng)，時鐘系統(tǒng)失效后仍正常工作。綜合智能裝置通過乒乓算法調整采樣時刻實現(xiàn)線路雙端同步采樣，雙端采樣數(shù)據(jù)整合為一組采樣值。集中式保護裝置接收到各個智能裝置發(fā)送的采樣數(shù)據(jù)已包含所有線路雙端的同步采樣數(shù)據(jù)，因此無需同步即可使用。

網(wǎng)絡采樣的可靠性問題是通過三級時鐘系統(tǒng)、對時可靠性技術、綜合智能終端與線路對側同步采樣技術間的相互配合解決的。

3.7 便捷運維技術

集中式保護控制裝置在運行過程中存在發(fā)生故障或異常需要退出運行的情況，因此集中式保護測控系統(tǒng)工程應用中需要冗余配置。冗余的2臺裝置配置完全一致，接入同一個過程層網(wǎng)絡，控制同一臺綜合智能終端。存在3種運行方式：2臺裝置同時運行狀態(tài)；1臺裝置運行狀態(tài)，另1臺裝置檢修狀態(tài)；1臺裝置的某一個間隔保護檢修狀態(tài)其他間隔保護運行狀態(tài)，另1臺裝置對應間隔保護運行狀態(tài)其他間隔檢修狀態(tài)。不論是集中式保護測控裝置硬件及軟件系統(tǒng)檢修，還是某一個間隔保護功能單獨檢修，都可通過上述3種運行方式完成。一個集中式保護控制裝置檢修不影響保護控制功能的完整性，如圖8所示。

集中式保護測控系統(tǒng)的冗余方案與高壓直流系統(tǒng)控制保護的3取2模式有相似之處，既降低誤動概率又能夠滿足運維過程中與其他間隔或者其他功能的物理隔離，運維工作量小，配件管理及儲備大幅減少，實現(xiàn)全生命周期的低成本。

4 工程示范

在某220 kV變電站進行工程示范?？紤]一次設備運行方式的特點，將變電站的控制保護目標劃分為4部分。全部220 kV線路、全部66 kV線路、220 kV母線和主變壓器(含母聯(lián))、66 kV母線(含電容器、所用變、母聯(lián))。

雙重化配置220 kV線路集中式保護測控裝置(本期4條，遠期8條)，每重冗余配置2臺裝置。雙重化配置66 kV線路集中式保護測控裝置(本期12條，遠期26條)，每重1臺裝置。雙重化配置220 kV元件集中式保護裝置(母線、主變壓器、母聯(lián))，每重冗余配置2臺裝置。雙重化配置66 kV元件集中式保護測控裝置(母線、電容器、所用變、母聯(lián))。全站保護控制屏柜共3面。

工程實施后經(jīng)過統(tǒng)計與同規(guī)模常規(guī)智能變電站的對比效益數(shù)據(jù)見表1。

表1 對比效益 %

該站運行6年來經(jīng)歷了6次線路故障，均正確動作，包含斷路器動作的整組動作時間見表2。

表2 整組動作時間

5 結束語

以變電站為對象的保護控制平臺充分利用了數(shù)字化采樣帶來的信息共享，大幅減少保護、測控設備數(shù)量。雙套冗余不僅提高了防誤動水平還實現(xiàn)了無縫及便利運維。實際工程的連續(xù)運行證實了以變電站為對象的保護控制架構的可行性、可靠性及實用性。示范應用變電站于2016年底完成2條66 kV線路擴建，擴建過程簡單便捷。隨著不同部署方式以及新型集中式保護控制應用的實踐，隨著就地化、網(wǎng)絡及安全技術的成熟，以變電站為對象的保護控制技術將推動智能電網(wǎng)技術發(fā)展。