成霞 廣東省電力設計研究院

基于智能變電站的廣域控制保護方案實現(xiàn)

成霞 廣東省電力設計研究院

傳統(tǒng)變電站的控制與保護裝置基本上是按照間隔配置的，這主要是由于裝置間無法方便的實現(xiàn)信息共享。智能變電站依托站內高速通信網(wǎng)及發(fā)布/訂閱者通信機制，可以方便的共享信息，這就為實現(xiàn)廣域保護和控制方案提供了條件。本文介紹了智能變電站的概念、基本組成、廣域控制保護的功能、系統(tǒng)結構及現(xiàn)階段的可實施方案。

智能變電站; 廣域保護; 功能; 系統(tǒng)結構

1、智能變電站概述

國家電網(wǎng)公司發(fā)布的《智能變電站技術導則》對于智能變電站描述如下：智能變電站是采用先進、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設備，以全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡化、信息共享標準化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監(jiān)測等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實時自動控制、智能調節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能的變電站。國家電網(wǎng)公司先后部署了兩批智能變電站試點工程，遍及其下屬各個省公司。目前，第一批包含7個智能變電站試點工程，4個已經(jīng)投運；其他3個處在實施建設階段。第二批包含42個新建智能變電站項目和25個改造試點項目，基本都處于技術方案設計和審查階段。

與現(xiàn)有變電站相比，智能變電站具有如下主要優(yōu)勢：

1）可靠：智能變電站具有高可靠性，是調度控制中心決策可靠性和正確性的基礎保證；

2）靈活：控制、保護策略根據(jù)當前運行工況自適應地調整，可優(yōu)化經(jīng)濟運行指標，并提高保護性能；

3）互動：能夠與電源（包括分布式電源）和大用戶等進行實時信息交換，實現(xiàn)協(xié)調運行并提供更好的服務；

4）集成：二次設備（測控、保護、錄波、計量、PMU等）高度集成，進一步降低二次回路復雜性，提高運行管理水平，減少維護工作量；

5）環(huán)保：站內采用低損耗設備，節(jié)約能源，降低污染物和碳排放。

2、智能變電站的基本組成

智能變電站主要由智能一次設備、電子式互感器及自動化系統(tǒng)組成。全站設備支持IEC61850標準，采用高速以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，使用MMS、GOOSE、SV報文實現(xiàn)信息交換數(shù)字化。全站的自動化系統(tǒng)通信體系按三層設備、兩層網(wǎng)絡的模式設計。智能設備在功能邏輯上分為站控層（或稱變電站層）、間隔層和過程層，三層設備之間用分層、分布、開放式的兩層網(wǎng)絡系統(tǒng)實現(xiàn)連接。

圖1 變電站架構示意圖

1）站控層設備

站控層是全站的監(jiān)控、管理中心，具有監(jiān)視與報警、控制與操作、防誤操作閉鎖、順序控制、事件順序記錄及事故追憶、在線計算及制表、自診斷和自恢復、遠動、保護及故障信息管理、與站內智能設備的通信、運行管理、網(wǎng)絡通信記錄分析等基本功能，還應具有站域控制與保護、經(jīng)濟運行優(yōu)化控制、智能告警及事故信息綜合分析決策、廣域保護等高級應用功能。

站控層設備由監(jiān)控系統(tǒng)主機、工程師站、遠動通信裝置、高級應用服務器、在線監(jiān)測管理機等構成，提供站內運行的人機聯(lián)系界面，實現(xiàn)管理控制間隔層、過程層設備等功能，形成全站監(jiān)控、管理中心，并實現(xiàn)與調度通信中心以及集控中心通信。

2）間隔層設備

間隔層設備包括測控裝置、繼電保護裝置、故障錄波裝置、同步相量測量裝置（PMU）、電能計量裝置、安全穩(wěn)定控制裝置以及其它智能接口設備等，通過過程層網(wǎng)絡與智能終端、合并單元等過程層設備通信，獲得采樣值和開關量等信息，并通過站控層網(wǎng)絡與監(jiān)控主機等設備通信。

間隔層由若干個二次子系統(tǒng)組成，在站控層網(wǎng)絡失效的情況下，仍能獨立完成間隔層設備的就地監(jiān)控、保護功能。

3）過程層設備

過程層設備包括智能變壓器、智能斷路器、智能GIS、電子式互感器、合并單元、智能終端等，完成與一次設備相關的功能，完成實時運行電氣量的采集、設備運行狀態(tài)的監(jiān)測、控制命令的執(zhí)行等。

4）兩層網(wǎng)絡

全站的網(wǎng)絡在邏輯功能上分為站控層網(wǎng)絡和過程層網(wǎng)絡，兩層網(wǎng)絡物理上相互獨立。依據(jù)IEC 61850標準，站控層網(wǎng)絡構建為全站統(tǒng)一的MMS網(wǎng)，過程層網(wǎng)絡則包括GOOSE網(wǎng)和SV網(wǎng)。

MMS，即制造報文規(guī)范，是ISO/IEC 9506標準所定義的一套用于工業(yè)控制系統(tǒng)的通信協(xié)議。MMS規(guī)范了工業(yè)領域具有通信能力的智能傳感器、IED、智能控制設備的通信行為，使出自不同制造商的設備之間具有互操作性。GOOSE是一種通用面向對象變電站事件。主要用于實現(xiàn)在多IED之間的信息傳遞，包括調整跳/合閘信號，具有高傳輸成功概率。SV即電氣一次設備的電流、電壓采樣值的傳輸服務，映射方式為IEC 61850-9-2。

站控層設備主要通MMS網(wǎng)實現(xiàn)本層設備之間的橫向通信以及站控層與間隔層設備間的縱向通信，遠動通信裝置則通過IEC 61970規(guī)約和各級調度之間進行通信。間隔層設備通過MMS網(wǎng)與站控層設備進行縱向通信，同時，通過過程層的GOOSE網(wǎng)與本層設備進行橫向通信、通過GOOSE網(wǎng)和SV網(wǎng)與過程層設備進行縱向通信。

3、廣域控制保護及站域控制保護

廣域控制保護可以利用空間多個節(jié)點的同步信息完成對區(qū)域電網(wǎng)多個元件的保護與控制。節(jié)點信息可以是某個元件的電流、電壓，也可以是變電站各元件的運行狀態(tài)。全站級別的保護控制是建立在站域控制基礎之上的。站域控制是指通過對站內信息的集中處理、判斷，實現(xiàn)站內自動控制裝置的協(xié)調工作，適應系統(tǒng)運行方式的要求。在通信和數(shù)據(jù)處理速度滿足要求的情況下，可采用集中式控制裝置，采集站內全部或者部分實時運行數(shù)據(jù)集中運算，基于全站級策略實現(xiàn)控制。

廣域控制保護可實現(xiàn)如下功能：

1）后備保護功能

獨立的后備保護系統(tǒng)采集本變電站元件的電壓和電流信息、斷路器狀態(tài)信息及主保護動作信號，接收相鄰變電站元件的故障方向信息、斷路器狀態(tài)信息及主保護動作信號。根據(jù)實時信息，獨立判別在遠后備范圍內元件的故障，并做出最優(yōu)的跳閘策略。

2）線路/主變過載切負荷功能

根據(jù)本站所帶負荷，按線路輸送容量或主變下送功率確定切負荷量，進而自動選擇負荷線路進線切除。還可以根據(jù)需要實現(xiàn)遠切下一級變電站負荷功能。

將線路過負荷控制功能與后備保護集成在一起，可以避免由于潮流轉移引起線路過載的時候后備保護動作而使緊急控制手段失效。識別出潮流轉移過負荷后，如果允許線路和設備承受合理的短時過負荷，則可以為消除或緩解線路過負荷爭取時間，從而避免連鎖跳閘。

3）頻率電壓緊急控制功能

頻率電壓緊急控制可分為低頻低壓減負荷、失步解列等。智能變電站廣域保護通過網(wǎng)絡采集母線電壓、線路電流電壓、斷路器運行狀態(tài)等，計算系統(tǒng)頻率電壓，按設定好的策略進行邏輯判別后，根據(jù)需要跳閘切除負荷線路。

4）備自投功能

網(wǎng)絡備自投功能是由不同保護對象的間隔層裝置共同完成，由進線測控裝置完成進線開關位置和有流無流判別；由分段測控裝置完成分段開關位置采集；由母線測控裝置完成母線有壓無壓判別；將獲得的信息通過網(wǎng)絡傳輸給主邏輯單元，完成運行方式識別和動作邏輯判斷。邏輯輸出結果可以以GOOSE方式傳輸給分散執(zhí)行單元，完成開關的跳合閘操作。

4、廣域控制保護系統(tǒng)結構

根據(jù)廣域保護系統(tǒng)所完成功能的不同以及各種功能對動作延時、動作范圍和可靠性要求的不同，廣域保護系統(tǒng)可分為集中式和分布式結構形式。

（1）集中式結構

集中式結構是在變電站的每個測量點處都裝設子站設備，在一個變電站或由幾個變電站構成的區(qū)域設置主站設備。

子站完成的功能要有：采集安裝點的模擬量信息和開關量信息，對信息進行簡單的處理，與中央單元通信上傳信息，接收來中央單元的命令信息，根據(jù)接收的命令信息執(zhí)行跳、合開關的操作。

主站單元接收來自多個終端設備的信息，完成廣域保護系統(tǒng)的各種功能，做出保護和控制決策后再經(jīng)通信系統(tǒng)下達至子站設備執(zhí)行。集中式結構實際上只在功能決策環(huán)節(jié)進行了集中，而從信息的采集和通信角度看則屬于分層分布式結構。

（2）分布式結構

在分布式結構中，只在變電站各測量點裝設智能電子設備（IED），不設中央單元。每個IED的地位是平等的，它們完成的功能主要有：

采集安裝點的模擬量信息和開關量信息；

與其它IED進行對等通信；

根據(jù)自身的信息和通過通信系統(tǒng)接收到的來自其它IED的信息做出保護和控制策略：

根據(jù)做出的保護和控制策略執(zhí)行跳、合開關的操作。

在這種結構中保護和控制策略都是以IED為中心完成的，可以設上位機，但它們只對分布式的IED進行管理和監(jiān)視，并不參與保護和控制策略的形成過程。

（3）廣域保護可實施性比較

在集中式結構中，測量、通信和命令執(zhí)行功能被分散到多個子站設備中完成，主站單元只保留決策功能。這種結構對主站單元的依賴程度仍然較高，因此需要對主站單元進行雙機或多機備用配置。在這種結構下，主站單元要通過通信系統(tǒng)獲取各終端設備的信息，做出決策后再由通信系統(tǒng)將控制命令下達至子站設備，這樣如何控制好信息交換的延時就成為影響到廣域保護系統(tǒng)性能的重要因素。

分布式結構將保護和控制功能完全分散到各個IED中完成，它對IED的要求比較高，需要獨立完成信息的采集、通信、算法的執(zhí)行、策略的生成以及跳、合閘命令的執(zhí)行功能。分布式結構的系統(tǒng)受IED故障的影響較小，某個IED故障一般不會影響到整個保護系統(tǒng)的工作，因此除了特別重要的測量點，一般沒有必要對IED進行雙機或多機備用配置。在分布式結構中，只要確定好信息交換的范圍，不會出現(xiàn)信息在IED之間多次往返的情況，因此通信延時不會較長。

分布式結構對于通信要求較高，需要實現(xiàn)安裝各個點與相鄰點之間的通信，通信通道數(shù)量很大，同時分布式結構對IED的要求比較高，因此，在現(xiàn)階段的廣域后備保護中推薦采用集中式結構。

5、 結語

隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴大及電網(wǎng)結構的復雜化，以及智能電網(wǎng)的建設，要求電力系統(tǒng)繼電保護尤其是后備保護具備更好的適應性。本文在分析智能變電站主要功能的基礎上，提出了現(xiàn)階段廣域保護的基本功能及系統(tǒng)結構。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2010.22.064

成霞(1983—)，女，碩士研究生，從事電力系統(tǒng)繼電保護及安全穩(wěn)定控制的規(guī)劃設計工作。