李杰祎

(廣州市電力工程設(shè)計(jì)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(dòng)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(guò)就地檢測(cè)量和延時(shí)實(shí)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(yùn)行方式發(fā)生頻繁和大幅改變時(shí)，易導(dǎo)致后備保護(hù)動(dòng)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(kāi)關(guān)或主保護(hù)拒動(dòng)，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(yùn)行。

目前廣州電網(wǎng)按三道防線加備自投的配置原則來(lái)作為保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)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(dú)立，信息不共享的孤立系統(tǒng)。在故障發(fā)生時(shí)，各級(jí)裝置之間無(wú)法協(xié)調(diào)配合，會(huì)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(méi)有統(tǒng)一的概念，文獻(xiàn)[2][3]把廣域保護(hù)分位兩類(lèi)；第一類(lèi)是以廣域測(cè)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(lèi)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(yùn)行的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)屬于第二類(lèi)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(dòng)作原理、動(dòng)作時(shí)間不相同，故障發(fā)生時(shí)，它們之前的相互影響可能會(huì)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(cè)量技術(shù)

同步相量測(cè)量技術(shù)是在高精度衛(wèi)星時(shí)鐘信號(hào)的同步下，測(cè)量電網(wǎng)的電壓電流相量，通過(guò)高速通信網(wǎng)絡(luò)把帶有時(shí)標(biāo)的相量傳送到主站，為電網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、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(gè)子站廣域測(cè)量設(shè)備的A/D采樣數(shù)據(jù)按標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘同步采樣，不論有多少個(gè)采樣點(diǎn)，所測(cè)的數(shù)據(jù)均能打上精確時(shí)標(biāo)(誤差不大于1微秒)，使得全網(wǎng)統(tǒng)一時(shí)刻數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)、統(tǒng)計(jì)分析實(shí)時(shí)精確計(jì)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(shí)時(shí)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(shí)僅為幾十毫秒的SDH，ATM等協(xié)議的光纖通信，能夠?yàn)殡娏ο到y(tǒng)中的實(shí)時(shí)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(cè)量技術(shù)及實(shí)時(shí)通信技術(shù)的提升為廣域保護(hù)所必須的實(shí)時(shí)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(gè)電網(wǎng)分成若干區(qū)域，每個(gè)區(qū)域以某個(gè)變電站為中心，除中心外的其他站稱(chēng)為該變電站的子站。各變電站采集本站內(nèi)所有IED測(cè)量信息及開(kāi)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(jiàn)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(kù)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(jì)算判斷，對(duì)各站模擬和開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，記錄有關(guān)數(shù)據(jù)，并存入數(shù)據(jù)庫(kù)。一般包括EMS、數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和電網(wǎng)安全穩(wěn)定監(jiān)測(cè)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(cè)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(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，包括繼電保護(hù)和安全自動(dòng)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(gè)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(gè)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(lài)通信的基于電流差動(dòng)或縱聯(lián)比較原理的單元快速保護(hù)和不依賴(lài)通信的基于本地信息的快速I(mǎi)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(diǎn)信息的比較而不是動(dòng)作時(shí)間上的配合來(lái)保證后備保護(hù)的選擇性，從而達(dá)到縮短后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)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(dú)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(guò)區(qū)域間信息的交互，完成原來(lái)保護(hù)系統(tǒng)不能完成的功能，其不能替代原來(lái)的保護(hù)功能，是在其基礎(chǔ)上對(duì)原來(lái)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(shí)，對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行隔離，在沒(méi)有其他變電站的信息交互時(shí)，仍按傳統(tǒng)的定值大小，動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)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(dòng)作閉鎖原先重合閘的回路，兩個(gè)系統(tǒng)間無(wú)其他通過(guò)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(shí)，將本身系統(tǒng)進(jìn)行閉鎖，不影響原來(lái)的保護(hù)系統(tǒng)，僅是增加的性能有所缺失，同樣的，原來(lái)的保護(hù)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，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(huì)因?yàn)橐粋€(gè)保護(hù)裝置的失效而緊急停運(yùn)一次設(shè)備，大大提高了供電的可靠性。兩個(gè)系統(tǒng)既相互獨(dú)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(dú)立性，不會(huì)因?yàn)橄嗷ビ绊憣?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(shí)際運(yùn)行需求來(lái)配置整個(gè)荔城片網(wǎng)的廣域保護(hù)系統(tǒng)。廣域系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)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(gè)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(shí)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(guò)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(guò)IEC61850－9－2協(xié)議上送到控制子站PCS－998S，同時(shí)與區(qū)域控制子站PCS－998S以GOOSE方式進(jìn)行開(kāi)入開(kāi)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(guò)SDH通信網(wǎng)出站，同時(shí)通過(guò)SDH通信網(wǎng)接收其它站來(lái)的GOOSE信號(hào)，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(hào)以GOOSE方式下送到執(zhí)行裝置PCS－222EA，PCS－222EA轉(zhuǎn)為接點(diǎn)方式輸出，并接入傳統(tǒng)跳合閘回路實(shí)現(xiàn)跳合閘操作。

在控制主站和各個(gè)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(gè)2M電接口，用于以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)

區(qū)域保護(hù)的設(shè)計(jì)和安裝為一套獨(dú)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(jì)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(dòng)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(shí)現(xiàn)站內(nèi)母差保護(hù)，并可通過(guò)站間GOOSE通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)跳對(duì)側(cè)開(kāi)關(guān)功能(對(duì)于有“T”分支線路，只遠(yuǎn)跳對(duì)側(cè)為本次改造七個(gè)站范圍內(nèi)的線路開(kāi)關(guān))；

根據(jù)主變各側(cè)電流實(shí)現(xiàn)就地主變保護(hù)差動(dòng)保護(hù)(無(wú)后備保護(hù))；

借助區(qū)域SDH網(wǎng)傳輸允許信號(hào)實(shí)現(xiàn)線路主保護(hù)。

在線路兩側(cè)裝設(shè)線路保護(hù)(對(duì)應(yīng)PCS－998S裝置中的一個(gè)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(dòng)作，則借助區(qū)域網(wǎng)絡(luò)向?qū)?cè)發(fā)送允許信號(hào)。保護(hù)裝置根據(jù)接收的允許信號(hào)，結(jié)合自己距離保護(hù)Ⅱ段元件的動(dòng)作情況，實(shí)現(xiàn)全線快速跳閘。即借助區(qū)域網(wǎng)絡(luò)通道，在無(wú)需建立專(zhuān)用縱聯(lián)通道的情況下，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)線路保護(hù)的全線速動(dòng)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(shí)現(xiàn)區(qū)域主保護(hù)功能，見(jiàn)圖3。

圖3 無(wú)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(shí)采樣、實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)判別、實(shí)時(shí)控制”的思路來(lái)實(shí)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(dòng)化的備用電源自投系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性相對(duì)較差、數(shù)據(jù)發(fā)生時(shí)刻的時(shí)序關(guān)系不準(zhǔn)確等的問(wèn)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(gè)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(shí)現(xiàn)各自站內(nèi)的站域備自投功能，220kV荔城站主站實(shí)現(xiàn)區(qū)域備自投功能。這種分層設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于：概念清晰，功能相對(duì)獨(dú)立。

各個(gè)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(kāi)關(guān)的位置信號(hào)(跳閘位置和KKJ)。各個(gè)區(qū)域控制子站將各自采集的電流電壓和相關(guān)開(kāi)關(guān)位置信號(hào)以1.667ms的間隔實(shí)時(shí)發(fā)送給控制主站，一旦發(fā)生線路跳閘，立即將跳閘信號(hào)實(shí)時(shí)發(fā)送給控制主站?？刂浦髡颈４嬗姓麄€(gè)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(shí)，開(kāi)環(huán)點(diǎn)變電站的常規(guī)備自投裝置可能會(huì)先動(dòng)作跳開(kāi)本站主供線路，合上原開(kāi)環(huán)的備用開(kāi)關(guān)。這對(duì)于區(qū)域備自投來(lái)說(shuō)，為了恢復(fù)原開(kāi)環(huán)點(diǎn)站的上級(jí)變電站的供電，需要再次合被原開(kāi)環(huán)點(diǎn)變電站的常規(guī)備自投裝置動(dòng)作跳開(kāi)的開(kāi)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(dòng)作條件時(shí)，區(qū)域備自投動(dòng)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(duì)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(shí)時(shí)匹配。而對(duì)于復(fù)雜的大電網(wǎng)事故時(shí)各種不穩(wěn)定事件在一定條件下會(huì)相互轉(zhuǎn)化，使不穩(wěn)定狀態(tài)呈現(xiàn)多種可能，依賴(lài)預(yù)先設(shè)定的控制策略的廣域保護(hù)系統(tǒng)會(huì)在多重故障時(shí)發(fā)生匹配失效。

基于電網(wǎng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的廣域保護(hù)不需要檢測(cè)具體事件，能夠分析大電網(wǎng)的各種運(yùn)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(guò)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(duì)不可預(yù)知的事件引起的穩(wěn)定問(wèn)題，因此基于電網(wǎng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的廣域保護(hù)應(yīng)該是未來(lái)系統(tǒng)保護(hù)的發(fā)展方向。

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