張 堯，陳福鋒，陳 實(shí)

(1.國電南京自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 南京 210032；2.南京國電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，江蘇 南京 211153)

智能變電站層次化繼電保護(hù)配置優(yōu)化的探討

張 堯1，2，陳福鋒1，2，陳 實(shí)1，2

(1.國電南京自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 南京 210032；2.南京國電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，江蘇 南京 211153)

討論了目前智能變電站中層次化繼電保護(hù)系統(tǒng)的配置方式，就目前就地保護(hù)配置復(fù)雜、保護(hù)整定繁復(fù)、后備保護(hù)逐級(jí)配合時(shí)間長(zhǎng)、站域保護(hù)工程應(yīng)用不便等多方面的問題，提出了就地保護(hù)的部分后備保護(hù)功能向站域保護(hù)、區(qū)域保護(hù)遷移的配置策略；并基于一次設(shè)備建模、變電站信息交互來實(shí)現(xiàn)就地保護(hù)定值自動(dòng)整定、與就地保護(hù)協(xié)同的站域后備保護(hù)的思路和實(shí)例，降低現(xiàn)有繼電保護(hù)信息流的橫向耦合，簡(jiǎn)化就地保護(hù)配置，提升站域后備保護(hù)性能。

智能變電站；層次化繼電保護(hù)；一次設(shè)備建模；自動(dòng)整定；協(xié)同

0 引 言

特高壓交直流工程建設(shè)和分布式新能源的快速發(fā)展，給電網(wǎng)調(diào)度、運(yùn)行和控制帶來前所未有復(fù)雜性，對(duì)于繼電保護(hù)而言也會(huì)面臨極大的挑戰(zhàn)[1]。在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化的同時(shí)，中國變電站近年來經(jīng)歷了從傳統(tǒng)變電站到數(shù)字化變電站、智能變電站、新一代智能變電站等階段的發(fā)展[1]。對(duì)于繼電保護(hù)，最顯著的變化是傳統(tǒng)模擬量、電平信號(hào)等開關(guān)量的輸入輸出方式變?yōu)榱藬?shù)字化的SV(數(shù)字化采樣)數(shù)據(jù)和GOOSE(面向通用對(duì)象的變電站事件)信號(hào)[2]。但除了針對(duì)采樣數(shù)據(jù)品質(zhì)、GOOSE信號(hào)品質(zhì)的處理外，從功能配置上智能變電站的保護(hù)與傳統(tǒng)保護(hù)沒有太大的差異，在原理上更沒有較大的變化。

在新一代智能變電站試點(diǎn)建設(shè)過程中，提出了層次化繼電保護(hù)系統(tǒng)，把現(xiàn)有的繼電保護(hù)劃分為就地級(jí)保護(hù)，增加了站域級(jí)、廣域級(jí)保護(hù)控制系統(tǒng)，站域保護(hù)集成了部分安全自動(dòng)裝置的功能；并對(duì)單套保護(hù)做了冗余配置，但就地級(jí)保護(hù)還是按照目前的配置方式[3]。文獻(xiàn)[4]提出了就地保護(hù)僅配置主保護(hù)的方式，并配置站域集中式后備保護(hù)的方案。文獻(xiàn)[5]提出了分布式站域保護(hù)，通過多數(shù)據(jù)源提高站域保護(hù)的可靠性；另外，對(duì)于站域后備保護(hù)的實(shí)現(xiàn)原理還提出其他一些方式[6-8]。

目前對(duì)于層次化繼電保護(hù)的研究和應(yīng)用，主要集中在站域后備保護(hù)原理方面，對(duì)于就地保護(hù)功能配置的優(yōu)化以及運(yùn)維便捷提及的較少；同時(shí)當(dāng)站域后備保護(hù)的范圍擴(kuò)大后，如何保證其可靠性也是難題之一。

在傳統(tǒng)變電站中，裝置間的數(shù)據(jù)獲取是通過大量的二次電纜來實(shí)現(xiàn)，過多的信息交互勢(shì)必造成二次回路復(fù)雜，系統(tǒng)可靠性降低。智能變電站采用了IEC 61850規(guī)約后，其最大的優(yōu)點(diǎn)是信息共享，智能變電站內(nèi)的站控層、過程層網(wǎng)絡(luò)是能夠讓站內(nèi)任何一個(gè)設(shè)備獲得全站信息，結(jié)合線路縱聯(lián)通道還可獲取對(duì)側(cè)變電站的信息；同時(shí)在IEC 61850規(guī)約良好的互操作性下，智能變電站信息交互具備良好的基礎(chǔ)[3]。

下面就智能變電站，將現(xiàn)有的繼電保護(hù)功能分類，并重新分布到層次化繼電保護(hù)系統(tǒng)中；簡(jiǎn)化就地保護(hù)功能，方便工程運(yùn)維，利用就地保護(hù)和站域保護(hù)的協(xié)同以及智能變電站信息交互的優(yōu)勢(shì)提升站域保護(hù)性能；并就功能擴(kuò)充后可能帶來的可靠性問題提出解決方案。

1 現(xiàn)有智能變電站繼電保護(hù)配置

1.1 線路保護(hù)

如圖1所示，目前電網(wǎng)通常配置的線路保護(hù)根據(jù)保護(hù)范圍主要包括：1)主保護(hù)(縱聯(lián)保護(hù)/距離Ⅰ段)；2)近后備保護(hù)(距離Ⅱ段/零序Ⅱ段)；3)鄰線遠(yuǎn)后備保護(hù)(距離Ⅲ段/零序Ⅲ段)。由于距離Ⅲ段和零序Ⅲ段在通常整定中按照系統(tǒng)穩(wěn)定要求來整定，實(shí)際上鄰線與無后備保護(hù)是作為系統(tǒng)穩(wěn)定的后備來使用。由于近后備保護(hù)和鄰線后備保護(hù)的保護(hù)范圍會(huì)涉及到相鄰設(shè)備，因此在整定中必須與相鄰設(shè)備的后備保護(hù)在時(shí)間上配合，避免越級(jí)跳閘。

圖1 現(xiàn)有線路保護(hù)功能配置示意圖

1.2 變壓器保護(hù)

如圖2所示，變壓器保護(hù)主要包括：1)主保護(hù)(差動(dòng)保護(hù))；2)近后備保護(hù)(阻抗保護(hù)、間隙保護(hù)、過流和零序保護(hù)的方向段);3)遠(yuǎn)后備保護(hù)(過流和零序保護(hù)末段)。其中近后備保護(hù)主要作為主保護(hù)的后備保護(hù)，保護(hù)范圍通常不超過主保護(hù)范圍，對(duì)于過流保護(hù)和零序保護(hù)在實(shí)際整定中往往為了保證相鄰設(shè)備末端在最小運(yùn)行方式有足夠的靈敏度，也是按照保護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定的系統(tǒng)級(jí)后備保護(hù)。

圖2 現(xiàn)有變壓器保護(hù)功能配置示意圖

1.3 母線保護(hù)

如圖3所示，母線保護(hù)主要包括：1)主保護(hù)(差動(dòng)保護(hù))；2)失靈保護(hù)。母線保護(hù)通常不配置后備保護(hù)，依靠線路保護(hù)、變壓器保護(hù)的后備保護(hù)來作為母線保護(hù)的遠(yuǎn)后備，母線上各間隔斷路器的失靈保護(hù)通常均由母線保護(hù)完成。

圖3 現(xiàn)有母線保護(hù)功能配置示意圖

1.4 現(xiàn)有配置的一些不足

1)后備保護(hù)逐級(jí)配合

線路保護(hù)和變壓器保護(hù)均配置了相鄰設(shè)備的遠(yuǎn)后備保護(hù)以及作為系統(tǒng)穩(wěn)定安全的系統(tǒng)級(jí)后備保護(hù)，這就需要在時(shí)間上與鄰線或下級(jí)設(shè)備的后備保護(hù)進(jìn)行配合，尤其對(duì)于變壓器后備保護(hù)涉及的下級(jí)設(shè)備較多，又作為整個(gè)變電站主要的后備保護(hù)，造成變壓器后備保護(hù)配置復(fù)雜，在多側(cè)電源的情況下難以整定，甚至出現(xiàn)近后備動(dòng)作時(shí)間大于設(shè)備熱穩(wěn)時(shí)間，對(duì)設(shè)備安全運(yùn)行造成較大的風(fēng)險(xiǎn)。

2)就地保護(hù)間橫向耦合

由于母線上各間隔的失靈保護(hù)通常都配置在母線保護(hù)中，也就使得母線保護(hù)和各間隔線路保護(hù)、變壓器保護(hù)之間需要相對(duì)復(fù)雜的聯(lián)閉鎖信號(hào)，在實(shí)際運(yùn)維中，這也是智能變電站就地保護(hù)虛端子配置復(fù)雜以及保護(hù)設(shè)備檢修時(shí)安全措施不便的原因之一。

3)后備保護(hù)決策依據(jù)不足

對(duì)于線路保護(hù)、變壓器保護(hù)配置的后備保護(hù)范圍遠(yuǎn)大于主保護(hù)范圍，但受制于保護(hù)安裝處的測(cè)量信息，無法感知系統(tǒng)實(shí)際的運(yùn)行方式及相鄰設(shè)備電氣特征，因此也難以保證在不同運(yùn)行方式下準(zhǔn)確動(dòng)作，例如線路距離Ⅲ段等。

2 層次化繼電保護(hù)的優(yōu)化配置方案

2.1 保護(hù)功能的優(yōu)化分布原則

根據(jù)保護(hù)范圍、是否需要相互配合、綜合決策信息來源等因素將就地保護(hù)中原有的主保護(hù)、后備保護(hù)功能在層次化繼電保護(hù)系統(tǒng)中進(jìn)行重新組態(tài)。

1)就地保護(hù)

就地保護(hù)配置被保護(hù)對(duì)象的主保護(hù)、近后備保護(hù)及設(shè)備安全的后備保護(hù)，盡可能避免就地保護(hù)之間的橫向連接；在保護(hù)功能上就地保護(hù)不涉及與相鄰設(shè)備后備保護(hù)在時(shí)間或者空間上的配合，如圖4所示。

圖4 就地保護(hù)配置優(yōu)化保護(hù)范圍示意圖

2)站域保護(hù)

站域保護(hù)與就地保護(hù)之間形成縱向連接。由于變電站內(nèi)主要設(shè)備的后備保護(hù)大多配置在變壓器后備保護(hù)中，因此站域保護(hù)以原有變壓器相關(guān)后備保護(hù)為主體，形成變電站高壓側(cè)母線以下設(shè)備的站域后備保護(hù)；并將原有就地保護(hù)間橫向耦合的功能配置到站域保護(hù)中。

3)區(qū)域(廣域)保護(hù)

就地保護(hù)中需要相鄰變電站及系統(tǒng)運(yùn)行方式等信息后才能更合理地決策保護(hù)功能，例如線路距離Ⅲ段保護(hù)、零序Ⅲ段保護(hù)、變壓器零序末段功能等配置到區(qū)域(廣域)保護(hù)。

2.2 保護(hù)功能的優(yōu)化分布方案

圖5 保護(hù)功能優(yōu)化配置示意圖

如圖5所示的典型變電站接線及保護(hù)配置，線路就地保護(hù)僅設(shè)置縱聯(lián)保護(hù)和距離Ⅰ段，將原有就地線路保護(hù)中的相鄰設(shè)備的遠(yuǎn)后備如距離Ⅱ段、距離Ⅲ段、零序保護(hù)等，在實(shí)際應(yīng)用中受系統(tǒng)運(yùn)行方式影響、保護(hù)整定配合相對(duì)復(fù)雜、過負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下存在風(fēng)險(xiǎn)的功能布置到區(qū)域(廣域)保護(hù)中，利用區(qū)域(廣域)保護(hù)獲取的其他變電站數(shù)據(jù)信息和運(yùn)行方式參數(shù)信息進(jìn)行綜合決策。

變壓器就地保護(hù)中僅設(shè)置差動(dòng)保護(hù)、間隙保護(hù)或者作為變壓器近后備的阻抗保護(hù)，各側(cè)后備中配置的下級(jí)設(shè)備后備的功能如過流保護(hù)、零序保護(hù)等配置到站域保護(hù)中。

母線保護(hù)中僅設(shè)置差動(dòng)保護(hù)，各間隔失靈保護(hù)配置到站域保護(hù)中，減少就地保護(hù)之間的聯(lián)閉鎖。

按照上述配置方式后，就地保護(hù)無需與其他保護(hù)配合；同時(shí)就地保護(hù)之間不存在橫向連接，使得就地保護(hù)配置獨(dú)立、功能簡(jiǎn)化，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)少維護(hù)。站域保護(hù)以變壓器后備保護(hù)為主體，利用智能變電站站內(nèi)交互提高保護(hù)性能。

3 信息交互實(shí)現(xiàn)保護(hù)優(yōu)化

3.1 就地保護(hù)定值的自動(dòng)整定

由于就地保護(hù)僅配置了被保護(hù)對(duì)象的全線速動(dòng)功能，保護(hù)功能大大簡(jiǎn)化，可以利用智能變電站信息交互來實(shí)現(xiàn)保護(hù)定值的自動(dòng)整定。

定值整定通常需要一次設(shè)備參數(shù)，根據(jù)整定原則設(shè)置定值項(xiàng)，再通過系統(tǒng)運(yùn)行方式參數(shù)校驗(yàn)其靈敏度是否符合要求。整定原則一般是固定的，因此如果保護(hù)能夠自主獲取一次設(shè)備參數(shù)和最小系統(tǒng)運(yùn)行方式的短路參數(shù)，就能夠?qū)崿F(xiàn)定值的自動(dòng)整定。

在IEC 61850-7-4中，定義了主要一次設(shè)備的邏輯節(jié)點(diǎn)(LN)，如YPTR(電力變壓器)、TCTR(電流互感器)、TVTR(電壓互感器)等[9]。對(duì)于保護(hù)所需的TA變比、TV變比、變壓器參數(shù)、線路參數(shù)均有相應(yīng)的DO(數(shù)據(jù)對(duì)象)或DA(數(shù)據(jù)屬性)可以進(jìn)行描述，但像變壓器短路電壓比等參數(shù)可能需要擴(kuò)充相應(yīng)的DO。

如圖6所示，在變電站設(shè)計(jì)完成并建立SSD(系統(tǒng)規(guī)范描述文件)時(shí)對(duì)于所需的一次設(shè)備及其參數(shù)進(jìn)行建模，經(jīng)過集成商完成SCD(變電站系統(tǒng)配置文件)文件配置后，由裝置導(dǎo)出CID(IED配置文件)時(shí)獲取并存儲(chǔ)相關(guān)所需的參數(shù)。

對(duì)于最大、最小運(yùn)行方式，目前通常是通過調(diào)度方式部門人工流轉(zhuǎn)給出，可通過遠(yuǎn)方EMS(電力管理系統(tǒng))主站獲取當(dāng)前站點(diǎn)的短路參數(shù)及不同運(yùn)行方式下的短路參數(shù)；站端EMS系統(tǒng)子站提供MMS(制造報(bào)文規(guī)范)服務(wù)，就地保護(hù)通過MMS獲取當(dāng)前站點(diǎn)各電壓等級(jí)母線處不同運(yùn)行方式下短路參數(shù)、最大負(fù)荷等信息。

圖6 一次設(shè)備參數(shù)傳遞過程

圖7 定值整定參數(shù)獲取

主保護(hù)及本設(shè)備的近后備通常以額定電流為基準(zhǔn)值；并考慮可靠系數(shù)、返回系數(shù)、經(jīng)驗(yàn)值系數(shù)等作為整定系數(shù)，整定完成后按照最小運(yùn)行方式進(jìn)行靈敏度校驗(yàn)。

因此保護(hù)裝置中可根據(jù)功能差異選定整定參數(shù)，中間值作為默認(rèn)值計(jì)算，再根據(jù)靈敏度校驗(yàn)結(jié)果調(diào)整參數(shù)。

設(shè)定整定參數(shù)：

(1)

式中：Kset為基準(zhǔn)整定電流的整定系數(shù)，下稱整定系數(shù)；Kexp為經(jīng)驗(yàn)值系數(shù)；Krel為可靠系數(shù)；Kre為返回系數(shù)。

可靠系數(shù)、經(jīng)驗(yàn)值系數(shù)、返回系數(shù)可按照中間值作為缺省值來處理，按照不同系數(shù)的閾值，整定系數(shù)的可調(diào)整閾值為

Kset∈(Ksetmin,Ksetmax

(2)

式中：Kset為整定系數(shù)；Ksetmin為整定系數(shù)最小值；Ksetmax為整定系數(shù)最大值。

選定迭代調(diào)整步長(zhǎng)：

ΔKset=KΔ×(Ksetmax-Ksetmin)

(3)

式中：ΔKset為整定參數(shù)調(diào)整步長(zhǎng)；KΔ為調(diào)整步長(zhǎng)百分比。

KΔ以保護(hù)裝置通常最小精確工作電流設(shè)置。保護(hù)裝置通過單向或者雙向逼近，在靈敏度條件約束下找到合適的整定參數(shù)，確認(rèn)保護(hù)定值.當(dāng)整定參數(shù)越限時(shí)，發(fā)出整定異常告警提醒，如圖8所示的流程處理。

3.2 與就地保護(hù)協(xié)同的站域后備保護(hù)

在所提的優(yōu)化配置中，站域保護(hù)中配置以原變壓器各側(cè)后備保護(hù)為主體、變電站為對(duì)象的站域后備保護(hù)。站域保護(hù)通常采用網(wǎng)絡(luò)采樣方式，能夠獲取全站各間隔電流、電壓數(shù)據(jù)。

圖8 靈敏度約束的定值自動(dòng)整定流程圖

從可靠性角度考慮，站域保護(hù)的保護(hù)范圍越大，其不正確動(dòng)作造成的后果也越嚴(yán)重。為了防止合并單元輸出數(shù)據(jù)異常或者網(wǎng)絡(luò)異常時(shí)造成保護(hù)異常，可以采用與就地保護(hù)協(xié)同的方式，站域后備保護(hù)采用啟動(dòng)元件和選擇元件與門構(gòu)成動(dòng)作判據(jù)。

對(duì)于終端負(fù)荷變電站，站域后備保護(hù)的啟動(dòng)元件可采用電源側(cè)過流元件，由站域保護(hù)裝置根據(jù)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于聯(lián)絡(luò)變電站或者存在多側(cè)電源時(shí)，可采用差動(dòng)元件作為啟動(dòng)元件。在各間隔就地保護(hù)中，設(shè)置靈敏的過流元件和功率方向元件，作為站域后備保護(hù)的選擇元件，如圖9所示。

圖9 與就地保護(hù)協(xié)同的站域后備保護(hù)示意圖

計(jì)算站域差動(dòng)保護(hù)差流：

(5)

根據(jù)差流Id可以判斷故障在區(qū)內(nèi)還是區(qū)外。由于變壓器低壓側(cè)為不接地系統(tǒng)，電流啟動(dòng)元件具備自然的選擇性，根據(jù)就地安裝的饋線保護(hù)、變壓器低壓側(cè)后備保護(hù)、低壓側(cè)分段保護(hù)的啟動(dòng)元件即可判別故障位置。而110kV側(cè)為接地系統(tǒng)，當(dāng)本站110kV接地運(yùn)行時(shí)，110kV側(cè)發(fā)生接地故障后，在零序電流的影響下，110kV側(cè)就地安裝保護(hù)的啟動(dòng)元件均可能動(dòng)作，因此對(duì)于接地系統(tǒng)需采用啟動(dòng)元件和方向元件來進(jìn)行故障定位。

根據(jù)從負(fù)荷側(cè)到電源側(cè)的原則，逐級(jí)判別就地保護(hù)的啟動(dòng)元件狀態(tài)和方向元件，如圖10所示。

圖10 與就地保護(hù)協(xié)同的站域后備邏輯

站域后備保護(hù)在判別故障后，與就地主保護(hù)時(shí)間配合；同時(shí)也避免通信異常造成事故擴(kuò)大，延時(shí)一個(gè)整定級(jí)差后切除相鄰斷路器或上級(jí)斷路器。通過與就地保護(hù)的協(xié)同交互，降低了由于站域保護(hù)接收的采樣數(shù)據(jù)異常而造成事故擴(kuò)大，與就地保護(hù)形成梯級(jí)配合，實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)故障的近后備。

4 結(jié) 論

通過對(duì)于現(xiàn)有繼電保護(hù)功能配置，根據(jù)保護(hù)范圍、整定原則、橫向耦合性、決策信息量等方面，將就地保護(hù)中的部分后備保護(hù)、失靈保護(hù)等上移到站域保護(hù)或區(qū)域(廣域)保護(hù)中，使就地保護(hù)形成以一次設(shè)備為對(duì)象、斷路器為邊界、無死區(qū)的獨(dú)立自治系統(tǒng)，減少了就地保護(hù)的橫向耦合，方便了實(shí)際工程運(yùn)維；并基于智能變電站IEC 61850良好的互操作性，提出了就地保護(hù)定值自動(dòng)整定的解決思路。對(duì)于站域后備保護(hù)，提出與就地保護(hù)協(xié)同站域后備保護(hù)方案，形成變電站范圍內(nèi)故障的短延時(shí)后備保護(hù)，同時(shí)提高了站域后備保護(hù)的可靠性。

為進(jìn)一步提高繼電保護(hù)的可靠性，降低由于信息交互帶來的風(fēng)險(xiǎn)，今后還需要加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的研究：1)網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性；2)設(shè)備信息描述的完善性；3)虛端子連接的方便性。

隨著對(duì)智能變電站技術(shù)的進(jìn)一步研究，利用智能變電站的信息共享優(yōu)勢(shì)，提高繼電保護(hù)的選擇性、靈敏性、速動(dòng)性、可靠性也會(huì)具有更廣闊的空間。

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[9] IEC 61850-7-4:2003， Communication Networks and Systems in Substations Part 7-4: Basic Communication Structure for Substation and Feeder Equipment——Compatible Logical Node Classes and Data Classes[S].

The present relay protection configuration in smart substation is discussed. According to the complicated function configuration, uncomfortably setting, long operation time of step-by-step backup protection and inconvenient engineering application of station-domain protection, it is proposed that the part of backup protection function is transferred to the station-domain protection or area protection. And based on primary equipment modeling and device information interaction, the ideas and examples are realized that is local protection setting sets by itself automatically and station-domain backup relay protection is cooperated with local protection to optimize local protection. It can reduce the transverse coupling in the existing relay protection, simplify the local protection configuration and improve the performances of station-domain backup protection.

smart substation; hierarchical relay protection; primary equipment modeling; auto setting; collaboration

TM771

A

1003-6954(2017)02-0066-05

2016-12-02)

張 堯(1984)，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)及智能變電站；

陳福鋒(1979)，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)及智能變電站；

陳 實(shí)(1985)，助理工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)及智能變電站。