智能變電站繼電保護配置的展望和探討

1、第32卷第2期2012年2月電力自動化設(shè)備Electric Power Automation EquipmentVol32No2Feb. 2012智能變電站繼電保護配置的展望和探討李鋒1，謝俊1，蘭金波2，夏玉裕2，錢國明2（1. 華中電網(wǎng)有限公司，湖北武漢430077；2. 國電南京自動化股份有限公司，江蘇南京210032）摘要：智能變電站中的繼電保護設(shè)備作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，在滿足“四性”（靈敏性、選擇性、速動性、可靠性）的要求下，提出其配置將分為過程層和變電站層2層。過程層針對一次設(shè)備獨立配置主保護，下放到一次設(shè)備附近，最終和一次設(shè)備合為一體，保護的采樣各自獨立，可不依賴全站統(tǒng)一時

2、鐘進行采樣同步，利用相對獨立的同步數(shù)字體系（SDH ）系統(tǒng)通過乒乓算法完成保護間的數(shù)據(jù)采樣同步，元件保護采用分布式配置，可以利用獨立的通信環(huán)完成數(shù)據(jù)收發(fā)，過程層以太網(wǎng)構(gòu)成冗余；變電站層配置集中式后備保護，集中式后備保護采用自適應和在線實時整定技術(shù)。關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；變電站；電力系統(tǒng)保護；配置；采樣；同步；集中保護中圖分類號：TM 774；TM 734文獻標識碼：A 文章編號：10066047（2012）02012205備獨立配置主保護，這里需要區(qū)分2種情況，對于一次設(shè)備本身即為智能設(shè)備，保護設(shè)備安裝在智能設(shè)備內(nèi)部；如果屬于老的設(shè)備改造而成，則將保護、合并器和測控等功能就近安裝在一次設(shè)備附近的匯

3、控柜中，以利于設(shè)備運行和維護的簡化。采樣值和GOOSE 均通過全站統(tǒng)一以太網(wǎng)傳輸，全站統(tǒng)一采用IEEE1588對時，但是分布式保護間的數(shù)據(jù)同步不依賴于全站統(tǒng)一對時系統(tǒng)。智能變電站繼電保護配置圖如圖1所示（圖中，實線為主保護通信口，虛線為過程以太網(wǎng)口；下同）。集中保護廣域保護廣域保護接口網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控主機操作員站遠動主機網(wǎng)絡(luò)錄波遠動主機網(wǎng)絡(luò)錄波0引言智能變電站應用逐漸增多，相對于傳統(tǒng)變電站，繼電保護存在許多新技術(shù)應用1-9，但是很少有關(guān)于保護整體架構(gòu)方面的研究10。傳統(tǒng)變電站保護的整體架構(gòu)和目前智能變電站所謂三層兩網(wǎng)的整體架構(gòu)是一致的，不可否認這樣的配置對于保證變電站的安全穩(wěn)定運行會起到非常好的作用，

4、也能夠保證現(xiàn)有的一次、二次設(shè)備的總體連貫性。和傳統(tǒng)變電站相比，智能變電站的采樣和跳閘將傳統(tǒng)的電纜替換成了光纜，將原來傳輸?shù)哪M量和開關(guān)量電信號替換成了經(jīng)過數(shù)字編碼的光信號，采樣回路及跳閘回路得到了可靠的實時監(jiān)視。保護的配置上也是繼承了傳統(tǒng)繼電保護的特點，對任意元件，配置快速跳閘的主保護+多階段范圍（時限）配合的后備保護。目前這個階段的保護配置，導則并沒有完全針對智能變電站的一些技術(shù)特點做出適應的指導。本文提出一種智能變電站繼電保護配置方案，將變電站設(shè)備分為過程層和變電站層2層。過程層針對一次設(shè)備獨立配置主保護，下放到一次設(shè)備附近，最終和一次設(shè)備合為一體，所有保護實現(xiàn)分布式安裝，雙重化配置；變電

5、站層配置集中式后備保護，全站所有電壓等級集中配置，集中式后備保護采用自適應和在線實時整定技術(shù)，同時具備廣域保護的接口，能夠?qū)崿F(xiàn)廣域保護的功能，也是雙重化配置。智能一次設(shè)備1智能一次設(shè)備2智能一次設(shè)備n圖1智能變電站繼電保護配置圖Fig.1Protection configuration of intelligent substation通過這種全站分布式配置方案達到全站保護簡化的目的，而且使得保護控制等二次設(shè)備和被保護的二次設(shè)備距離最短，不會由于跳閘、采樣等通信鏈路不可靠造成保護功能失效。而且全站網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)量集中在網(wǎng)絡(luò)錄波、監(jiān)控及測控所需的消耗中。繼電保護功能所帶來網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)消耗變得極小。1智

6、能變電站繼電保護配置2過程層繼電保護智能變電站繼電保護配置方案中，將變電站設(shè)備分成過程層和變電站層2層。過程層針對一次設(shè)收稿日期：20110110；修回日期：20111108過程層繼電保護主要配置快速跳閘的主保護功能。如線路縱聯(lián)保護、變壓器差動和母線差動保護，后備保護功能轉(zhuǎn)移到變電站層的集中 式保護裝置當中。這樣做的好處是過程層的保護設(shè)計可以簡第2期李鋒，等：智能變電站繼電保護配置的展望和探討化，重點考慮主保護功能，后備保護可以簡化配置甚至取消，達到簡化裝置硬件設(shè)計的目的；另外，主保護的定值整定相對固定，不會因為電力系統(tǒng)運行方式的變化而變化。但是由于受保護獨立的限制影響，繼電保護功能和一次設(shè)備

7、集成后，對于一個開關(guān)，如果同時對應線路保護和母線保護，硬件上必須分開，各自獨立，可以設(shè)計單獨的功能模件形式。下面針對具體保護討論保護的實現(xiàn)。2.1線路保護過程層的線路保護配置以縱聯(lián)差動或者縱聯(lián)距離作為主保護，后備保護放置在集中式保護裝置當中。對單斷路器方式主接線，線路保護裝置通過主保護的光纖通信口和對側(cè)線路保護裝置通信，實現(xiàn)縱聯(lián)保護功能，如圖2所示。智能一次設(shè)備圖2單斷路器線路保護配置圖Fig.2Protection configuration of transmissionline with single breaker對32主接線方式則需要取電壓和同一串中相鄰開關(guān)電流數(shù)據(jù)，見圖3。從縱聯(lián)差

8、動保護原理上講，保護裝置并不需要引入電壓量，但是針對特定的某些運行方式及特殊的保護原理還是應當引入電壓量。此時電壓量可以獨立采樣，接入主保護通信通道，和電流量一起完成同步采樣。對于同一條線路，2個開關(guān)電流可以獨立采樣，借助主保護通信口完成采樣同步調(diào)整，這種情況下對主保護通道的要求相應提高，同步方式見后文。智能一次設(shè)備智能一次設(shè)備智能一次設(shè)備圖332斷路器線路配置圖Fig.3Protection configuration in 32connection mode2.2變壓器保護變壓器保護裝置過程層采用分布式配置，完成差動保護功能，而后備保護采用集中式的安裝。非電量保護單獨安裝，通過電纜直接引入

9、斷路器跳閘，同時跳閘命令通過光纜引入采樣和GOOSE 的共同網(wǎng)絡(luò)上。23主接線變壓器保護配置圖如圖4所示。2.3電抗器保護電抗器保護完全同變壓器保護。電抗器保護配置圖如圖5所示。智能一次設(shè)備智能一次設(shè)備智能一次設(shè)備高壓側(cè)智能一次設(shè)備智能一智能一次設(shè)備次設(shè)備中壓側(cè) 智能一 次設(shè)備非電量智能一次設(shè)備低壓側(cè)圖423主接線變壓器保護配置圖Fig.4Transformer protection configurationin 23connection mode智能一次設(shè)備G非電量智能一次設(shè)備圖5電抗器保護配置圖Fig.5Protection configuration of reactor2.4母線保護

10、變電站內(nèi)母線保護裝置按分布式設(shè)計，每個間隔內(nèi)的保護獨立完成母線保護的功能，只跳本間隔的斷路器。失靈保護由集中保護完成。母線保護配置圖如圖6所示。智能一次設(shè)備智能一次設(shè)備智能一次設(shè)備智能一次設(shè)備圖6母線保護配置圖Fig.6Protection configuration of bus2.5采樣同步方法對于變電站內(nèi)的變壓器保護和母線保護可看作一個多端的線路保護，同樣采用線路保護的同步采電力自動化設(shè)備第32卷樣解決方案來實現(xiàn)站內(nèi)保護裝置的同步采樣。為簡化設(shè)計，采用基于乒乓原理的同步技術(shù)。乒乓同步技術(shù)要求線路兩端保護裝置以相同的采樣頻率獨立地進行采樣，而且兩端收發(fā)的數(shù)據(jù)在通道中傳輸時間完全相同。國內(nèi)通

11、常采用的基于乒乓原理的同步技術(shù)主要有2種：采樣數(shù)據(jù)修正法和采樣時刻調(diào)整法。采樣數(shù)據(jù)修正法（也稱為矢量同步法）簡單的同步原理：如圖7所示，M 為本側(cè)，N 為對側(cè)，數(shù)據(jù)發(fā)送周期為T ，t Pm1、t Pm2、t Pn1、t Pn2為兩側(cè)數(shù)據(jù)采樣時刻，t 1、t 2分別為兩側(cè)收到對側(cè)數(shù)據(jù)距本側(cè)量最近一次數(shù)據(jù)發(fā)送時刻的時間差，t delay 為數(shù)據(jù)從本側(cè)發(fā)送到對側(cè)所需時間。對側(cè)傳來本側(cè)上次序號M 1和對側(cè)上次t 1，本側(cè)最新一組數(shù)據(jù)的序號為M 2，收到對側(cè)數(shù)據(jù)時刻距本側(cè)最近一次數(shù)據(jù)發(fā)送時刻的時間間隔t 2，假定兩側(cè)發(fā)往對側(cè)的延時相等，則可求得t a =（t 2t 1）2，t a 是N 側(cè)Pn2數(shù)據(jù)對應

12、M 側(cè)的時間，但M 側(cè)的數(shù)據(jù)采樣時刻在t Pm2時刻，兩側(cè)時差t s =t a -（t Pm2-t Pm1）所對應的角度為。通道延時t delay =t 2-t 12。采樣數(shù)據(jù)修正法允許各端保護裝置獨立采樣，而且對每次采樣數(shù)據(jù)都進行通道延時t delay 的計算和同步修正，故當通信受到干擾或中斷時，基本不會影響采樣同步。t Pn1t 1t Pn2t Pn3Nt Pm1t Pm2t Pm3Mdelayt s t delayt 2圖7采樣數(shù)據(jù)修正法數(shù)據(jù)傳輸示意圖Fig.7Data transmission by sampling datacorrection method采樣時刻調(diào)整法保持主站采樣

13、的相對獨立，其從站根據(jù)主站的采樣時刻進行實時調(diào)整，能保持兩側(cè)較高精度的同步采樣。為簡化保護裝置的設(shè)計，可以把保護裝置的同步分成3個步驟。a. 將保護裝置往光纖通道的數(shù)據(jù)發(fā)送中斷和數(shù)據(jù)采樣中斷分開，對于傳統(tǒng)保護裝置，二者為同一中斷，對于電子式互感器，數(shù)據(jù)采樣發(fā)生在采集部分，數(shù)據(jù)發(fā)送在保護裝置部分，兩者的延時可以測得，設(shè)為T e 。b. 調(diào)整兩側(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送時刻。可以通過乒乓同步原理，采用采樣時刻調(diào)整法，將兩側(cè)的數(shù)據(jù)發(fā)送中斷進行同步，最后做到兩側(cè)保護裝置的發(fā)送數(shù)據(jù)的時刻完全一致。c. 補償發(fā)送時刻和采樣延時。將兩側(cè)保護裝置的數(shù)據(jù)發(fā)送時刻進行同步后，可以通過圖8進行分析。智能t 1t 2t 3變電站側(cè)T

14、 e傳統(tǒng)變電站側(cè)t 1t 2t 3圖8延時補償圖Fig.8Schematic diagram of delay compensation在保護中，將T e 值作為一項保護定值，通過光纖通道，將它發(fā)送到所有保護中，各側(cè)保護裝置綜合所有的T e 做相應延遲，可以進行數(shù)據(jù)同步，進行差動保護計算。2.6分布式保護間通信分布式的保護通信可以采用SDH 系統(tǒng)，保護的通信可設(shè)計成1個通信環(huán)。以一側(cè)為32主接線，一側(cè)為單斷路器主接線的線路保護為例，見圖9。智能一次設(shè)備智能一次設(shè)備智能一次設(shè)備M 側(cè)智能一 次設(shè)備智能一次設(shè)備N 側(cè)圖9同步通信環(huán)示意圖Fig.9Schematic diagram of synch

15、ronouscommunication loop在這個同步通信環(huán)中，有2種設(shè)計模式。第1種模式，站內(nèi)的同步通信僅考慮同步用，這種情況對同步通信的帶寬要求大幅降低。保護的采樣值由于在以太網(wǎng)上傳輸，任何一個裝置均可以從網(wǎng)上取數(shù)據(jù)。這種模式僅是同步冗余設(shè)置。第2種模式，除完成同步功能外，還傳輸采樣值數(shù)據(jù)，需要考慮一個母線上的最大間隔數(shù)，要求在1ms 內(nèi)完成所有間隔數(shù)據(jù)的交換。這種模式具備數(shù)據(jù)傳輸和同步雙重冗余特性。同步機制可以固定一個保護為主機，其他保護依次和它完成發(fā)送中斷的同步。3變電站層繼電保護變電站層配置集中式后備保護，全站所有電壓等級集中配置，集中式后備保護采用自適應和在線實時自整定技術(shù)，同

16、時具備廣域保護的接口，能夠?qū)崿F(xiàn)廣域保護的功能，也是雙重化配置。第2期李鋒，等：智能變電站繼電保護配置的展望和探討 后備保護系統(tǒng)為本變電站元件提供近后備和開關(guān)失靈保護功能，還為相鄰變電站元件提供遠后備保護功能11-16。因此每個變電站的保護范圍分為如下2個部分：一個是近后備保護范圍，包括該變電站內(nèi)所有母線和直接出線；另一個是遠后備保護范圍，包括直接出線的對端母線以及與對端母線所連的所有線路。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(nèi)元件的故障，并做出最優(yōu)

17、的跳閘策略。另外，可以結(jié)合離線定值整定算法，根據(jù)不同運行方式預先確定幾套定值整定方案，站內(nèi)集中保護裝置根據(jù)實時的電網(wǎng)參數(shù)確定系統(tǒng)運行在某種運行方式后，保護相應切換到預先設(shè)定好的其中一套定值區(qū)，以達到優(yōu)化保護動作性能的目的。低頻低壓減載、備用自投裝置和過負荷聯(lián)切等自動裝置功能也可以集成進去。4結(jié)語本文通過分析智能變電站的特點，提出了一種兩層結(jié)構(gòu)一層網(wǎng)絡(luò)的全站保護配置方案。將傳統(tǒng)線路、變壓器、母線保護統(tǒng)一設(shè)計，按照分布式保護的形式安裝到智能一次設(shè)備中，簡化了保護類型，將大幅簡化保護運行維護工作。同時提出全站集中保護裝置不按電壓等級分開，全站集中配置，這樣可以實現(xiàn)全站保護的配合。參考文獻：1張保會，

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31、力系統(tǒng)繼電保護的研發(fā)工作（E -mail ：ljb作者簡介：李鋒（1973-），男，湖北咸寧人，處長，高級工程師，碩士，從事電力系統(tǒng)繼電保護整定計算及運行管理工作，主要研究方向為智能電網(wǎng)繼電保護及繼電保護整定計算（E -mail ：sac - ）；夏玉裕（1982-），男，江蘇江陰人，工程師，碩士，主要研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制（E -mail ：xyysac- ）；錢國明（1973-），男，江蘇南通人，高級工程師，碩士，主要研究方向為高壓線路保護（E -mail ：qgmsac- ）。lifeng）；謝俊（1980-），男，湖北武漢人，工程師，整定計算Prospect and discuss

32、ion of relay system configuration for intelligent substationLI Feng 1，XIE Jun 1，LAN Jinbo 2，XIA Yuyu 2，QIAN Guoming 2（1. Central China Power Grid Co. ，Ltd. ，Wuhan 430077，China ；2. Guodian Nanjing Automation Co. ，Ltd. ，Nanjing 210032，China ）Abstract ：As the protective relays are the important compone

33、nts of intelligent substation in smart grid ，its configuration is divided into two layers ，process level and substation level ，to meet the requirements for sensitivity ，selectivity ，speed and reliability. The main protections are configured at process level for the primary equipment individually and

34、 locally ，which may be finally integrated into the primary equipment. The protection samples data independently and the synchronization between protections is realized by the ping -pong algorithm of SDH without the station -wide clock. The element protection adopts the distributed configuration ，whi

35、ch applies the independent communication ring to transfer and receive data. The Ethernet at process layer is redundant. The centralized back -up protections are configured at substation level ，which adopts adaptive and on -line real -time self -tuning technology.Key words ：smart grid ；electric substations ；electric power system protectio