CN101350520A - 一种基于电网综合信息的保护控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力系统保护控制系统，其包括经由通信通道连接的控制服务器、文件服务器、数据采集单元、控制执行单元。控制服务器接收数据采集单元上送的带有GPS时标的信息，分析判断电力系统是否发生故障，通过控制执行服务器完成对电力系统断路器的控制操作。文件服务器存储控制服务器的历史数据和命令报文。数据采集单元测量电力系统的模拟量和状态量，带有GPS同步对时功能使得其测量数据带有GPS时标。控制执行单元接收控制服务器下发的命令，对电力系统的断路器进行跳闸合闸操作。另外，本发明还提供了对电网继电保护和安全自动控制的方法，提高了电网识别故障的能力，避免电网大停电事故。

Description

一种基于电网综合信息的保护控制系统和方法

技术领域

本发明属于电力系统继电保护和安全控制技术领域，特别涉及一种基于区域电网电气量和状态量信息的继电保护和安全控制系统和方法。

背景技术

随着电网互联及电力市场的发展，电力系统将日渐接近其运行极限，其运行和控制将更为复杂，发生扰动和故障的可能性更大，后果也更严重，这对稳定控制提出了更高的要求。

常规的继电保护用于在电力系统发生故障后实现对故障元件的自动和快速切除、隔离故障，以保证人身和设备安全以及无故障部分的正常运行。现有的继电保护和安全自动装置不能适应电力系统发展的要求，主要问题如下：

保护动作判据都是基于本地测量数据，其选择性要求继电保护只能保护本地网络，没有考虑故障对整个电网的影响，难以对运行方式的不断变化的客观系统作出全面的反映。保护装置相互之间缺乏有效的协调，难以实现系统全局的安全稳定运行，在某些情况下(如发生连锁故障)会恶化系统的运行状况。在高负荷时期，这些关键的联络线上的传输功率可能接近输送功率极限。这种情况下运行的系统抗扰动的能力大大降低，很容易因为一条联络线发生偶然事故断开造成其余线路过负荷而相继断开，从而使事故蔓延，甚至造成系统崩溃。美国8.14大停电事故最初就是从几条线路相继断开开始的。

常规的后备保护虽然有比较大的保护范围，但其选择性的获得要以牺牲快速性为代价，动作时间过长，有时候难以发挥应有的保护作用。现有的继电保护配置当中，后备保护的时限整定遵循阶梯时限原则，为了保证选择性，后备保护的动作时限可能高达数秒。在电网规模和复杂程度越来越大的情况下，这一问题越显突出，至今仍无法很好的解决。

安全自动装置的主要作用是维护电网的安全稳定运行，在紧急情况下采取减负荷、切机以及系统解列运行等方式来避免电网崩溃而导致大停电事故。目前电力系统的安全自动装置和继电保护装置是两套独立的系统，二者之间缺乏有效的通信和配合，无法准确反映整个系统的变化情况。

随着计算机与网络通信技术的发展，特别是光纤的大量敷设，为获得区域电网多点电气量和状态量信息提供了必要的信息基础。同时，随着计算机处理能力的增强，为将继电保护系统和安全自动控制系统集成在一起提供硬件条件。

发明内容

本发明提出了一种基于区域电网电气量和状态量信息的保护控制系统。该系统可以完成电网的线路保护、失灵保护功能以及低频减载、低压减载功能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

整个系统由一个主站和若干个子站组成，主站和子站之间通过网络进行通信，整个系统结构如附图1所示。

子站放置在被保护的电网区域的变电站、发电厂。子站由数据采集单元和控制执行单元组成。数据采集单元利用高精度的GPS卫星同步时钟实现对电网电压、电流相量以及状态量的同步测量，并计算电气量(电压、电流)的幅值、相位、频率等信息，通过网络传送到主站。控制执行单元接收并执行主站发送的控制命令，并把执行的结果通过网络反馈给主站。

主站由控制服务器和文件服务器组成，控制服务器实时收集子站上送的数据，根据子站上送的数据进行计算和分析以判断被保护的电网是否发生了异常和故障，并根据判断的结果通过网络给相应的子站下达控制命令。文件服务器实时存储控制服务器收到的数据，并记录存储控制服务器下达给子站的各种命令和控制服务器的发出的其他信息，以备日后查询分析。

对于线路保护，控制服务器采用传统的差动保护技术进行故障判定。对于具有分支的线路，将距离系统电源最近的一端作为一侧，将其它分支的电流做相量和计算作为另外一侧。根据两侧电流的相量和的幅值作为差动电流，将两侧电流相量差的幅值作为制动电流，采用比率制动特性进行判定。

当某条线路因过负荷或者故障导致该线路退出运行，可能导致同一功率断面上的其他线路因过负荷跳闸退出运行，从而出现连锁故障。针对此问题，主站控制单元在某条线路跳闸后，自动提高同一功率断面的过负荷电流定值和时间定值，电流定值提高的原则是确保一条线路断开后，其他线路可以承受该功率断面的电流，时间定值由电网运行人员根据电网的需要进行整定，从而可以避免连锁跳闸事故。

当系统发生频率低于预定值或者电压低于预定值时(频率定值和电压定值根据电网调度运行的需要由电网运行人员事先设定)，切除部分负荷以防止电压崩溃和频率崩溃。由于主站单元可以获得整个电网各个节点的电压、电流、频率以及开关量的状态信息，因此主站单元可以根据预先设定的策略选择最优的切负荷方式。

主站检测到线路发生故障，发跳闸令跳开故障线路各侧断路器。经过一定延时后，如果故障线路还有电流，则认为断路器失灵，发跳令跳开故障线路上一级的断路器，避免事故的进一步扩大。

本发明的基于区域电网电气量和状态量信息的控制系统和控制方法综合利用了电网中各个节点的电压和各个支路的电流信息以及各个设备的状态量来综合判断电力系统是否发生了故障和异常。采用分相电流差动作为线路的后备保护，避免了传统的线路后备保护采用距离保护整定困难和动作时间较长的问题。某条线路跳闸后，自动提高同一功率断面的其他线路的过负荷定值，解决了传统继电保护无法解决的连锁跳闸的难题。本发明可以获得整个区域电网的电压和频率情况，可以综合考虑整个电网拓扑结构，选择最优的切负荷方式，从而尽快地恢复电网稳定运行。在开关拒动的情况下，本发明可以快速的给拒动开关相邻节点的开关发出跳闸命令，避免事故的扩大。可以明显地提升继电保护和安全自动装置的功效，保证电网的安全稳定运行。

附图说明

图1为本发明的系统构成和连接图；

图2为三端线路示意图；

图3为多条线路输送功率示意图；

图4为低频减载、低压减载母线选择示意图；

图5为开关拒动时切除上一级开关示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

主站和子站之间通过电力系统的2M带宽的专用数据通道进行通信。子站包括数据采集单元和控制执行单元，数据采集单元由电源插件、AD采样插件、状态量开入插件、GPS授时插件、采样数据存储插件、网络通信插件、CPU插件组成，上述插件并排插入到背板上，使得各个插件之间可以直接通信。电源插件为整个装置提供工作电源。AD采样插件负责采集电压、电流等模拟量，并转换为数字量。开入插件负责采集断路器位置、刀闸位置等开关状态量。GPS授时插件负责接收GPS的对时脉冲信号。采样数据存储插件负责记录采样数据，为事后的故障分析提供录波数据。网络通信插件承接采集装置与外界通信及信息交换。CPU插件是装置的核心插件，完成A/D变换计算，计算电气量的幅值、相位和频率，进行软硬件自检。数据采集单元将采集到的数据(母线电压的幅值、相位、频率，线路电流幅值、相位和频率)放置在内存中，当接到主站的启动录波命令后把启动录波命令之前一段时间的内存数据和接到启动录波命令之后一段时间的内存数据以标准的COMTRADE格式存储到采集单元的数据存储插件，以便于进行事故分析。

数据采集单元每隔10ms进行一次相量计算，根据电压、电流的采样值用傅里叶算法计算得到电压、电流的幅值和相位以及频率。并把幅值、相位和频率计算结果以及断路器位置、刀闸位置等状态量连同计算时刻的GPS时间信息通过网络上送到主站单元。控制执行单元由电源插件、通信管理插件、开出插件、开入插件组成。控制执行单元的开入插件采集电网的状态量信息，包括断路器跳合闸位置，刀闸位置。控制执行单元的开出插件接入到电力系统断路器的跳合闸回路，以实现对断路器的跳合闸操作。控制执行单元通过网络接收主站下达的跳闸、合闸命令，并把执行结果通过网络反馈给主站，同时把控制执行单元收到的命令以报文的形式存储到控制执行单元中，以备日后查询。

主站由控制服务器和文件服务器组成。二者通过交换机或者直连线进行通信。

控制服务器为配有实时操作系统的工业控制计算机，并配有至少2个网络接口，其中一个通过交换机与子站设备进行通信，另外一个接口与文件服务器进行通信。控制服务器采用实时数据库存储来自子站采集单元上送的数据，并将各个子站上送的具有GPS同步时标的数据按照时间顺序排列成数据序列，这些数据是进行继电保护和安全自动控制决策的数据源。控制服务器根据子站上送的数据进行计算和分析以判断被保护的电网是否发生了异常和故障，并根据判断的结果通过网络给相应的子站下达跳闸或者合闸的控制命令。

文件服务器为配有大存储量硬盘和实时操作系统的计算机。文件服务器实时存储控制服务器收到的数据，并记录存储控制服务器下达给子站的各种命令和控制服务器的发出的其他信息，以备日后查询分析。

主站单元的核心是控制服务器，由控制服务器完成所有的控制策略的分析和判断。控制服务器内存储了被保护电网的拓扑结构和预先设定的控制策略和相关的定值。

本发明的保护和控制功能包括以下逻辑功能和步骤，各个功能模块相互独立，可以通过控制字进行投退。

作为线路的后备保护，首先判断线路各侧的电流突变量元件是否启动，如果没有启动说明没有故障，如果突变量元件启动，控制服务器采用传统的差动保护技术进行故障判定。对于具有分支的线路，将距离系统电源最近的一端作为一侧，将其它分支的电流做相量和计算作为另外一侧。如附图2所示，T1距离电源最近，单独作为一侧电流，T2和T3距离电源较远，把T2和T3的电流做相量和后作为一侧电流参与差动计算。两侧电流的相量和的幅值作为差动电流，两侧电流相量差的幅值作为制动电流，采用比率制动特性进行判定。当发生电流互感器断线时，可以根据控制字的设置是否闭锁差动保护。

自适应的过负荷保护功能。当某条线路因过负荷或者故障导致该线路退出运行，可能导致同一功率断面上的其他线路因过负荷跳闸退出运行，从而出现连锁故障。如附图3所示，当L1线路退出运行后，L2和L3将多承担L1输送的功率，容易导致L2和L3在L1退出运行后发生过负荷跳闸，最终导致整个功率断面断开。为避免连锁故障的发生，主站控制单元在某条线路跳闸后，自动提高同一功率断面的其他线路的过负荷电流定值和时间定值，降低过负荷保护在此情况下的过负荷的灵敏度。假定线路L1、L2和L3初设设定的过负荷定值为5.0A，当L1线路退出运行后，由L2和L3承担原有的功率，因此将L2和L3的过负荷电流定值提高到7.5A(5.0×3/2＝7.5)，当线路的电流超过原过负荷定值而小于提高后的定值时，控制服务器发出告警信息通知运行人员根据实际情况进行人为干预处理。

低频、低压切负荷功能。当系统发生频率低于预定值或者电压低于预定值时(该预定值为电网调度运行人员事先设定的，一般为48Hz左右)，切除部分负荷以防止电压崩溃和频率崩溃。主站单元可以获得整个电网各个节点的电压、电流、频率以及开关量的状态信息。与传统的切负荷策略不同，本发明的控制单元首先计算电网各个节点母线的电压和频率，对于低压减载保护，选择电压最低的母线。对于低频减载，选择频率最低的母线。然后在该母线上切除负荷级别最低的线路。切除负荷之后，重新核算电网内所有母线的频率和电压，重复上述步骤，直到系统电压和频率恢复到允许的范围。如附图4所示，母线K、M、N三条母线，根据子站上送的母线频率信息，找到频率最低的母线M，然后根据母线M上的三条负荷的重要程度，切除重要程度最低的负荷M1线路。切除M1后，重新核对母线K、M、N母线的频率情况，重复上述步骤，直至系统频率恢复到允许的范围。

主站检测到线路发生故障，发跳闸令跳开故障线路各侧断路器。经过一定延时后，如果故障线路还有电流，则认为断路器失灵，发跳令跳开故障线路上一级的断路器，避免事故的进一步扩大。如附图5所示，L1线路发生区内故障，主站单元发跳闸命令给B1和B2断路器，经过200ms后，若B1处仍然有电流存在(电流大于0.1倍额定电流)，则认为B1开关拒动，主站控制服务器发送跳令给B3和B5；若B2处仍然有电流存在，主站控制服务器发送跳令给B4和B6。

Claims (9)

1、一种基于电网综合信息的保护控制系统，其特征在于，该系统由一个主站和若干个子站组成，主站和子站之间通过网络进行通信；

所述子站放置在被保护的电网区域的变电站、发电厂，子站包括数据采集单元和控制执行单元，所述数据采集单元利用高精度的GPS卫星同步时钟实现对电网电压、电流以及状态量的同步测量，并计算电网电压、电流的幅值、相位、频率信息，通过网络将所计算的电网电压、电流的幅值、相位和频率信息以及测量到的状态量数据连同计算时刻的GPS时间信息传送到主站；所述控制执行单元接收并执行主站发送的控制命令，并把执行的结果通过网络反馈给主站；

所述主站包括控制服务器、文件服务器，所述文件服务器通过接口与控制服务器相连，控制服务器实时收集子站上送的信息数据，根据子站上送的信息数据进行计算和分析以判断被保护的电网是否发生了异常和故障，进而根据判断的结果和电网的综合信息生成相应的控制命令，通过网络下达给相应的子站；文件服务器实时存储控制服务器收集到的数据，并记录存储控制服务器下达给子站的各种命令和控制服务器的发出的其他信息，以备日后查询分析。

2、根据权利要求1所述的保护控制系统，其特征在于：

对于线路保护，控制服务器采用传统的差动保护技术进行故障判定，对于具有分支的线路，将距离系统电源最近的分支的一端作为差动保护的一侧，将其它分支的电流做相量和计算后作为差动保护的另外一侧，将两侧电流的相量和的幅值作为差动电流，将两侧电流相量差的幅值作为制动电流，采用比率制动特性进行判定。

3、根据权利要求2所述的保护控制系统，其特征在于：

在线路保护中，首先判断线路各侧的电流突变量元件是否启动，如果没有启动说明没有故障，如果突变量元件启动，开放差动保护；

当发生电流互感器断线时，根据控制字的设置来决定是否闭锁差动保护。

4、根据权利要求1或2所述的保护控制系统，其特征在于：

当电网中某条线路因过负荷或者故障导致该线路退出运行，所述主站控制服务器自动提高同一功率断面的过负荷电流定值和时间定值，从而避免连锁跳闸事故。

5、根据权利要求1所述的保护控制系统，其特征在于：

当电力系统发生频率低于预定值或者电压低于预定值时，切除部分负荷以防止电压崩溃和频率崩溃，所述主站控制服务器根据获得的整个电网各个节点的电压、电流、频率以及开关量的状态信息，按照预先设定的策略选择最优的切负荷方式。

6、根据权利要求5所述的保护控制系统，其特征在于：

当系统电压低于预定值时，启动低压减载，选择电压最低的母线，然后在该母线上切除负荷级别最低的线路；

重新核算电网内所有母线的频率和电压，再次选择电压最低的母线，切除该母线上负荷级别最低的线路；

重复以上步骤，直到系统电压恢复到允许范围。

7、根据权利要求5所述的保护控制系统，其特征在于：

当系统频率低于预定值时，启动低频减载，选择频率最低的母线，然后在该母线上切除负荷级别最低的线路；

重新核算电网内所有母线的频率和电压，再次选择频率最低的母线，切除该母线上负荷级别最低的线路；

重复以上步骤，直到系统频率恢复到允许范围。

8、根据权利要求1所述的保护控制系统，其特征在于：

当所述主站控制服务器检测并判断到线路发生故障时，通过网络向相应的子站控制执行单元发跳闸令跳开故障线路各侧断路器，经过设定延时后，如果故障线路还有电流，则认为该断路器失灵，则通过网络向相应子站控制执行单元发跳令跳开该故障线路上一级的断路器，避免事故的进一步扩大。

9、根据权利要求1所述的保护控制系统，其特征在于：

所述数据采集单元采集的状态量主要为断路器位置和刀闸位置，数据采集单元每隔10ms对所采集的电网电压和电流进行一次相量计算，根据电压、电流的采样值用傅里叶算法计算得到电压、电流的幅值和相位以及频率；

所述主站和子站之间通过电力系统的2M带宽的专用数据通道进行通信。

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