CN101621217B - 一种区域电网数据共享的保护系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种区域数据共享的保护系统，该系统是基于高速数据通讯网络，考虑将关联紧密地若干条线路作为一个区域，区域内的各保护装置通过光纤互联，信息共享，构建新型保护系统。该保护系统利用了多个点共享同步信息，系统发生故障时能准确判断故障的位置，在通信正常时保护动作具有绝对选择性；主保护拒动或断路器失灵时能根据被保护的电力系统拓扑结构以及故障线路位置，筛选出需作为后备保护动作的保护单元，区域智能后备保护比传统后备保护动作时间短并且有更好的选择性，同时也大大简化了整定配合工作。

Description

一种区域电网数据共享的保护系统

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共享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共享的保护控制系统。该系统可以完成区域电网的线路保护、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：

一种基于区域电网数据共享的保护系统，所述区域电网由若干个站点、即变电站和发电厂组成，各站点之间通过网络进行通信，共享采集数据，所述保护系统通过安装在被保护的区域电网各站点中的智能保护装置实现区域电网的保护；其特征在于，

所述智能保护装置双重化配置为智能保护主机和智能保护从机，智能保护主机负责整个区域电网所有元件的保护，智能保护从机负责所在变电站的各元件保护；

所述智能保护装置具有数据采集模块，利用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，通过所述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时间信息传送到其他站点；

智能保护装置根据本站点所采集的数据和共享的其他站点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智能执行装置；同时实时存储收集到的数据，并记录下达给智能执行装置的各种命令和发出的其他信息，以备日后查询分析。本发明是基于区域电网电气量和状态量信息共享的控制系统和控制方法，其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

如图1所示为本发明区域电网保护系统结构示意图。

具体实施方式

下面根据说明书附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。

本发明公开了一种基于区域电网数据共享的保护系统，所述区域电网由若干个变电站和发电厂组成，各站点之间通过网络进行通信，共享采集数据，所述保护系统通过安装在被保护的区域电网变电站中的智能保护装置实现区域电网的保护。整个区域电网的保护系统结构如附图1所示。

智能保护主机和智能保护从机安装在被保护的电网区域的变电站，智能保护主机负责整个区域所有元件的保护，智能保护从机负责所在变电站的集成式保护。智能保护装置具有数据采集模块，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时间信息传送到其他站点；智能保护装置根据本机数据和共享的其他站点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智能执行装置；同时实时存储收集到的数据，并记录下达给智能执行装置的各种命令和发出的其他信息，以备日后查询分析。

对于区域内线路，区域智能保护主机采用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。由于数据共享，智能保护主机可以将区域内所有线路同时使用差动保护技术来判定，可准确判定故障线路。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。

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。

当所述站点智能保护装置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。

区域电网内各站点之间通过电力系统的2M带宽的专用数据通道进行通信。站点包括智能保护装置和智能执行装置，智能保护装置由电源插件、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，计算出电气量的幅值相位和频率。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，完成实时数据库处理、保护逻辑判断、控制命令的发送、软硬件自检。

智能保护装置每隔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时间信息通过网络传送到其他站点的智能保护装置。

智能执行装置由电源插件、通信管理插件、开出插件、开入插件组成。智能执行装置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。智能执行装置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。智能执行装置通过网络接收智能保护装置下达的GOOSE信息包括跳闸、合闸命令等，并把执行结果通过网络反馈给智能保护装置，同时把收到的GOOSE命令以报文的形式存储到智能执行装置中，以备日后查询。

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，智能保护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。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。

对于本站的线路和其他元件，智能保护从机采用本地采集的模拟量进行全站集成式保护，其中线路保护采用3段式距离保护、4段零序方向保护；主变及后备保护采用分相差动保护、零序差动保护、复合电压闭锁方向过流保护。

对于区域内线路，当差动保护和距离保护速断、零序保护速断均未判定故障时，可用线路方向关联矩阵来判定故障点并延时切除故障。可根据被保护系统的拓扑结构形成系统关联矩阵，同时需根据各智能保护主机检测到的断路器的位置状态信息实时修改系统关联矩阵。系统采用目前已经成熟应用的方向元件进行故障线路的筛选，智能保护主机将就地方向测量元件的正反向判断结果传送到系统中其他智能保护主机。根据被保护的电力系统拓扑结构有关的关联矩阵以及各保护单元的方向判断结果，经综合处理筛选出故障线路。

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。为避免连锁故障的发生，智能保护装置在某条线路跳闸后，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，从而避免连锁跳闸事故。

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)，切除部分负荷以防止电压崩溃和频率崩溃。智能保护装置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，本发明的智能保护装置首先计算电网各个节点母线的电压和频率，当区域电网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；重新核算区域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。当区域电网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；重新核算区域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。

智能保护装置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。

Claims (8)

1.一种基于区域电网数据共享的保护系统，所述区域电网由若干个站点组成，所述站点为变电站和发电站，各站点之间通过网络进行通信，共享采集数据，所述保护系统通过安装在被保护的区域电网各站点中的智能保护装置实现区域电网的保护；其特征在于，

所述智能保护装置双重化配置为智能保护主机和智能保护从机，智能保护主机负责整个区域电网所有元件的保护，智能保护从机负责所在站点的各种元件保护；

所述智能保护装置具有数据采集模块，利用GPS卫星同步时钟实现对区域电网电压、电流以及状态量的同步测量，并计算所述区域电网电压、电流的幅值、相位、频率信息，通过所述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时间信息传送到区域电网中的其他站点；

智能保护装置根据本站点的数据和共享的其他站点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智能执行装置；同时实时存储收集到的数据，并记录下达给智能执行装置的各种命令和发出的其他信息，以备日后查询分析。

2.根据权利要求1所述的保护系统，其特征在于：

对于区域电网内线路，区域智能保护主机采用差动保护技术进行故障判定，对于具有分支的线路，将距离区域电网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；由于数据共享，智能保护主机可以将区域电网内所有线路同时使用差动保护技术来判定，准确判定故障线路，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。

3.根据权利要求1所述的保护系统，其特征在于：

对于属于某一站点的线路和其他元件，智能保护从机采用该站点采集的模拟量进行全站集成式保护，其中线路保护采用3段式距离保护、4段零序方向保护；主变及后备保护采用分相差动保护、零序差动保护、复合电压闭锁方向过流保护。

4.根据权利要求1所述的保护系统，其特征在于：

对于区域电网内线路，当差动保护和距离保护速断、零序保护速断均未判定出故障时，使用线路方向关联矩阵来判定故障点并延时切除故障，根据被保护系统的拓扑结构形成系统关联矩阵，同时需根据各智能保护主机检测到的断路器的位置状态信息实时修改系统关联矩阵，采用方向元件进行故障线路的筛选，智能保护主机将当前线路的方向测量元件的正反向判断结果传送到保护系统中其他智能保护主机，根据被保护的电力系统拓扑结构有关的关联矩阵以及各保护单元的方向判断结果，经综合处理筛选出故障线路。

5.根据权利要求1或2所述的保护系统，其特征在于：

当区域电网中某条线路因过负荷或者故障导致该线路退出运行，该线路所属站点智能保护主机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。

6.根据权利要求1所述的保护系统，其特征在于：

当区域电网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；

重新核算区域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1所述的保护系统，其特征在于：

当区域电网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；

重新核算区域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所述的保护系统，其特征在于：

当所述站点智能保护装置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。

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