CN103151842A - 一种面向区域电网的层次化保护控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种面向区域电网的层次化保护控制系统，它包括就地级保护装置、站域保护控制系统和广域保护控制系统。就地级保护装置按照传统保护方案配置，为直采直跳或直采网跳；站域保护控制系统按站配置或按电压等级配置，利用信息共享优势提升后备保护性能，实现后备保护、冗余保护、失灵保护等保护功能，以及备自投、低频低压减载等控制功能，为网采网跳；广域保护控制系统按照区域配置，实现广域后备保护、保护定值自适应调整、低频低压减载、电网状态评估与安全预警等功能，通过广域通信网实现区域内各智能变电站信息的交互和共享。本发明能够在不改变现有电网保护配置的基础上，提升继电保护的可靠性和选择性，满足了电网互联和新能源接入等对继电保护的高要求。

Description

一种面向区域电网的层次化保护控制系统

技术领域

本发明涉及一种电力系统继电保护与安稳控制系统，特别是关于一种基于电网全景信息工作的面向区域电网的层次化保护控制系统。

背景技术

传统的电网保护方式通常是针对单个元件配置，利用被保护对象自身信息判别故障，通过双重化和相邻元件保护时间上的配合提高继电保护可靠性，动作正确率可以达到99.9%以上。然而，随着近些年电网互联的不断发展和新能源入网的不断推进，传统的面向单个元件配置的继电保护方式已经不能满足当前电网安全稳定的运行要求，具体表现在以下两个方面：1、仅靠元件自身信息进行判断、切除故障，不考虑电网整体运行状况，虽然保护按照配置正确动作却不能有效防止电网事故的蔓延，如近些年发生的几次大的停电事故。2、随着各种新能源的入网，电网的运行方式也呈现多样化，传统的按最大/最小运行方式整定的保护方法已很难满足电网复杂多变的运行要求。

电网智能化是电网建设发展的总体趋势，因此，可以利用智能变电站“全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化”的特点，对传统的继电保护方式和配置进行改进。例如IEC61850提出一种公共的通信标准，通过对各设备的一系列规范化，使其形成一个规范的输出，从而实现系统的无缝连接。基于IEC61850标准的智能变电站，站内信息可实现共享集成，站间信息也可通过光纤网络无缝交换，利用这些共享信息或冗余信息提升电力系统的继电保护性能与安全稳定运行能力成为了当前电力行业继电保护发展的新方向。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种面向区域电网的层次化保护控制系统，该系统能够利用区域电网内智能变电站的共享信息，对区域电网实施更加快速、可靠的继电保护与安稳控制。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种面向区域电网的层次化保护控制系统，其特征在于：它包括就地级保护装置、站域保护控制系统和广域保护控制系统；所述就地级保护装置按照被保护对象配置；所述站域保护控制系统按照变电站配置或按照电压等级配置，设置于站控层的站域保护控制主机中，所述站域保护控制系统控制站域保护控制主机，一方面接入站内过程层网，收集全站信息，另一方面作为广域保护控制系统的子站接入广域通信网，与接入同一广域通信网中的广域保护控制系统以及其他站域保护控制系统进行数据交互，接收其他智能变电站信息，执行广域保护控制系统发出的指令；所述广域保护控制系统按照区域电网配置，设置于区域电网的广域保护控制主机中，所述广域保护控制系统控制广域保护控制主机接入广域通信网，一方面收集区域电网内各智能变电站信息，另一方面利用区域电网全景信息分析保护控制策略，向站域保护控制系统发送指令，协调和加速区域电网内就地级保护装置动作。

上述就地级保护装置包括主保护和后备保护，所述主保护无延时动作，所述后备保护按照事先设定的保护定值分段延时配合动作，并接受站域保护控制系统和广域保护控制系统发出的闭锁指令。

上述站域保护控制系统设置在110kV及以上电压等级智能变电站中，具备后备保护、冗余保护和失灵保护功能，以及备自投、低频低压减载控制功能。

上述广域保护控制系统设置在500kV智能变电站或地区调度中心处，具备广域故障定位、广域后备保护、保护定值自适应调整、低频低压减载、电网状态评估和安全预警功能。

上述站域保护控制系统从智能变电站过程层网接收的信息包括全站各间隔电压、电流数据，断路器状态信息、就地级保护启动、闭锁和出口动作信息；在站控层交互的信息包括保护设备告警和保护定值区；通过广域通信网与其他智能变电站交互的信息包括保护闭锁和重合闸命令信息，与广域保护控制系统交互的信息包括全站各间隔电压、电流相量值、断路器状态和保护定值。

上述广域通信网为SDH光纤环网。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明分就地级保护装置、站域保护控制系统和广域保护控制系统三个层级，层次化地协调配合区域电网保护控制，利用区域电网内各智能变电站全景数据信息对电网运行状态进行分析评估，分析故障切除对系统安全稳定运行的影响，并采取相应的控制措施，从而能够提升区域电网整体继电保护性能和安稳控制水平。2、本发明的站域保护控制系统针对不同电压水平的智能变电站设置，集中实现全站继电保护的功能冗余，基于共享信息优化就地级后备保护性能，可以整合备自投、小电流接地选线、低频/低压减负荷等控制功能，减少二次设备布置，优化控制策略。3、本发明的广域保护控制系统可以实现区域电网内的元件后备保护，改善后备保护动作的选择性，协调保护与安稳控制，预防大停电事故发生。4、本发明的就地级保护装置中各类主保护无延时动作(20～30ms)，后备保护通过分段延时相互配合，且站域和广域保护控制系统利用区域电网综合信息加速了区域电网内就地级后备保护（0.3～0.5s），提高了就地级后备保护动作的速动性。本发明可以广泛用于各级电压区域电网继电保护与安稳控制工程。

附图说明

图1是本发明系统组成结构示意图；

图2是本发明实施例中典型区域电网接线及各层级保护范围示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明的层次化保护控制系统将区域电网的继电保护与安稳控制分为了三个层级：就地级保护、站域保护控制和广域保护控制，分别由就地级保护装置、站域保护控制系统和广域保护控制系统实现。就地级保护装置面向单个被保护对象，利用被保护对象自身信息，如电压、电流等信息，独立决策，实现快速、可靠的就地保护功能；站域保护控制系统面向智能变电站内多个被保护对象，利用相关对象的电压、电流、开关状态、保护启动、动作等信息，集中决策，实现站内相关对象的继电保护与安稳控制功能；广域保护控制系统面向区域内多个智能变电站，利用智能变电站站内综合信息以及跨站、跨对象等信息，统一决策，实现整个区域电网的继电保护与安稳控制功能。

如图1所示，就地级保护装置可以按照被保护对象（也称元件）配置。保护可以是线路保护、电容器保护等单间隔保护，也可以是母线保护、变压器保护等跨间隔保护。就地级保护装置保护可以靠近被保护对象设置。其中，单间隔保护采用直采直跳方式，当互感器为电子式互感器时，该保护通过光纤直连合并单元完成数据采样，通过光纤直连智能终端完成动作出口；当互感器采用常规互感器时，该保护通过电缆直连互感器完成数据采样，通过光纤直连智能终端完成动作出口。跨间隔保护采用直采网跳方式，通过光纤直连合并单元完成数据采样，通过网络GOOSE报文形式启动智能终端。

如下表1所示，以220kV智能变电站为例，就地级保护装置的各类保护及相应功能如下：

表1就地级保护装置功能配置

如图1所示，站域保护控制系统可以按照变电站配置或按电压等级配置，设置于站域保护控制主机中。站域保护控制主机在布置上属于间隔层装置，在功能上属于站控层设备。站域保护控制系统控制站域保护控制主机，一方面接入智能变电站内过程层网，收集全站信息；另一方面作为广域保护控制系统的子站，通过独立的通信网关机接入广域通信网，如图2中所示的SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步数字体系）光纤环网，向接入同一广域通信网中的广域保护控制系统及其他站域保护控制系统传送本站的数据信息，接收其他智能变电站信息，以及执行广域保护控制系统发出的指令。站域保护控制系统可以通过内置的功能模块实现多信息冗余、多原理决策的站内元件冗余保护，与就地级保护装置配合优化就地级后备保护性能，以及实现站内设备自投、低频/低压减负荷等控制功能。图1中还显示有对时系统、监控主机、至调度主站的网关机、数据服务器和故障录波等变压站常规设备，此处不再详述。

如下表2所示，以220kV智能变电站为例，站域保护控制系统可以实现以下功能：

表2站域保护控制系统的功能配置

上述实施例中，站域保护控制系统从智能变电站过程层网接收的信息可以包括全站各间隔电压、电流数据，断路器状态信息、就地级保护启动、闭锁和出口动作信息；在站控层交互的信息可以包括保护设备告警和保护定值区；通过广域通信网与其他智能变电站交互的信息可以包括保护闭锁和重合闸命令信息，与广域保护控制系统交互的信息可以包括全站各间隔电压、电流相量值、断路器状态和保护定值。

如图1所示，广域保护控制系统可以按照区域电网配置，设置于区域电网枢纽智能变电站或地区调控中心内的广域保护控制主机中。广域保护控制系统控制广域保护控制主机接入广域通信网，收集区域电网内各智能变电站的相关信息，如电压电流相量值、频率、断路器状态、保护动作等信息，且一方面，实现广域差动的元件后备保护，增加后备保护的冗余配置；另一方面，利用区域电网全景信息实现电网拓扑分析、潮流分析、保护定值自适应调整、稳定预测、紧急控制、恢复控制等功能。如表3所示，广域保护控制系统可以实现以下功能：

表3广域保护控制系统的功能配置

本方案中，就地级保护装置的配置方法为：

1）可以采用就地户外柜、汇控柜（组合电器方式）或预制小室方式安装。

2）220kV及以上电压等级线路按双重化原则配置独立的保护功能，110（66）kV电压等级线路按单套配置保护功能。线路保护宜布置于就地户外柜或汇控柜，应当直接采样、直接跳闸，当采用常规互感器时，保护可以采用电缆方式直接采样；当保护功能与合并单元、智能终端集成设计时，保护可以只配置主保护功能，后备保护功能由站域保护实现。

3）220kV及以上电压等级按双重化原则配置独立的母线保护功能，110（66）kV电压等级按单套配置母线保护功能。母线保护宜布置于预制小室，宜直接采样、直接跳闸，在保证可靠性和速动性的前提下，可以采用网络方式跳闸。

4）220kV及以上电压等级按双重化原则配置独立的变压器主、后备保护功能，110（66）kV电压等级宜按单套配置保护功能，主、后备保护分开配置。保护宜直接采样、直接跳闸，在保证可靠性和速动性的前提下，也可以采用网络方式跳闸。主、后一体化配置时一体化装置宜布置于预制小室；主、后分开配置时后备保护宜就地化布置于就地户外柜或汇控柜，主保护宜布置于预制小室或主控室。

本方案中，站域保护控制系统的配置方法为：

1）对220kV及其以上电压系统，继电保护配置已经完善，采用了双重化的主、后一体化保护配置方式，在任一保护设备退出情况下，继电保护系统的可靠性不受影响，所以，无需再配置继电保护功能。通过站域信息优化现有的过负荷、低频、低压减载，并作为广域保护控制系统的子单元。

2）对110kV及其以下电压系统，因继电保护单重化配置，在保护设备退出运行情况下，继电保护系统的可靠性受到比较大的影响，甚至可能导致一次设备退出运行，通过站域保护控制，非对称的实现站内设备的双重化配置的主保护，并通过站域信息实现优化逻辑的站域后备保护。通过站域信息优化现有的过负荷、低频、低压减载，并作为广域保护控制系统的子单元。

3）站域保护控制主机宜采用单重化配置方式，全站配置一套，安装在预制集成舱。

本方案中，广域保护控制系统的配置方法为：

1）220kV及其以上电压系统，通过广域信息实现电网智能控制，实现电网智能化监视与控制的分布式计算任务，完成电网的紧急控制功能，对电网的方式变化、稳定状态、紧急事故实现全过程的自动调整与控制。

2）110kV及其以下电压系统，继电保护单重化配置，在保护设备退出运行情况下，继电保护系统的可靠性收到比较大的影响，甚至可能导致一次设备退出运行，通过广域保护之间的信息交互或者广域差动原理进行故障定位，实现基于广域信息优化的后备保护。

3）广域保护控制主机宜采用单重化配置方式，按照区域进行配置，布置在500kV枢纽智能变电站或地区调控中心处。

如图2所示的一区域电网简易接线图，该区域电网中含500kV智能变电站、220kV智能变电站和110kV智能变电站，图中各椭圆虚线框内的元件均配置主、后功能完备的就地级保护装置，保护范围为椭圆范围内；各站配置站域保护控制系统，其保护范围为全站元件及其进出线，如虚线框范围所示；500kV枢纽站内配置广域保护控制系统，通过SDH光纤环网接入220kV、110kV智能变电站，通过各站站域保护控制系统收集各站数据，执行保护、控制命令。

该区域电网中，层次化保护控制系统可以实现以下功能：

1）电网拓扑分析：

电网拓扑分析是指基于电网接线方式和断路器开合状态分析电网中各元件的连接状态，并用数学方法表示出这种连接状态，便于潮流计算等分析。层次化保护控制系统中，基于区域电网中各元件规范统一的编号，站域保护控制系统通过GOOSE报文对站内断路器状态实施实时监视，如果断路器开合状态变化，站域保护控制系统将变位信息通过广域通信网发送给广域保护控制系统；广域保护控制系统基于预先存储的电网接线以及区域内各站域保护控制系统发送来的断路器变位信息，启动电网拓扑分析，计算出最新的电网拓扑结构。其中，所述的电网拓扑分析可以采用关联矩阵表示各元件的彼此连接情况，运用深度优先搜索或广度优先搜索算法计算电网拓扑结构。

2）冗余保护：

按照继电保护技术规程的规定，110（66）kV电压等级保护单套配置，保护装置故障时，相应元件需要退出运行。层次化保护控制系统中，站域保护控制系统中配置与110kV各元件就地级保护装置功能一致的保护模块，并实时监视就地级保护装置的运行状态，当检测到就地级保护装置发出故障或失灵警告信息时，启动相应的保护模块，临时替代就地级保护装置保护该间隔。如此，当就地级保护装置发生故障时就不会影响一次设备的正常运行。

3）优化后备保护：

站域保护控制系统通过智能变电站内过程层网接入全站各间隔电压、电流、断路器状态、保护跳闸、闭锁等信息，基于全站信息，利用扩大范围的差动原理能够更全面地区分和判别故障。

以500kV智能变电站的66kV出线故障，线路保护拒动为例进行分析。传统的保护方式是线路保护拒动，由上一级元件后备保护，即由主变66kV侧后备保护切除主变低压侧开关，该方法会导致66kV母线全线失压，扩大事故范围。层次化保护控制系统中，站域保护控制系统可以根据就地级保护启动信息（如66kV线路保护、主变低压侧后备保护）以及扩大范围的差动保护，判断出66kV线路保护拒动，而不是66kV开关拒动，从而启动线路断路器跳闸，避免扩大事故范围。

4）110kV开关失灵保护

层次保护控制系统中，220kV和110kV智能变电站站域保护控制系统配置110kV失灵保护功能模块，当相应间隔的就地级主保护跳闸命令发出后，站域保护控制系统启动并监视断路器状态，经一定的延时确认断路器未跳开后，依据站内接线拓扑跳开相关的断路器。例如图2中当220kV智能变电站110kV出线出现故障，站域保护控制系统监视到110kV就地级线路保护跳闸命令出口，若该线路断路器经一定延时后仍未动作，则发出跳开110kV母联断路器和线路对侧断路器的命令。

5）保护与安稳协调

过负荷保护动作往往是引起大停电事故的主因。如图2中110kV线路负载达到过负荷保护定值，过负荷保护跳闸切开此条线路，此时，负荷转移到110kV智能变电站其他进线，极有可能引起其他线路的过负荷，而其他线路的过负荷跳闸可能导致大面积停电事故的发生。层次保护控制系统中，广域保护控制系统可以利用电网范围内全景数据信息评估电网状态，及时做出切掉负荷、投入备用电源等控制策略，避免按常规整定的保护在特殊情况下的误动作引发电网稳定问题。

6）保护定值自适应调整

电网拓扑发生变化后，很可能会导致原保护整定不合理。层次保护控制系统中，广域保护控制系统监视区域电网内拓扑变化，启动定值整定计算模块，校验、修正原有保护定值，通过站域保护控制系统下发到相应的保护模块；站域保护控制系统在收到广域保护控制系统下发的定值调整命令后，检查定值是否在调整范围内，从而决定是否下发定值或发出警告。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种面向区域电网的层次化保护控制系统，其特征在于：它包括就地级保护装置、站域保护控制系统和广域保护控制系统；

所述就地级保护装置按照被保护对象配置；

所述站域保护控制系统按照变电站配置或按照电压等级配置，设置于站控层的站域保护控制主机中，所述站域保护控制系统控制站域保护控制主机，一方面接入站内过程层网，收集全站信息，另一方面作为广域保护控制系统的子站接入广域通信网，与接入同一广域通信网中的广域保护控制系统以及其他站域保护控制系统进行数据交互，接收其他智能变电站信息，执行广域保护控制系统发出的指令；

所述广域保护控制系统按照区域电网配置，设置于区域电网的广域保护控制主机中，所述广域保护控制系统控制广域保护控制主机接入广域通信网，一方面收集区域电网内各智能变电站信息，另一方面利用区域电网全景信息分析保护控制策略，向站域保护控制系统发送指令，协调和加速区域电网内就地级保护装置动作。

2.如权利要求1所述的一种面向区域电网的层次化保护控制系统，其特征在于：所述就地级保护装置包括主保护和后备保护，所述主保护无延时动作，所述后备保护按照事先设定的保护定值分段延时配合动作，并接受站域保护控制系统和广域保护控制系统发出的闭锁指令。

3.如权利要求1所述的一种面向区域电网的层次化保护控制系统，其特征在于：所述站域保护控制系统设置在110kV及以上电压等级智能变电站中，具备后备保护、冗余保护和失灵保护功能，以及备自投、低频低压减载控制功能。

4.如权利要求2所述的一种面向区域电网的层次化保护控制系统，其特征在于：所述站域保护控制系统设置在110kV及以上电压等级智能变电站中，具备后备保护、冗余保护和失灵保护功能，以及备自投、低频低压减载控制功能。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种面向区域电网的层次化保护控制系统，其特征在于：所述广域保护控制系统设置在500kV智能变电站或地区调度中心处，具备广域故障定位、广域后备保护、保护定值自适应调整、低频低压减载、电网状态评估和安全预警功能。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种面向区域电网的层次化保护控制系统，其特征在于：所述站域保护控制系统从智能变电站过程层网接收的信息包括全站各间隔电压、电流数据，断路器状态信息、就地级保护启动、闭锁和出口动作信息；在站控层交互的信息包括保护设备告警和保护定值区；通过广域通信网与其他智能变电站交互的信息包括保护闭锁和重合闸命令信息，与广域保护控制系统交互的信息包括全站各间隔电压、电流相量值、断路器状态和保护定值。

7.如权利要求5所述的一种面向区域电网的层次化保护控制系统，其特征在于：所述站域保护控制系统从智能变电站过程层网接收的信息包括全站各间隔电压、电流数据，断路器状态信息、就地级保护启动、闭锁和出口动作信息；在站控层交互的信息包括保护设备告警和保护定值区；通过广域通信网与其他智能变电站交互的信息包括保护闭锁和重合闸命令信息，与广域保护控制系统交互的信息包括全站各间隔电压、电流相量值、断路器状态和保护定值。

8.如权利要求1或2或3或4或7所述的一种面向区域电网的层次化保护控制系统，其特征在于：所述广域通信网为SDH光纤环网。

9.如权利要求5所述的一种面向区域电网的层次化保护控制系统，其特征在于：所述广域通信网为SDH光纤环网。

10.如权利要求6所述的一种面向区域电网的层次化保护控制系统，其特征在于：所述广域通信网为SDH光纤环网。

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