CN105977923A - 一种实现即插即用的变电站继电保护装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现即插即用的变电站继电保护装置及系统，保护装置包括相互依托、相互关联的线路保护装置、变压器保护装置、母联保护装置以及母线间隔保护装置；线路保护装置、变压器保护装置和母联保护装置分别通过二次电缆直接接入所需电流和开关量信息；并分别通过二次电缆输出分合闸控制以及保护装置开出直接作用于本间隔的开关机构；母线间隔保护装置以模拟量的形式接入电压互感器采集的母线电压；母线间隔保护装置分别与线路保护装置、变压器保护装置及母联保护装置通过两根光缆点对点直接连接。本发明可实现即插即用的继电保护系统在保证电网故障快速可靠切除的前提下，进一步减低电网运行风险和运维人员劳动强度，保障电网安全可靠稳定运行。

Description

一种实现即插即用的变电站继电保护装置及系统

技术领域

本发明涉及智能变电站技术领域，尤其涉及一种实现即插即用的变电站继电保护装置及系统。

背景技术

常规站可靠性高、技术成熟、运行稳定，但存在回路复杂、保护装置及二次回路通用性差、技术要求高、整改反措难和运行维护工作量大等问题，为此，智能电网应运而生。智能电网以高速网络通信平台为信息传输基础，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和检测等功能。智能变电站有三个关键特征，一是通过增加合并单元和智能终端等过程层设备，实现模拟电信号与数字光信号之间的转换；二是利用光纤取代常规变电站的电缆实现过程层设备与间隔层设备之间的连接；三是采用统一的IEC61850通信规约标准实现层间设备及层内设备的信息交互。基于以上三大特征，智能电网大大简化了变电站的二次回路，降低了施工、运行和维护的工作量。

智能站代表着技术发展的方向、前景广阔，然而目前仍处于发展过渡阶段、技术不成熟，配置方案复杂多样不统一，特别是存在着以下问题和不足：

一是利用光纤实现过程层与间隔层之间信息的传递，光纤长度较长，容易出现故障；

二是在过程层增加了合并单元和智能终端设备，实现光电信号的转换，电压、电流和开关状态信息的采集，以及分合闸信号的传递，而合并单元(MU)和智能终端(ST)设备产品质量差，经常发生故障；

三是过程层与间隔层之间的信息传递依靠网络，而运维人员现有的技术水平难以满足通信新技术应用要求，调试消缺过度依赖厂家，安全运行存在较大的风险。

针对上述这些问题，国内外继电保护专家相继展开有关优化智能电网结构布局的研究，通过二次保护设备就地化，缩短光纤长度，简化二次回路，减少数据传输环节，实现对一次设备的“贴身保护”。比如：

现有技术提出对单间隔保护开展研究，构建了以就地保护为基础、站域与广域保护协同的层次化继电保护控制系统，就地层独立、分散的实现其保护功能，实现可靠、快速切除故障，从而取消了电缆及桥架，简化二次回路。

现有技术提出了分布式母线保护实现方案，利用装置内部实现IEEE1588的对时方案，解决由于跨间隔保护功耗高、回路复杂、运行不易等，不利于直接就地安装的问题。

现有技术提出了利用母线保护子机就地采集数据，通过环网共享数据，各子机对立逻辑判断，从而提高母线保护的可靠性。

然而，在上述就地化保护方案中，过程层信号的采集和分合闸指令的传递仍基于合并单元(MU)和智能终端(ST)，间隔层与过程层之间的信息传递仍依靠网络，保护装置的可靠动作依然得不到保障。

传统的保护系统配置方案中，各间隔保护装置均就地安装，在线路、变压器和母联保护间隔内，各间隔MU采集本间隔一次设备的CT电流，通过ST采集本间隔开关状态量等信号，这种方式并不能保证系统的安全和可靠动作，一方面，当前智能站的智能终端和合并单元还不够成熟，缺陷率较高。根据统计，在2013年我国各电压等级变电站保护装置和相关设备发生的310次缺陷中，由ST和MU所引起缺陷的比例均高于40％，因此，ST和MU缺陷率高是影响智能电网可靠动作的重要原因。

另一方面，在该方案中，各间隔合并单元和智能终端分别利用过程层交换机组建了SV网和GOOSE网，用于传输交直流信息和跳闸命令，即过程层交换机是各间隔保护信息共享和保护动作传达的关键环节。为保证各间隔数据传输的可靠性，过程层交换机需采用802.1Q VLAN(Virtual Local Area Network)或GMRP(Multicast Registration Protocol)进行组播管理，需要对输入或输出端口进行抑制，从而避免网络风暴，同时，需要进行端口镜像，实现对数据帧的实时监视，而运维检修人员现有的网络通信技术水平相对薄弱，对设备的调试过度依赖厂家，安全运行存在较大风险。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种实现即插即用的变电站继电保护装置及系统，针对合并单元和智能终端不可靠的问题，取消合并单元和智能终端，使网络架构由原来的站控层、间隔层和过程层简化为站控层和就地间隔层；针对网络交换机容易出现网络风暴及对运维人员运维水平要求较高的问题，建立了点对点SV/GOOSE直连网络，实现了各保护装置间信息的实时可靠传输。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种实现即插即用的变电站继电保护装置，包括相互依托、相互关联的线路保护装置、变压器保护装置、母联保护装置以及母线间隔保护装置；

所述线路保护装置、变压器保护装置和母联保护装置分别通过二次电缆直接接入所需电流和开关量信息；并分别通过二次电缆输出分合闸控制以及保护装置开出直接作用于本间隔的开关机构；

所述母线间隔保护装置以模拟量的形式接入电压互感器采集的母线电压；

所述母线间隔保护装置分别与线路保护装置、变压器保护装置及母联保护装置通过两根光缆点对点直接连接。

所述线路保护装置、变压器保护装置和母联保护装置分别就地安装于相应间隔的汇控柜内。

所述母线间隔保护装置就地安装于电压互感器间隔内。

所述两根光缆中的其中一根用于组建SV网络，线路保护装置或者母联保护装置通过所述SV网络将三相间隔电流传输给母线间隔保护装置，并接收来自母线间隔保护装置的切换后的三相电压。

所述两根光缆中的另外一根用于组建GOOSE网络，实现线路保护装置、变压器保护装置或者母联保护装置与母线间隔保护装置之间开关量信息的交换；

同时，母线间隔保护装置动作后，跳闸命令通过所述GOOSE网传输给相应间隔的线路或母联保护装置并直接通过二次电缆作用于开关机构动作。

一种实现即插即用的变电站继电保护系统，包括：就地间隔层和站控层；就地间隔层与站控层之间通过以太网交换机建立站控层网络，实现两层设备间的通信；

所述就地间隔层将全站的遥测、遥信和继电保护动作行为信息上传给站控层；所述站控层保存就地间隔层的遥测、遥信信号，并根据遥控和遥调指令，实现信息的远程控制。

所述就地间隔层包括并联在站控层网络上的测控单元、保护单元、故障录波器和低频低压减载装置，其中测控单元包括线路间隔、变压器间隔、母线间隔和母联间隔测控装置，所述保护单元包括了上述相互依托、相互关联的线路保护装置、变压器保护装置、母联保护装置以及母线间隔保护装置。

所述测控单元通过二次电缆直接将间隔电流、电压和开关量信息接入相应间隔测控装置。

所述线路保护装置、变压器保护装置、母联保护装置以及母线间隔保护装置之间用两根光纤连接，分别建立点对点SV和GOOSE网络，实现间隔电流、间隔电压和开关量信号的共享和分合闸信号的传递。

所述母线间隔保护装置通过SV和GOOSE网络连接故障录波器和低频低压减载装置。

所述站控层，具体包括服务器、后台监控模块、保护信息子站和远动机，其中，后台监控模块通过以太网将各间隔测控装置、保护装置和故障录波器采集的全站的遥测、遥信、继电保护动作行为的信息数据存放在服务器的数据库；保护信息子站将保护信息和故障录波信息通过网络上传至分站和主站；远动机通过网络将遥信、遥测信息上传给调控中心，并接收来自远端的遥控和遥调信息，实现对本站的远方控制。

本发明的有益效果是：

(1)本发明取消了合并单元和智能终端，实现了电压、电流、开关量和分合闸命令的直接接入和开出，取消了网络交换机，实现了各保护装置之间的点对点直连；

(2)本发明的二次回路统一、简单、清晰，通用性强：在保留传统保护二次接线高可靠性的基础上，实现了网络传输数据共享、自动同步等优势，真正实现了不同一次、二次厂家产品的通用与统一，同时回路缺陷排查和整改更加方便；

(3)本发明提供的保护装置对其他设备的依赖减小，独立性强，运行稳定、可靠，避免了合并单元和智能终端本身故障或光纤断链、光口松动等情况导致的保护装置不动或误动；

(4)信息传输可靠性大大提高，通过取消网络交换机，将母线保护与线路或母联保护之间点对点直连，避免了网络风暴、网络吞吐量限制和传输时延大等网络不可靠因素的影响，保证了母线保护与线路或母联保护之间信息的实时可靠传递；

(5)二次电缆敷设路径短，发生故障时，更换更加简易方便，不同厂家的装置故障或间隔调整等均可进行整体更换、即插即用；

(6)跨间隔的线路、变压器保护、母联保护与母线保护之间仅有两根光缆相连，留有足够冗余备用光纤，可靠性强；

(7)本发明可实现即插即用的继电保护系统在保证电网故障快速可靠切除的前提下，减少了设备数量和二次电缆，提高了不同厂家设备通用性和可替换性，从根本上实现了二次设备“即插即用”，极大减轻设备运维工作量，进一步减低电网运行风险和运维人员劳动强度，保障电网安全可靠稳定运行。

附图说明

图1为传统保护系统典型配置方案示意图；

图2为本发明的继电保护系统基本原理图；

图3为本发明的继电保护系统网络结构图；

图4为本发明的保护装置联接关系示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，在传统的保护系统配置方案中，各间隔保护装置均就地安装。在线路、变压器和母联保护间隔内，各间隔MU采集本间隔一次设备的CT电流，通过ST采集本间隔开关状态量等信号；在母线保护间隔内，PT电压接入本间隔合并单元；线路、变压器、母联和母线间隔的合并单元通过交换机建立SV交换网，用于传输三相电压和电流等交流信息；线路、变压器和母联间隔的智能终端通过交换机建立GOOSE交换网，用于传输开关量等直流信息。

线路、变压器和母联保护装置通过本间隔MU接入本间隔电流，通过本间隔ST接入本间隔开关量，通过SV网接入母线电压，并将保护动作通过ST直接作用于本间隔开关机构。

母线保护通过本间隔MU接入本间隔电压，通过SV网接收其余间隔的电流，通过GOOSE网接收其余间隔的开关量等信息，并将保护动作通过GOOSE网传输给其余间隔ST，从而实现其余间隔的开关动作。

一方面，当前智能站的智能终端和合并单元还不够成熟，缺陷率较高。如表1所示，在2013年我国各电压等级变电站保护装置和相关设备发生的310次缺陷中，由ST和MU所引起缺陷的比例均高于40％，因此，ST和MU缺陷率高是影响智能电网可靠动作的重要原因。

表1 2013年智能变电站设备缺陷电压等级分布统计

系统电压等级	ST缺陷(％)	MU缺陷(％)
			750kV系统	10％	30％
500kV系统	11.54％	38.45％
			330kV系统	5.26％	36.87％
220kV系统	22.75％	58.03％

另一方面，在该方案中，各间隔合并单元和智能终端分别利用过程层交换机组建了SV网和GOOSE网，用于传输交直流信息和跳闸命令，即过程层交换机是各间隔保护信息共享和保护动作传达的关键环节。为保证各间隔数据传输的可靠性，过程层交换机需采用802.1QVLAN(Virtual Local Area Network)或GMRP(Multicast Registration Protocol)进行组播管理，需要对输入或输出端口进行抑制，从而避免网络风暴，同时，需要进行端口镜像，实现对数据帧的实时监视，而运维检修人员现有的网络通信技术水平相对薄弱，对设备的调试过度依赖厂家，安全运行存在较大风险。

针对传统保护系统配置方案的缺陷，从以下两个方面入手构建“即插即用”新型继电保护系统方案：一是取消MU和ST，并将两者的功能集成在保护装置上，避免因MU和ST故障影响保护动作，并减少设备数量，简化二次回路；二是取消网络交换机，以点对点直连形式组建SV和GOOSE网络，避免网络风暴等不可靠数据传输影响保护动作。

如图2所示，各线路、母联间隔的双套独立配置的保护装置就地安装于相应间隔的汇控柜内。所需电流(三相电流)分别通过二次电缆从电流互感器独立二次绕组以模拟量的形式直接接入，所需开关量(三相跳位、隔离刀闸位置、压力低闭锁重合闸位置等)也通过二次电缆直接接入，分合闸控制、保护装置开出等均通过二次电缆直接作用于本间隔的开关机构。

母线保护装置就地安装于电压互感器间隔内，并以模拟量的形式接入由I母和II母电压互感器采集的母线电压。母线保护装置与各线路或母联保护装置分别通过两根光缆点对点直接连接。一根光缆用于组建SV网络，各线路或母联保护装置通过该网将三相间隔电流传输给母线保护装置，并接收来自母线保护装置的切换后三相电压；另一根光缆用于组建GOOSE网络，实现各线路、变压器或母联保护与母线保护之间开关量等信息的交换，同时，母线保护装置动作后，跳闸命令通过GOOSE网传输给相应间隔的线路或母联保护装置并直接通过二次电缆作用于开关机构动作。

基于新型就地化保护的智能站网络结构如图3所示。由于取消了合并单元和智能终端，网络架构由原来的三层简化为两层，即由过程层、间隔层和站控层简化为就地间隔层和站控层。

就地间隔层由各间隔(线路、母联、变压器和母线间隔)测控装置和保护装置，以及故障录波和低频低压减载装置等组成。间隔电流、电压和开关量等信息通过二次电缆直接接入相应间隔测控装置。线路、母联及变压器保护装置与母线保护装置之间用两根光纤连接，分别建立点对点SV和GOOSE网络，实现间隔电流、间隔电压和开关量等信号的共享和分合闸信号的传递。故障录波装置通过两根光纤与母线保护装置直连，分别建立点对点SV和GOOSE网络，由于母线保护装置能够接收来自各间隔的电流和开关量，且通过二次电缆直接采集到母线电压，因此，只要与母线保护装置相连，故障录波装置即可获得所需的电压、电流和开光量等信息。低频低压减载装置也通过两根光纤与母线保护装置直连，并接收来自母线保护装置的母线电压等信息。

站控层后台机、服务器、远动机和保护信息子站等设备与就地间隔层间通过以太网交换机建立站控层网络，实现两层设备间的通信。站控层网络通过各间隔测控装置、保护装置和故障录波器将全站的遥测、遥信、继电保护动作行为等信息上传给站控层设备；后台监控系统通过以太网将这些信息数据存放在服务器的数据库；保护信息子站将保护信息和故障录波信息通过网络上传至分站和主站；远动机通过网络将遥信、遥测等信息上传给调控中心，并接收来自远端的遥控和遥调信息，实现对本站的远方控制。

线路保护、变压器保护和母联保护能够通过二次电缆接收来自本间隔CT的交流电流及相应开关量，所需交流电压需要由母线保护装置提供；与此相反，母线保护能够通过二次电缆接收来自本间隔PT的母线电压，所需电流需由其余各间隔保护装置提供。因此，线路保护、变压器保护及母联保护与母线保护相互依托、相互关联。如图4所示，各间隔保护间建立了以母线保护为中心的点对点光纤直连网络，以实现信息共享和相互配合。线路、变压器和母联保护装置分别通过两根光纤与母线保护装置直连，一根光纤用于构建SV网，实现电压、电流等交流信息的共享，一根光纤用于构建GOOSE网，实现开关位置、隔离刀闸位置、压力低闭锁重合闸位置等开关量信息的共享和分合闸控制、保护装置开出等信号的传输。

在线路保护间隔，保护装置所需二次电流来源于本间隔开关CT，所需开关量来源于辅助节点，并通过电缆直接接入，所需电压由母线保护装置通过点对点光纤SV网进行传输。当发生线路故障时，保护装置根据所接收的电流、电压、开关量等信息进行逻辑判断，并与保护定值进行比对，若符合动作条件，则动作出口，并通过电缆直接作用于本间隔开关机构。

在变压器保护间隔，保护装置所需二次电流来源于变压器高、中、低三侧开关CT，所需开关量来源于三侧相关辅助节点，均通过二次电缆直接接入，所需电压由母线保护装置通过点对点光纤SV网进行传输。在变压器间隔内发生故障时，保护装置根据三侧电流值进行逻辑判断，若满足动作条件，保护装置发出跳闸命令，并通过二次电缆直接作用于开关机构。

在母联保护间隔，保护装置通过二次电缆直接接入由母联开关CT采集的三相电流和由开关辅助节点开入的分合闸位置等信号，并通过SV网接收来自母线保护装置的母线电压。本间隔发生故障后，保护装置动作发出跳闸命令，通过二次电缆作用于开关机构。

在母线保护间隔，保护装置通过点对点光纤SV网接收来自各线路间隔及变压器间隔相应侧的二次电流信息，通过GOOSE网采集各间隔开关量，并通过本间隔PT采集母线电压。保护装置根据所采集的电压、电流和开关量等信息判断母线是否出现异常故障，当发现异常时，保护装置母线保护或失灵保护动作发出跳闸命令，并通过GOOSE传输给各间隔保护装置，然后，各间隔保护装置通过二次电缆作用于开关机构，实现跳闸。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种实现即插即用的变电站继电保护装置，其特征是：包括相互依托、相互关联的线路保护装置、变压器保护装置、母联保护装置以及母线间隔保护装置；

所述线路保护装置、变压器保护装置和母联保护装置分别通过二次电缆直接接入所需电流和开关量信息；并分别通过二次电缆输出分合闸控制以及保护装置开出直接作用于本间隔的开关机构；

所述母线间隔保护装置以模拟量的形式接入电压互感器采集的母线电压；

所述母线间隔保护装置分别与线路保护装置、变压器保护装置及母联保护装置通过两根光缆点对点直接连接。

2.如权利要求1所述的一种实现即插即用的变电站继电保护装置，其特征是：所述线路保护装置、变压器保护装置和母联保护装置分别就地安装于相应间隔的汇控柜内。

3.如权利要求1所述的一种实现即插即用的变电站继电保护装置，其特征是：所述母线间隔保护装置就地安装于电压互感器间隔内。

4.如权利要求1所述的一种实现即插即用的变电站继电保护装置，其特征是：所述两根光缆中的其中一根用于组建SV网络，线路保护装置或者母联保护装置通过所述SV网络将三相间隔电流传输给母线间隔保护装置，并接收来自母线间隔保护装置的切换后的三相电压。

5.如权利要求1所述的一种实现即插即用的变电站继电保护装置，其特征是：所述两根光缆中的另外一根用于组建GOOSE网络，实现线路保护装置、变压器保护装置或者母联保护装置与母线间隔保护装置之间开关量信息的交换；

同时，母线间隔保护装置动作后，跳闸命令通过所述GOOSE网传输给相应间隔的线路或母联保护装置并直接通过二次电缆作用于开关机构动作。

6.一种实现即插即用的变电站继电保护系统，其特征是：包括就地间隔层和站控层；就地间隔层与站控层之间通过以太网交换机建立站控层网络，实现两层设备间的通信；

所述就地间隔层将全站的遥测、遥信和继电保护动作行为信息上传给站控层；所述站控层保存就地间隔层的遥测、遥信信号，并根据遥控和遥调指令，实现信息的远程控制。

所述就地间隔层包括并联在站控层网络上的测控单元、保护单元、故障录波器和低频低压减载装置，其中测控单元包括线路间隔、变压器间隔、母线间隔和母联间隔测控装置，所述保护单元包括了相互依托、相互关联的线路保护装置、变压器保护装置、母联保护装置以及母线间隔保护装置。

7.如权利要求6所述的一种实现即插即用的变电站继电保护系统，其特征是：所述测控单元通过二次电缆直接将间隔电流、电压和开关量信息接入相应间隔测控装置。

8.如权利要求6所述的一种实现即插即用的变电站继电保护系统，其特征是：所述线路保护装置、变压器保护装置、母联保护装置以及母线间隔保护装置之间用两根光纤连接，分别建立点对点SV和GOOSE网络，实现间隔电流、间隔电压和开关量信号的共享和分合闸信号的传递。

9.如权利要求6所述的一种实现即插即用的变电站继电保护系统，其特征是：所述母线间隔保护装置通过SV和GOOSE网络连接故障录波器和低频低压减载装置。

10.如权利要求6所述的一种实现即插即用的变电站继电保护系统，其特征是：所述站控层，具体包括服务器、后台监控模块、保护信息子站和远动机，其中，后台监控模块通过以太网将各间隔测控装置、保护装置和故障录波器采集的全站的遥测、遥信、继电保护动作行为的信息数据存放在服务器的数据库；保护信息子站将保护信息和故障录波信息通过网络上传至分站和主站；远动机通过网络将遥信、遥测信息上传给调控中心，并接收来自远端的遥控和遥调信息，实现对本站的远方控制。