CN106059085B - 一种广域电网层次化保护与控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于广域电网层次化保护与控制系统，包括：互相通信的采集控制层单元和网络保护层单元；采集控制层单元包括站内本地数据采集和控制设备；站间远方数据采集和控制设备；以及站内就地化保护控制设备；网络保护层单元包括站内快速差动保护设备和站内站间延时差动保护设备两层保护；本发明有益效果：实现了对广域电网的层次化保护与控制，使站内保护控制与广域保护控制形成系统化配合，实现快速恢复供电及确保供电可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及电网保护与控制领域，尤其涉及一种广域电网层次化保护与控制系统。
背景技术
随着特高压交直流输电工程建设的不断推进，以及对未来能源互联网进一步预期，电网的结构和运行方式将更加灵活多变，电网的暂态过程也将更加复杂。目前智能变电站的规模化推广应用，虽然促进了站内数据的共享和优化，但基于本地信息构建的保护控制系统已不能适应电网发展的可靠性和安全性要求，表现出整定计算困难、动作速度慢、失配情况普遍、甚至发生误动等问题，已成为电网安全的薄弱环节。因此有必要以系统性思想来重构电网整体的保护与控制系统，建立一种广域电网层次化保护与控制系统，提高广域电网的供电可靠性和安全性。
现有技术公开了一种层次化保护系统，包括由就地间隔保护、站域保护和广域保护构成的三层次继电保护系统，实现以就地间隔保护为主体、站域保护与广域保护为补充的继电器保护框架。
现有技术公开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。该系统利用区域电网内智能变电站的共享信息，对区域电网实施继电保护与控制。
现有技术公开了一种电力系统广域保护与控制系统，其包含一个保护控制主站，若干保护控制子站、就地采集控制设备及通讯网关设备。解决现有保护与控制系统无法实现电网全过程协同优化控制的问题。
但是以上专利在广域网保护原理架构上仍然沿用了以往传统微机保护系统的原理架构，不同层次间保护动作行为存在相互依赖性，未能良好解决整定困难、动作速度慢、现场失配可能导致的误动等问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种广域电网层次化保护与控制系统，该系统能够实现对广域电网的层次化保护与控制，使站内保护控制与广域保护控制形成系统化配合，实现快速可靠切除电网故障和恢复供电。
为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
一种基于广域电网层次化保护与控制系统，包括：互相通信的采集控制层单元和网络保护层单元；
所述采集控制层单元包括用于采集并传输变电站内一次设备模拟量和开关量信息的站内本地数据采集和控制设备；用于采集并传输远方变电站设备模拟量信息和开关量信息的站间远方数据采集和控制设备；以及基于本地信息构建的站内就地化保护控制设备；
所述网络保护层单元包括站内快速差动保护设备、站内短延时差动保护设备、站间延时差动保护设备共三层保护；所述站内快速差动保护设备基于接收的采集控制层单元的数据，实现以元件为中心的站内一次设备或站间线路的差动保护；所述站内短延时差动保护设备基于接收的采集控制层单元的数据，实现以开关为中心的站内电网范围内的差动保护；所述站间延时差动保护设备基于接收的采集控制层单元的数据，实现以开关为中心的站间区域电网范围内的差动保护。
进一步地，还包括：区域控制层单元；所述区域控制层单元与采集控制层单元和网络保护层单元分别通信；
所述区域控制层单元包括区域电网运行安全协同控制和自愈设备，该设备基于广域电网全数据信息实现对区域电网运行安全的协同控制和自愈。
更进一步地，所述站内本地数据采集和控制设备包括但不限于变电站合并单元和智能终端；站内本地数据采集和控制设备采集变电站内设备的模拟量信息和开关量信息，进行数据转化后将所述信息输出给站内就地化保护控制设备和网络保护层单元中需要该信息的设备；
或者将所述信息输出给站间远方数据采集和控制设备、网络保护层单元和区域控制层单元中需要该信息的设备。
进一步地，所述站内本地数据采集和控制设备同时接收站间远方数据采集和控制设备和网络保护层单元发出的控制命令，或者同时接收站间远方数据采集和控制设备、网络保护层单元和区域控制层单元发出的控制命令，通过开出继电器接点方式对变电站内的一次设备和二次设备进行控制。
进一步地，所述站间远方数据的采集和控制设备包括但不限于变电站合并单元和智能终端；站间远方数据的采集和控制设备采集远方变电站设备模拟量信息和开关量信息，进行数据转化后将所述信息输出给网络保护层单元或者区域控制层单元中需要该信息的设备；
所述站间远方数据的采集和控制设备同时向系统内其他远方变电站的站内本地数据采集和控制设备发出控制命令。
进一步地，所述站内就地化保护设备包括基于本地信息构建的就地化的本体保护设备、电压电流保护设备、距离保护设备和备自投设备；所述站内就地化保护设备按保护对象配置，就地化布置在保护对象周侧，或者直接将功能合并实现在变电站合并单元和智能终端中。
进一步地，所述站内快速差动保护设备设置在变电站主控室内，站内快速差动保护设备以元件为中心，针对站内一次设备或站间线路的差动保护，仅动作于站内跳闸控制，在整个广域电网层次化保护与控制系统中起主保护作用。
进一步地，所述站内短延时差动保护设备以站内开关为中心，基于站内的同步信息进行差动保护数据整合运算和逻辑判别，完成站内某个电网区域范围的差动保护，在整个广域电网层次化保护与控制系统中作为站内快速差动保护的后备保护。
进一步地，所述站间延时差动保护设备以站间开关为中心，基于站间的同步信息进行差动保护数据整合运算和逻辑判别，完成站间某个电网区域范围的差动保护，在整个广域电网层次化保护与控制系统中作为站内快速差动保护和站内短延时差动保护设备的后备保护。
进一步地，所述区域电网运行安全协同控制和自愈设备，包括但不限于区域电网紧急控制设备、区域电网供电自愈控制设备、辅助决策支撑服务设备和可视化运维监控设备；上述设备能够基于广域电网全数据信息按照预设原理方案直接对区域范围内的一次设备进行自动化判别和控制，或者为运维人员提供相应运行工况和决策支撑服务。
进一步地，还包括：通信网关设备：用于实现采集控制层单元、网络保护层单元和区域控制层单元之间的数据传输；同步时钟设备：用于实现系统内设备的时间同步以及数据同步。
本发明的有益效果：
采用本发明所述技术方案，实现了对广域电网的层次化保护与控制，使站内保护控制与广域保护控制形成系统化配合，实现快速恢复供电及确保供电可靠性。
本发明以系统性思想来重构电网整体的保护与控制系统，利用智能变电站技术共享的原始数据源重新进行了广域保护系统的原理构建，全面采用差动原理优势消除不同层次间保护动作行为的相互依赖性，并且保护定值和保护动作时间整定配合简单、不存在失配问题；站内快速差动瞬时最小范围切除故障、站内短延时差动和站间延时差动作为后备能够不依赖其它保护的动作行为在短时间内将主保护动作失效影响范围控制到最小。
由于本广域保护主要以差动保护原理为基础，所以适用性强、没有应用范围和区域限制。
附图说明
图1为广域电网层次化保护与控制系统的系统架构图；
图2为广域电网层次化保护与控制系统的逻辑架构图；
图3为广域电网层次化保护与控制系统的配置方案与传统方案对比图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进行详细说明：
本发明基于广域电网层次化保护与控制系统是在智能站分层分布式保护控制系统的基础上进行了外延和扩展，整体仍符合分层分布式的特点。包括：互相通信的采集控制层单元和网络保护层单元；采集控制层单元包括用于采集并传输变电站内一次设备模拟量和开关量信息的站内本地数据采集和控制设备；用于采集并传输远方变电站设备模拟量信息和开关量信息的站间远方数据采集和控制设备；以及基于本地信息构建的站内就地化保护控制设备；
网络保护层单元包括站内快速差动保护设备、站内短延时差动保护设备、站间延时差动保护设备共三层保护；所述站内快速差动保护设备基于接收的采集控制层单元的数据，实现以元件为中心的站内一次设备或站间线路的差动保护；所述站内短延时差动保护设备基于接收的采集控制层单元的数据，实现以开关为中心的站内电网范围内的差动保护；所述站间延时差动保护设备基于接收的采集控制层单元的数据，实现以开关为中心的站间区域电网范围内的差动保护。
作为一种实施方式，在上述基于广域电网层次化保护与控制系统的基础上，还可以增加区域控制层单元；区域控制层单元与采集控制层单元和网络保护层单元分别通信；区域控制层单元包括区域电网运行安全协同控制和自愈设备，该设备基于广域电网全数据信息实现对区域电网运行安全的协同控制和自愈。
广域电网全数据信息包括：广域电网控制范围内相关一次设备的电压电流等模拟量信息、各种开关接点的位置等开关量信息，以及相关二次智能设备的判别动作信息，甚至相关环境、安防消防、在线监测等辅助监控设备提供的辅助监控的采集和控制信息，这些广域电网全数据信息也可以被形象地称为广域电网全景信息。
图1和图2给出了一种基于广域电网层次化保护与控制系统的具体实施方式，整个系统由站内本地数据采集和控制设备、站间远方数据采集和控制设备、站内本地保护与控制设备、站内快速差动保护设备、站内短延时差动保护设备、站间延时差动保护设备、区域电网协同控制和自愈设备、以及通信网关设备、同步时钟设备等构成，各个设备内功能允许根据情况进行组合或分拆配置。
站内本地数据采集和控制设备，负责采集变电站内相关设备的模拟量、开关量信息，并根据需要转换成符合IEC61850规范的SV或GOOSE信息、或其他有利于广域电网保护控制系统应用的数据信息，并将集到的数据信息直传或通过通信网关设备输出给系统内需要该信息的其它保护控制设备、站间远方数据采集和控制设备。站内本地数据采集和控制设备同时接收系统内保护控制设备、站间远方数据采集和控制设备以GOOSE形式发出的控制命令，通过开出继电器接点方式对站内的一次、二次设备进行控制。其功能包括但不限于当前智能变电站中的合并单元、智能终端功能。
站间远方数据采集和控制设备，负责采集远方变电站相关设备的模拟量、开关量信息，被采集信息符合IEC61850规范的SV或GOOSE信息、或其他有利于广域电网保护控制系统应用的数据信息规范，并将集到的数据信息直传或通过通信网关设备输出给系统内其它保护控制设备。站间远方数据采集和控制设备同时向系统内远方变电站的站内本地数据采集和控制设备以GOOSE形式发出的控制命令，远方变电站的站内本地数据采集和控制设备通过开出继电器接点方式对远方变电站的一次、二次设备进行控制。其功能包括但不限于当前智能变电站中的合并单元、智能终端功能。
站内本地保护与控制设备，基于本地信息构建,负责完成就地化本体保护、电压电流保护、距离保护、备自投等保护与控制功能的设备,一般以就地安装为主，在整个广域电网层次化保护与控制系统中起基础后备保护作用。
站内快速差动保护设备，负责完成站内一次设备和站间线路的差动保护，比如完成站内变压器元件、母线元件的差动保护功能等，站内快速差动保护设备设置在变电站主控室内，站内快速差动保护设备以元件为中心，针对站内一次设备或站间线路的差动保护，仅动作于站内跳闸控制，在整个广域电网层次化保护与控制系统中起主保护作用。站内快速差动保护设备既可采用目前已有产品实现，也可按照站内集中式保护装置部署实现。
站内短延时差动保护设备以站内开关为中心，基于站内的同步信息进行差动保护数据整合运算和逻辑判别，完成站内某个电网区域范围的差动保护，在整个广域电网层次化保护与控制系统中作为站内快速差动保护的后备保护，作用相当于传统保护体系中的阶段式保护及断路器失灵保护、死区保护，但本系统所述站内快速差动保护、站内短延时差动保护，两者动作行为之间没有相互依赖性。
站间延时差动保护设备以站间开关为中心，基于站间的同步信息进行差动保护数据整合运算和逻辑判别，完成站间某个电网区域范围的差动保护，在整个广域电网层次化保护与控制系统中作为站内快速差动保护和站内短延时差动保护设备的后备保护，作用相当于传统保护体系中的阶段式保护及断路器失灵保护、死区保护，但该部分目前在传统保护体系中由于各保护动作行为存在依赖性和时间匹配过长等因素而失去有效实施方案，而本系统所述站内快速差动保护、站内短延时差动保护、站间延时差动保护，三者动作行为之间没有相互依赖性。
进一步地，站内短延时差动保护设备是在站内变压器元件、母线元件的快速差动保护范围之外，按照覆盖全站所有电压等级母线的一个封闭区域边界上所有开关配置短延时差动保护，作为全站范围内一次设备故障的短延时后备保护。站间延时差动保护设备是在多个变电站构成的某个广域电网范围内，按照覆盖全区域所有电压等级母线的一个封闭区域边界上所有开关配置短延时差动保护，作为全区域范围内一次设备故障的延时后备保护。
区域电网协同控制和自愈设备，基于广域电网全数据信息实现对区域电网运行安全协同控制和自愈等功能，包括但不限于区域紧急控制设备、区域自愈控制设备、辅助支撑服务设备和可视化运维监控设备等。
通信网关设备，负责实现整个广域电网层次化保护与控制系统中前述采集和控制设备、保护与控制设备、区域电网协同控制和自愈设备间的数据传输功能。
同步时钟设备，负责同步整个系统内的世界时间一致，并辅助各采集和控制设备、保护与控制设备、区域电网协同控制和自愈设备完成数据同步控制，但各智能设备的数据同步控制不必须依赖于同步时钟设备。
图3为广域电网层次化保护与控制系统的配置方案与传统方案对比图；通过该图能够看到，本发明所采用的保护方案配置实现功能能够完全覆盖传统微机保护原理的方案配置，全面满足传统微机保护原理已经实现的各种保护控制功能。
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 (8)
1.一种基于广域电网层次化保护与控制系统，其特征是，包括：互相通信的采集控制层单元和网络保护层单元；
所述采集控制层单元包括用于采集并传输变电站内一次设备模拟量和开关量信息的站内本地数据采集和控制设备；用于采集并传输远方变电站设备模拟量信息和开关量信息的站间远方数据采集和控制设备；以及基于本地信息构建的站内就地化保护控制设备；
所述网络保护层单元包括站内快速差动保护设备、站内短延时差动保护设备、站间延时差动保护设备共三层保护；所述站内快速差动保护设备基于接收的采集控制层单元的数据，实现以元件为中心的站内一次设备或站间线路的差动保护；所述站内短延时差动保护设备基于接收的采集控制层单元的数据，实现以开关为中心的站内电网范围内的差动保护；所述站间延时差动保护设备基于接收的采集控制层单元的数据，实现以开关为中心的站间区域电网范围内的差动保护；
还包括：
区域控制层单元；所述区域控制层单元与采集控制层单元和网络保护层单元分别通信；
所述区域控制层单元包括区域电网运行安全协同控制和自愈设备，该设备基于广域电网全数据信息实现对区域电网运行安全的协同控制和自愈；
通信网关设备：用于实现采集控制层单元、网络保护层单元和区域控制层单元之间的数据传输；同步时钟设备：用于实现系统内设备的时间同步以及数据同步。
2.如权利要求1所述的一种基于广域电网层次化保护与控制系统，其特征是，所述站内本地数据采集和控制设备包括但不限于变电站合并单元和智能终端；站内本地数据采集和控制设备采集变电站内设备的模拟量信息和开关量信息，进行数据转化后将所述信息输出给站内就地化保护控制设备和网络保护层单元中需要该信息的设备；
或者将所述信息输出给站间远方数据采集和控制设备、网络保护层单元和区域控制层单元中需要该信息的设备。
3.如权利要求1所述的一种基于广域电网层次化保护与控制系统，其特征是，所述站内本地数据采集和控制设备同时接收站间远方数据采集和控制设备和网络保护层单元发出的控制命令，或者同时接收站间远方数据采集和控制设备、网络保护层单元和区域控制层单元发出的控制命令，通过开出继电器接点方式对变电站内的一次设备和二次设备进行控制。
4.如权利要求1所述的一种基于广域电网层次化保护与控制系统，其特征是，所述站间远方数据的采集和控制设备包括但不限于变电站合并单元和智能终端；站间远方数据的采集和控制设备采集远方变电站设备模拟量信息和开关量信息，进行数据转化后将所述信息输出给网络保护层单元或者区域控制层单元中需要该信息的设备；
所述站间远方数据的采集和控制设备同时向系统内其他远方变电站的站内本地数据采集和控制设备发出控制命令。
5.如权利要求1所述的一种基于广域电网层次化保护与控制系统，其特征是，所述站内就地化保护设备包括基于本地信息构建的就地化的本体保护设备、电压电流保护设备、距离保护设备和备自投设备；所述站内就地化保护设备按保护对象配置，就地化布置在保护对象周侧，或者直接将功能合并实现在变电站合并单元和智能终端中。
6.如权利要求1所述的一种基于广域电网层次化保护与控制系统，其特征是，所述站内快速差动保护设备设置在变电站主控室内，站内快速差动保护设备以元件为中心，针对站内一次设备或站间线路的差动保护，仅动作于站内跳闸控制，在整个广域电网层次化保护与控制系统中起主保护作用。
7.如权利要求1所述的一种基于广域电网层次化保护与控制系统，其特征是，所述站内短延时差动保护设备以站内开关为中心，基于站内的同步信息进行差动保护数据整合运算和逻辑判别，完成站内某个电网区域范围的差动保护，在整个广域电网层次化保护与控制系统中作为站内快速差动保护的后备保护；
所述站间延时差动保护设备以站间开关为中心，基于站间的同步信息进行差动保护数据整合运算和逻辑判别，完成站间某个电网区域范围的差动保护，在整个广域电网层次化保护与控制系统中作为站内快速差动保护和站内短延时差动保护设备的后备保护。
8.如权利要求1所述的一种基于广域电网层次化保护与控制系统，其特征是，所述区域电网运行安全协同控制和自愈设备，包括但不限于区域电网紧急控制装置、区域电网供电自愈控制装置、辅助决策支撑服务装置和可视化运维监控装置；上述设备能够基于广域电网全数据信息按照预设原理方案直接对区域范围内的一次设备进行自动化判别和控制，或者为运维人员提供相应运行工况和决策支撑服务。
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