突出自愈功能的智慧型電網研究與發展是當今世界電力系統發展變革的最新動向，是21世紀電力系統的重大科技創新和發展趨勢；智慧型電網將實現電網的信息化、數位化、自動化、互動化。超、特高壓電網的保護控制一體化技術是實現堅強智慧型大電網的關鍵，而大規模隨機能源的接入及其靈活控制也為智慧型配電站的保護控制帶來了新的挑戰，在保護控制系統中涉及到一些基礎知識，如繼電器保護裝置、繼電器的分類、電流速斷保護、限時電流速斷保護等。層次式保護控制系統是對於保護控制系統的最佳化。
基本介紹
- 中文名：保護控制系統
- 外文名：Protection control system
- 基礎知識1：繼電器保護裝置、繼電器的分類
- 基礎知識2：電流速斷保護、限時電流速斷保護
- 系統最佳化：層次式保護控制系統
- 涉及領域：變電站自動化
基礎知識,系統的集成,層次式系統,
基礎知識
繼電保護裝置
1.基本任務
反映電力系統中電氣元件發生故障或不正常運行狀態，並動作於斷路器跳閘或者發出信號的一種自動裝置，它能自動、迅速、有選擇性地將故障元件從系統中切除，並發出信號、減負荷或跳閘、已達到縮小故障範圍，減少故障損失，保證設備或系統安全運行的目的。
2.基本原理
電力系統發生故障時，其基本特點是電流突增，電壓突降，電流和電壓相位角發生變化，反映這些基本特點，就能構成各種不同原理的繼電保護裝置。
3.四項要求
選擇性、速動性、靈敏性、可靠性。
繼電器分類
1.按在繼電保護中的作用分類
（1）測量繼電器，直接反應電氣量的變化（又按照所反應的電氣量的不同，分為：電流繼電器、電壓繼電器、功率方向繼電器、阻抗繼電器、頻率繼電器、差動繼電器等）。
（2）輔助繼電器，用來改進和完善保護的功能（按其作用不同，又分為：中間繼電器、時間繼電器、信號繼電器）。
2.按結構類型分類
（1）電磁型繼電器；
（2）感應型繼電器；
（3）整流型繼電器；
（4）靜態型繼電器。
電磁型繼電器
1.工作原理
電磁型繼電器一般由電磁鐵、可動銜鐵、線圈、觸點、反作用彈簧和止擋等部件構成。線圈通過電流時所產生的磁通，經過鐵芯、空氣隙和銜鐵構成閉合迴路。銜鐵在電磁場的作用下被磁化，因而產生電磁轉矩，如電磁轉矩大於反作用彈簧力矩及機械摩擦力時，銜鐵被吸向電磁鐵磁極，使繼電器兩端斷電後，銜鐵受彈簧的拉力作用而返回到原始位置。
2.分類
（1）螺管線圈式；
（2）吸引銜鐵式；
（3）轉動舌片式。
感應型繼電器
1.構造
感應型繼電器由電磁鐵、線圈、鋁圓盤、框架、永久磁鐵、扇形齒輪、銜鐵、動靜觸點、信號牌組成。
2.工作原理
根據電磁感應定律，一運動的導體在磁場中切割磁力線，導體中就會產生電流，這個電流產生的磁場和原磁場間的作用力，總是試圖阻止導體的運動；反之，如果通電導體不動，而磁場在變化，通電導體同樣也會受到力的作用而產生運動。感應型繼電器就是基於這種原理動作的。繼電器線圈正常流過負荷電流，鋁盤勻速轉動。當線圈內的電流增大時，鋁盤轉動加快，如果是電流繼續增大，框架隨之發生偏轉，扇形齒輪與蝸桿吻合，扇形齒輪沿著蝸桿上升，最後觸點接通，同時信號牌落下。
整流型繼電器
1.構成
整流型繼電器一般由電壓形成迴路、整流濾波迴路、比較迴路、執行迴路構成。
2.工作原理
電壓形成迴路把輸入的交流電壓或電流信號以及它們的相位，經過小型中間繼電器或電抗變壓器轉換成便於測量的電壓，該電壓經整流濾波後變成與交流量成正比的直流電壓，然後送到比較迴路進行比較，以確定繼電器是否該動作，最後執行元件執行。
DX型信號繼電器
1.構造
DX型信號繼電器由電磁鐵、線圈、銜鐵、動靜觸點及信號牌等構成。
2.作用原理
在正常情況下，繼電器線圈內沒有電流，銜鐵被彈簧拉開，搭在銜鐵上的信號牌由銜鐵支持而不能落下。當線圈有電流時，銜鐵被吸向鐵芯，信號牌由於失去支撐而落下，同時使可觸動點轉軸旋轉，帶動觸點接通，發出音響和燈光信號。線圈斷電後，手動旋轉繼電器外殼上的復位旋鈕，使信號牌提起，觸點斷開，音響燈光信號停止。
系統的集成
在歷史上，每一個功能對應一個設備。這不僅僅是指保護和控制功能，而對於不同原理的保護也是這樣。數位化的繼電器導致多功能設備的產生，這個多功能的設備可以並行地完成許多保護功能。因為有可靠性和可用性的考慮，才會使用多個保護設備，如輸電線路的兩套主保護。
在電力公司組織結構中，保護人員通常與運行人員分開管理。這種管理方式促使將功能分為不同的設備，為不同的職責範圍建立一個邊界，儘管技術上已經不再是必須的了。過去常說保護的可靠性是非常重要的，但是現在對控制也同樣適用。
推動因素
保護事件的發生，如啟動、跳閘以及保護裝置自身的問題，對於變電站和電網運行是非常重要的。因此，在保護維護和變電站運行間至少應該共享保護監視數據。
保護和控制集成的第一步是，將從保護單元來的需要監視的數據通過串列通信送到變電站自動化中。這一最小程度的集成已經被廣泛的接受並被IEC 60870-5-103標準支持。下一步是協調運行狀態和保護參數。例如，合併一些運行操作和自適應的保護功能。一條線路在冬天可以比夏天傳輸更多的功率。因此，變電站自動化系統或者電網控制中心可通過與保護的通信連線，根據測量到的周圍環境溫度相應地調整保護參數，這就是一個自適應保護的例子。第三步是將保護和控制功能集成到一個物理設備中。這將降低成本和維護工作量（維護一個設備而不是兩個設備），但是會引出一個問題：是否因為附加的控制功能與保護功能共用相同的硬體資源而導致保護功能的可靠性受到影響。
安全和可靠性的考慮
對保護和控制功能，可靠性要求和對環境的免疫性要求都很高。這就意味著，從一般實現的角度來看，它們是一致的，保護和控制功能可以使用相同的系統平台。但也有不同之處，控制功能只有收到控制命令後才工作，而保護即使沒有通信也必須執行其就地保護功能。所以，保護系統必須設計成其子通信系統中的干擾不應該影響保護自身的工作。如何達到這一點取決於實施策略。
對於第一代數位化保護裝置，人們開發了特殊的作業系統，以保證其具有足夠的處理能力去完成保護功能。而現在，有許多相當便宜的處理器可用，商用實時作業系統的套用也越來越多。將通信從功能套用中分離出來，就像保護可以直接由硬體來完成一樣。通信依賴其自身的硬體資源。然而，保護功能的設計方式要滿足當通信部分發生問題時保護不應被閉鎖。
然而，保護和控制共用硬體和軟體平台對控制部分是有好處的。它允許直接在控制單元執行後備保護的功能。如果後備保護使用了與主保護不同原理的算法，將提高保護的可用性，並且不會增加額外的物理設備，也就是不需要更多的維護工作。
層次式系統
層次化保護控制系統是指綜合套用電剛全網數據信息，通過分布、協同的功能配置，實現時間維度、空間維度和功能維度的協調配合，提升電網繼電保護性能和系統安全穩定運行能力的保護控制系統，包括就地級保護、站域保護控制、廣域保護控制三個層面。
就地層繼電保護方案
1.就地保護層技術特點
就地保護層是面向單個被保護對象的保護。其技術特點如下：
（1）按被保護對象獨立、分散配置，包含完整的主後備保護功能，遵循已有技術規程、規範。
（2）保護應相對獨立，不受上一層（站域層、廣域層）保護的影響。
（3）保護在實施過程中，應採用直采直跳，跨間隔保護（母線保護）可考慮網路跳閘。
（5）該類保護的發展趨勢是就地化安裝，但是不一定全部就地化，即就地保護層不等於就地化保護。
2.就地保護層配置原則
（1）就地保護層屬於基本平面，需配置功能完整的主後備保護，突出主保護的可靠性和動性，保護功能不受站域保護控制、廣域保護控制和影響。
（2）就地化保護裝置是以被保護對象來區分，以間隔為單位進行配置，按照問隔進行配置不僅有利於運行、檢修維護，同時層次清晰，角色明確，未來繼電保護裝置集成安裝到一次設備中也必須採用這種方式。
（3）就地化保護強調可靠性、速動性，其保護功能不依賴於外部同步時鐘及交換機，其採樣和跳閘均採用直接採樣、直接跳閘，避免由於交換機異常或者外同步異常造成保護異常。
3.就地保護層配置方案
（1）保護功能配置。就地保護層應保留現有線路、母線、變壓器保護等功能，適當集成面向間隔的保護功能，如短引線保護與斷路器保護、過電壓保護等。
（2）保護布置方式。就地保護層的發展趨勢是保護就地化，保護原則上靠近一次設備布置，根據不同電壓等級採取不同的配置方案。結合變電站實際情況，可採用三種安裝方式：就地安裝於智慧型組件櫃內、集中組屏布置於集成艙內以及開關櫃方式。
①就地安裝於智慧型組件櫃內方式。減少了二次屏櫃，結構緊湊：占地少，從而進一步縮小集成艙的占地面積；保護易採用直采直跳，保護裝置採樣值同步不依賴於外部時鐘，保護跳閘不受交換機故障影響，可最佳化二次迴路結構。如果採用該方式，可在出廠前完成安裝調試。但是，如果採用該方式，保護裝置運行環境惡劣，此時保護裝置對環境的適應性要求較高，對保護裝置的性能提出了更高的要求。
②集中組屏布置於集成艙內方式。保護裝置的運行環境較好，保護裝置工作的可靠性和安全性較高；該方式也可在出廠前完成安裝調試，減少了現場工作量，設備維護方便。但是，該方式增加了二次屏櫃，成本較高；並且，保護如果採用直采直跳，則會使裝置的光口數量、點對點光纖數量增加，導致現場施工難度增大，不利於貨櫃接口標準化。
③開關櫃方式。與前兩種相比，保護裝置運行環境惡劣，且需要開展大量的現場安裝調試工作。
綜合比較以上三種安裝方式，前兩種方式性能較好。但是前兩種方式需要解決預製艙、戶外智慧型組件櫃的設計製造的關鍵技術，例如：裝置的低功耗設計、高效電源設計、熱設計、IP防護設計、電磁兼容設計、裝置接口標準化設計、二次設備狀態監測技術以及遠程維護與校驗技術等。
4.就地保護層配置實現方案
以下對就地保護層配置方案實現中的一些技術問題進行分析。
（1）保護裝置運行環境。當保護裝置戶外智慧型組件櫃內時，裝置的運行環境較為惡劣，需著重考慮解決戶外櫃的防護能力和溫濕度問題。如果僅靠提高二次設備本身的防護水平，則導致設備成本高昂。建議考慮提高戶外智慧型組件櫃的防護能力和裝置自身耐受能力，以解決運行環境問題。
①智慧型組件戶外櫃的處理措施。智慧型組件戶外櫃應採取必要的隔熱和通風散熱措施，有效地隔離櫃內外熱傳導；再在櫃內配置溫度控制系統，將櫃內設備工作產生的熱量及時排出櫃外，使櫃內環境溫度在裝置工作允許範圍內。具體實現如下：應採用雙層櫃體設計，防塵、防水、防太陽輻射，即櫃體具有對外部環境一定的隔離功能。櫃內應裝設溫度和濕度感測控制器、風扇以及電加熱器等設備。其工作模式為在櫃內濕度達到設定數值時，溫濕度感測控制器啟動電加熱器和位於櫃內頂部的風扇，降低櫃體內的濕度。當櫃內溫度上升到某一溫度時，櫃內風扇啟動，櫃外新鮮空氣經過濾後自機櫃下層進入櫃內，降低櫃體內的溫度。此外，機櫃結構的電磁兼容設計包括電磁禁止、功能性接地和靜電放電防護。為了滿足電氣的抗干擾要求，機櫃整體必須具備可靠接地的能力，並且機櫃的整體電磁禁止性能要好。每個重要的設備之間必須用電磁禁止板隔開，電磁禁止板又必須與機櫃間達成可靠的電氣連線（即等電位要求）。
②保護裝置的處理措施。目前各二次設備製造廠商生產的智慧型終端、合併單元、保護測控裝置均基於同一硬體平台設計開發，主要模件的晶片選用及設計架構並無太大差異，而智慧型終端在目前的AIS變電站中，均為就地戶外櫃安裝方式，運行情況良好，經多次試驗也驗證了智慧型終端、合併單元能夠滿足-25～70℃的環境要求。保護測控裝置相比智慧型終端增加了液晶顯示及操作按鈕，其防護等級與智慧型終端相同，目前常用的液晶均無法支持-25～70℃的環境溫度要求，如果保護測控裝置需要安裝在就地的智慧型組件櫃中則最好取消液晶面板，採用其他方式進行替代。
（2）保護裝置運行維護。
①定值查看。如果保護測控裝置取消液晶面板，日常運行時可通過監控後台查閱保護運行定值區，各區定值。
②採樣輸入、開入量狀態監視。可在監控後台查閱保護測控裝置上送的採樣輸入監視的電壓、電流量以及開入量狀態。
③動作、告警事件以及歷史事件顯示。保護測控的動作、告警事件均上送監控後台，歷史事件的信息監控後台也被存儲，可在監控後台查閱相應信息。
④動作錄波查閱。保護的動作錄波均按照COMTRADE格式上送監控後台，監控後台可調閱查看。
⑤檢修需求。對於現場檢修，不論投產驗收還是定期檢驗均需要對保護測控裝置進行功能試驗，功能試驗必須採用方便的措施進行定值修改及動作事件查看，如果採用監控後台查看肯定不合適，可以採用筆記本電腦通過調試接口連線保護裝置，利用調試工具進行查看和操作，也可以採用攜帶型液晶面板連線裝置，滿足功能調試需求。
站域層繼電保護方案
站域層保護控制主要利用全站實時信息集中決策，解決傳統後備保護僅能獲取單間隔電氣量和開關量信息，後備保護動作時間長，靈明性和選擇性不能兼顧的問題，與就地化保護一起共同構成站內繼電保護體系。
1.站域保護層技術特點
站域保護層綜合利用變電站全站信息，最佳化保護功能與動作邏輯，提高整站保護的靈敏度和可靠性。其主要特點為：實現就地級保護功能的冗餘及最佳化，基於網路採樣網路跳閘通信模式，以確保防誤動為主的原則，支持廣域信息互動及控制命令執行等。
2.站域保護層配置
（1）保護配置原則。構建站域保護的基本目的是充分發揮智慧型變電站二次系統全數位化的技術優勢，通過信息共享和功能集成，提高繼電保護的總體性能，降低投資和運行維護成本。站域保護層的配置應遵循以下基本原則：
①分電壓等級實現保護和控制功能。按照電壓等級劃分保護區域，由各區域裝置共同完成站域保護功能，不僅能有效減少通信量，而且能加快保護和控制的速度，提高系統的可靠性。同時，也符合智慧型變電站二次通信系統分電壓等級獨立配置的設計要求。
②保護功能的合理集成。在站域保護的集成化設計方面，應充分考慮上述不同保護的套用特點和要求，在小降低原有保護可靠性的同時，進行合理的功能集成，同時也應充分考慮工程化套用的可行性。
③保護與控制功能相結合。站域保護利用全站信息，實現全站的後備及控制功能，因此站域保護層必然是保護、控制合一的系統。
④可作為110kV及以下電壓等級的線路及元件的後備保護。當作為就地保護的後備元件時，主要完成如下兩類任務：第一，就地保護正常情況下，站域後備保護作為重要元件的最末級保護，以提高站內保護系統的可靠性；第二，在就地保護異常退出或檢修時，起到保護功能遷移的作用，完成就地保護所承擔的保護任務，其所有性能均應基本達到就地保護水平。
⑤配置多數據處理器。站域後備保護面向全站，需要採集、處理的數據量非常大，需要完成的保護功能也很多，僅靠單CPU是無法完成的，因此本方案考慮基於高速數據匯流排的多CPU硬體結構。
（2）保護配置方案。主要有兩種站域保護方案：①增設集中決策單元；②集中式保護。
3.站域保護層方案實現
（1）站域後備保護實現。110kV及以下站域保護中，集成集中式後備保護功能，實現冗餘配置。以武漢110kV未來城變電站站域後備保護為例，配置如下功能：
①2條110kV線路保護（距離保護功能、過電流保護功能、重合閘等功能）；
②110kV母聯過電流保護；
③20條10kV及以下線路保護（過電流保護功能、重合閘等功能）。
集中後備保護是作為全站最末級的後備保護使用，不追求速動性，又由於其在站控層的高度，能充分其享站內數據信息，可以綜合站內多點信息甚至站問信息做到準確的故障定位判別，加強保護的選擇性。平時運行時，各保護功能不啟動運行，各保護根據實際情況運行一個根據啟動（動作）定值而來的啟動判據。當有定值改變時，各保護的定值從後台或站域管理機自動獲取並下載到相應的保護中。當有故障發生時，啟動判據滿足，經一段時間延時能啟動本身和其他CPU的保護功能。
（2）站域10kV母差保護實現。傳統變電站10kV側一般未配置母線保護，當10kV母線故障時，只能依靠主變壓器低壓側後備保護，延時較長：同時當10kV出線故障保護動作跳閘後，斷路器失靈，也只能依靠主變壓器低壓側後備保護，延時較長。利用站域信息，通過判別主變壓器低壓側斷路器電流、出線過電流保護的啟動、動作信號以及分段斷路器的位置實現低壓側簡易母線的保護功能，按照變壓器分別設定各自的簡易母線功能。
（3）站域各自投控制功能實現。站域各自投可根據變電站實際情況，配置以下幾種可能的備自投功能：高壓側分段斷路器備自投，高壓側進線1、2互為備投，低壓側分段斷路器備自投以及低壓側I母、II母互為備投。
（4）變壓器過載聯切功能實現。在變壓器低壓側並列運行時，一台主變壓器跳閘後，負荷轉移造成另一台變壓器過負荷，此時聯跳10kV出線。實現該功能需要的輸入、輸出信息包括：
②信息輸出：10kV側出線GOOSE跳閘（10kV出線多合1裝置GOOSE信號）。
廣域層繼電保護方案
1.廣域保護層技術特點
對於220kV及以上電壓等級的廣域保護層，與其說是保護，還不如說是控制。該保護層利用區域電網信息、變電站站域以及就地層保護的信息，對電網運行進行最佳化控制，其主要目的主要是最佳化安全穩定控制功能，包括：
（1）對多點進行分散式實時振盪特性分析；
（2）區域電網潮流轉移識別；
（3）電網過負荷檢測及預警；
（4）與穩定控制裝置協調控制。
對於110kV及以下電壓等級的廣域保護層，功能側重局部電網的繼電保護，根據局部電網的需要，在局部電網內某些變電站內選配。可實現以下各項功能：
（1）局部電網冗餘保護（如局部電網的差動後備保護、失靈保護等）；
（2）局部電網自愈（廣域備自投）；
（3）智慧型低頻低壓精確切負荷，主站協調，子站執行；
（4）考慮區域內單一變電站保護控制功能失去後的應急保護和緊急控制；
（5）利用多個變電站信息、最佳化或補充現有保護系統性能與功能；
（6）主站（主機）遠程維護子站、修改子站定值等功能。
以下針110kV及以下電壓等級的廣域保護層，分析其結構及設備配置。
2.廣域保護層結構與設備配置
（1）廣域保護層結構。110kV及以下電雎等級的廣域保護控制，功能側重局部電網的繼電保護，主站（主機）可設定在110kV變電站或者是220kV及以上電壓等級變電站。當主站設定在220kV變電站時，其廣域保護層主機（主機）與子站，僅面向本站110kV及以下電壓等級及站外相關電網；並且，建議保護主機與穩控系統主站獨立配置。為了保證運行的可靠性，應配置兩套廣域層保護控制主機，兩套主機同時運行，互為備用，當一套失效、檢修或者離線組態配置時，另一套仍能線上執行保護控制功能。
（2）對通信的要求。由於保護對數據傳輸的實時性、可靠性、安全性要求較高，因此建議將保護與其他數據的通信分開。如有可能，可開通專用的邏輯通道實現廣域層保護信息的傳送：如果無法實現不同數據通信的完全隔離，則應配置廣域保護信息專用承載網，實現廣域保護信息的傳送。
①設定專用邏輯通道模式。對現有電力通信專網資源豐富的區域，可以在現有SDH/MSTP/PTN/OTN網路中，根據廣域保護控制信息對傳輸通道的需求，為其劃分邏輯隔離的專用通道。
②專用承載網路模式。根據廣域保護信息對通道頻寬的預測，子站頻寬預測接口類型有2M、155M、FE/GE接口。可採用SDH/MSTP技術建設新一代智慧型變電站層次化保護網路。
