智慧型變電站站域保護

分析當前出現的幾種主要觀點對站域保護概念作如下簡述：基於智慧型變電站高速通信網路，在利用變電站全站信息實現信息共享的基礎上，根據網路拓撲結構，對故障進行快速、可靠、精確的切除，這種整合併集成站內後備保護和控制系統於一體，以簡化後備保護配置，改善保護及控制系統性能的繼電保護稱為站域保護。

基本介紹

• 中文名：智慧型變電站站域保護
• 外文名：IntelligentSubstation Station Protection
• 學科：電氣工程
• 領域：能源利用
• 特點：基於網路通信技術
• 功能：改善電力網路繼電保護及控制系統

背景

智慧型變電站內部利用乙太網通信取代並行電纜傳輸IEC 61850標準化數字信息，除了可大幅度簡化設備連線方式和系統結構，並提高系統運行的可靠性之外，還能夠集成原先面向某個特定套用或功能而設定的專用信息系統，形成統一的資源傳輸支撐平台，達成站內多源信息的套用共享機制。藉此特性，智慧型變電站中完全地消除了信息互動孤島，可促進站內各二次系統單元的充分聯繫，使繼電保護裝置能夠獲取更多的信息，經融合後用以執行故障綜合判斷處理，為新型保護系統的構建及套用創造了必要的前提條件。

針對智慧型變電站，衍伸出了站域繼電保護的概念。站域保護的動作理念類似於廣域保護，而後者在繼電保護方面的核心思想在於:計及廣域信息數據的採樣存在同步、傳遞存在延時、可靠性及安全性等局限，廣域保護主要側重於後備保護方面，基於對廣域信息的分區處理及綜合決策，能夠正確尋覓並定位電網故障元件，進而執行某種設定的最佳化跳閘方案，使之能做到迅速及最小範圍內的故障隔離操作。站域保護的面向對象則集中在站內變壓器、母線等電氣元件，而非面向於涵蓋多個變電站及輸電線路的電網區域，它相對廣域性質來說，所需的信息量比較有限，其動作處理及運行策略構建的複雜程度相對要低，理論上更易於實例工程套用。

介紹了站域保護的基本動作原理，指出了同常規繼電保護的特性差異;針對智慧型變電站站域保護的研究現狀和套用實例，進行了較系統地概述及分析，並進一步討論了站域保護研究的若干關鍵環節，最後，就站域保護的未來套用前景進行了評估展望。

站域保護與傳統繼電保護的差異

站域保護的動作機理可大體定義為:立足站內標準化信息的互動共享機制，利用過程層通信網路實時地獲取各元件的電壓電流同步採樣信息以及開關量信息(GOOSE報文)，在劃分冗餘信息套用範圍的基礎上，採取多信息融合算法來識別故障元件，並通過設計的最佳化邏輯策略來執行斷路器跳閘，實現故障的快速可靠切除，達成保護站內各電氣元件的功能。

繼電保護的任務是反映被保護元件的故障或不正常運行狀態，目的在於保證電力系統的正常安全運行。但傳統繼電保護的設計更著重於前者，即僅從被保護設備的角度進行保護的構建，根據保護安裝點或所保護元件的本地量測信號來進行決策、做出判斷，此類保護不具備全局性的綜合視角，在有效信息不足時，做出的判斷往往不是最優的。諸如，常規變壓器差動保護，當一側互感器斷線時，為了避免誤動，差動保護會暫時退出運行。引入多源信息融合後，站域保護可根據站內系統的連線關係，將差動保護範圍擴大至相應母線，能使變壓器不失去主保護。

常規後備保護一般採用階段式距離保護或過流保護，上、下級保護之間要依靠整定時限的配合來保障動作的選擇性，在某些複雜情況下，後備保護的動作時限可能高達數秒，且存在著故障切除範圍大、相互之間配合複雜等問題。當利用站域多源信息改善後備保護性能時，其動作理念中無需考慮複雜的整定配合規則，能以儘可能快的動作和儘可能小的範圍切除故障，在縮短故障清除時間的同時，還可提升系統運行的穩定性。

事實上，傳統後備保護的自適應性能通常較弱，以失靈保護為例，其跳閘邏輯是固定的，不能隨著母線運行方式自動適應，當運行方式變化時，需要人工倒換出口壓板。基於多源冗餘信息的站域保護執行失靈保護功能時，可計及站內主接線形式及運行方式的變更確定相應的跳閘方式，靈活地應對故障工況。

在智慧型變電站中，套用站域保護的關鍵價值在於改進現有傳統繼電保護的性能，對其間存在的不足，進行相應補充，且主要面向於完善後備保護，並不會改變主保護的設計原則。主保護仍應根據就地信息實施故障判斷處理，並建議保持當下廣泛使用的“直采直跳”方式。

站域保護的研究現狀

集中(集成)式保護

有文獻統一考慮全站的保護功能，提出了一種在邏輯上採用兩層配置方案的集中式站域保護，即以差動保護為主的單元保護模組作為間隔級保護，以基於拓撲理論的網路保護模組作為全站系統級保護。在數位化(智慧型)變電站的建設剛剛起步時，集中式保護的通信基礎較為簡單，在保護算法的設計上，亦不必考慮變電站的接線方式。也有文獻闡述了一種數位化集中式保護裝置，該裝置採用統一的軟硬體平台，並配置了保護、測量和控制等功能，模組化外掛程式式的設計有助於該型裝置的功能擴充，目前，己在中低壓(35kV)數位化變電站中實際套用。鑒於其採樣報文依然選用IEC 61850的傳輸標準，更適合點對點傳輸，在網路傳輸共享上存在不足。

有文獻提出了一種以多功能保護控制器MPCU為核心的數位化集成保護與控制系統DIPC。DIPC中集成了變電站內全部或部分設備的保護、控制、量測等功能，並利用多源冗餘信息提高保護與控制的性能。該系統擬集成的功能過多，對計算處理能力及處理容量的要求非常高，實用化難度較大。

分散式(網路化)保護

基於多源信息處理並結合通信網路的分散式站域保護主要側重於研究(分散式)母線保護。有文獻對智慧型變電站中分散式網路化保護進行了較詳細的定義，指出了該型網路化保護的套用範圍，即在保護上，可用於實現分散式母線保護，在控制上，則能夠套用於網路化備自投及低頻低壓減載等方面。

也有文獻提出了一種無主站式的分散式母線保護方案，各母線間隔保護單元通過可靠性較高的環形網路互動數據，發生故障時只需將相應迴路斷開，不會引起整條母線的停電。文中考慮了將該保護單元同對應迴路的線路或變壓器保護相集成，但並未列出具體的集成方式。有文獻計及電子式互感器無磁飽和的特性，將瞬時值電流差動保護原理套用於分散式母線保護計算中，增強了母線保護的快速性。

分散式母線保護主要需解決兩個難題:一是大量數據的可靠、實時傳輸;二是高精度的同步採樣。若方案中涉及的分布接入點過多，傳輸設備及通信鏈路的可靠性亦是影響保護性能的重要因素，建議引入“冗餘”同步時鐘源。此外，多Agent技術在繼電保護的套用尚不甚成熟，所取得的成果主要偏理論性，且Agent通常需具備系統通信、故障識別、知識庫、結果執行等多任務功能，在協調控制和最優決策上還有待充實和深化研究。

站域保護的關鍵研究環節

集成形式

對於智慧型變電站內不同電壓等級的繼電保護裝置，其配置方案有所差別，就保護動作特性的要求，亦存在不同。故而，在使用多源冗餘信息改善現有保護性能時，於不同電壓等級下應具備相異的集成實現方式。本文以某220 kV智慧型變電站為例，簡述按電壓等級集成站域保護的初步方案。

在220 kV電壓等級下，站域信息僅用於實現後備保護功能;110 kV等級的站域保護主要面向後備保護，可適當集成主保護功能;35 kV等級的站域保護可基於共享信息構建主保護(增設中低壓等級的母線保護)，並集成後備保護。分區配置的示意圖如圖所示。

220 kV智慧型變電站中站域保護分區布置示意圖

該分區布置智慧型變電站站域保護的優勢在於:(1)根據後備保護配合原則，按電壓等級分隔站域保護不會影響原有繼電保護特性;(2)各子區站域保護間僅需通信極少的信息，站域保護系統的結構更明確;(3)在同一電壓等級下構建站域保護有利於同變電站主保護的協作。

保護算法

充分利用冗餘測量信息進行故障識別是研究站域保護的基本出發點，而保護算法的確定則是當中核心環節。當下直接匹配於站域保護的算法研究比較少，現以兩種廣域保護的新算法為例，簡析它們在站域保護中的套用。

(1)基於故障電壓分布的保護算法。該原理利用線路一側電壓、電流故障分量的測量值估算另一側的電壓故障分量，站域(後備)保護可同時獲得線路兩側電壓故障分量的測量值和估算值。在外部故障時，兩值一致，而內部故障時至少有一側電壓故障分量的測量值和估算值存在較大的差異，以此構成故障元件識別判據。此算法對於站域保護識別出線等邊界元件的故障具備良好的適應性，而無需擴大信息互動的覆蓋範圍。

(2)根據遺傳信息融合技術的保護算法。以故障方向作為遺傳算法的處理對象，結合其他狀態和多種保護判據信息進行信息融合，根據當前保護狀態值與保護的狀態期望值之間的差異構造求極大值的適應度函式。採用遺傳算法的種群建立，快速搜尋和收斂判定的運算來尋找最優解，實現基於最優解的故障方向決策和故障元件判別。該方法具備較高的容錯性及可靠度，理論上，能在大範圍多干擾造成信息不完備條件下保證正確判定故障元件，適用於站域內的精確移除，但人工智慧算法的融入某種程度上會影響了保護對強壯性的要求，工程實用性需進一步考察。

跳閘策略

關於站域保護在判別故障元件後的跳閘策略研究尚較缺乏，在此對廣域保護中較常用的跳閘方式進行一定分析，以作參考。

（1）利用動作時限進行跳閘配合。此跳閘方式的特點在於:本保護動作不需考慮其他保護或斷路器的情況，在固定時限內只要故障信息未消失即出口跳閘。有文獻將廣域後備保護根據動作區域分為近後備保護、斷路器失靈保護及遠後備保護，並規定近後備保護區內故障時動作時間為40 ms，遠後備保護區動作時間為0.4 s，而斷路器失靈保護通過監測保護動作信號與斷路器動作情況來完成，動作時間介於二者之間。

(2)根據故障識別的跳閘決策方法。在故障位置己經確定的條件下，對於系統結構較簡單、運行方式較固定的系統，可離線對可能發生的故障位置與元件失效情況採取分析，將制定的各種跳閘方案存儲於決策單元內部。但是，對於網路結構較複雜及運行方式常改變的系統，更為靈活可靠的方法是存儲相近區域的電網結構信息並根據開關切換狀態進行實時修改，如此則需套用到Petri網和專家系統等方法。

故障時限整定法在套用實施上較為簡單方便，不過一定程度上可能會影響站域保護的快速性;而Petri網、圖論等方式儘管在理論上具備可行性，且適應方式更為靈活，但增加了保護動作的複雜性，實用化方面還有待試驗評估。經多方面評價及確定保護功能的需求後，可考慮融合兩者的套用優勢，分區域安排設計故障跳閘策略。

網路構架

網路共享平台的有效構建無疑是站域保護套用的關鍵要素，過程層通信網路的實時性及可靠J險將直接決定該型保護的快速性及動作正確性。

網路化報文的傳輸時延牽扯到交換機的配置方案、網路架構、虛擬區域網路的劃分(VLAN)、報文優先權技術等多方面因素。

站域保護的套用前景

站域保護的套用優勢

(1)增設部分保護功能

傳統繼電保護中，當中低電壓等級設備的斷路器失靈時，主要依靠上級元件的後備保護延時跳閘。在站域保護中，由於各元件保護動作信息和支路電流信息均可實時獲取，能夠通過GOOSE網跳方式控制各路斷路器，進而完成全站斷路器失靈保護。

對於110 kV及以下電壓等級的母線，通常沒有裝設專用的母線保護裝置，母線故障主要依靠變壓器中低壓側的後備保護動作來切除。利用站域信息，可對站內母線提供快速近後備保護功能。對於只裝設一套主保護的設備，做到主保護的雙重化配置;對於沒有裝設母線保護的傳統低壓母線，可自動增設母線保護。

(2)提高保護運行性能

變壓器複合電壓閉鎖過流保護通常選取單側電壓作為動作判據，這種方式在某些特殊情況下，靈敏度受到一定限制。例如，在低壓側發生故障時，高壓側復壓元件可能因變壓器短路阻抗較大、且系統電源較強，致使電壓跌落有限而造成保護裝置拒動。站域保護能夠利用網路共享實時獲得多側電壓數據，基於不同側電壓信息以完成復壓判據的綜合決策，提升保護動作的靈敏度。當站域保護根據相關單元件保護的動作信息及斷路器的開斷情況鑑別出該保護動作不正確時，可對誤動作的保護進行糾正，避免誤動所帶來的損失。

(3)推動廣域保護套用

智慧型變電站站域保護可視為有限範圍的廣域保護系統。同時，也可考慮在其中預留廣域通訊接口，通過該接口將本站保護的動作信息經廣域通訊網路上傳至廣域保護主站，藉此完成區域電網的集中保護功能。如今電力通信網主要以SDH光纖自愈環網為主，將站域保護等效為廣域保護的子站系統，其連線SDH設備後以構架環網通訊。

站域保護的技術問題

(1)過程層“三網合一”的技術限制

結合智慧型變電站過程層網路技術的發展走向，SV網、GOOSE網、IEEE 1588“三網合一”應是大勢所趨，該方案能最大程度地實現信息共享，對站域保護有極大的促進作用。需注意的是“三網合一”對交換機的性能要求較高，且當站域保護選取“網采網跳”獲取採樣值並傳送GOOSE報文時，在一次設備故障情況下，通信網路中將產生大量的突發報文，IEEE 1588對時報文的往返時延有可能不相等，進而會影響到IEEE 1588的對時精度。由此，對時精度以及穩定性受網路運行動態變化的影響程度還需要大量試驗加以佐證。

(2)符合IEC 61850標準的站域保護建模

基於IEC 61850標準建模的具體方法是將所有的套用功能都分解為與之交換信息的最小實體，即邏輯節點LN，再將這些邏輯節點合理的分配到物理層面的智慧型設備IED，以組成抽象虛擬世界的邏輯設備LD。當開展智慧型變電站站域保護的功能建模工作時，需考慮開啟原則、判定方式、結果輸出及與其他功能的互動配合等多方面因素，並對數據建模、分層信息交換模型、GOOSE服務模型及通信服務映射協定等相關內容進行較全面地研究。

結語

站域保護在獲取多源冗餘信息量的基礎上，可從站內全局角度上實現綜合故障處理，有助於補充改善傳統繼電保護的性能，並能夠作為廣域保護系統的節點子站，是未來保護的主要發展方向。智慧型電網建設步伐的加快對保護裝置提出了更高的要求，繼電保護技術的升級是適應變革的必然舉措，研究站域保護無疑將具備重要的積極效應。相信隨著工作的深入與技術手段的更新，多信息的套用、深層次的融合在智慧型化繼電保護中的實現將具有越加完備的工程化基礎及實用化成果。