基于全主站式的區域備自投功能的設計與實現

康豐，楊東，李玉平，劉慶海，楊青松

(南京國電南自電網自動化有限公司，南京　211100)

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基于全主站式的區域備自投功能的設計與實現

康豐，楊東，李玉平，劉慶海，楊青松

(南京國電南自電網自動化有限公司，南京211100)

針對目前區域備用電源自動投入(以下簡稱備自投)系統運行方式存在局限性，通信網絡技術及可靠性需求高的問題，提出了一種基于全主站式的區域備自投自適應控制方案，通過對區域備自投系統模型的分析，闡述了區域備自投的控制邏輯，并詳細介紹了全主站式的區域備自投控制方案的整體框架、實施方法和適應范圍。

全主站式；區域備自投；可靠性；自適應；局限性

圖1　典型的區域備自投系統

0　引言

隨著社會經濟的快速發展，電網結構日趨復雜，用戶對供電的可靠性、穩定性需求越來越高。備用電源自動投入(以下簡稱備自投)系統在這方面發揮著不可或缺的作用[1]。但現有的常規備自投系統只能實現單一變電站的就地備用投入，當工作電源和備用電源處于不同電網時，常規備自投系統無法將備用電源投入使用，在故障時不能有效發揮作用。方案配置上，現有的區域備自投系統[2-7]大都采用固定配置方案，必須依據電網的格局做固定配置，后期擴展存在局限性；通信網絡上，現有區域備自投系統采用主站-子站模式[8-10]，主站-子站之間采用專用單通道光纖通信，一旦專用光纖出現異常，整個區域備自投裝置都無法正常工作。

現階段的區域備自投系統一般采用主站-子站的模式，子站負責數據量的采集、初步的邏輯分析及跳、合閘的執行，并通過光纖通道把初步邏輯分析結果上送至主站，主站再通過整體分析，實現備自投邏輯處理。但當主站出現異常時，如主站與某個子站通信異常時，將導致整個系統閉鎖，無法發揮作用，或如主站誤發異常信號給子站，會導致子站跳、合閘邏輯異常。可見主站-子站這種模式決定了主站在整個區域備自投系統中所擔風險甚高，通信網絡的好壞也影響區域備自投系統的運行。

全站式區域備自投系統采用雙網絡通信的方式，且每個子站各自判別本身的邏輯，能大大降低上述風險，提高區域備自投系統保護的可靠性[11-12]。

1　區域備自投系統模型分析

圖1為典型的區域備自投系統模型，該系統兩端的變電站提供電源，中間通過n個串聯變電站連接起來，中間變電站兩端都有相應的斷路器，中間變電站通過兩端斷路器的分位和合位能組成多種組合。但在實際應用中，串聯變電站中要求只有1個斷路器位置斷開且其他斷路器閉合才可構成區域備自投裝置充電狀態，此種狀態也存在2n+1種組合。以圖1的模型為例對區域備自投系統邏輯分析如下。

1.1充電狀態

變電站C的C1斷路器斷開，其他斷路器閉合。

1.2區域備自投系統動作狀態

(1)除變電站C外的其他串聯變電站內部故障。

(2)兩端變電站故障。

圖2　全主站式區域備自投系統

(3)除C1斷路器所在線路外的故障。

上面3個條件滿足任一，則故障發生后經延時合斷路器C1。

1.3區域備自投系統放電狀態

(1)C1斷路器所在線路故障。

(2)變電站C內部故障。

(3)串聯變電站回路中還有其他斷路器斷開。

(4)區域重合閘失敗。

(5)兩端變電站中某段失壓一段時間。

(6)任一斷路器檢修。

(7)變電站之間的光纖通道異常。

上面任一條件滿足時，區域備自投系統放電。

2　常用的區域備自投模式

2.1主站-子站模式

現階段區域備自投保護主要采用主站-子站方式。區域電網中的每個變電站都配置1套子站設備，負責各個變電站的運行情況，并把運行情況轉換成相應的數據上送到主站，接收主站的跳、合閘指令，并轉換成實際節點控制斷路器的跳、合閘。主站一般放在區域電網中某個變電站中，負責整理各個子站上送的數據，運行區域備自投系統把最終指令發送到各個子站。

主站和子站主要通過光纖以太網聯系，一般采用星形連接方式。在主站所在的變電站放置1個光纖以太網路由器，主站和子站的光纖以太網通過此路由器進行數據交換。

主站-子站模式網絡結構相對簡單，一般采用單網絡模式，每個子站與主站都有專用的光纖通道，故對通信設備的要求高。此模式中主站的區域備自投邏輯需根據現場實際運行的變電站來設定，如果后期區域電網增加了1個變電站，該主站的區域備自投邏輯需重新進行設定和測試，不便于變電站的擴充。

2.2借用現有網絡結構模式

此模式主要依賴于現有的通信管理網絡系統，如能量管理系統(EMS)網絡，在相應的管理系統中增加區域備自投功能。

此模式實現區域備自投功能簡單，但區域備自投系統的遙信、遙測數據及保護動作信號依賴網絡采集，速度慢，往往需要10 s以上，因此，借用現有網絡結構模式的區域備自投系統響應速度慢，且在網絡故障或網絡風暴時更容易受影響。

上述2種模式是現在常用的區域備自投模式。模式1中通信設備要求高，模式2中響應速度慢，且這2種模式中區域備自投方案均需預先設定邏輯。全主站式區域備自投系統采用雙環網通信技術和自適應邏輯方案，能有效解決上述問題。

3　全主站式區域備自投系統的關鍵技術

3.1雙環網通信的實現

圖2為全主站式的區域備自投系統結構。此系統由n+2個區域備自投裝置組成，這些區域備自投裝置無主站、子站區別，每個子站即為主站，各站之間采用級聯雙環網(雙網獨立)的方式通信聯系，2個級聯環網絡任意1個網絡正常，區域備自投裝置即可正常工作，大大降低了網絡異常對區域備自投系統運行的影響；區域備自投系統的邏輯可實現就地識別，實現自身的跳閘功能，不影響其他站的跳閘，從而避免了本裝置異常而造成其他裝置誤跳的情況。

該備自投裝置之間通過級聯雙環網連接,數據交互通過IEC 61850通信規約的格式實現。各區域備自投裝置包含2個獨立的通信接口，分別用于連接2個級聯環網絡，且2個通信接口的通信方向相反。當級聯雙環網中任意1臺備自投裝置接收到數據時，判斷所述數據是否為本備自投裝置的通信報文，如果是，則此通信報文不轉發；如果不是，則直接轉發到下一個變電站的備自投裝置。在此系統中所有變電站的區域備自投裝置都按此原則轉發通信報文。其數據的具體接收規則和內容如下。

3.1.1級聯雙環網數據的接收規則

(1)當A環網異常時，用B環網的數據。

(2)當B環網異常時，用A環網的數據。

(3)當A，B環網都異常時，閉鎖區域備自投裝置。

(4)當A，B環網都正常時，采用先到先用，后到舍棄的原則。

3.1.2級聯網絡中傳輸的數據規則

區域備自投系統把各自間隔的變電站地址、交流量(與內部固定門檻做比較)、開關量、放電及本身的跳、合閘信號按電壓相關量、電流相關量、斷路器位置、放電信號、保護動作信號、其他保護的動作節點及裝置的跳、合閘等信息轉換成1個32位整數送到通信網絡上，供串聯電網各個區域備自投裝置接收。

3.2全主站式區域備自投技術的實現

本文中的全主站式區域備自投系統的每個子站(間隔)都是1個獨立的系統，能獨立完成區域備自投邏輯，根據自身判斷的結果跳、合閘。每個子站(間隔)都接收其他子站的數據，然后根據這些數據進行充電、放電和備自投邏輯判斷。

3.2.1各間隔充電邏輯的判斷

(1)串聯電網中所有變電站母線均有壓。

(2)串聯電網中只有1個斷路器斷開，其他斷路器均合閘。

(3)通信網絡正常。

(4)串聯電網中無重合閘跳、合閘動作。

上述條件同時滿足時，備自投系統開始充電，10 s后充電完成，可以進行備自投邏輯判別。

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3.2.2各間隔放電條件

(1)串聯網絡中有放電信號。

(2)斷開短路器的兩邊有故障。

(3)通信回路異常。

上述條件滿足任一，備自投系統放電，并閉鎖備自投邏輯。

3.2.3各間隔的斷點斷路器判別

在串聯電網中，鏈路中有且只有1個斷路器斷開，其他斷路器閉合，當斷點斷路器確定時，各個間隔根據斷點斷路器的位置，自動設置本身間隔的屬性，其主要屬性有：斷點的斷路器在本間隔的左右或本身，本間隔是否連接斷點斷路器。

(1)每個區域的備自投系統接收相應間隔線路光差保護、母線保護的動作節點，根據所述動作節點判斷串聯電網中故障點的位置。故障點確定后，各個間隔的備自投系統自動判別故障的類型，故障點是否在本間隔保護范圍內等故障屬性。

(2)當沒有線路光差保護或母線保護的動作節點，但串聯電網中非斷點的斷路器分位，且分位前本線路無電流，則認為是斷路器偷跳，相應間隔的區域備自投系統也對此種情況設置偷跳屬性。

3.2.5間隔備自投邏輯

根據各間隔的斷點斷路器和串聯電網故障點的判別結果，區域備自投系統獨立完成各自間隔的備自投邏輯，在備自投邏輯起作用時，能跳開備自投系統對應的斷路器，并向通信網絡發出合閘命令；當斷點斷路器間隔的備自投系統接收到所述合閘命令時，自動合上斷點的斷路器，完成整個備自投邏輯，串聯網絡恢復供電。其邏輯如圖3所示。

圖3　間隔區域備自投邏輯

3.2.6區域備自投邏輯的自適應性。

該全主站式區域備自投保護系統的各個間隔的軟件一致，主要通過間隔的地址來區分，此地址要求從串聯電網一個電源站到另一個電源站依次增大，不允許地址交叉，以便區域備自投系統進行間隔位置的判斷。當新增1個間隔時，區域備自投保護系統按實際地址重新設定各個間隔的地址即可，各間隔區域備自投系統自動按新地址進行邏輯判斷，無需更改軟、硬件。

3.3全主站式區域備自投技術的應用

利用上述全主站式區域備自投技術分析某串聯電網在各種故障模型的區域備自投邏輯，如圖4所示，來檢驗該技術的有效性。

在圖4中，電源站A1和B1分別接1個區域備自投裝置，其地址一般為n+1和n+2。變電站1，變電站2，…，變電站n分別對應地址1、地址2，…，地址n的區域備自投裝置。每個區域備自投裝置采集各自對應變電站內的母線電壓、線路保護動作節點、母線保護動作節點、對應的斷路器節點n1和n2，并把這些量轉換成32位整數傳送到各個間隔的區域備自投裝置。各個區域備自投分別做如下判斷。

3.3.1充電狀態的判別

在圖4中，斷路器11斷開，其他斷路器合位，各個變電站母線均有壓，區域備自投系統開始充電。

3.3.2區域備自投動作邏輯

(1)在F1點故障時的各個區域備自投系統的動作情況如下。

1)電源站A1的區域備自投裝置接收相應的線路保護跳閘節點，并把此節點傳送到其他間隔的區域備自投裝置。判斷出自己所負責的斷路器A1為非斷點斷路器，A1處區域備自投裝置不動作，此時如果接收到變電站1的放電標志，電源站A1區域備自投裝置放電。

2)變電站1接收到電源站A1的線路保護動作，并判斷出斷路器11為斷點，故障在斷點斷路器所在線路，故往外發送放電標志并自身放電。

3)變電站2，變電站3，…，變電站n，電源站B接收電源站A的動作信息后，并判斷出故障不在所負責的保護區域內，此時接收到變電站1的放電標志，變電站2，變電站3，…，變電站n，電源站B的區域備自投裝置放電。

(2)在F2點故障時的各個區域備自投的動作情況如下。

1)變電站1區域備自投裝置接收到變電站內部故障信息(母線保護動作)，往外發送變電站1內部故障標志和放電標志，變電站1區域備自投裝置自身放電。

2)變電站2，變電站3，…，變電站n，電源站A，B接收變電站1的動作信息并判故障不在所負責的保護區域內，此時接收到變電站1的放電標志，變電站2，變電站3，…，變電站n，電源站A，B的區域備自投裝置放電。

(3)在F3點故障時的各個區域備自投裝置的動作情況如下。

1)變電站1區域備自投裝置接收到負責斷路器12的線路保護動作信號，判斷出故障在自己所負責間隔的兩側，且故障點不在斷點斷路器11側，變電站1區域備自投裝置動作，斷開斷路器12，合斷路器11，并向其他站區域備自投裝置發區域備自投動作標志和斷路器12所在線路故障標志。

2)變電站2區域備自投裝置接收到負責斷路器21的線路保護動作信號，判斷出故障在自己所負責間隔的兩側，由于該間隔所負責的斷路器為非斷點斷路器，故區域備自投裝置不動作。當接收到變電站1區域備自保護動作標志時，變電站2區域備自投裝置放電。

3)變電站3，變電站4，…，變電站n，電源站A，B接收變電站1的動作信息并判斷故障不在所負責的保護區域內，當接收到變電站1的區域備自投動作標志時，變電站2，變電站3，…，變電站n，電源站A，B的區域備自投裝置放電。

(4)F4—F(2n+1)的備自投邏輯參考(3)。

利用上述分析，全主站式區域備自投裝置只負責自己所對應的斷路器的斷開和閉合，且能夠根據故障點的位置和斷點斷路器的位置判斷自己的備自投邏輯，不影響到其他間隔的備自投邏輯。

圖4　某區域備自投系統故障接線

4　結束語

本文詳細介紹了全站式的區域備自投系統的原理及技術應用。全主站式區域備自投系統采用全主站級聯備自投模式，該模式簡單直觀，物理意義明確，與常規主站-子站模式的區域備自投系統相比，全主站式備自投系統不僅減少設備的使用，節省經濟成本，其采用的雙環網級聯通信方式還減少了因網絡通信異常而導致系統無法正常工作的概率，提高了電網運行的穩定性。全主站式區域備自投系統每個子站都能夠根據串聯電網實際特征，自適應確定備自投邏輯，擴充時無需更換裝置、變更程序，即能滿足系統要求，自適應性好。

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(本文責編：弋洋)

2016-03-17；

2016-06-07

TM 762.1

A

1674-1951(2016)06-0023-05

康豐(1978)，男，湖北漢川人，工程師，從事微機保護的軟件應用與開發方面的工作(E-mail:feng-kang@sac-china.com)。

楊東(1986—)，男，江蘇鹽城人，助理工程師，從事微機保護的軟件應用與開發方面的工作。

李玉平(1978—)，男，湖南郴州人，工程師，工程碩士，從事微機保護的軟件應用與開發方面的工作。

劉慶海(1987—)，男，江蘇鹽城人，助理工程師，從事微機保護的軟件應用與開發方面的工作。

楊青松(1990—)，男，江蘇鹽城人，工程師，工學碩士，從事微機保護的軟件應用與開發方面的工作。