淺談變電站IED數(shù)據(jù)在繼電保護(hù)中的應(yīng)用

，(.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司崇明供電公司，上海 050;.國(guó)網(wǎng)上海市電力公司市北供電公司，上海 00435)

0 引 言

繼電保護(hù)是保障大電網(wǎng)安全的第一道防線，而由于保護(hù)的誤動(dòng)、拒動(dòng)以及電網(wǎng)的潮流轉(zhuǎn)移等導(dǎo)致的連鎖動(dòng)作最終造成事故擴(kuò)大也有發(fā)生。因此，在復(fù)雜電網(wǎng)環(huán)境下審視繼電保護(hù)中存有的問(wèn)題，研究出相應(yīng)的快速識(shí)別故障隔離故障，簡(jiǎn)化保護(hù)方案是值得研究的。近年來(lái)，隨著廣域同步測(cè)量和智能變電站技術(shù)的不斷成熟發(fā)展，各種智能電子設(shè)備也相應(yīng)地安裝到智能變電站中，這就為改善繼電保護(hù)性能提供了良好的契機(jī)。

目前變電站內(nèi)穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)和暫態(tài)信息分別由測(cè)控單元、相量測(cè)量裝置(phasor measurement unit,PMU)和故障錄波裝置、繼電保護(hù)裝置采集。這些裝置在功能上存在交叉，因此在一定程度上也造成了不必要的成本增加和管理難度。文獻(xiàn)[1]提出一種用于三態(tài)(穩(wěn)態(tài)、動(dòng)態(tài)、暫態(tài))數(shù)據(jù)監(jiān)控的新型多功能IED的實(shí)現(xiàn)方案，多功能IED通過(guò)信息共享和功能優(yōu)化有效減少網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)，提高信息利用率。然而，伴隨這種多功能IED方案而來(lái)的又是對(duì)系統(tǒng)多種數(shù)據(jù)類型整合和實(shí)時(shí)分析的更高要求。由于多功能IED將多種功能集成，所以各個(gè)功能間的配合問(wèn)題需要做出深入的研究。

由于IED裝置數(shù)量種類眾多，且大多來(lái)自不同廠家，有著不同的規(guī)格，IEC 61850國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的頒布切實(shí)地解決了此問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了多種IED的互換性和一致性。IED的功能有狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障檢測(cè)、故障定位、故障診斷、信息交互以及開(kāi)關(guān)操作控制。IED的特點(diǎn)包括實(shí)現(xiàn)信息的完全交互：IED之間以及IED與控制中心之間進(jìn)行信息完全交互。信息交互不僅包括節(jié)點(diǎn)電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、頻率、諧波、電壓波動(dòng)和閃絡(luò)、開(kāi)關(guān)位置信號(hào)、斷路器失效信號(hào)、重合閘與錄波信號(hào)，還包含保護(hù)與故障隔離的輸出信號(hào)、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)與故障診斷、決策信號(hào)等。而所有這些信號(hào)都是以標(biāo)準(zhǔn)格式存儲(chǔ)在IED中的數(shù)據(jù)形式。有效采集分析這些數(shù)據(jù)對(duì)提高繼電保護(hù)性能具有不容忽視的意義。下面將從IED模型建立、繼電保護(hù)算法分析、廣域繼電保護(hù)中IED數(shù)據(jù)傳遞與配合3個(gè)方面進(jìn)行論述，分析各技術(shù)路線的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)并給出建議，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步展望有效利用IED數(shù)據(jù)的方法。

1 IED模型建模思想

1.1 基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的IED模型建立

文獻(xiàn)[2-3]介紹了關(guān)于特定IED裝置的建模方法和步驟。其中，基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的故障選線IED模型是將故障選線功能分解為IEC 61850定義的邏輯節(jié)點(diǎn)，對(duì)故障選線IED進(jìn)行應(yīng)用信息和基本功能的標(biāo)識(shí)和劃分，構(gòu)建新型模型的基本框架。由于需要監(jiān)測(cè)多條線路，檢測(cè)量眾多，所以為了避免數(shù)據(jù)流量較大、計(jì)算復(fù)雜的不利情況，考慮采用每條線路作為一個(gè)邏輯點(diǎn)再將線路信息匯總到選線算法模塊，進(jìn)而選出故障線路的方法。這樣既避免了信息冗余，也使得數(shù)據(jù)傳輸能對(duì)應(yīng)邏輯節(jié)點(diǎn)，提高了系統(tǒng)可靠性。類似地，借鑒IEC 61850功能分層結(jié)構(gòu)、統(tǒng)一對(duì)象建模和抽象通信服務(wù)接口的特點(diǎn)，對(duì)廣域電流差動(dòng)保護(hù)智能電子設(shè)備進(jìn)行建模。其中廣域電流差動(dòng)保護(hù)新邏輯節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展是實(shí)現(xiàn)各IED互操作性的關(guān)鍵所在。圖1是超高壓線路保護(hù)裝置對(duì)象的建模實(shí)例。

由圖1可知，按照功能劃分原則，將一個(gè)或幾個(gè)性質(zhì)相似的功能歸到一個(gè)邏輯設(shè)備中，整個(gè)模型由幾個(gè)邏輯設(shè)備組成。

圖1 超高壓線路保護(hù)的對(duì)象模型

1.2 功能閉鎖IED模型建立

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷壯大，IED數(shù)量也相應(yīng)增加，這帶來(lái)了數(shù)量眾多的IED數(shù)據(jù)需要分類并有效處理的問(wèn)題，而一旦處理有誤便會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的影響。功能閉鎖機(jī)制在避免因電力系統(tǒng)保護(hù)誤動(dòng)而導(dǎo)致事故方面具有重要作用。目前國(guó)內(nèi)外的眾多研究都只是針對(duì)利用IED來(lái)為整個(gè)電力系統(tǒng)服務(wù)，提高系統(tǒng)性能，而忽視了IED本身的研究。文獻(xiàn)[4-5]提出設(shè)計(jì)數(shù)字化變電站運(yùn)行功能閉鎖IED，以兩個(gè)設(shè)備為例分成正常、預(yù)留和釋放3種控制模式，將相關(guān)開(kāi)關(guān)的預(yù)留閉鎖信息通過(guò)通信信道發(fā)送給對(duì)應(yīng)的IED，有效避免了某一個(gè)IED動(dòng)作時(shí)因?yàn)榘渌粋€(gè)或幾個(gè)IED相關(guān)動(dòng)作信息而導(dǎo)致相應(yīng)的IED發(fā)生不正確的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)資源的配置和設(shè)備的分布應(yīng)用，增強(qiáng)了系統(tǒng)運(yùn)行的靈活和穩(wěn)定。圖2 闡釋了此種功能閉鎖IED的思想流程。

圖2 IED功能閉鎖信息流程

由圖2可知，此預(yù)留閉鎖信息的傳遞過(guò)程中，確認(rèn)信息的成功發(fā)送很關(guān)鍵，只有成功預(yù)留了IEDb，才不會(huì)發(fā)生IEDb的誤動(dòng)，有效避免因數(shù)據(jù)流量大而導(dǎo)致保護(hù)IED誤動(dòng)。

1.3 基于IEC 61850的變電站后備IED設(shè)計(jì)

針對(duì)保護(hù)IED裝置本身發(fā)生故障的情況，文獻(xiàn)[6]提出后備IED的概念。傳統(tǒng)變電站系統(tǒng)只使用本地?cái)?shù)據(jù)和時(shí)間曲線處理保護(hù)與協(xié)調(diào)，而IEC 61850的保護(hù)IED使用建立在以太網(wǎng)基礎(chǔ)上的通信網(wǎng)絡(luò)，采集其他IED的數(shù)據(jù)，最大化實(shí)現(xiàn)廣域范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)共享，提高保護(hù)與協(xié)調(diào)的有效性。后備IED包含變電站的每一種保護(hù)元素，由邏輯節(jié)點(diǎn)解析文件決定是否使能后備IED，根據(jù)具體實(shí)時(shí)的運(yùn)行情況自動(dòng)激活后備IED而不是由廠家整定。后備IED有利于減少整體后備IED族的數(shù)目，也可以為故障的IED提供后備。

后備IED建立的要求也十分嚴(yán)格：使用SCD文件構(gòu)造SCL基礎(chǔ)上的保護(hù)IED；避免物理重啟，保證持續(xù)運(yùn)行；儲(chǔ)存變電站中的繼電保護(hù)裝置和邏輯節(jié)點(diǎn)的所有信息和功能。其中后備IED的運(yùn)行也較為復(fù)雜，具體為：后備IED啟動(dòng)一個(gè)主功能路徑監(jiān)測(cè)來(lái)自變電站的文件傳輸并等待后備命令；接收到含有邏輯名的文件之前，后備IED一直處于在線狀態(tài)但并不執(zhí)行任何動(dòng)作；接收到文件后，解析文件獲取信息并匹配數(shù)據(jù)，執(zhí)行對(duì)故障IED的后備。故障IED修復(fù)后，站控層發(fā)送復(fù)位信息，此時(shí)后備IED銷毀所有路徑，但仍保留主路徑，刪除所有之前后備動(dòng)作的相關(guān)信息；復(fù)位以后，后備IED回到初始狀態(tài)，監(jiān)測(cè)并等待后備信息[6]。這種后備IED的優(yōu)點(diǎn)在于不需要物理重啟，有效減少了保護(hù)失效的時(shí)間，但某種程度上會(huì)影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)性能和可靠性。所以可以考慮刷新系統(tǒng)，定期重啟后備IED，避免由整定和算法變化產(chǎn)生的不穩(wěn)定情況。

2 IED中的保護(hù)配合與算法應(yīng)用

2.1 分區(qū)域思想與聚類算法

文獻(xiàn)[7]提出利用廣域狀態(tài)信息進(jìn)行模糊C均值聚類的方法實(shí)行故障區(qū)域的判別，利用線路智能電子裝置(IED)采集相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作信息、斷路器狀態(tài)信息等，并以網(wǎng)絡(luò)各個(gè)線路IED狀態(tài)信息作為聚類的對(duì)象，定義了電網(wǎng)關(guān)聯(lián)IED的含義，將故障元件IED歸為關(guān)聯(lián)的一類，同方向區(qū)外故障IED歸類關(guān)聯(lián)的另一類。文獻(xiàn)[8]提出將廣域電網(wǎng)劃分為類蜂窩結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)分區(qū)域系統(tǒng)的繼電保護(hù)，更采用廣域繼電保護(hù)分布集中式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)區(qū)域電網(wǎng)。系統(tǒng)中IED主要完成就地電流互感器和電壓互感器測(cè)量信息及斷路器狀態(tài)信息的采集功能、斷路器操作的執(zhí)行功能、常規(guī)主保護(hù)功能等。構(gòu)成了基于信息拓?fù)錁?shù)搜索的保護(hù)判據(jù)，保護(hù)對(duì)象為樹(shù)根，其他相鄰元件為樹(shù)枝，以樹(shù)枝IED為節(jié)點(diǎn)建立了多層信息域。

2.2 IED方向比較原理

文獻(xiàn)[9]提出了一種基于方向比較原理的廣域繼電保護(hù)算法，建立廠站內(nèi)一次設(shè)備和廠站出線對(duì)應(yīng)的一次設(shè)備、方向元件關(guān)聯(lián)矩陣，并據(jù)此確定具體的故障元件。文獻(xiàn)[10]提出基于負(fù)序功率方向比較原理的廣域繼電保護(hù)算法。根據(jù)IED的安裝位置，形成了包含有母線及線路在內(nèi)的IED關(guān)聯(lián)域。系統(tǒng)發(fā)生故障后，通過(guò)IED在關(guān)聯(lián)域內(nèi)對(duì)故障信息的采集和共享，定位故障，并按照預(yù)定的IED動(dòng)作策略迅速切除故障。綜合比較文獻(xiàn)[7-10]的算法思想，可得到聚類算法適應(yīng)性強(qiáng)，但得依賴同步測(cè)量工具；負(fù)序功率方向比較原理僅適用于非對(duì)稱故障情況。因此，可以采用將兩種思想融合的改進(jìn)算法，即聯(lián)合負(fù)序功率方向比較與聚類的新繼電保護(hù)算法，這樣不僅可以對(duì)上述的算法進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，還可以通過(guò)增大系統(tǒng)的信息冗余提高系統(tǒng)故障判別的容錯(cuò)性。圖3 闡釋的是改進(jìn)算法的流程圖。

圖3 改進(jìn)法的故障判別與后備保護(hù)流程

3 廣域繼電保護(hù)IED數(shù)據(jù)傳遞與配合

3.1 IED數(shù)據(jù)提取與傳遞

變電站中IED的安裝改變了保護(hù)工程的現(xiàn)狀，IED 設(shè)備不僅記錄大量模擬量和數(shù)字量，同時(shí)也經(jīng)由通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳送到控制中心。由IED產(chǎn)生的動(dòng)作數(shù)據(jù)能夠分析系統(tǒng)中的故障部分，由非動(dòng)作數(shù)據(jù)可以分析出故障的原因所在[11]。很明顯，IED的數(shù)據(jù)具有重要的意義，然而，伴隨著IED存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和傳遞的過(guò)程會(huì)積累大量的不必要數(shù)據(jù)。因此，要求系統(tǒng)能夠自動(dòng)辨識(shí)所有IED中的信息，提取出高質(zhì)量的有效信息。圖4給出了IED數(shù)據(jù)的提取過(guò)程。

圖4 IED數(shù)據(jù)生成提取五步法

3.2 事故分析中的IED數(shù)據(jù)應(yīng)用

IED的互換性問(wèn)題解決之后為系統(tǒng)大流量的數(shù)據(jù)共享提供了方便，其中利用IED數(shù)據(jù)對(duì)變電站進(jìn)行事故分析具有切實(shí)的重要作用。通過(guò)分析采集到的IED數(shù)據(jù)，能夠得到系統(tǒng)異常的原因，快速恢復(fù)供電，阻止事故擴(kuò)大，保證設(shè)備高效率運(yùn)行；做出基礎(chǔ)設(shè)施替換維修的決策，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，提高系統(tǒng)可靠性。將IED數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析可得到事件的分類情況，如表1所示。

表1 變電站事故分析表

3.3 故障隔離與供電恢復(fù)IED的協(xié)調(diào)與配合

文獻(xiàn)[12]研究了IED中不同原理的保護(hù)之間相互協(xié)調(diào)配合問(wèn)題，指出通過(guò)將傳統(tǒng)的饋線終端單元換成智能電子設(shè)備(IED)，利用IED的數(shù)據(jù)信息交互實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的故障隔離和供電恢復(fù)。以圖5為例詳細(xì)介紹IED的保護(hù)配合。

圖5 保護(hù)IED配合結(jié)構(gòu)

由圖5可知，當(dāng)k1處發(fā)生永久性故障時(shí)，IED15打開(kāi)斷路器15。同時(shí)，IED15向IED14發(fā)送開(kāi)、關(guān)命令來(lái)控制斷路器14的操作達(dá)到隔離故障的效果。此時(shí)，EF部分是非故障區(qū)域，需要恢復(fù)供電。IED13和IED9～I(xiàn)ED12向系統(tǒng)側(cè)的IED7發(fā)送恢復(fù)電力供應(yīng)的請(qǐng)求。IED7合上回路開(kāi)關(guān)7，此時(shí)EF部分由S3供電。當(dāng)S1發(fā)生故障，IED14～I(xiàn)ED16發(fā)送恢復(fù)供電請(qǐng)求給IED13，IED13合上開(kāi)關(guān)，此時(shí)IED14～I(xiàn)ED16由S3供電。同樣地，IED2和IED3向IED4發(fā)送恢復(fù)供電請(qǐng)求，此時(shí)IED2～I(xiàn)ED3由S2供電。當(dāng)k2處發(fā)生故障，IED10和IED11預(yù)測(cè)到故障點(diǎn)位于節(jié)點(diǎn)10和11之間，但節(jié)點(diǎn)10和11之間的開(kāi)關(guān)僅是分段開(kāi)關(guān)，無(wú)法切斷故障電流。IED11向IED12發(fā)送直接跳閘信號(hào)，IED12動(dòng)作于斷路器12跳開(kāi)故障。如果IED11檢測(cè)到饋線上沒(méi)有電壓，打開(kāi)分段開(kāi)關(guān)11，經(jīng)過(guò)一定延時(shí)，斷路器12重新合閘，接著合上分段開(kāi)關(guān)11。如果故障是暫態(tài)故障，系統(tǒng)恢復(fù)到正常工作。如果是永久性故障，IED11重新監(jiān)測(cè)到故障電流，再次向IED12發(fā)送直接跳閘命令，斷開(kāi)斷路器12。當(dāng)IED11檢測(cè)到饋線上沒(méi)有電壓，打開(kāi)分段開(kāi)關(guān)11和分段開(kāi)關(guān)10，當(dāng)IED11和IED10檢測(cè)到分段開(kāi)關(guān)11和分段開(kāi)關(guān)10可靠打開(kāi)以后，向IED12發(fā)送重合閘命令，斷路器重新合上。至此，節(jié)點(diǎn)12和節(jié)點(diǎn)11之間恢復(fù)供電。同樣地，IED10向IED7發(fā)送恢復(fù)供電請(qǐng)求，合上開(kāi)關(guān)7，此時(shí)由S2供電，節(jié)點(diǎn)7和節(jié)點(diǎn)10之間供電恢復(fù)。

這種IED之間的相互動(dòng)態(tài)配合與協(xié)調(diào)，能夠及時(shí)隔離故障區(qū)域，但每一次動(dòng)作之后IED之間的相互上下級(jí)關(guān)系會(huì)發(fā)生變化，這是在實(shí)際應(yīng)用中需要注意的地方。

關(guān)于故障診斷方面，文獻(xiàn)[13-14]提出同時(shí)利用不同種類的IED(DPR、DFR、PMU等)并嵌入不同的故障定位算法，通過(guò)增加判據(jù)，增強(qiáng)故障定位的快速性，同時(shí)提高故障診斷的容錯(cuò)能力。文獻(xiàn)[15-16]在廣域繼電保護(hù)的基礎(chǔ)上分析了IED數(shù)據(jù)使用的注意事項(xiàng)，指出了應(yīng)當(dāng)將IED較大的數(shù)據(jù)信息視為研究重點(diǎn)，并不是數(shù)據(jù)信息越多越好，必須提取有用信息，減少不必要的干擾信息甚至是錯(cuò)誤信息。因此，針對(duì)越來(lái)越多的IED安裝于智能變電站中，有必要研究如何充分有效地利用IED數(shù)據(jù)，同時(shí)精簡(jiǎn)IED裝置數(shù)量，實(shí)現(xiàn)IED數(shù)據(jù)的在線自適應(yīng)調(diào)整和最有效分析。

4 結(jié) 語(yǔ)

分析了IED數(shù)據(jù)的產(chǎn)生及提取分析過(guò)程，概括總結(jié)出IED數(shù)據(jù)的應(yīng)用情況、應(yīng)用方法和應(yīng)用過(guò)程并對(duì)其數(shù)據(jù)的應(yīng)用情況進(jìn)行了相關(guān)分類。通過(guò)具體的實(shí)例闡釋了利用IED中的算法和數(shù)據(jù)進(jìn)行故障區(qū)域判別與故障定位以及IED在廣域繼電保護(hù)領(lǐng)域的配合問(wèn)題。對(duì)具體應(yīng)用情況指出了研究?jī)?nèi)容的難點(diǎn)并給出了一定的建議。

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