數字化廣域保護通信系統設計及工程配置

摘" 要：傳統的繼電保護裝置存在諸多的缺陷，無法滿足智能電網安全、穩定運行的需要。在這一背景下設計基于數字化技術的廣域保護通信系統，將廣域保護與繼電保護結合起來，完善智能電網運行保護體系，確保智能電網功能的發揮。文章首先介紹了數字化廣域保護通信系統的結構設計、需求分析，隨后概述了基于IEC61850的廣域保護實現路徑，最后從邊界IED劃分、權限狀態機設計等方面，總結了該保護系統的工程配置，為電網公司加強智能電網運行管理提供了一定的支持。

關鍵詞：廣域保護;數字化;通信系統;SSD文件

中圖分類號：TM77" " " " 文獻標志碼：A" " " " "文章編號：2095-2945（2021）13-0090-03

Abstract： The traditional relay protection devices have many defects， which can not meet the needs of the safe and stable operation of the smart grid. In this situation， a wide area protection communication system based on digital technology is designed， which combines wide area protection with relay protection， thus improving the operation protection system of smart grid and ensuring the function of smart grid. This paper first introduces the structure design and requirement analysis of digital wide area protection communication system， then summarizes the realization path of wide area protection based on IEC61850， and finally summarizes the engineering configuration of the protection system from the aspects of boundary IED division and authority state machine design， which provides some support for grid companies to strengthen the operation and management of smart grid.

Keywords： wide area protection; digitization; communication system; SSD file

廣域保護是指在復雜電力系統中，能夠快速識別、全局分析、精準切除故障，進而保護電力系統穩定運行，將故障損失降到最低的一種保護手段。在大數據、人工智能等先進技術的支持下，廣域保護的數據分析速度加快、智能決策水平逐漸提升，成為現階段智能電網管理中最為常用的一種技術。依托數字化技術設計廣域保護通信系統，與電網中的繼電保護裝置結合，進一步擴大了保護范圍，提高了故障識別的準確度。在廣域保護與繼電保護結合的過程中，還需要借助于IEC61850新增的SSD文件，實現信息交互，加強區域協作，更好地發揮對電力系統的保護作用。

1 數字化廣域保護通信系統設計

1.1 廣域保護系統結構設計

現階段廣域保護系統可以分為兩種類型：其一是依托智能算法，對獲取的廣域信息進行分析和研判，從而實現對目標區域、特征信息的監控;其二是依托繼電保護算法，在采集和分析廣域信息的基礎上，提高繼電保護相應的時效性，實現保護功能。兩者相比，后一種應用價值更高。其系統組成結構主要分為三部分：（1）測量層。其作用是動態監控電網的運行信息、狀態參數，并將收集到的數據信息打包，以數據包的形式按照特定頻率發送給決策層。（2）決策層。根據測量層反饋的數據信息，利用決策算法進行分析，識別故障，并做出決策。（3）監控層。決策指令下達后，相應的底層動作單元會完成相應的動作，排除故障。監控層需要監控電網運行是否正常，即故障是否得到解決。然后將監控信息反饋給決策層。

1.2 面向數字化變電站的廣域保護通信系統結構

為了滿足多臺變電站的運行需要，系統內部設備增加，組成結構也變得更加復雜。例如測量層除了采集裝置外，還增加了執行單元、合并單元，以及過程總線交換機;決策層增加了間隔層保護、站級總線交換機等;監控層增加了面向數字化變電站的監控中心。該中心基于故障分析結果，做出相應的保護決策，并通過站級中線交換機、過程總線交換機，將指令下達到末端的執行單元。執行單元控制完成跳閘，達到隔離故障、保護電路的目的。

1.3 數字化廣域保護通信系統需求分析

在設計數字化廣域保護通信系統時，需要重點滿足以下需求：第一，在縱向結構上，要求低端的測量層、中間的監控層以及頂端的決策層之間，可以實現自上而下的指令傳達和自下而上的信息反饋，并且保證時效性，提高響應速率;在橫向結構上，同一層次中，不同數字化變電站對應的若干個站級總線交換機、過程總線交換機，相互之間應當實現信息交互。第二，使用IEC61850標準的通信系統，需要遵循廣域保護通信的相關規定，分別設計不同層次的通信網絡。這樣既可以保證各個層次在運行時不會產生串擾，同時又能夠根據廣域保護監控中心的統一協調，實現協同運作，提高了整個通信系統的運行穩定性。

2 基于IEC61850的廣域保護數字化實現

2.1 廣域保護IED建模

從結構組成上來看，IED模型主要包括5個層次。各層次的基本功能為：（1）MEAS層，主要包含各種類型的測量邏輯設備，例如測量電流數據的邏輯設備、測量電壓數據的邏輯設備等。其中，MMXU是系統自帶的測量邏輯節點，而RMXU屬于新增邏輯節點。如果后期廣域保護通信系統需要進行功能拓展，可以通過新增邏輯節點的方式，滿足新功能的測量需要。（2）PROT層，主要包含各種保護裝置，例如差動保護、距離保護等。其中，PDIF、PDIS和GGIO等，分別用于存儲不同類型的保護信息。通過分析這些保護信息，方便控制終端作出相應的保護指令。（3）PWAD層，主要運行矩陣算法，為廣域保護監控中心作出決策提供算法支持。（4）CTRL層，主要是執行指令的動作單元，例如控制斷路器、隔離開關的開與閉，以及負責動作執行情況的反饋。（5）GOLD層，負責保護跳閘指令的發送。

2.2 基于關聯矩陣的數字化廣域保護實現原理

當數字化變電站中同時存在兩個及以上的IED間隔層設備時，為了提高故障識別的準確度和系統響應的時效性，需要轉變以往單獨進行保護的策略，轉而構建IED關聯矩陣，實現一體化的數字化廣域保護。其實現原理為：將IED1、IED2……IEDn，分別通過LLNO、GOCB和Data set進行處理后，納入到PWIM（廣域保護信息矩陣）中。進入該矩陣的IED信息，首先判斷是否存在故障值。將判斷結果進行匯總，得到IED故障值矩陣。在SWCB（站控層設備）的支持下，將故障值矩陣轉化為可識別的設備故障信息矩陣。通過矩陣分析，可以得到故障發生位置、故障出現時間等詳細信息。最后決策中心根據故障信息，提供相應的處理方案，讓故障得以解決，數字化廣域保護功能得以實現。

2.3 數字化廣域保護信息交互流程

面向數字化變電站的廣域保護信息交互，根據變電站自身結構和功能的不同，在流程細節上也存在差異。概括來說，信息交互流程可以分為5個步驟：（1）合并單元（MU）采集線路電壓、電流等信息，并經SMV報文分別傳送給相應的保護IED的保護邏輯設備和測控邏輯設備;（2）IED設備中的PDIF、RFLO等接收信息后，根據信息分析做出故障判斷，明確故障位置。同時生成跳閘報文，上傳給控制終端后，由控制終端下達跳閘指令，實現跳閘;（3）IED3/PROT的保護邏輯節點將其保護啟動信息Str=1、PTRC將其跳閘信息Tr=1報告給站級的CALH（消息流（4）和消息流（5）），以上是變電站B處理內部故障信息的流程;（4）借助于PSCH在兩個或多個變電站之間傳送GOOSE報文;（5）其他變電站接收到跳閘報文后，實現跳閘。

3 數字化廣域保護的工程配置

3.1 數字化廣域保護工程配置文件

3.1.1 變電站一次系統結構SSD文件

SSD文件中包含了關于變電站電壓等級、一次設備等相關信息，利用該文件可以了解變電站的整個電力系統。在配置SSD文件時，要注意結合數字化變電站的結構特點、具體組成，確保SSD文件內容與數字化變電站的實際情況保持一致。在SSD文件中，找到SCL子文件夾，通過其中標注的一次設備代碼，可以作為配置數字化變電站關于保護系統的參考。一次設備代碼與設備的對應情況如表1所示。

當然，在工程配置時也有可能遇到數字化變電站的IED定義群中沒有LN的情況，可能是因為LN在IED中沒有定義邏輯節點的類型。這種情況下需要在IED定義群中，檢索所有帶有iedName標頭的邏輯節點，然后根據邏輯節點的定義和屬性，找到對應的LN邏輯節點，保證工程配置的完整性。

3.1.2 IED配置文件

IED配置文件能夠滿足數字化廣域保護運行所需的通信功能，并且根據通信系統運行需要，以及今后功能拓展的要求，靈活的配置和修改IED文件，始終保持通信系統的穩定運行。其中，ICD可以看作是IED的初始狀態文件，涵蓋了IED的一些基本服務，但是不能像IED文件一樣進行修改和擴展，這也保證了ICD文件本身的穩定性。為了提高對斷路器、隔離開關的控制力度，在配置文件時，選擇將ICD文件與SSD一次設備綁定。以斷路器為例，ICD文件與斷路器綁定后，會根據斷路器的運行需要，生成相應的系統配置文件。新生成的文件，需要從ICD文件中導出，并傳輸到IED設備中。在該設備正常讀取以后，完成IED配置。

3.1.3 變電站系統配置和系統交換描述文件

在智能電網中，分布于電網各處的智能設備，需要借助于SCD文件與數字化變電站進行聯動。SCD文件作為一次系統和二次設備之間實現信息交換的橋梁，其配置方式為：首先啟動系統配置器，先后打開SSD文件和ICD文件。然后進行文件格式轉換，得到滿足系統運行要求的SCD文件。此時利用配置器運行一次SCD文件，觀察文件中的程序指令能否正常執行。如果系統報錯，則針對出現的地方進行修改。其次，啟動IED配置器，將經過修改后的SCD文件轉換成為CID文件。有IED配置器進行識別、讀取，完成IED配置。最后，經過上述處理后，可以得到原始的SCD文件和最新的IED文件，將其分別配置到數字化變電站的一次系統和二次設備中。通過工程配置，讓數字化廣域保護通信系統的功能得到了豐富。

3.2 數字化廣域保護工程配置方案設計

3.2.1 邊界IED劃分

當IED發生故障時，理想情況下廣域保護通信系統能夠同步響應，然后精準識別故障并做出決策，確保IED故障能夠最快解決。但是在數字化變電站的實際運行中，同時存在若干IED設備，如果在系統設計時沒有進行邊界劃分，就有可能出現IED故障信息不能被獲取的情況。為了避免此類情況，就需要在設計工程配置方案時，針對系統中每一臺IED設備，均做好邊界劃分，提高故障信息的識別精度和故障排查的響應速度。例如，數字化變電站A與數字化變電站B之間，通過IED進行一次設備信息的交互，這時可以利用IEC61850制定的SED文件劃分IED邊界。其原理是通過識別A和B變電站之間用于交互信息的IED設備，根據其配置文件的差異性確定邊界，如圖1所示。

3.2.2 廣域保護工程配置流程

如上文所述，一個數字化廣域保護通信系統中，可能同時包含了多個IED設備。在工程配置時，如果逐個地對IED進行定義和配置，一來是增加了工作量，導致工程配置效率較低，二來也容易影響配置后IED設備的運行穩定性。因此，面向數字化變電站的工程配置技術，需要創新配置方法和優化配置流程。現階段常用的工程配置流程為：（1）啟動IED配置器后，完成預配置。包括調用需要進行工程配置的ICD文件、SSD文件、ICD文件等。各類文件經過預配置準備完畢后，新建獨立的文件夾。（2）啟動系統配置器，在該配置器中重新打開新建文件夾。經過處理后，輸出SCD文件。將SCD文件進行劃分，每一份文件分別對應一臺IED配置器，并導入到相應的IED配置器中。（3）經過IED配置器處理后的文件，經由CID file處理后導入數字化變電站的LED設備和MU設備中，完成整個配置流程。見圖2。

4 結束語

設計和應用數字化廣域保護通信系統，是建設智能電網的一項重要內容。近年來，國內電力行業、通信行業的許多專家、學者，針對數字化廣域保護的理論、機制、技術等方面展開了大量的研究，為廣域保護通信系統的設計與應用提供了支持。通過構建面向數字化變電站的廣域保護通信系統架構，應用SSD文件、IED配置文件等，實現數字化廣域保護系統一次系統、二次設備的靈活配置，有助于保障通信安全，進而為智能電網的建設和運行提供了必要的保障。

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