基于變電站多信息的站域保護架構和功能分析

南京南瑞繼保電氣有限公司 齊 巖 曹少珂 國網江蘇省電力有限公司邳州市供電分公司 徐 貝

中國長江電力股份有限公司三峽水力發電廠 李 琛

關健詞：站域保護；智能變電站；多信息

電力是國家基礎設施建設中至關重要的一環，關系到國家經濟發展和社會安全穩定。在電力系統中，繼電保護起到保障電網安全的作用。當發生緊急情況時需要快速隔離故障。在用電需求日益增大的情況下，傳統繼電保護暴露出諸多問題，如后備保護整定配合困難，可能發生拒動或誤動，易引發連鎖跳閘，造成大面積停電事故等。

近年來，高性能硬件處理芯片、電子式互感器等硬件應用日趨成熟，結合高速通信網絡及IEC61850通信規約，借助于多網合一的背景，傳統變電站中繼電保護得到的信息發生了較大變化。與傳統繼電保護相比，智能變電站利用站內或站間信息，實現信息共享集成，將采集到的信息數字化、信息共享標準化、光纖通信廣域化和過程層通信平臺網絡化，有效改善傳統繼電保護可利用信息不足的問題，大大提高了繼電保護的控制性能。基于智能變電站的優良特性，采集多信息技術來搭建繼電保護系統受到了國內外廣泛關注。

1 站域保護概述

基于信息共享技術，智能變電站的繼電保護系統可以獲得多種信息，構建模式也與傳統繼電保護有所不同。為了適應多信息共享技術，將新型變電站繼電保護系統分為三層：即間隔層、站域層、廣域層。其中站域層保護也被稱為站域保護[1]，是指充分利用采集的站域信息，例如站內出線、母線、變壓器等元件上的信息及相鄰站的多源信息，建立SV和GOOSE信息的光纖通信網絡傳輸平臺，根據IEC61850通信規約來完成信息的交互傳遞，結合相應的保護算法來進行決策判斷，整合信息從而實現繼電保護的功能。站域保護收集的信息包括：各處電壓電流數值大小、斷路器通斷狀態、刀閘開關狀態等直接信息和算法處理過的中間信息、動作結果等間接信息[2]。圖1介紹了站域保護通信構成模式，根據采集到的直接、間接信息，來實現各個層之間保護的整定配合。

圖1 站域保護通信構成模式

2 站域保護構建模式

根據上文中提到的分層繼電保護的架構，站域層位于中間承上啟下的位置，利用電氣設備采集站域信息，承接間隔層和廣域層。站域保護的構建方案不僅僅是簡單搭建模型來直接集成，作為層次化繼電保護中承上啟下的一層，需要結合不同變電站的特點，兼顧上下兩層的配合，分電壓等級來研究站域保護構建模式[3]。

綜合分析不同電壓等級變電站的特點，根據電力系統實際運行情況，按照電壓等級來搭建站域保護架構方案，不僅有利于提高通信系統工作效率，還有利于減少保護裝置控制反應時間，提高系統的安全可靠性。

2.1 電壓等級220kV以上

針對220kV及以上高電壓等級變電站，選擇不同的連接通道，把測量信息的輸入方法分為直采和網采模式。結合電力系統運行實際情況來選擇不同的站域保護架構。

2.1.1 高壓側直采網跳

高壓側直采網跳是指測量信息基于點對點連接方式通過合并單元與保護裝置通信。站域保護通過GOOSE網絡獲取間隔層保護信息，在站域層實現綜合信息判斷，由GOOSE網絡傳輸信息最后控制斷路器通斷。

作為主保護和簡化后備保護，高壓側間隔層保護采用直采網跳模式。站域層保護通過GOOSE網通道獲得間隔層傳輸的信息。下面列出了該構建模式的優缺點。

優點：間隔保護不依賴于SV通信網絡，同步測量容易實現；簡化站域保護的處理，降低變電站SV網絡通信量，減小了對裝置硬件設計要求；站域保護失效時，間隔層保護配置的簡化后備仍起作用。

缺點：要修改間隔保護裝置的通信功能，間隔層需要與站域保護通信來并實現配合。計算結果時，站域保護功能依賴于間隔層保護裝置的計算；站域保護不能獲得直接的測量值，對于實現一些新的保護原理有限。

2.1.2 高壓側網采網跳

網采網跳是指間隔層測量到的信息通過SV網絡通信傳輸到站域層，經過對信息的計算判斷處理，最后經過GOOSE網絡來對斷路器發送決策判斷命令。

作為輸電系統的后備保護，站域層保護由SV網傳輸來獲得站內測量信息。下面列出該模式的優缺點。

優點：常規主保護保留，不依賴于SV通信網絡的高可靠性，同步測量容易實現；間隔保護與站域保護相互獨立，不需修改常規保護裝置；站域后備保護失效時，間隔層保護配置的簡化后備仍起作用。

缺點：SV網絡通信量大，站域保護計算復雜，對硬件設計要求高；需要解決站域保護測量信息的同步問題。

2.2 電壓等級110kV以下

對于110kV及以下中低壓等級輸電系統，系統結構出線多、信息量大，較為復雜。其中，根據測量到單側電氣量的三段式保護作為主保護，由于電壓等級較小，因此一般情況下無需安排母線保護和斷路器失靈保護。站域保護可以采用變電站集中式系統結構，利用站域信息實現變電站繼電保護和控制功能。作為主后備保護的中低壓側站域保護，基于以下兩種模式，形成不同的站域保護架構。

2.2.1 中低壓側直采網跳

直采網跳模式是指間隔層測量信息基于點對點通信方式，傳輸到站域保護子單元、合并單元實現通信。站域保護中子單元獲取測量信息，將計算判斷后的結果發送給站域層裝置，最后經站域保護裝置來進行決策，從而實現繼電保護主后備保護功能，通過GOOSE網絡傳輸決策信息來實現斷路器控制。

中低壓側直采網跳模式中，間隔層保護子單元數量增多，因此可以更多地獲取合并單元的信息。作為主保護和后備保護，站域層保護可以直接獲取子單元的初步判斷結果。下面列出該模式的優缺點。

優點：站域保護子單元采用直采網跳模式，不依賴于SV網絡同步采樣；站域保護實現主后備保護統一集成，減化系統結構，減小投資；站域保護集中站域信息，實現常規保護和控制功能，利用冗余信息優化改進；SV網通信量小。

缺點：直采模式下二次網絡復雜；對保護子單元硬件設計要求高。

2.2.2 中低壓側網采網跳

間隔層測量的信息通過SV網絡傳輸到站域層，在站域保護裝置內進行多信息綜合判斷決策，實現系統中主后備保護，通過GOOSE網絡傳輸判斷的信息來對斷路器決策控制。

站域保護經SV網通道來獲取間隔層測量的信息，通過對信息邏輯判斷實現主保護和后備保護功能。下面列出該模式的優缺點。

優點：基于網采模式，減少設備數量，簡化系統結構，有利于減少投資，便于運行維護；集中站域信息，實現常規保護和控制功能，利用冗余信息優化改進。

缺點：由于采用網采模式，站域保護依賴于SV網絡同步測量技術；站域保護信息集中，計算量大。

3 功能分析

站域保護的功能大致可以分為兩類：第一類是基于電力系統中的安全穩定性來分析，由于站域保護獲得多方位的信息，解決傳統繼電保護中信息不足、缺失關鍵信息的問題，使變電站內各控制裝置配合更加協調，在電力系統實際運行情況下具有低頻低壓減載、備自投等緊急控制能力[4]。第二類是從故障判斷性考慮，作為后備保護，通過采集相關電氣設備的電壓、電流信息和設備狀態動作信息，結合相關判斷邏輯進行決策，從而實現間隔冗余后備保護并優化站域后備保護的功能。

3.1 低頻低壓減載

在傳統低頻低壓減載中，由于主要采用非層次化架構的輪切方案，各個減載節點沒有交互信息相互獨立，在實際電力系統中無法根據實時變化負荷來調整方案[5]。在多信息智能變電站中，站域保護的基本任務和功能為：監視站內各處電壓，利用采集到的站域信息和整定邏輯判斷擾動原因，制定相應的預減載方案。與本站上層即廣域層低頻低壓減載裝置通信，將本站信息、對頻率電壓擾動原因推斷結果和預減載方案上傳至廣域層，綜合廣域保護控制的控制指令，做出最終減載方案，改善在單間隔裝置由于信息孤島導致的邏輯缺陷。

3.2 備自投功能

在復雜的電網實際運行中，某些電氣設備會采用一些備自投動作邏輯復雜的主接線方法，在現運行的電力系統中很少有能夠充分考慮到針對不同斷路器的運行方式。在站域保護中，由于可以采集到多信息并將信息進行整合共享，站域控制系統能夠采集到范圍內各種電氣設備的開關狀態與特定的電氣量信息，綜合判斷來實現不同接線方式的容錯識別[6]，根據系統運行實際情況來構建控制邏輯，多信息技術可以使得備自投裝置靈活運用于主接線不同形式中。

3.3 信息冗余

在220kV及以上高電壓等級變電站中，存在一些單個信息不能完全反映異常狀態的電氣設備。基于信息共享技術，站域保護獲得多間隔信息，實現線間互感的解耦，利用冗余信息解決CT/PT斷線的問題，降低電力系統中CT飽和對繼電保護運行控制的影響，綜合判斷冗余信息可以大大提高信息利用率，提高繼電保護中保護動作的可靠性。

根據以上分析，本文提出了智能變電站站域保護架構方案，根據不同電壓等級和通信方式，提出220kV以上和110kV以下“直采網跳”“網采網跳”的構建模式，對比分析兩種模式的優缺點，結合站域保護兩大特性進行功能分析，簡要介紹低頻低壓減載、備自投功能和后備保護。

在如今大規模電力系統運行情況下，傳統繼電保護暴露出種種缺點，越來越不能適應大電網復雜運行的現狀。基于多信息的智能變電站很好地彌補了傳統繼電保護的不足，為變電站繼電保護架構方案提供了一個新思路。