智能变电站继电保护配置的展望和探讨

1、第32卷第2期2012年2月电力自动化设备Electric Power Automation EquipmentVol32No2Feb. 2012智能变电站继电保护配置的展望和探讨李锋1，谢俊1，兰金波2，夏玉裕2，钱国明2（1. 华中电网有限公司，湖北武汉430077；2. 国电南京自动化股份有限公司，江苏南京210032）摘要：智能变电站中的继电保护设备作为智能电网的重要组成部分，在满足“四性”（灵敏性、选择性、速动性、可靠性）的要求下，提出其配置将分为过程层和变电站层2层。过程层针对一次设备独立配置主保护，下放到一次设备附近，最终和一次设备合为一体，保护的采样各自独立，可不依赖全站统一时

2、钟进行采样同步，利用相对独立的同步数字体系（SDH ）系统通过乒乓算法完成保护间的数据采样同步，元件保护采用分布式配置，可以利用独立的通信环完成数据收发，过程层以太网构成冗余；变电站层配置集中式后备保护，集中式后备保护采用自适应和在线实时整定技术。关键词：智能电网；变电站；电力系统保护；配置；采样；同步；集中保护中图分类号：TM 774；TM 734文献标识码：A 文章编号：10066047（2012）02012205备独立配置主保护，这里需要区分2种情况，对于一次设备本身即为智能设备，保护设备安装在智能设备内部；如果属于老的设备改造而成，则将保护、合并器和测控等功能就近安装在一次设备附近的汇

3、控柜中，以利于设备运行和维护的简化。采样值和GOOSE 均通过全站统一以太网传输，全站统一采用IEEE1588对时，但是分布式保护间的数据同步不依赖于全站统一对时系统。智能变电站继电保护配置图如图1所示（图中，实线为主保护通信口，虚线为过程以太网口；下同）。集中保护广域保护广域保护接口网络监控主机操作员站远动主机网络录波远动主机网络录波0引言智能变电站应用逐渐增多，相对于传统变电站，继电保护存在许多新技术应用1-9，但是很少有关于保护整体架构方面的研究10。传统变电站保护的整体架构和目前智能变电站所谓三层两网的整体架构是一致的，不可否认这样的配置对于保证变电站的安全稳定运行会起到非常好的作用，

4、也能够保证现有的一次、二次设备的总体连贯性。和传统变电站相比，智能变电站的采样和跳闸将传统的电缆替换成了光缆，将原来传输的模拟量和开关量电信号替换成了经过数字编码的光信号，采样回路及跳闸回路得到了可靠的实时监视。保护的配置上也是继承了传统继电保护的特点，对任意元件，配置快速跳闸的主保护+多阶段范围（时限）配合的后备保护。目前这个阶段的保护配置，导则并没有完全针对智能变电站的一些技术特点做出适应的指导。本文提出一种智能变电站继电保护配置方案，将变电站设备分为过程层和变电站层2层。过程层针对一次设备独立配置主保护，下放到一次设备附近，最终和一次设备合为一体，所有保护实现分布式安装，双重化配置；变电

5、站层配置集中式后备保护，全站所有电压等级集中配置，集中式后备保护采用自适应和在线实时整定技术，同时具备广域保护的接口，能够实现广域保护的功能，也是双重化配置。智能一次设备1智能一次设备2智能一次设备n图1智能变电站继电保护配置图Fig.1Protection configuration of intelligent substation通过这种全站分布式配置方案达到全站保护简化的目的，而且使得保护控制等二次设备和被保护的二次设备距离最短，不会由于跳闸、采样等通信链路不可靠造成保护功能失效。而且全站网络中的数据量集中在网络录波、监控及测控所需的消耗中。继电保护功能所带来网络数据消耗变得极小。1智

6、能变电站继电保护配置2过程层继电保护智能变电站继电保护配置方案中，将变电站设备分成过程层和变电站层2层。过程层针对一次设收稿日期：20110110；修回日期：20111108过程层继电保护主要配置快速跳闸的主保护功能。如线路纵联保护、变压器差动和母线差动保护，后备保护功能转移到变电站层的集中 式保护装置当中。这样做的好处是过程层的保护设计可以简第2期李锋，等：智能变电站继电保护配置的展望和探讨化，重点考虑主保护功能，后备保护可以简化配置甚至取消，达到简化装置硬件设计的目的；另外，主保护的定值整定相对固定，不会因为电力系统运行方式的变化而变化。但是由于受保护独立的限制影响，继电保护功能和一次设备

7、集成后，对于一个开关，如果同时对应线路保护和母线保护，硬件上必须分开，各自独立，可以设计单独的功能模件形式。下面针对具体保护讨论保护的实现。2.1线路保护过程层的线路保护配置以纵联差动或者纵联距离作为主保护，后备保护放置在集中式保护装置当中。对单断路器方式主接线，线路保护装置通过主保护的光纤通信口和对侧线路保护装置通信，实现纵联保护功能，如图2所示。智能一次设备图2单断路器线路保护配置图Fig.2Protection configuration of transmissionline with single breaker对32主接线方式则需要取电压和同一串中相邻开关电流数据，见图3。从纵联差

8、动保护原理上讲，保护装置并不需要引入电压量，但是针对特定的某些运行方式及特殊的保护原理还是应当引入电压量。此时电压量可以独立采样，接入主保护通信通道，和电流量一起完成同步采样。对于同一条线路，2个开关电流可以独立采样，借助主保护通信口完成采样同步调整，这种情况下对主保护通道的要求相应提高，同步方式见后文。智能一次设备智能一次设备智能一次设备图332断路器线路配置图Fig.3Protection configuration in 32connection mode2.2变压器保护变压器保护装置过程层采用分布式配置，完成差动保护功能，而后备保护采用集中式的安装。非电量保护单独安装，通过电缆直接引入

9、断路器跳闸，同时跳闸命令通过光缆引入采样和GOOSE 的共同网络上。23主接线变压器保护配置图如图4所示。2.3电抗器保护电抗器保护完全同变压器保护。电抗器保护配置图如图5所示。智能一次设备智能一次设备智能一次设备高压侧智能一次设备智能一智能一次设备次设备中压侧 智能一 次设备非电量智能一次设备低压侧图423主接线变压器保护配置图Fig.4Transformer protection configurationin 23connection mode智能一次设备G非电量智能一次设备图5电抗器保护配置图Fig.5Protection configuration of reactor2.4母线保护

10、变电站内母线保护装置按分布式设计，每个间隔内的保护独立完成母线保护的功能，只跳本间隔的断路器。失灵保护由集中保护完成。母线保护配置图如图6所示。智能一次设备智能一次设备智能一次设备智能一次设备图6母线保护配置图Fig.6Protection configuration of bus2.5采样同步方法对于变电站内的变压器保护和母线保护可看作一个多端的线路保护，同样采用线路保护的同步采电力自动化设备第32卷样解决方案来实现站内保护装置的同步采样。为简化设计，采用基于乒乓原理的同步技术。乒乓同步技术要求线路两端保护装置以相同的采样频率独立地进行采样，而且两端收发的数据在通道中传输时间完全相同。国内通

11、常采用的基于乒乓原理的同步技术主要有2种：采样数据修正法和采样时刻调整法。采样数据修正法（也称为矢量同步法）简单的同步原理：如图7所示，M 为本侧，N 为对侧，数据发送周期为T ，t Pm1、t Pm2、t Pn1、t Pn2为两侧数据采样时刻，t 1、t 2分别为两侧收到对侧数据距本侧量最近一次数据发送时刻的时间差，t delay 为数据从本侧发送到对侧所需时间。对侧传来本侧上次序号M 1和对侧上次t 1，本侧最新一组数据的序号为M 2，收到对侧数据时刻距本侧最近一次数据发送时刻的时间间隔t 2，假定两侧发往对侧的延时相等，则可求得t a =（t 2t 1）2，t a 是N 侧Pn2数据对应

12、M 侧的时间，但M 侧的数据采样时刻在t Pm2时刻，两侧时差t s =t a -（t Pm2-t Pm1）所对应的角度为。通道延时t delay =t 2-t 12。采样数据修正法允许各端保护装置独立采样，而且对每次采样数据都进行通道延时t delay 的计算和同步修正，故当通信受到干扰或中断时，基本不会影响采样同步。t Pn1t 1t Pn2t Pn3Nt Pm1t Pm2t Pm3Mdelayt s t delayt 2图7采样数据修正法数据传输示意图Fig.7Data transmission by sampling datacorrection method采样时刻调整法保持主站采样

13、的相对独立，其从站根据主站的采样时刻进行实时调整，能保持两侧较高精度的同步采样。为简化保护装置的设计，可以把保护装置的同步分成3个步骤。a. 将保护装置往光纤通道的数据发送中断和数据采样中断分开，对于传统保护装置，二者为同一中断，对于电子式互感器，数据采样发生在采集部分，数据发送在保护装置部分，两者的延时可以测得，设为T e 。b. 调整两侧数据发送时刻。可以通过乒乓同步原理，采用采样时刻调整法，将两侧的数据发送中断进行同步，最后做到两侧保护装置的发送数据的时刻完全一致。c. 补偿发送时刻和采样延时。将两侧保护装置的数据发送时刻进行同步后，可以通过图8进行分析。智能t 1t 2t 3变电站侧T

14、 e传统变电站侧t 1t 2t 3图8延时补偿图Fig.8Schematic diagram of delay compensation在保护中，将T e 值作为一项保护定值，通过光纤通道，将它发送到所有保护中，各侧保护装置综合所有的T e 做相应延迟，可以进行数据同步，进行差动保护计算。2.6分布式保护间通信分布式的保护通信可以采用SDH 系统，保护的通信可设计成1个通信环。以一侧为32主接线，一侧为单断路器主接线的线路保护为例，见图9。智能一次设备智能一次设备智能一次设备M 侧智能一 次设备智能一次设备N 侧图9同步通信环示意图Fig.9Schematic diagram of synch

15、ronouscommunication loop在这个同步通信环中，有2种设计模式。第1种模式，站内的同步通信仅考虑同步用，这种情况对同步通信的带宽要求大幅降低。保护的采样值由于在以太网上传输，任何一个装置均可以从网上取数据。这种模式仅是同步冗余设置。第2种模式，除完成同步功能外，还传输采样值数据，需要考虑一个母线上的最大间隔数，要求在1ms 内完成所有间隔数据的交换。这种模式具备数据传输和同步双重冗余特性。同步机制可以固定一个保护为主机，其他保护依次和它完成发送中断的同步。3变电站层继电保护变电站层配置集中式后备保护，全站所有电压等级集中配置，集中式后备保护采用自适应和在线实时自整定技术，同

16、时具备广域保护的接口，能够实现广域保护的功能，也是双重化配置。第2期李锋，等：智能变电站继电保护配置的展望和探讨 后备保护系统为本变电站元件提供近后备和开关失灵保护功能，还为相邻变电站元件提供远后备保护功能11-16。因此每个变电站的保护范围分为如下2个部分：一个是近后备保护范围，包括该变电站内所有母线和直接出线；另一个是远后备保护范围，包括直接出线的对端母线以及与对端母线所连的所有线路。独立的后备保护系统采集本变电站元件的电压和电流信息、断路器状态信息及主保护动作信号，接收相邻变电站元件的故障方向信息、断路器状态信息及主保护动作信号。根据实时信息，独立判别在远后备范围内元件的故障，并做出最优

17、的跳闸策略。另外，可以结合离线定值整定算法，根据不同运行方式预先确定几套定值整定方案，站内集中保护装置根据实时的电网参数确定系统运行在某种运行方式后，保护相应切换到预先设定好的其中一套定值区，以达到优化保护动作性能的目的。低频低压减载、备用自投装置和过负荷联切等自动装置功能也可以集成进去。4结语本文通过分析智能变电站的特点，提出了一种两层结构一层网络的全站保护配置方案。将传统线路、变压器、母线保护统一设计，按照分布式保护的形式安装到智能一次设备中，简化了保护类型，将大幅简化保护运行维护工作。同时提出全站集中保护装置不按电压等级分开，全站集中配置，这样可以实现全站保护的配合。参考文献：1张保会，

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31、力系统继电保护的研发工作（E -mail ：ljb作者简介：李锋（1973-），男，湖北咸宁人，处长，高级工程师，硕士，从事电力系统继电保护整定计算及运行管理工作，主要研究方向为智能电网继电保护及继电保护整定计算（E -mail ：sac - ）；夏玉裕（1982-），男，江苏江阴人，工程师，硕士，主要研究方向为电力系统稳定控制（E -mail ：xyysac- ）；钱国明（1973-），男，江苏南通人，高级工程师，硕士，主要研究方向为高压线路保护（E -mail ：qgmsac- ）。lifeng）；谢俊（1980-），男，湖北武汉人，工程师，整定计算Prospect and discuss

32、ion of relay system configuration for intelligent substationLI Feng 1，XIE Jun 1，LAN Jinbo 2，XIA Yuyu 2，QIAN Guoming 2（1. Central China Power Grid Co. ，Ltd. ，Wuhan 430077，China ；2. Guodian Nanjing Automation Co. ，Ltd. ，Nanjing 210032，China ）Abstract ：As the protective relays are the important compone

33、nts of intelligent substation in smart grid ，its configuration is divided into two layers ，process level and substation level ，to meet the requirements for sensitivity ，selectivity ，speed and reliability. The main protections are configured at process level for the primary equipment individually and

34、 locally ，which may be finally integrated into the primary equipment. The protection samples data independently and the synchronization between protections is realized by the ping -pong algorithm of SDH without the station -wide clock. The element protection adopts the distributed configuration ，whi

35、ch applies the independent communication ring to transfer and receive data. The Ethernet at process layer is redundant. The centralized back -up protections are configured at substation level ，which adopts adaptive and on -line real -time self -tuning technology.Key words ：smart grid ；electric substations ；electric power system protectio