电力系统站域保护技术发展及应用探讨

苏松鸿

摘 要：文章从站域继电保护基本作用出发，分析站域继电保护的原理，阐述了站域保护的算法，并从系统监测和事故记录、电力系统状态估计、融合多Agent体系结构、构建新的信息交换及预警机制等角度，分析了电力系统站域保护的应用，最后提出了站域保护技术发展的前景。

关键词：电力系统；站域保护；发展；应用

中图分类号：TM77 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）05-0011-02

站域保护是智能变电站后备保护的一项重要技术，能够克服传统继电保护难题，因此具有一定优势。当前，国际相关领域十分重视该技术的研究，我国有关企业已着手开展产品研发，如许继、南瑞以及南自等，已推出了相应的产品。针对站域保护技术的发展历程和实际运用，本文进行了重点论述。

1 电力系统站域保护的原理分析

站域保护利用智能变电站IEC61850规约通信系统，实时收集所有设备的开关量等信息，从而实现站域保护功能。因此，站域保护能够集中为刀闸、模拟器、断路器等一次设备提供近后备保护，在后备保护领域具有突出优势。

站域保护包括多个独立的功能模块。各模块之间展开类似于传统继电保护的配合，实现站域保护的整体逻辑，但在功能和定值方面，站域保护与就地保护无配合关系。站域保护的结构多为集中式，因此，在220 kV及以上的变电站内，站域保护应采取冗余配置，才能保证其动作的可靠性。

2 电力系统站域保护的保护算法分析

当前，对于电力系统的站域保护来说，其保护算法还有待完善，正处于发展时期。站域保护一般分为三大模块：一是数据采集和计算，二是故障位置判别，三是保护跳闸决策。站域保护装置结构图，如图1所示。

2.1 数据采集和计算

利用IEC61850规约通信，该模块对站域保护所需的所有信息，包括一次设备的状态栏等信息进行收集并进行计算，如智能变电站中的断路器开关所在位置，以及电压电流等站内模拟器等。

2.2 故障位置判别

对于站域保护来说，该模块具有重要的核心作用，通过收集故障的方向和距离等信息，从而确定故障位置。以下几种方法是故障位置判别时常用的算法。

2.2.1 基于故障电压分布的故障位置判别

站域保护通过IEC61850规约，可同时采集系统两侧的电压故障分量，然后利用一侧的电压和电流故障分量，对另外一侧的电压故障分量进行估算，二者若相同，则可判定为区外故障。反之，若二者相差明显，则为区内故障。利用系统两侧电压故障分量差异状况的算法，特别适用于判别边界元件的故障类型，是当前站域保护中普遍采用的一种保护算法。

2.2.2 基于遗传信息融合技术的故障位置判别

近年来，作为新兴人工智能技术的代表，遗传信息技术越来越多地被站域保护技术所应用，其将故障方向列为遗传算法的处理对象，利用多种判别方法，根据所收集的保护判据信息，对目前状态值和保护期望值进行分析，计算二者差异构造的极大值，并建立相应的适应度函数，然后通过遗传信息技术，对函数进行快速搜索和收集判据，以寻出最优解，从而做出正确的故障方向决策，实现故障元件的判别。这种利用遗传信息技术的故障位置判别，不仅可靠程度较高，也具有较高的容错性，同时，在较大范围内，显著提高了站域保护的抗干扰性。然而，由于人工智能技术还处于发展时期，对于该技术的实际应用还有待观察。

2.3 跳闸决策模块

站域保护进行故障位置判别，而后作出定位逻辑判断，进而利用智能变电站的过程层网络，将跳闸策略GOOSE报文发至对应间隔的智能系统终端执行，从而跳开系统内故障元件，以排除故障。当前，站域保护跳闸方式主要有两种，一是通过动作时限跳闸配合，二是利用故障识别执行跳闸决策。

3 电力系统站域保护的应用

3.1 系统监测和事故记录

在智能变电站中，所有间隔的电流、电压，以及一次设备的实时信息，如断路器、刀闸位置等，均由站内保护收集，并集中提供近后备保护和系统监测，其对母联、断路器失灵、线路以及主变和母线等具有后备保护功能，并记录事故。

3.2 电力系统状态估计

通过变电站等本地区域测试信息的继电保护。其整合站域安全控制等功能，相互协调，可集成为站域保护。当前，随着智能变电站的发展和普及，为研究和应用站域继电保护创造了良好的契机。

近年来，WAMS（WideArea Measurement System），即广域同步测量系统备受关注，其以GPS、PMU（Phasor Measurement Unit），及SDH（Synchronous Digital Hierarchy）等为基础，通过通信网技术，多点位、同步实时收集和传输信息，实现了现代电网的安全控制和动态控制，极大提升了站域保护的发展。

3.3 融合多Agent体系结构

其以Agent技术为基础，在智能变电站内构建分层分布式保护系统，将物理集成和逻辑集成融合于站内保护系统之中。该保护系统结构，如图2所示。

由图可见，执行级Agent能够独自完成本单元设置的保护任务，并利用通信网络，与协调级Agent之间相互传递信息，从而实现更为复杂的保护功能。协调级Agent能够在简化模式下替代组织级Agent，对系统级保护目标做出决定。

对于分布式保护来说，如何实现可靠的、实时的数据传输和同步采样的高精度是亟待解决的难题。在方案中，如果设置过多的分布接入点，势必考虑通信设备和链路是否稳定可靠，因此，采用“冗余”同步时钟源，以降低上述因素的影响。另外，在继电保护方面，Agent技术的应用还有待完善和考察，目前，主要成果多为理论性，并且Agent不仅要具备知识库、系统通信等功能，还应完成故障识别和执行结果等多项任务，因此，还需进一步研究和分析其协调控制能力和最优决策。

3.4 构建新的信息交换及预警机制

目前，以遗传算法为基础的站域继电保护技术，已融合基于概率识别的信息技术，从而大大减少了计算量，避免了过早收敛现象的发生，提高了保护判别和信息容错的能力，实现了基于遗传算法故障元件判别原理的简化和完善。

该算法的前提是在有限的广域范围之内，多处故障不可能同时发生，其只对域内元件个体故障编制故障识别码，从而缩小了搜索范围，与遗传算法相比，简化了搜索过程，避免了复杂的收敛判断。算法的加权系数，是根据保护原理的灵敏度，以及选择性而加以设定的。

4 电力系统站域保护应用需解决的几个问题

4.1 站域信息同步问题

当前，该问题的解决，只能依靠GPS等全球卫星同步时钟，但因自然环境的影响和技术的不完善，如果站域同步采样选取该方法，效果差强人意，所以，应对策略还应通过站域保护的原理算法进行。

4.2 后备保护系统的完善配置问题

该问题是针对站域通信的失效和站域后备是否灵敏而提出的。因此，为避免站域后备保护发生误动，应采取有效应对措施。此外，为切除故障，远后备保护因其以就地信息为基础和执行简单，也应保留设置，如采取固定整定值、灵敏度较高的长延时保护等末级后备措施。

4.3 站域继电保护可靠性与风险评估问题

对于广域后备保护来说，其信息多源，对站域信息通信的依赖度较高，因此，可靠性面临多种考验，但是，也存在多项利于可靠性提高的因素，应谨慎评估其安全风险，以利于实际应用。

5 结 语

当前，我国电网输电等级日益提高，不仅网架结构日趋复杂，而且系统交直流互联发展已成为趋势。广域保护和控制等继电保护技术的发展，如站域保护，突破了传统保护的局限，为电网运行的安全可靠提供了有力保障。

参考文献：

[1] 韩伟，杨小铭，仇新宏，等.基于数字化采样的集中式保护装置[J].电力系 统自动化，2010，（11）.

[2] 李斌，马超，贺家礼，等.基于IEC 61850 的分布式母线保护方案[J].电 力系统自动化，2010，（20）.

[3] 高东学，智全中，朱丽均，等.智能变电站保护配置方案研究[J].电力系统 保护与控制，2012，（1）.