以变电站为对象的保护控制技术

齐昕阳,于同伟，葛维春，卢 岩

(1.大唐韩电(朝阳)新能源有限公司喀左分公司，辽宁 朝阳 122300；2．国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006；3．国网辽宁省电力有限公司，辽宁 沈阳 110006)

传统保护控制系统以一次设备为对象按功能配置相互独立的二次设备。变电站内装置及子系统数量众多、运行维护复杂。随着智能变电站技术发展，以数字通信为基础的二次系统及设备得到了广泛应用，传统继电保护及测控系统的数字化迁移逐步开展。然而增加的过程层设备进一步增加了设备数量，提升了系统的复杂程度，以设备为对象的保护配置模式与数字化技术的适应性问题逐渐凸显。因此业界对广域、区域、站域保护测控技术的研究与实践越来越多，为以变电站为对象的保护控制体系发展奠定了理论基础，取得了实践经验。

研究分为两个方向。一个方向是提高单装置的集成化水平，对面向设备的保护控制应用进行高度集成[1-5]。虽然保护控制原理和功能配置不变，但集成装置的运维及同步可靠性问题没有给出理想的解决方案。另一个方向是面向区域的广域保护新原理研究，基于通信网络获取信息进行对保护控制进行优化[6-11]。广域信息采集需要重新布设网络，存在采样同步、传输延时、可靠性及安全性等局限。

本文提出一种以变电站为对象的保护控制架构，利用当前网络架构，通过采样与应用的解耦及同步系统可靠性策略，实现保护控制应用在集中式保护测控系统平台的灵活部署，实现集中式保护控制设备的灵活便利运维，同时也可作为广域保护的基本组成单元。一种高集成度集中式保护测控方案于2012年在某220 kV变电站示范应用，目前为止运行稳定。该工程采用磁光玻璃互感器，比典型设计方案建筑面积减少51.2%，二次屏柜数量减少62.5%，保护控制设备数量减少78.5%[12]。

1 以变电站为对象的保护控制架构

传统的继电保护以设备为对象，采集设备各侧信息独立完成故障后的隔离。新一代智能变电站的站域保护控制对象是站内变压器、母线，故障设备隔离后实现备用电源自动切换。本文提出的以变电站为对象的保护控制覆盖变电站内母线、变压器及输电线路的区域，如图1所示。

从功能上涵盖元件保护和站域优化控制。由以变电站为对象的保护控制单元组成的电网保护控制系统的概念，体现在以下几个方面。

a.在拓扑上以线路为交互，基于现有通信通道的部署与网络架构实现电网的自然及无缝覆盖，构成立体结构如图2所示。无需考虑系统规划、调度、运行方式、安全稳定控制、保护通信等设计的特定要求，工程实施便利。

b.保护区域内同步采样。线路间隔采用两套

相互独立的采样控制，一套与本站同步另一套与对站同步，解决不同保护系统间同步竞争问题，在卫星等全网时钟源失效后不影响差动保护的正常工作，如图3所示。

c.智能化控制跳闸出口策略。支持多个保护应用冗余运行，根据其运行状态及工作状态，智能化选择串并行跳闸出口策略，如图4所示。冗余运行时串行出口，提高系统防误动水平，支持灵活运行方式。

d.保护控制应用的灵活部署。平台化装置由就地化及集中式装置组成。既可实现纵向集成，又可实现横向融合，还能支持动态重构及冗余配置。既支持传统保护体系部署，又支持广域保护体系部署。能够根据用户需求及技术的发展灵活部署保护控制应用。

e.集中式装置冗余配置支持便捷灵活运维。对集中式装置进行维护时，分别对冗余配置的装置进行维护，将其切换到检修模式或者退出运行。虽然冗余配置增加了运维工作量，但运维复杂度降低的同时，保证了系统的连续运行。

2 集中式保护测控系统平台

集中式保护测控系统平台是以变电站为对象保护控制架构的软硬件平台。设备由集中式保护测控装置、综合智能装置、时钟及交换机组成，按照站控层、间隔层和过程层分布，由站控层和过程层网络连接。间隔层配置集中式保护测控装置，过程层配置综合智能装置，如图5所示。

每台断路器配置综合智能终端，采集一次设备的模拟及状态量信息，控制断路器等开关的分合。线路间隔断路器通过纵联通道采集线路对侧断路器模拟及状态量信息。综合智能终端接入同一网络交换采集及控制信息。保护控制应用程序通过对区域内综合智能终端的信息监测与控制实现一次设备的故障后的隔离以及断路器失灵后的扩大范围隔离，实现安全稳定控制，支持广域控制。保护控制应用程序可以部署于接入同一网络的集中式保护测控装置，也可以部署于综合智能终端。考虑与现有系统的兼容及过渡，保护控制应用可以是面向设备的分布式保护与控制，也可以是面向变电站、面向电网的集中式保护与控制。因此不论是综合智能终端还是集中式保护测控装置都是保护控制应用的平台，支持其灵活部署。本文仅以传统保护测控应用的高集成度部署为例介绍以变电站为对象的保护控制系统实现方法。

集中式保护测控系统平台提供高速网络通信、高可靠同步采样、高性能实时计算能力，能够实现传统保护测控的高度集成，也能够实现集中式保护控制。

3 关键技术

3.1 集中式保护测控技术

保护控制应用灵活部署，采用基于多模块独立编译、自动加载、重定位技术。例如，可遵循IEC 61850标准，将目前变电站内多台间隔层IED集中在1台IED上完成。每个IED被抽象成为1个逻辑保护、测控单元，简称逻辑设备(LD)，每个LD保持功能上的相对独立性并通过统一的通信接口与其他设备进行交互。

集中式保护测控装置将数十台保护、测控装置功能集成在1台装置中，简化了系统结构，降低建设及运维成本。在单设备故障率相同的条件下，大大降低了保护控制系统的故障率。

3.2 综合智能终端技术

实现一次设备智能化。集成同步采样、断路器控制及光纤纵差接口功能，实现本、对侧线路同步采样。采用双出口继电器智能策略，支持2台冗余设备的串行出口，提高防误动水平。支持保护控制功能的灵活部署。

综合智能终端实现线路双侧同步采样，支持集中式保护测控装置的双套冗余，支持冗余设备在运行及检修状态下的多种运行方式，具有高可靠性的同步策略，是解决网络采样跳闸、运行可靠性问题的重要基础。

3.3 网络技术

在综合比较PRP冗余双网、HSR无缝环网及软件定义网络技术的性能、成本、技术成熟度及运维便利性后，在工程中以简单的星型网络结构为宜。在两级交换网络下，终端交换机与中心交换机以千兆速率连接。SV、GOOSE、1588报文共网传输，用静态VLAN技术实现采样值报文隔离，采样值报文的综合延时为66.5～169.5 μs。

3.4 三级时钟配置及无缝切换技术

时钟系统可靠性是网络同步采样的基础。提出“主时钟+备用时钟+交换机边界时钟”高可靠性对时方案，即使主、备时钟同时故障，主干网交换机的边界时钟也可保障全站设备的对时和同步。时钟系统示意图如图6所示。

时钟本身的时间跳变、时钟切换过程中的时间跳变都会导致所有依赖同步的保护应用闭锁，因此提出时钟系统无缝切换及时间缓调技术。时钟采用多源选用策略，采用北斗、GPS双卫星源，并且通过B码实现主备钟互备。另外配置专用PTP用于时钟系统恢复时接收外部的时钟。主时钟多源选用策略按照优先级顺序由高至低依次为：PTP(外部时钟源接入时)、北斗、GPS、B码、本地时钟。备用时钟多源选用策略按照优先级顺序由高至低依次为：PTP、B码、北斗、GPS、本地时钟。

正常运行时主备时钟装置优先级分别设置为1和2,220 kV主干网交换机时钟模式设置为OC+TC模式(边界时钟模式)，优先级设置为128，其余交换机的优先级设置为255。

当时钟装置故障排除后需要恢复正常运行时，操作步骤如下。

a.断开时钟装置的输出光纤，保证时钟装置无1588输出。

b.连接时钟装置的PTP至主干网交换机，将交换机时间同步到时钟装置并观察时钟的运行状态从SLAVE变成MASTER，此时时钟装置已经与主干网交换机完全同步。

c.恢复时钟装置的输出光纤，此时站内装置将选择主时钟为“最佳主钟”，由于时钟装置已经与主干网交换机实现了同步，因此这个切换过程时钟未发生跳变。

d.断开时钟装置的PTP，此时时钟装置将逐步调整到卫星的时间，其中秒以上误差可以1个对时周期完成修正，秒以下的误差每个对时周期调整500 ns，保证全站时间不发生跳变。

3.5 高可靠性对时技术

设备的对时可靠性是网络同步采样的前提。时钟系统的时间跳变导致同步采样时刻的重新调整，中断相关差动保护的连续运行。虽然本方案的三级时钟系统不会发生时间跳变，但仍存在误操作及交换机驻留时间错误造成的时间跳变风险。因此提出一种高可靠性设备对时及同步方案，具备躲过持续10 min以下的时钟异常能力，形成与高可靠时钟系统配合的双重保险，保障设备同步的连续性。具体策略见图7。

图7中状态转换的条件如下。

a.连续10个对时周期，授时源时间均匀性误差小于3 μs，调整采样时刻，连续64个对时周期授时源时间均匀性误差小于3 μs，进入同步状态的跟随状态。

b.MU时间与授时源绝对时间误差大于10 μs(1次错误对时)，守时状态，启动守时计时器。

c.连续10帧对时报文与MU绝对时间差小于等于10 μs，守时计时器清零，关闭计时器。

d.定时计时器计时大于等于10 min，进入失步状态。

e.连续10帧报文与MU绝对时间差大于10 μs且时间均匀性小于3 μs，进入失步状态。

3.6 统一同步采样技术

母线、变压器差动保护依赖三级时钟及可靠对时策略下的各间隔综合智能终端的同步采样，按照采样序号对齐即可使用。

线路差动保护功能不依赖时钟系统，时钟系统失效后仍正常工作。综合智能装置通过乒乓算法调整采样时刻实现线路双端同步采样，双端采样数据整合为一组采样值。集中式保护装置接收到各个智能装置发送的采样数据已包含所有线路双端的同步采样数据，因此无需同步即可使用。

网络采样的可靠性问题是通过三级时钟系统、对时可靠性技术、综合智能终端与线路对侧同步采样技术间的相互配合解决的。

3.7 便捷运维技术

集中式保护控制装置在运行过程中存在发生故障或异常需要退出运行的情况，因此集中式保护测控系统工程应用中需要冗余配置。冗余的2台装置配置完全一致，接入同一个过程层网络，控制同一台综合智能终端。存在3种运行方式：2台装置同时运行状态；1台装置运行状态，另1台装置检修状态；1台装置的某一个间隔保护检修状态其他间隔保护运行状态，另1台装置对应间隔保护运行状态其他间隔检修状态。不论是集中式保护测控装置硬件及软件系统检修，还是某一个间隔保护功能单独检修，都可通过上述3种运行方式完成。一个集中式保护控制装置检修不影响保护控制功能的完整性，如图8所示。

集中式保护测控系统的冗余方案与高压直流系统控制保护的3取2模式有相似之处，既降低误动概率又能够满足运维过程中与其他间隔或者其他功能的物理隔离，运维工作量小，配件管理及储备大幅减少，实现全生命周期的低成本。

4 工程示范

在某220 kV变电站进行工程示范。考虑一次设备运行方式的特点，将变电站的控制保护目标划分为4部分。全部220 kV线路、全部66 kV线路、220 kV母线和主变压器(含母联)、66 kV母线(含电容器、所用变、母联)。

双重化配置220 kV线路集中式保护测控装置(本期4条，远期8条)，每重冗余配置2台装置。双重化配置66 kV线路集中式保护测控装置(本期12条，远期26条)，每重1台装置。双重化配置220 kV元件集中式保护装置(母线、主变压器、母联)，每重冗余配置2台装置。双重化配置66 kV元件集中式保护测控装置(母线、电容器、所用变、母联)。全站保护控制屏柜共3面。

工程实施后经过统计与同规模常规智能变电站的对比效益数据见表1。

表1 对比效益 %

该站运行6年来经历了6次线路故障，均正确动作，包含断路器动作的整组动作时间见表2。

表2 整组动作时间

5 结束语

以变电站为对象的保护控制平台充分利用了数字化采样带来的信息共享，大幅减少保护、测控设备数量。双套冗余不仅提高了防误动水平还实现了无缝及便利运维。实际工程的连续运行证实了以变电站为对象的保护控制架构的可行性、可靠性及实用性。示范应用变电站于2016年底完成2条66 kV线路扩建，扩建过程简单便捷。随着不同部署方式以及新型集中式保护控制应用的实践，随着就地化、网络及安全技术的成熟，以变电站为对象的保护控制技术将推动智能电网技术发展。