浅议智能变电站站域后备保护的功能与实现

殷照华

（国电南瑞南京控制系统有限公司，江苏 南京 211000）

为了使得智能变电站能够在安全可靠的环境下运行，将实现基于共享信息的变电站站域保护。变电站站域保护是基于智能变电站高速通信网络的一种新型继电保护系统。变电所站域保护基于模拟量、开关状态、非电量、主保护动作信号等共享信息，能够准确定位变电所内故障设备及所连接的输电线路。

1 智能变电站核心组件及功能

基于数字化变电站技术，智能变电站的主要特点是智能设备、标准化通信、智能控制和交互技术。在电力标准的基础上，智能变电站在逻辑上可分为三个不同的功能级别：过程级、间隔级和站级。智能变电站的结构允许不同功能单元和智能控制和保护装置之间的信息共享。

过程级包括断路器、隔离开关、电流/电压互感器、合并单元和其他一次设备以及相应的智能单元。然而，在传统系统中，该级别不存在，来自高压设备的信息通过点对点接线方式直接传输到保护装置。在智能变电站中，合并单元提供同步数字采样。对传统高压设备进行了改造，与智能单元相结合，实现了测量、控制和监控的一体化。

间隔级通过过程总线连接至过程级，并通过站总线连接至站级。它是继电保护和系统监控等二次设备的集成。二次设备利用本地采样值信息执行相应的保护和控制功能，并向本地一次设备发送命令。相量测量装置也可以安装在间隔层，作为广域保护和控制的数据采集单元功能。

智能变电站应能够动态管理变电站站域条件，并与系统和调度中心建立有效可靠的信息连接。因此，站级功能包括变电站站域监控、控制、报警、系统控制和数据采集和保护信息管理。

需要一个主时钟来提供该级别的同步时间信号。主要有两种方法：硬件时钟和软件时钟。丰富的数据和标准化的共享通信网络是智能变电站发展的关键。利用这些优势，电气工程师关心的是实现精确的数据计算、有效的信息交互、可靠的保护功能、处理器协作和深度数据挖掘。

2 变电站站域保护框架及功能

2.1 系统构架

传统的保护系统是针对单个设备，以实现主保护和备用保护功能。后备保护系统的整定和配合不可避免地存在困难，可能导致灾难性的连锁事故。为了解决这些问题，研究人员提出了变电站站域保护。智能电网新一代保护体系结构由单元保护、变电站站域保护和广域保护三个子系统组成，保护范围由小到大。广域保护通过广域通信网络，将来自整体或局部电网的变电站站域保护信息汇集在一起，实现后备保护和稳定控制功能。

2.2 站域保护功能

从新一代保护系统架构来看，变电站站域保护应作为后备保护，配合单元保护和广域保护，构建完整的智能保护系统。此外，变电站区后备保护的合理范围和功能应考虑以下三个方面：（1）以输电线路切换器为界，变电站站域保护的信息采集和保护范围仅限于变电站内部。此时，变电站区保护的保护功能应包括冗余后备保护、优化的变电站后备保护和安全自动控制。（2）以相邻变电站中的切换器为边界，将变电站站域保护的信息采集和保护范围扩展到相邻变电站。它可以采用新的原理实现输电线路后备保护，简化继电器之间的协调，缩短后备动作延迟。 在意外过载的情况下，可以解决传统后备保护中大规模趋势转移引起的连锁反应问题。（3）变电站站保护应能在未来为邻近变电站提供远程后备保护，因为实现完善的远程备份功能很大程度上是靠变电站之间的通信来支持的。

3 变电站站域保护功能介绍

3.1 单台设备后备保护

在变电站站域保护中，单台设备后备保护是最重要的功能，其保护原理、范围以及整定值与传统保护一致。当独立单元保护继电器异常或停止运行时，后备保护用作短期替代，以保障设备能够正常运行。

对于每台单独设备，都设置一个相互独立的后备保护设置值和通断开关。以典型的110kV智能变电站，最大支持规模为4台3绕组变压器、24条输电线路和8条母线。110kV输电线路设有相间故障、相间接地故障距离保护和零序电流保护，并且每个电压等级的输电线路都配有带低压闭锁的定向过流保护。电力变压器每侧配置带复合电压闭锁的过电流保护。变压器差动保护、母线差动保护和断路器故障保护通过优化的后备保护逻辑实现，不再单独配置后备保护。

后备保护在软件架构上采用模块化设计。当不同设备的后备保护执行相同的保护逻辑时，它们调用相同的软件模块，以增强软件的鲁棒性，减少调试负担。

3.2 变电站整体保护

变电站站域保护架构的设计如图1所示。后备保护只是在一个物理设备中实现传统的保护继电器，也称为集中式备份保护。更高级别的变电站站域保护应能够利用整个变电站的共享信息，实现性能更好的优化后备保护。优化的后备保护还包括断路器故障保护和基于不完全电流差动原理的低压母线保护。

图1 变电站站域保护架构的设计

3.3 协调后备保护方案

协调后备保护方案是一个应用概念。过程级采用智能变电站的统一通信协议和强大的信息网络，实现同步采样值采集、动作命令执行和断路器状态上传。根据所需信息，间隔级别包括保护智能电子设备的数量，每个智能电子设备的重点是一个保护间隔。智能电子设备的协调包括信息共享、冗余CPU空间利用和协调备份跳闸。站级是将有用的状态信息和事件集成到变电站管理以及与调度中心或相邻变电站的通信的顶层。

该方案更加注重不同智能电子设备之间的协调与合作。协调后备保护是一个扩展概念，它将本地保护功能与协调概念相结合。协调后备保护计划的协调概念有两个方面：对其他智能电子设备的本地保护间隔需求和对其他智能电子设备的本地保护间隔智能电子设备支持。随着多核微处理器和模块化编程思想的发展和广泛应用，在智能电子设备中实现协调保护结构成为可能。每个智能电子设备都是功能模块的集成，有三个主要部分：功能模块、本地协调模块和远程协调模块。功能模块是保护算法部分，它处理从过程总线接收的样本，并向断路器发送动作命令。

4 变电站站域保护硬件平台

4.1 主板处理设计

采用分布式架构设计变电站区域保护。这些功能分布在嵌入主处理器板的多个处理器中。主处理板提供8个光接口模块，每个模块可配置为面向通用对象的变电站事件。分离的芯片用于实现以太网物理层，以太网MAC层功能由FPGA实现。主处理板的核心功能由FPGA模块和DSP模块实现。DSP模块借助其FLASH、NVRAM、SDRAM、McBSP等外围设备实现变电站区域保护逻辑。FPGA模块对从以太网接口接收到的面向通用对象的变电站事件数据进行预处理。

4.2 FPGA模块设计

主处理板上的FPGA模块用于对处理层数据进行预处理。 它包括三个子模块：采样数据接收、面向通用对象的变电站事件信息收发和配置信息接口。加入这样的预处理层，可以有效提高接收采样数据和面向通用对象的变电站事件的效率，减轻DSP负担。在过程层网络上传输的采样数据的采样率通常为4kHz。由于采样数据通道数量众多，在变电站区域保护中需要通过插值模块将采样率降低到1.2kHz来转换频率。

5 结语

与传统的过流保护相比，后备保护能够提高系统的运行性能。比如，传统过流保护以电压大小作为依据，在低压侧出现故障时，高压侧的元件可能由于变压器短路故障造成阻抗加大，从而导致电压跌落而使得保护装置不动作。站域保护可以通过共享得到多测电压进行决策，提升保护的灵敏性，以及提升了系统的运行性能。