智能变电站层次化继电保护配置优化的探讨 王赛

智能变电站层次化继电保护配置优化的探讨王赛
摘要：电网互联和新能源接入是我国坚强智能电网建设的重要内容。

全国联网
可能引起的稳定水平降低、新能源接入带来的运行方式多样等，对电网安全稳定
运行提出了严峻挑战。

继电保护作为电网安全稳定运行的第一道防线，必须适应
甚至超前电网的发展需求。

目前，继电保护仍坚持面向电力元件的配置方案，利
用元件“本地”信息判断故障，利用设备冗余和上下级保护的时间配合提高继电保
护的可靠性，随着电网互联和运行方式的复杂化，继电保护整定配合越来越困难。

与此同时，继电保护缺乏对系统运行情况的“理解”和动作后对电网影响的评估，
在传统元件保护各自正确的相继动作下，可能产生连锁跳闸导致整个互联系统崩溃，继电保护与安稳控制的不协调问题凸显。

因此，不仅要加强继电保护自身的
可靠性，还应加强继电保护与安全稳定自动装置的优化配置。

关键词：智能；变电站；层次化；继电保护；分析
1导言
随着我国西电东送、特高压等大规模电网的建设，电网保护系统的协调配合
问题日益突出，迫切需要优化整合保护功能，保障电网的安全稳定运行。

现有的
继电保护系统以切除故障为目标，故障情况下其选择性要求仅保护本地网络，对
保护动作后的电网运行情况不予反映，且保护装置之间缺乏有效的协调，难以实
现全局的安全。

同时，后备保护的时限整定遵循阶梯时限原则，为了保证选择性
却牺牲了速动性，动作时限可能高达数秒，后备保护相互配合更显困难。

2层次化保护控制系统总体架构
2.1系统定义
层次化保护控制是指综合应用电网全网数据信息，通过分布、协同的功能配置，实现时间维、空间维和功能维的协调配合，提升继电保护性能和系统安全稳
定运行能力的保护控制系统。

就地级面向单个被保护对象，利用被保护对象自身
信息独立决策，实现快速、可靠的保护功能。

站域级面向变电站内多个对象，利
用相关对象的电压、电流、开关状态、保护启动、动作等信息，集中决策，实现
相关对象的保护及控制功能。

广域级面向区域内各个变电站，利用站内综合信息
及跨站、跨对象信息，统一判断决策，实现相关保护、安稳控制等功能。

2.2总体架构
层次化保护控制系统分别在就地级、站域级和广域级设置保护装置。

就地级
保护基于现有保护配置，面向单个元件，其功能实现不依赖于站域级和广域级保护；站域保护与控制主机分别接入站内各电压等级过程层网，综合全站信息实现
保护控制功能，布置上属于间隔层装置，功能上属于站控层设备；广域保护与控
制主机布置在区域内枢纽变电站（500kV），通过广域通信网络接入各站相关信息，实现后备保护及安稳控制的功能。

层次化保护控制系统在就地级、站域级、
广域级配置多重保护，时间维、空间维、功能维协调配合，形成面向区域电网安
全稳定的立体防护体系，其架构如图１所示。

3层次化保护协调配合特征
3.1空间维
就地级保护实现对单个对象“贴身防卫”，站域级保护综合利用站内信息实现“站内综合防御”，广域级保护综合利用站间信息实现“全网综合防御”。

层次化保
护系统点面结合，实现对区域电网的全方位保护。

3.2时间维
就地级保护的各类主保护无延时动作（20-30 ms），后备保护通过分段延时
实现相互配合，为了满足选择性和可靠性，牺牲了保护的速动性（0.8-1.2s）。

站
域级和广域级保护可以用综合信息加速就地后备保护（0.3-0.5s）。

各级保护、安
稳控制协调配合，提升继电保护性能和安稳控制水平。

3.3功能维
就地级保护面向单个被保护对象，包括线路、变压器、母线、断路器等独立
的设备，利用被保护对象自身信息独立决策，实现快速可靠的保护功能，其功能
实现不依赖于站域级和广域级保护。

站域级保护面向变电站多个对象，其主机分
别接入站内各电压等级过程层网，综合全站信息实现保护控制功能，具有灵活、
自适应的母线保护、失灵保护、元件后备保护，并实现保护信息管理、备自投、
低频/低压减载等控制功能。

站域级保护也是一个系统，由一个或多个物理设备构成。

在一个变电站，站域保护可分为几个小的区域，包括:高压母线区域、变压器
区域和低压母线区域。

一个和几个区域的保护集成在一个物理设备中。

广域级保
护面向区域内多个变电站，主机布置在枢纽变电站，通过广域通信网络接入各站
相关信息，利用区域全景数据信息对电网运行状态进行分析评估，分析故障切除
对系统安全稳定运行的影响，实施集中决策，在连锁故障情况下协调各保护装置
动作。

就地级后备保护和站域级保护不依赖于外部通信通道，通道破坏情况下也
能完成保护功能。

广域级保护依赖光纤通信实现站间数据交换，其可靠性会受到
光纤通信网的影响，在极端情况下，会丧失部分甚至全部控制功能。

作为整个保
护系统性能提升的有效补充，广域保护的失效不影响就地级保护和站域级保护。

4信息交互实现保护优化
由于就地保护仅配置了被保护对象的全线速动功能，保护功能大大简化，可
以利用智能变电站信息交互来实现保护定值的自动整定。

定值整定通常需要一次
设备参数，根据整定原则设置定值项，再通过系统运行方式参数校验其灵敏度是
否符合要求。

整定原则一般是固定的，因此如果保护能够自主获取一次设备参数
和最小系统运行方式的短路参数，就能够实现定值的自动整定。

在IEC 61850－7－4中，定义了主要一次设备的逻辑节点（LN），如YPTＲ
（电力变压器）、TCTＲ（电流互感器）、TVTＲ（电压互感器）等。

对于保护所
需的TA变比、TV变比、变压器参数、线路参数均有相应的DO（数据对象）或
DA（数据属性）可以进行描述，但像变压器短路电压比等参数可能需要扩充相应
的DO。

如图6所示，在变电站设计完成并建立SSD（系统规范描述文件）时对于所需的一次设备及其参数进行建模，经过集成商完成SCD（变电站系统配置文件）文件配置后，由装置导出CID（IED配置文件）时获取并存储相关所需的参数。

对
于最大、最小运行方式，目前通常是通过调度方式部门人工流转给出，可通过远
方EMS（电力管理系统）主站获取当前站点的短路参数及不同运行方式下的短路
参数；站端EMS系统子站提供MMS（制造报文规范）服务，就地保护通过MMS
获取当前站点各电压等级母线处不同运行方式下短路参数、最大负荷等信息。

5结论
通过对于现有继电保护功能配置，根据保护范围、整定原则、横向耦合性、
决策信息量等方面，将就地保护中的部分后备保护、失灵保护等上移到站域保护
或区域（广域）保护中，使就地保护形成以一次设备为对象、断路器为边界、无
死区的独立自治系统，减少了就地保护的横向耦合，方便了实际工程运维；并基
于智能变电站IEC 61850良好的互操作性，提出了就地保护定值自动整定的解决
思路。

对于站域后备保护，提出与就地保护协同站域后备保护方案，形成变电站
范围内故障的短延时后备保护，同时提高了站域后备保护的可靠性。

为进一步提高继电保护的可靠性，降低由于信息交互带来的风险，今后还需要加强以下几个方面的研究：一是网络通信的可靠性；二是设备信息描述的完善性；三是虚端子连接的方便性。

随着对智能变电站技术的进一步研究，利用智能变电站的信息共享优势，提高继电保护的选择性、灵敏性、速动性、可靠性也会具有更广阔的空间。

参考文献
[1]廖小君,吕飞鹏,黄忠胜,韩花荣,郑永康,王晓茹.智能变电站层次化矩阵式虚端子可视化研究[J].电气自动化,2017,39(03):90-92+98.
[2]张杰恺,贺胜,郑晓玲,穆子龙,陈科.新一代智能变电站层次化保护控制系统及可靠性评估[J].科技与创新,2016(21):117.
[3]唐卫华,杨俊武,欧阳帆.新一代智能变电站技术综述[J].湖南电
力,2015,35(05):1-6.
[4]刘小春,唐玮.新一代智能变电站层次化保护控制系统设计[J].江西电
力,2014,38(03):54-56.
[5]王悦.基于智能变电站的层次化保护系统研究[J].华北电力技术,2013(09):26-30.
[6]宋璇坤,李颖超,李军,肖智宏,刘颖,闫培丽.新一代智能变电站层次化保护系统[J].电力建设,2013,34(07):24-29.。