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1、区域电网智能保护与控制系统 姚斌，* 目录 项目背景项目背景 区域智能保护与控制的内涵 关键技术 实现方案和主要保护功能原理 工程应用 项目背景 目前的继电保护基于本地和就近量构成，反映的只是系统 某点或局部区域有限的运行状态，不能反映较大区域电网 的安全运行水平。 继电保护装置之间靠定值大小和时间长短配合，整定困难 ，配合有限，难以对系统进行优化控制。 继电保护和安全自动装置之间相互独立，不能进行数据共 享，因而相互之间缺乏配合。 信息有限，只能“各扫门前雪”，缺乏沟通合作 项目背景 为解决基于本地量的装置难以反映区域电力系统运行状态 ，缺乏相应配合协调的难题，基于区域电网信息的所谓区 域保
2、护成为当前电力系统关注的研究课题之一。 随着数据通信技术的飞速发展和普及，电力光纤数据网的 建立，使得故障发生时电网信息共享成为了可能，也为区 域保护的应用创造了条件。 从信息论的角度来看，区域保护获取了更多的信息，因此 基于多点的电气信息而进行区域保护方案的设计将比传统 的“点”、“线”保护具有天然的原理优势。可以预见，基于 电网多点电气信息的“面”保护区域保护将成为继电保护 的发展方向。 项目背景 随着智能电网的不断推进，传统的继电保护已经不能适应 电网的安全稳定运行，迫切需要去研究可以适应智能电网 的智能保护系统。 项目背景 现有的保护控制系统的不足，要求我们采 用基于广域信息的保护控制
3、系统。 （必要性必要性） 计算机和通信技术、信号处理技术的发展 ，为实现广域保护控制系统提供了物质基 础。 （可行性可行性） 项目背景 本课题致力于利用区域电网的信息，从系统安全稳定、继 电保护原理的智能化等方面构建保护与控制一体化的系统 。 北京四方公司从2007年开始进行广域保护的研究和技术储 备，其研究成果已经成功应用于 南方电网花都区广域信息网络保护系统 湖北电网荆州局区域电网智能保护系统。 目前已经申请国家发明专利7项。 目录 项目背景 区域智能保护与控制的内涵区域智能保护与控制的内涵 关键技术 实现方案和主要保护功能原理 工程应用 广域保护的提出 广域保护（Wide Area Pr
4、otection）的概念首次出现在由 瑞典学者于1997年在IEEE上发表的Wide Areas Protection Against Voltage Collapse（广域保护应对电压 崩溃） 国外认定的广域保护的功能范畴 国际大电网会议对广域 保护的功能和控制目标 做了一个定义。 可以看出广域保护的动 作时间是0.1S100S 其实施的控制操作基本 包括了我国的第二、第 三道防线的范畴 四方公司认为的广域保护控制范畴 区域智能保护控制系统定义 区域智能保护控制系统 指的是：将紧密关联的若干变电 站作为一个区域，区域内的各保护装置通过光纤互联，通 过信息共享，根据网络拓扑结构，快速定位故障点
5、，智能 的对区域电网进行保护与控制。 区域智能保护逻辑结构 第一层是各个变电站内的数据采集及跳闸执行，采集所需 电气量和开关量，打上时间标记，向变电站中间层传送。 第二层是变电站中间层站域保护，安装在本区域内各相关 变电站内，执行变电站范围内的朱保护及后备保护功能， 并负责将这些中间测量结果向上层区域保护单元传送，接 受并执行区域保护的决策结果。 第三层是区域电网保护层，主要对变电站之间的联络线进 行保护和控制，对信息进行综合分析做出相应的决策。 区域智能保护的构成 站域保护层：仅依赖于本变电站和联络线路对侧的信息， 就能很好完成的保护功能，称为站域保护。 站域智能保护主要负责就地信息的实时采
6、集包括电压，电 流，断路器状态，以及从通讯通道得到对侧线路数据。根 据实时数据计算出故障的基本信息，如各条线路的故障方 向、断路器位置状态信息。根据故障的基本信息，执行站 域保护功能。 站域范围的界定 站域保护中包括变电站内变压器和母线等设备的主保护和 后备保护、输电线路的主保护和后备保护、馈线的主保护 和后备保护、低周减载保护和低压保护以及自动重合闸等 功能。 站域范围界定为该变电站与其他变电站相连输电线路对侧 断路器内的范围。也就是站域范围不跨越变电站进出线路 对侧断路器构成的边界。 区域智能保护的构成 区域保护层：根据整个区域数据综合判断完成的保护功能 ，称为区域决策，也称之为区域保护。
7、 区域保护主要依据通过同步数据网络共享的区域内各节点 的电流、电压、断路器状态，计算出故障的基本信息，实 现区域保护功能。 区域范围的界定 区域包括了若干个变电站以及其相互之间的输电线路。区 域范围的界定以变电站来划分，保护区域包括与该区域内 所有变电站相关联的输电线路。 如下图所示，变电站B1、B2、B3、B4、B5组成的区域系 统。保护区域是L1、L2、L3、L4、L5线路。 区域与区域的配合 电网规模很大，且区域与区域之间有电气联系的，可以构 成大电网。分区的原则是根据通信传输速度和信息处理能 力。一般情况下应该使两个区域之间的电气联系最少。 两个区域电网的智能保护都包含联络线路，当联络
8、线路故 障时，与之相连的两个区域电网保护均可以识别故障发出 指令切除故障。 对区域智能保护的基本要求 智能保护可以通过网络快速可靠地获取区域电网的必要信 息，诸如电压、电流、开关状态、设备运行状态等； 智能保护所采集的数据应带有同步时标信息，确保智能保 护可以识别时间状态，保证同一时间断面的信息量做逻辑 处理； 智能保护所保护的对象是区域电网的安全稳定运行和区域 电网的电气设备，要兼顾、协调二者的保护和控制； 对区域智能保护的基本要求 智能保护系统需具备高度的可靠性，包括数据采集的可靠 性、网络传输的可靠性、智能保护决策处理的可靠性； 智能保护系统需具备足够的自适应性和智能性，可以根据 电网的
9、拓扑结构、运行方式来作出最优的保护控制策略， 使得智能保护系统具有最好的选择性； 智能保护系统需具备可扩展性，当电网一次设备发生变化 、新增变电站、电气间隔时，智能保护应可以灵活的接入 。 目录 项目背景 区域电网智能保护控制的内涵 关键技术关键技术 实现方案和主要保护功能原理 工程应用 技术支撑领域 研究和实施广域保护所需技术领域包括： 继电保护技术 安全稳定控制技术 同步测量技术 网络通信技术 自2007年至今，北京四方继保在上述领域进行了深入的研 究和探索，取得了若干关键技术，确保广域保护研究和工 程实施的顺利进行 关键技术 利用光纤自愈环网将区域电网的若干变电站通信互联，确 保各个变电
10、站所采集的电气量、开关量和保护动作等信息 进行充分的数据共享，为区域电网智能保护系统提供数据 基础。 通过基于北斗/GPS 互备及IEEE-1588 的高可靠性授时技 术，对区域电网各个变电站的采集信息作时间标记，确保 智能保护系统共享数据的同步性。 当三套授时系统失效的情况下，利用智能保护单元自身的 高精度时钟晶振可以确保24 小时内可以正确动作。 关键技术 通过快速以太网和路由技术，实现网内各种设备保护信息 的高速交换，实现区域内保护信息的全景化，做到整个区 域内任何故障点、任何故障的全线速动。 基于区域电网智能保护系统的分层结构，通过保护功能的 数据通信量和保护计算量有效合理分配，实现区
11、域决策单 元的分层分布式冗余配置，提高区域保护系统的速动性及 可靠性。 关键技术 电流差动保护采用乒乓对时和UTC同步的双冗余同步技术 ，确保电流差动保护的快速性和高可靠性。 利用区域电网母线的序电压特征函数对故障定位的结果进 行校核确认，防止差动保护误动。 利用权重综合方向元件来进行故障定位； 其他若干自适应和智能保护策略； 目录 项目背景 区域智能保护和控制的内涵 关键技术 实现方案和主要保护功能原理实现方案和主要保护功能原理 工程应用 实现方案 区域电网智能保护系统结构图如图所示，采用集中与分散 相结合模式， 区域电网智能保护系统分为三层，最底层 的数字采集单元和执行单元、变电站中间层的
12、站域保护单 元、第三层的区域决策层广域保护单元。 传统变电站的实现方案 数字变电站的实现方案 广域保护控制系统总览图 故障定位的主要元件 1、分相电流差动（差动元件） 2、权重综合方向（方向元件） 3、线路阻抗距离（阻抗元件） 点对点差动保护 为了降低智能保护对外部同步时钟的依赖，保留传统的点 对点差动保护。 基于电压特征的线路电流差动保护 为防止电流差动保护误动，本项目研制的差动保护具有负 序、正序电压特征函数的闭锁逻辑：首先根据电流差动元 件检测故障线路，在满足差动动作逻辑后，继续检查相关 母线的正序和负序电压，仅当故障线路两端的正序、负序 电压满足正负序特征函数后，才去跳闸。 基于权重的
13、综合方向保护 D1 为阻抗方向，D2 为负序方向，D0 为零序方向。正方 向取1，非正方向取0。 自适应旁路运行的差动保护 传统的光纤电流差动保护，在切换旁路运行的时候，需要 退出光纤电流差动保护功能。基于广域信息的智能保护系 统可以避免这种情况。 采集线路和旁路开关等状态信息，根据断路器和刀闸状态 识别线路运行状态，选择相应的电流进行差动保护判定。 区域电网开关失灵保护 智能保护系统检测到线路发生故障，发跳闸令跳开故障线 路各侧断路器。经过一定延时后，如果故障线路还有电流 ，则认为断路器失灵，发跳令跳开故障线路上一级的断路 器，避免事故的进一步扩大。 相邻元件后备加速 当某线路发生故障后，相
14、邻元件的距离保护在获知故障点 位置后可以根据需要智能的调整距离保护的定值，使得不 同线路的距离保护之间可以智能的配合。 区域电网智能过负荷保护 为避免连锁故障的发生，智能保护在某条线路跳闸后，自 动提高同一功率断面的其他线路的过负荷电流定值和时间 定值，降低过负荷保护在此情况下的过负荷的灵敏度。 区域电网智能低频低压减载 智能保护可以获得整个电网各个节点的电压、电流、频率 以及开关量的状态信息。与传统的切负荷策略不同，智能 保护系统首先计算电网各个节点母线的电压和频率，形成 最优的切除策略，尽快恢复系统稳定。 基于区域信息的备用电源自投 目录 提出背景 区域智能保护定义、逻辑结构、基本要求 研
15、究的目标和关键技术 实现方案和主要保护功能原理 工程应用工程应用 工程应用 北京四方公司从2007年开始广域保护的研究； 2008年5月，在广东花都供电局4个110kV变电站装设广域 保护系统；该项目获得南方电网公司2009年度科技进步一 等奖，获2009年度中国电力科技进步二等奖。 2010年2月，在湖北荆州供电局4个110kV变电站装设了广 域保护系统； 南网广域保护控制 在华北电力大学RTDS测试在广东花都站的广域保护控制主站 南网广域保护正确动作实例 2008年6月27日广州花都供电局110kV益田乙线龙口支 线发生AB相间接地故障，广域保护系统正确动作。 田心站记录的故障电流龙口站记录的故障电流 2009.4.3 王久玲视察广域保护运行状况 鉴定会现场 结束语 谢谢各位领导专家指导
