广域保护讲座 6-20 定稿综述

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1、广域保护、站域保护讲座广域保护、站域保护讲座 西南交通大学电气学院西南交通大学电气学院 童晓阳童晓阳 副教授副教授 主要内容 1广域保护 u 广域后备保护定义 u 广域后备保护意义 u 广域后备保护算法 u 广域后备保护体系结构 u 广域后备保护通讯 u 广域后备保护发展趋势 u 广域后备保护目前应用 2站域保护 3讨论 广域后备保护定义 广域后备保护是一套完整的保护方案，它获 取电网多点信息，利用这些信息判断故障元件并 隔离，同时考虑故障切除之后对系统稳定性带来 的影响，以防止保护动作导致系统崩溃。在广域 保护中，继电保护和自动控制装置融为一体，相 互配合，协调动作，保证系统安全稳定运行。

2、广域后备保护意义 现有后备保护配置仅基于本地量信息完成后备保护 功能，容易受过负荷等不正常运行状态的影响，在非故 障条件下也可能动作。线路过载情况下可通过切机切负 荷等控制措施来减轻或消除过载状态，但是需要较大延 时来完成控制策略。 广域后备保护根据电网相关区域内保护、开关动 作状态或电流/电压等广域信息判断故障元件。广域 后备保护系统在广域通信网络的支持下采集空间多点 广域信息，通过智能优化和信息处理技术进行综合决 策；由于明确故障线路和保护、开关状态及不需要和 传统后备保护进行时限配合，所以能实现快速的和最 小范围的故障隔离。 广域后备保护算法 第一类:基于电压/电流等电气量信息的 广域后

3、备保护算法 利用原始采集的电压、电流信息完成广 域后备保护，数据较为准确，但对通信 实时性、同步性和带宽的要求较高。 第二类:基于保护动作和断路器状态的广 域后备保护算法。 利用己有保护元件进行分析，对设备改 造较少，原理简单，所需信息量与通信 量较少，易于实现，但由于故障发生时 保护可能存在不正确动作，且这种不正 确动作是无法预知的、具有不确定性。 第三类:基于保护动作和断路器状态、同 时利用电压/电流等电气量信息的广域后 备保护算法。 第一类算法 文献1提出一种基于故障关联因子的广域后备 保护新方法。该方法在系统正常运行情况下，根 据网络拓扑结构及相量测量单元的配置情况，初 始化保护关联域

4、；借助开关变位信息和启发式搜 索技术快速更新保护关联域。在系统发生故障之 后，通过分析各关联域内差动电流故障稳态分量 ，界定故障关联域，实时计算该关联域内的故障 关联因子，据此确定具体的故障支路。 文献2提出一种基于故障匹配度的广域后备保 护新方法。该方法在系统正常运行时,根据系 统拓扑和相量测量单元(PMU)的配置情况,形成 保护关联域。系统发生故障后,通过分析各关 联域内差动电流故障稳态分量,界定故障关联 域,计算该关联域内的故障匹配度,故障匹配度 最小值对应的支路判定为故障支路,并据此确 定具体的故障位置。 若该支路为故障支路,计算得到的故障匹配度很小,近似 为0(考虑到实际系统中测量误

5、差与计算误差的影响)。据此, 本文将故障匹配度最小值对应的支路判定为故障支路。 支路故障稳态等效模型 文献3提出了一种基于增广状态估计的广域继电保护算法 ，通过搜集相邻区域冗余量测信息，建立增广状态估计模 型，进行准确的故障定位。利用相邻区域保护装置的两侧 冗余信息，通过最优估计修正量测误差，通过对坏数据监 测和辨识，排除坏数据的影响，提高保护决策的准确度。 1. 当某线路两端的保护装置量测满足保护启动判据时, 启动 广域后备保护, 搜集该线路和相邻线路的保护装置的量测 数据以及这些线路两端母线的母差保护装置的量测数据。 2. 逐个判断每条线路两端的量测数据是否满足主保护的动作 判据, 若满足

6、则作为可疑故障线路, 否则作为无故障线路 。当存在量测坏数据时, 可能把无故障线路当成可疑故障 线路。 3. 写出每个线路和母线的所有量测数据的量测方程, 并对量 测方程组进行状态估计求解, 估计出状态变量。 4. 检测和辨识量测中的坏数据,发现坏数据后,把其相应的量 测方程删除, 然后转步骤2,如果没有坏数据, 则转步骤5。 5. 当坏数据被全部排除后, 最后一次判定的可疑故障线路被 确定为故障线路。 文献4提出一种基于序分量的广域后备保护算法 该算法采用三步流程处理故障。 流程1：找到最靠近故障点的母线（包含发生短路的母线 本身） 母线，线路L 且 流程2：判别是母线短路还是线路短路，若确

7、定为母线故 障，则该故障处理流程将实现母线差动保护的快速集中式 后备保护功能，否则进入流程3。 流程3：利用正序电流相差保护原理对所有连 接于该母线的线路进行区内和区外故障判定 ，最终选出故障线路，确认核后对该故障线 路予以切除。 两端正序电流相位差的绝对值，相差绝 对值最小者为发生短路的线路，即发生短路 的线路 文献5提出一种基于故障电压分布的新型广域后 备保护算法。该算法利用线路一侧电压电流故障 分量的测量值估算另一侧的电压故障分量。以估 算值与测量值的比值构成保护判据。 考虑到计算和测量误差的影响，可取K=1.2， K为计算值与测量值的比值。 对以上仿真模型的求取 ，可得如下结果： 可以

8、看出，对于故障线路求取的值均在1.2以上。 文献6提出一种利用同步电压相量进行输电网络 故障定位的新方法。该方法首先运用对称分量法 和线性叠加原理建立故障后的附加正序网络。 定义了故障点的匹配指标, 进而基于该指标运用 遍历搜索方法寻找故障点位置。 仅在故障点时，才能完全匹配 ， 。 文献7提出一种基于有限相量测量单元测量故障 分量信息的故障定位算法，采用间隔母线配置 PMU 的布点策略，计算两个PMU节点之间各线路 的故障点位置值，非故障线路值将超出正常范 围，通过对值的甄别得出故障线路故障点位置。 文献8提出一种基于多信息融合的广域后备保护算法， 根据电网结构形成系统单个元件故障编码，基于

9、保护动 作信息（包括各变电站IED配置的主保护，距离保护 段、段、段，方向保护以及断路器失灵保护）和断 路器位置信息，建立适应度函数、期望函数数学模型。 将输电系统元件作为故障识别的对象进行0-1状态编 码，0表示正常状态，1表示故障状态。构造如下适应度 函数： 第二类算法 通过故障识别概率形成故障识别判据， 判断故障元件。 为正常运行时各组识别编码的适应度 为实时计算的各组识别编码的适应度 IEEE 10机 39节点系统 文献9尝试引入了相邻线路的方向信息，提出 一种广域后备保护算法，根据线路关联系数推 导线路保护相关矩阵。通过计算该矩阵中各行 元素之和并与门槛值作比较即可判断故障元件 位置

10、。 文献10提出了一种同时利用传统保护元件相量 测量单元（PMU）数据的广域后备保护算法。 先将实时获得的广域保护动作加权，得到综合 判断值，然后采用高斯函数获得对应的故障概 率。同时根据统计数据，由正序电压幅值、线 路两侧正序电流相角差，计算得到PMU数据对 应的故障概率，再将两种故障概率加权综合。 我自己已研究的算法 当线路的主保护至少有一侧未动作而其 两侧的保 护有动作时，就启动该线路的广域后备保护决策. 通过广域通信网络收集各广域后备保护元件(主保 护、距离I段、距离II段、距离III段、方向元件） 的动作值，进行加权计算，得到该线路的综合判 断值IA。对其做归一化处理获得贴近变量x，

11、然后 通过一个高斯函数，获得该线路广域后备保护动 作对应的综合判断故障概率PI。 再由PMU 获得各线路的故障概率PM。 然后将两者进行加权融合，得到最终的故障概率 多组实验表明该方法具有较高准确性、适应性。 广域继电保护系统的体系结构 集中式结构： 集中式保护系统由控制中心进行决策，控 制中心集中决策可以做到系统全局最优控制， 更能体现广域保护的优势。但是集中式结构对 控制中心设备要求过高，因此必须配置备用的 中心设备；而且大量信息的集中处理使得控制 中心计算量大，并对通信系统的依赖程度特别 高，通信系统的准确性、可靠性、实时性决定 着控制中心的分析结果。 集中式结构 分散式结构： 分散式保

12、护系统由各分散的保护终端SPT 进行决策，各保护终端利用一定范围内信息， 通过相对简单的算法和判据，实现可靠、灵敏 的系统保护功能。即使某个保护终端决策功能 失效，邻近终端可以作为后备。分散式结构能 较好地克服集中式对控制中心设备要求过高的 问题。但作为分散式系统的决策单元，保护终 端获得电网信息有限，分析和决策能力有限， 因此分散式结构往往不能做到全局最优控制。 分散式结构 分层区域式的保护系统由三层构成：位于最底 层的本地测量单元LMU (Local Measure Unit)、 位于中间层的区域决策层RDU (Region Decision Unit)和位于最顶层的系统监控中心SMC (

13、System Monitor Center)。 LMU是用来采集电网实时信息或同时附带保护功能的 PMUs (Phase Measure Units)；RDU完成数据采集保护控 制功能，实现一个保护分区的系统保护；SMC对本地保护 中心进行协调。在分层区域式保护系统中，RDU与此区域 内LMU通过光纤连接，正常运行时，监测本区域内LMU的 运行状态，在扰动发生后，对LMU上传信息综合分析并作 出相应的决策。决策作出后，一方面下传至LMU，执行闭 锁或操作相应的断路器；另一方面将判断结果送至SMC， SMC负责实时协调和监控各区域保护系统。 分层式系统中保护中心SMC根据下级单元的判断结果从逻

14、辑上进行故障定位和全局决策，理论上能有效解决集中式 广域保护中心计算量大的弊端，对通讯系统的要求也相应 降低。 广域后备保护通信 一种广域通信方式 SDH网络 广域通信技术 为了实现广域通信能实现地址过滤等 通信要求，可以对基于隧道技术的直 接连接方式、与基于网关代理的间接 连接方式 两种通信模式在应用上的差异： 带宽的要求。在带宽富裕的情况下，才能采 用基于隧道技术的通信模式，可以实现多个 变电站通信的直接连接， 配置的要求。基于隧道技术的通信模式，配 置过后即使通信内容改变，通信仍可继续进 行；但是网关代理模式通信内容改变，必须 重新配置。 报文的处理。基于隧道技术的通信模式，不 会对报文

15、进行解析.网关代理模式，必须对报 文进行解析 广域后备保护发展趋势 PMU的引入，为故障元件的检测提供了 新的数据源 广域后备保护算法将日趋完善 相关硬件条件逐步完善，比如广域通讯 网络、高性能计算机 由于自治性、协作性，引入多Agent技术 人们已尝试广域后备保护工程化设计与 应用 广域保护的应用实例 2009年4月3日，南方电网公司重点科技项目“基于广域 信息的网络保护系统的研究与实施”通过了专家组的成 果鉴定。 专家组认为，该项目提出并实施的基于广域信息的区 域网络保护系统，实现了对电网的协同控制，并取得 了多方面的创新成果；基于同步采样的广域信息网络 保护系统装置首次在国际上投入工程运

16、行，项目成果 达到国际领先水平，对继电保护乃至整个二次系统的 发展都具有重要的引导意义。 该系统从2008年5月28日在广州供电局4个变电站投入 试运行以来，经历了多次区内外故障，保护系统均正 确动作。 实际应用中可能存在的问题与挑战 若在整个系统内实现集中保护，由于系统规模增 大造成的大量数据采集点、海量数据、传输距离 和速度等因素,会增加广域继电保护实现的难度。 将增加保护配置、运行和维护的难度，保护可靠 性难以得到保证。 因此，还应该结合实际系统进行广域继电保护区 域结构的确立，综合考虑、合理利用智能电网新 技术，使广域继电保护更有利于实际应用。 二.站域保护 新一代智能变电站继电保护系统的架构和配 置新一代智能变电站继电保护配置方案中, 将变电站继电保护系统分成三层:就地保护 层、站域保护层和广域保护层