基於保護智能中心的廣域後備保護系統及方法
2023-05-07 17:57:41
基於保護智能中心的廣域後備保護系統及方法
【專利摘要】一種基於保護智能中心的廣域後備保護系統及方法，該系統包括包括採集多個變電站開關量的GOOSE網，採集變電站電氣量的採樣值網絡，與GOOSE網和採樣值網絡連接的繼電保護單元，與繼電保護單元通過廣域網連接的保護智能中心，還包括和變電站的互感器連接的合併單元；合併單元將互感器測量的電氣量進行合併和同步處理，並將處理後的電氣量通過採樣值網絡發送給繼電保護單元，變電站的開關量通過GOOSE網發送給繼電保護單元，繼電保護單元由所得電氣量計算出故障方向，然後將收到的開關量和計算得到的故障方向通過廣域網傳遞給保護智能中心，由保護智能中心決策出故障位置並下發跳閘命令；本發明與電網的結構、故障類型無關，動作速度快，可靠性高，自適應性強。
【專利說明】基於保護智能中心的廣域後備保護系統及方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及電力系統【技術領域】，具體設及一種基於保護智能中屯、的廣域後備保護 系統及方法。
【背景技術】
[000引 1997 年，瑞典學者 Be;rtillngelesso 在 IE邸上發表的《Wide Areas Protection Against Voltage Collapse》一文中首次提出廣域保護的概念，用來預防互聯電網的長期 電壓崩潰，在1996年美國大停電、2003年夏季美加互聯電網崩潰事故相繼發生後，人們意 識到應從整體的角度加強繼電保護和安全裝置間的配合。隨著國家智能電網建設的發展， 分布式電源的接入，各大區域電網逐漸互聯，電網結構愈加複雜，電網的自愈性特徵將對繼 電保護的選擇性、可靠性、靈敏性及速動性提出更高的要求。而傳統的後備保護主要是由基 於單端量的階段式距離保護或零序過流保護構成的，反應的只是系統中某點或局部區域有 限的運行狀態，相互之間缺乏協調配合，無法解決設備切除後潮流大範圍轉移造成的影響， 而且傳統的後備保護是通過定值和時限的配合來保證選擇性，所W隨著電網結構和運行方 式的變化，存在整定困難，動作延時長，故障影響範圍大，躲負荷能力差等缺陷，甚至出現保 護失配或靈敏度不足的情況。因此，廣域保護受到更多學者的關注。
[0003] 隨著計算機處理技術與通信技術的飛速發展，W太網正逐步取代工業控制的現場 總線，變電站內架設了基於W太網的變電站區域網，許多高壓變電站還鋪設了 SDH光纖環 網，將各變電站區域網連接起來形成電力系統廣域網，相量測量單元（PMU)、廣域測量系統 (WAM巧的廣域通信系統的性能已經足W滿足繼電保護的標準，為廣域保護的工程應用奠定 了良好的基礎。
[0004] 目前，學者們對廣域保護尚沒有明確統一的定義，但通過對其特徵及作用的分析， 可將廣域保護的概念簡述如下；將電力系統內的保護裝置通過光纖互聯，獲得多點故障信 息，根據網絡拓撲結構，利用不同算法進行故障定位，從而快速、可靠、精確的切除故障，並 分析故障切除後對系統安全穩定運行的影響，採取相應的策略確保電力系統的安全運行。
[0005] 由於電力系統中的元件對主保護快速性要求很高且現有主保護的保護性能相對 完善，而廣域保護則需要通過多點信息交互和集中判斷來實現，所W主要承擔電力系統後 備保護的任務。
[0006] 在220?5(K)kv電網繼電保護裝置運行整定規程中規定，為了保證電力系統繼電 保護的穩定性，所有運行設備（線路，母線，變壓器）都必須由兩套交、直流輸入輸出迴路相 互獨立，並分別控制不同斷路器的繼電保護裝置進行保護。對於220kv W上的母線，變壓器 或線路的後備保護擔任母線保護的後備保護。對於220kv W上的線路一般採用近後備保護 方式，即當故障元件的一套繼電保護裝置拒動時，由相互獨立的另一套保護動作切除故障， 而當斷路器拒動時，起動斷路器失靈保護，斷開與故障元件所接入母線相連的所有其他連 接電源的斷路器。有條件時可採用遠後備保護方式，即故障元件所對應的保護裝置或斷路 器拒動時，由電源側最鄰近故障元件的上一級繼電保護裝置動作切除故障。
【發明內容】
[0007] 為了解決上述現有技術中存在的問題，本發明的目在於提供一種基於保護智能中 屯、的廣域後備保護系統及方法，能夠對廣域網內所有電力元件提供後備保護，特別是實現 站間聯絡線的快速近後備保護，與電網的具體結構無關，且不敏感於故障類型，過渡電阻， 故障初始角和電源配置，動作速度快，可靠性高，結構簡單，自適應性強。
[000引為達到上述目的，本發明所採用的技術方案是：
[0009] 基於保護智能中屯、的廣域後備保護系統，包括採集多個變電站開關量的GOOSE 網，採集變電站電氣量的採樣值網絡，與GOOSE網和採樣值網絡連接的繼電保護單元，與繼 電保護單元通過廣域網連接的保護智能中屯、，還包括和變電站的電流互感器和電壓互感器 連接的合併單元，所述的合併單元將電流互感器和電壓互感器測量的電氣量進行合併和同 步處理，並將處理後的數字電氣量通過採樣值網絡發送給繼電保護單元，變電站的開關量 通過GOOSE網發送給繼電保護單元，繼電保護單元由所得電氣量計算出故障方向，然後將 收到的開關量和計算得到的故障方向通過廣域網傳遞給保護智能中屯、，由保護智能中屯、決 策出故障位置並下發跳閩命令。
[0010] 所述繼電保護單元包括和變電站內合併單元依次連接的故障檢測模塊、信號處理 模塊和故障位置判別模塊，還包括與信號處理模塊和故障位置判別模塊通信連接的通信模 塊，和故障位置判別模塊連接的跳閩決策模塊，所述跳閩決策模塊和變電站內的斷路器連 接。
[0011] 所述保護智能中屯、只收集經過各變電站處理過的故障信息，並非各變電站出線上 的電壓和電流值。
[0012] 上述保護系統進行廣域後備保護的方法，所述的合併單元將電流互感器和電壓互 感器傳輸的電氣量進行合併和同步處理並通過採樣值網絡傳遞給故障檢測模塊，故障檢測 模塊根據處理後的電氣量判斷是否有故障發生，若有故障發生，則將故障信息傳遞給信號 處理模塊，由信號處理模塊計算故障方向，將故障方向傳遞給故障位置判別模塊，故障位置 判別模塊決策出故障元件位置，然後將故障元件位置傳遞給跳閩決策模塊，跳閩決策模塊 跳開變電站內故障元件對應的斷路器，所述通信模塊將信號處理模塊計算出的故障方向信 息及故障位置判別模塊決策處的故障位置通過廣域網傳遞給保護智能中屯、，由保護智能中 屯、通過故障定位算法決策出故障位置，作為變電站內繼電保護單元的冗餘保護。
[0013] 所述故障定位算法包括如下步驟：
[0014] 步驟1 ;保護智能中屯、通過廣域網收集廣域保護範圍內斷路器的狀態，確定待保 護電力系統的網絡拓撲結構，從而形成母線-線路關聯矩陣，該關聯矩陣的行分別對應變 電站母線，列分別對應變電站母線聯絡線，元素為對應的斷路器編號，若變電站母線聯絡線 與變電站母線不直接相連，則填入元素0 ;
[0015] 步驟2 ;保護智能中屯、統計母線-線路關聯矩陣中各行非零元素個數之和記為Ni， 其中i為行號，並將Ni存儲於保護智能中屯、內；故障發生後，各變電站內繼電保護單元向保 護智能中屯、上傳故障方向信息，根據故障方向邏輯信息對母線-線路關聯矩陣各行各列賦 邏輯值得到母線-線路關聯狀態矩陣，再分別按列求和得出廣域保護範圍內各變電站母線 聯絡線的故障特徵值Ai，按行求和得出廣域保護範圍內各變電站母線的故障特徵值町，將 Ai和B i分別與2和-N i相比較，判別出故障發生位置，若判斷出的故障發生位置為變電站母 線聯絡線，則在母線-線路關聯矩陣中捜索故障變電站母線聯絡線所在的列對應的斷路器 編號，並延時跳開該斷路器，若判斷出的故障發生位置為變電站母線，則在母線-線路關聯 矩陣中捜索故障變電站母線所在的行對應的斷路器編號，並延時跳開該斷路器，實現不經 整定的快速近後備保護。
[0016] 和現有技術相比，本發明具有如下優點：
[0017] 1、不再僅針對單一的系統元件，而是利用電力系統中多點信息，給一定區域內的 所有元件提供後備保護，從而避免了繼電保護裝置時間定值上的複雜整定過程，且對於電 力系統不同運行方式有良好的自適應性。
[0018] 2、保護智能中屯、只收集經過各變電站處理過的故障信息，且各變電站之間不存在 信息交互，減少電力系統中信息的交流量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019] 圖1是本發明保護系統結構圖。
[0020] 圖2是本發明保護系統應用示意圖。
[0021] 圖3是繼電保護單元結構圖。
[0022] 圖4是故障定位算法流程圖。
[0023] 圖5是本發明實施例中kl點短路結構圖。
[0024] 圖6是本發明實施例中k2點短路結構圖。
【具體實施方式】
[0025] 下面結合附圖和【具體實施方式】對本發明作進一步詳細說明。
[0026] 如圖1和圖2所示，本發明基於保護智能中屯、的廣域後備保護系統，包括採集多個 變電站開關量的GOOSE網，採集變電站電氣量的採樣值網絡，與GOOSE網和採樣值網絡連接 的繼電保護單元，與繼電保護單元通過廣域網連接的保護智能中屯、，還包括和變電站的電 流互感器和電壓互感器連接的合併單元，所述的合併單元將電流互感器和電壓互感器測量 的電氣量進行合併和同步處理，並將處理後的數字電氣量通過採樣值網絡發送給繼電保護 單元，變電站的開關量通過GOOSE網發送給繼電保護單元，繼電保護單元由所得電氣量計 算出故障方向，然後將收到的開關量和計算得到的故障方向通過廣域網傳遞給保護智能中 屯、，由保護智能中屯、決策出故障位置並下發跳閩命令。
[0027] 下面對本發明系統各單元進行詳細說明：
[002引合併單元（Merging化it, MU)是針對與數位化輸出的電子式互感器連接而在 IEC60044-8中首次定義的，其功能是用來對一次互感器傳輸過來的電氣量進行合併和同步 處理，並將處理後的數位訊號按照特定的格式轉發送給保護、測控設備。合併單元與二次設 備的接口是串行單向多路點對點連接，它將7個（3個測量，3個保護，1個備用）W上的電 流互感器和5個（3個測量、保護，1個母線，1個備用）W上的電壓互感器合併為一個單元 組，然後將輸出的瞬時數位訊號填入到同一個數據帖中。其實現過程為；接收站端同步時鐘 輸入信號，然後向高壓側各路A/D發送同步轉換信號，對高壓側採集的數據進行轉換處理， 最後通過W太網卡接口傳遞給二次設備。
[0029] 廣域網作為數位化變電站通信的重要設備，它不僅僅連接有關鍵的接口單元和繼 電保護單元，也有大量的其他設備，如通信網關，人機接口和GI^S時鐘等。網絡中使用標準 的通信協議能夠使不同製造廠商製造的智能設備更易於接入系統。網絡傳感器通過接口單 元被連接在一起，而不是像傳統保護裡直接連接到繼電器上。相當數量的電流和電壓互感 器能夠連接到接口單元。接口單元通過多路點對點的方式向繼電保護裝置提供時序連貫的 電壓和電流數據。同時，光纖網絡也會接收從繼電保護髮出的跳閩命令並發送到相應的斷 路器執行。
[0030] 繼電保護單元安裝在各變電站內，收集變電站內出線上的同步電氣信息，主保護 狀態及斷路器動作信息，判斷站內是否有故障發生，計算變電站各元件處故障的方向，並將 各元件處的故障方向發送到保護智能中屯、，作為廣域後備保護判別的基礎。
[0031] 保護智能中屯、收集一定範圍內的各變電站繼電器單元的處理結果，經過相關廣域 後備保護算法即可確定出故障元件位置並做出跳閩決策發給相應變電站的智能開關設備 來執行，實現廣域範圍內所有元件的後備保護。保護智能中屯、只需配備通信模塊，故障位置 計算和跳閩決策模塊，自身不需要對各變電站出線上的基本電氣信號進行運算處理，只收 集由各變電站繼電保護單元處理過的信息，從而降低對保護智能中屯、的運算能力的要求， 同時也減輕了通信壓力。
[0032] 基於保護智能中屯、的廣域後備保護不同於傳統的後備保護配置，不再僅針對單一 的系統元件，而是利用電力系統中多點信息，給一定區域內的所有元件提供後備保護，從而 避免了繼電保護裝置時間定值上的複雜整定過程，且對於電力系統不同運行方式有良好的 自適應性。
[0033] 如圖3所示，所述繼電保護單元包括和變電站內合併單元依次連接的故障檢測模 塊、信號處理模塊和故障位置判別模塊，還包括與信號處理模塊和故障位置判別模塊通信 連接的通信模塊，和故障位置判別模塊連接的跳閩決策模塊，所述跳閩決策模塊和變電站 內的斷路器連接。
[0034] 下面對繼電保護單元各模塊進行詳細說明：
[0035] 故障檢測模塊：在全網統一時鐘GI^S下，通過合併單元實時採集本變電站內元件 的電壓電流信息，通過故障檢測模塊中的故障啟動和選相元件判斷是否有故障發生。
[0036] 信號處理模塊：在故障啟動元件動作後，由採集的電壓電流信息計算出站內各個 元件的故障方向信息並收集本變電站站內斷路器動作信息及主保護動作狀態。
[0037] 通信模塊；保護智能中屯、通過廣域網收集本廣域後備保護範圍內變電站繼電保護 單元發送的母線-線路關聯狀態矩陣的故障方向信息，W及故障元件的主保護動作信號和 斷路器狀態。
[003引故障方向判別模塊；利用本變電站元件的電壓、電流信息計算故障發生在本元件 的正方向還是反方向（電壓電流相位差或距離算法），利用現有算法確定故障位置，提高故 障方向判別的可靠性。
[0039] 跳閩執行模塊：在故障方向判別模塊判為正方向故障並且收到保護智能中屯、的跳 閩信息後，結合斷路器狀態及主保護動作信號執行相應的跳閩策略。
[0040] 本發明保護智能中屯、只收集經過各變電站處理過的故障信息，一般為邏輯信號， 如方向元件的判別結果或故障檢測結果，並非各變電站出線上的電壓和電流值。一方面減 少了保護智能中屯、與各變電站間的信息交流量，舒緩了通信壓力，另一方面也降低了保護 智能中屯、對大量信息的處理能力，避免發生"維數災"。
[0041] 如圖2和圖3所示，本發明系統進行廣域後備保護的方法，所述的合併單元將電流 互感器和電壓互感器傳輸的電氣量進行合併和同步處理並通過採樣值網絡傳遞給故障檢 測模塊，故障檢測模塊根據處理後的電氣量判斷是否有故障發生，若有故障發生，則將故障 信息傳遞給信號處理模塊，由信號處理模塊計算故障方向，將故障方向傳遞給故障位置判 別模塊，故障位置判別模塊決策出故障元件位置，然後將故障元件位置傳遞給跳閩決策模 塊，跳閩決策模塊跳開變電站內故障元件對應的斷路器，所述通信模塊將信號處理模塊計 算出的故障方向信息及故障位置判別模塊決策處的故障位置通過廣域網傳遞給保護智能 中屯、，由保護智能中屯、通過故障定位算法決策出故障位置，作為變電站內繼電保護單元的 冗餘保護。
[0042] 如圖4所示，故障定位算法包括如下步驟：
[0043] 步驟1 ;保護智能中屯、通過廣域網收集廣域保護範圍內斷路器的狀態，確定待保 護電力系統的網絡拓撲結構，從而形成母線-線路關聯矩陣，該關聯矩陣的行分別對應變 電站母線，列分別對應變電站母線聯絡線，矩陣元素為對應的斷路器編號，若變電站母線聯 絡線與變電站母線不直接相連，則填入元素0 ;
[0044] 步驟2 ;保護智能中屯、統計母線-線路關聯矩陣中各行非零元素個數之和記為Ni， 其中i為行號，並將Ni存儲於保護智能中屯、內；故障發生後，各變電站內繼電保護單元向 保護智能中屯、上傳故障方向信息，根據故障方向邏輯信息對母線-線路關聯矩陣各行各列 賦邏輯值得到母線-線路關聯狀態矩陣，再分別按列求和得出廣域保護範圍內各變電站母 線聯絡線的故障特徵值Ai，按行求和得出廣域保護範圍內各變電站母線的故障特徵值町， 將Ai和B i分別與2和-N i相比較，判別出故障發生位置，若判斷出的故障發生位置為變電 站母線聯絡線故障，則在母線-線路關聯矩陣中捜索故障變電站母線聯絡線所在的列對應 的斷路器編號，並延時跳開該斷路器，若判斷出的故障發生位置為變電站母線故障，則在母 線-線路關聯矩陣中捜索故障變電站母線所在的行對應的斷路器編號，並延時跳開該斷路 器，實現不經整定的快速近後備保護。
[0045] 實施例；
[0046] (1).關於對應安裝在各斷路器保護處的方向元件D輸出的定義。定義方向元件的 正方向為流出母線。目前方向元件多由電壓電流相位差或阻抗繼電器構成。每個方向元件 D的輸出值有S種可能；
[0047]
【權利要求】
1. 基於保護智能中心的廣域後備保護系統，其特徵在於：包括採集多個變電站開關量 的GOOSE網，採集變電站電氣量的採樣值網絡，與GOOSE網和採樣值網絡連接的繼電保護 單元，與繼電保護單元通過廣域網連接的保護智能中心，還包括和變電站的電流互感器和 電壓互感器連接的合併單元；所述的合併單元將電流互感器和電壓互感器測量的電氣量進 行合併和同步處理，並將處理後的數字電氣量通過採樣值網絡發送給繼電保護單元，變電 站的開關量通過GOOSE網發送給繼電保護單元，繼電保護單元由所得電氣量計算出故障方 向，然後將收到的開關量和計算得到的故障方向通過廣域網傳遞給保護智能中心，由保護 智能中心決策出故障位置並下發跳閘命令。
2. 根據權利要求1所述的基於保護智能中心的廣域後備保護系統，其特徵在於：所述 繼電保護單元包括和變電站內合併單元依次連接的故障檢測模塊、信號處理模塊和故障位 置判別模塊，還包括與信號處理模塊和故障位置判別模塊通信連接的通信模塊，和故障位 置判別模塊連接的跳閘決策模塊，所述跳閘決策模塊和變電站內的斷路器連接。
3. 根據權利要求1所述的基於保護智能中心的廣域後備保護系統，其特徵在於：所述 保護智能中心只收集經過各變電站處理過的故障信息，並非各變電站出線上的電壓和電流 值，且變電站之間無需信息交互。
4. 權利要求2所述保護系統進行廣域後備保護的方法，其特徵在於：所述的合併單元 將電流互感器和電壓互感器傳輸的電氣量進行合併和同步處理並通過採樣值網絡傳遞給 故障檢測模塊，故障檢測模塊根據處理後的電氣量判斷是否有故障發生，若有故障發生，則 將故障信息傳遞給信號處理模塊，由信號處理模塊計算故障方向，將故障方向傳遞給故障 位置判別模塊，故障位置判別模塊決策出故障元件位置，然後將故障元件位置傳遞給跳閘 決策模塊，跳閘決策模塊跳開變電站內故障元件對應的斷路器，所述通信模塊將信號處理 模塊計算出的故障方向信息及故障位置判別模塊決策處的故障位置通過廣域網傳遞給保 護智能中心，由保護智能中心通過故障定位算法決策出故障位置，作為變電站內繼電保護 單元的冗餘保護。
5. 根據權利要求4所述的進行廣域後備保護的方法，其特徵在於：所述故障定位算法 包括如下步驟： 步驟1 :保護智能中心通過廣域網收集廣域保護範圍內斷路器的狀態，確定待保護電 力系統的網絡拓撲結構，從而形成母線-線路關聯矩陣，該關聯矩陣的行分別對應變電站 母線，列分別對應變電站母線聯絡線，矩陣元素為對應的斷路器編號，若變電站母線聯絡線 與變電站母線不直接相連，則填入元素〇 ; 步驟2 :保護智能中心統計母線-線路關聯矩陣中各行非零元素個數之和記為隊，其中 i為行號，並將隊存儲於保護智能中心內；故障發生後，各變電站內繼電保護單元向保護智 能中心上傳故障方向信息，根據故障方向邏輯信息對母線-線路關聯矩陣各行各列賦邏輯 值得到母線-線路關聯狀態矩陣，再分別按列求和得出廣域保護範圍內各變電站母線聯絡 線的故障特徵值A，按行求和得出廣域保護範圍內各變電站母線的故障特徵值&，將化和 Bi分別與2和-N ,相比較，判別出故障發生位置，若判斷出的故障發生位置為變電站母線聯 絡線故障，則在母線-線路關聯矩陣中搜索故障變電站母線聯絡線所在的列對應的斷路器 編號，並延時跳開該斷路器，若判斷出的故障發生位置為變電站母線故障，則在母線-線路 關聯矩陣中搜索故障變電站母線所在的行對應的斷路器編號，並延時跳開該斷路器，實現 不經整定的快速近後備保護。
【文檔編號】H02J13/00GK104485736SQ201410640527
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年11月13日 優先權日:2014年11月13日
【發明者】張保會, 薄志謙, 郝治國, 張鷺 申請人:西安交通大學, 許繼集團有限公司