新一代智能变电站站域保护控制系统应用研究

2020-05-27白格平

通信电源技术 2020年6期

关键词：层次化集中式继电保护

白格平

（内蒙古电力（集团）有限责任公司内蒙古呼和浩特 010020）

0 引言

为更好满足智能变电站站域保护需要，必须设法实现过负荷联切、备用电源自动投入、简易母线保护、失灵保护、后备保护等功能的集成优化，实时数据库系统、多模块自动加载技术也需要在其中充分发挥自身作用，同时还需要关注合适的算法和控制策略的选用。

1 智能变电站继电保护方案对比

为保证站域保护控制系统更好满足新一代智能变电站需要，继电保护方案的合理选择必须得到重视，因此本文简单对比了4 种智能变电站继电保护方案。

1.1 直采直跳方案

图1 为典型的直采直跳方案。该智能变电站继电保护方案的合并单元数据获取采用点对点方式，且保护装置不经过交换机，跳闸命令的发送也采用点对点方式。由于保护功能的实现不依赖外部对时系统，交换机采样和跳闸信息受到的组网方式影响得到较好控制，但由于存在数量过多的保护装置光口，较为复杂的二次回路光纤影响了该方案的应用[1]。

1.2 网采网跳方案

图2 直观展示了典型的智能变电站继电保护网采网跳方案。该方案的合并单元数据获取采用SV 网，跳闸命令的发送则应用GOOSE 网。借助网络网采网跳方案实现有效输入、输出，据此可明显缩减光口数量。例如，主变压器保护及母线保护装置光口，这一类跨间隔保护装置光口均有所减少。此外，二次回路光纤连接也能够同时实现有效简化，但由于过度依赖对时系统，网采网跳方案存在的信息交互时延往往会影响智能变电站继电保护有效性。

图1 直采直跳方案

图2 网采网跳方案

1.3 集中式保护方案

图3 为典型集中式保护方案。该方案建立在网采网跳方案基础上，通过配置高性能通信处理器，可实现多个间隔的保护测控功能集成。集中式保护方案的应用需得到高可靠性、大容量内存的支持。为进一步增加方案可靠性，重要部件需冗余配置。作为新型智能变电站继电保护方案，近年来集中式保护方案在我国各地智能变电站开展了广泛的应用探索，方案简化通信网络结构、提高二次设备集成度优势也由此得到了证明[2]。

图3 集中式保护方案

1.4 层次化保护方案

图4 为典型的层次化保护方案。该方案能够实现电网全网数据信息的综合应用，配合自适应、多原理的故障判别方法，可通过功能维、空间维、时间维的协调配合更好保障智能变电站安全稳定运行，继电保护有效性也能够实现进一步提升。层次化保护方案由广域层、站域层及就地层三个层次组成。

图4 层次化保护方案

2 智能变电站站域保护控制系统应用

为全方位展示新时期智能变电站站域保护控制系统，本文选择了某地220 kV 新一代智能变电站实践作为研究对象，并基于工作组成、技术需求、软硬件方案三个方面开展了深入分析。

2.1 功能组成

为满足新一代智能变电站站域保护控制需要，实践采用了站域保护控制机制，如图5 所示。整个机制将网络化传输技术、数字化采集技术作为基础，集中相关电压、电流信息，系统实现了过负荷联切、备用电源自动投入、低频低压减载、母线保护、失灵保护、后备保护等功能的普遍升级与优化。始终坚持站域保护控制装置安全性与可靠性原则，强调以防误动为主，GOOSE 发出控制、跳闸指令，最终作用于智能终端[3]。

图5 站域保护控制系统方案

系统具体功能包括安全自动控制、优化后备、子站广域保护控制，具体功能如下。（1）安全自动控制。系统具备自动投入站域备用电源、低周低压减载、主变压器负荷均分和过负荷联切等功能。（2）优化后备。系统在线全程监控站内断路器运行情况，一旦发现状态异常，可及时发出警报并确定故障位置，连同监测判别站内电气接线拓扑一起，关联矩阵形成后，保护功能将得到进一步的优化。保护功能升级多需借助多间隔信息资源共享来实现，10 kV、35 kV 母线的失灵保护由此得以优化，后备保护动作时间同样实现了长足优化。（3）子站广域保护控制。子站能够自动采集站域保护控制信息，并进行信息处理与转发。

2.2 技术需要

新一代智能变电站站域保护控制系统运行过程中，通常需接入大量断路器，负责全面收集数据信息，以便做到不同间隔的保护计算。新一代智能变电站站域保护控制系统对技术存在较高需求，这种需求主要体现在实时性、数据流量、存储容量三个方面，具体需求如下。（1）实时性需要。考虑到继电保护通用技术条件实际需求，系统装置完整动作时长应需控制在40 ms内。该时间由智能终端动作时间、保护到智能终端传输时间、保护装置动作时间、合并单元到保护传输时间、合并单元采样延时组成。由于系统集成了多个模块，各软件的实时性也会直接影响站域保护效果，因此系统动作时间需不超过30 ms。因此，系统配置了由30 个软件模块组成的站域保护控制系统，并保证了每个模块的动作时间均控制在1 ms 内，包括备用电源自动投入模块2 个、集中式减载模块2 个、10 kV 简易母线模块2 个、失灵保护模块3 个、110 kV 线路后备保护模块13 个。（2）数据流量需求。以每帧1 个ASDU、典型80 点/周波采样实施精准计算，确定各帧数据长度、合并单元流量各为169～226 byte、5 408 000～7 232 000 bit，因此可确定每个间隔流量最大值为7.23 Mbit。研究对象智能变电站中站域保护控制系统的运行期间，必须引入30 组SV，据此可判定接入流量数值为216.9 Mbit，因此原有的1 个百兆网口无法满足系统需要，为满足大流量数据的接入，需重新设计硬件。（3）存储容量需求。各类软件模块联合使用，模块集成化要求系统融入不同类型、大量的多间隔保护程序信息，加以存储，由此可见，系统CPU 内存空间必须能够满足数据存储要求。

2.3 软硬件方案

2.3.1 硬件方案

图6 直观展示了系统结构，整个系统由站控层通信插件、稳压电源插件、过程层接口插件、核心CPU插件组成，采用千兆光以太网口为过程层接口组件提供服务，负责GOOSE 数据、SV 数据的接收。核心CPU组件主要功能为收集并整合过程层接口组件信息，过程层接收或发出的数据信息全部由此组件处理，而后将其传至通信转换组件，实现转换后信息格式发生变化，基本上为IEC61850-8-1 格式，上传时格式为MMS 报文。作为系统的核心单元，采用了一款高性能双核处理器作为核心CPU，并支持800 MHz～1.2 GHz时钟频率与双准确度浮点，具有512 kB 二级高速缓存与较高测量准确度，单模块运行时间为0.2～0.5 ms 且可配置为缓冲存储器，系统的实时性、存储空间等需求均得到了较好满足。结合试验可确定该CPU 可满足大容量数据接入和处理要求，结合典型变电站CPU 占有率计算并按照50%的裕度考虑，系统可支持38 组SV。

图6 站域保护控制系统结构

2.3.2 软件方案

结合系统功能，软件方案主要包括模块功能划分、实时数据库系统、多模块自动加载系统三部分内容，具体内容如下。（1）模块功能划分。应用程序、设备驱动、通信规约、人机接口、底层平台均需要为系统功能的实现提供支持。例如，人机接口负责GUI 图形界面管理、动态多语言管理，应用程序负责系统的运算、逻辑判别和控制操作。（2）实时数据库系统。该系统由应用接口函数、数据库管理系统、历史数据库、内存数据库构成，具体组成如图7 所示。（3）自动加载系统。图8 直观展示了多模块自动加载系统。该系统可支持32 个保护软件模块的加载，通过随意加载保护软件模块，智能变电站的各项保护需求满足得到了有力支持，个性化需求的满足也进一步提升了新一代站域保护控制系统的实用性。