电力系统站域保护的原理及其应用

【摘 要】智能电网发展背景下，大量智能变电站兴建，统一的IEC61850通信平台和高速发展的信息交互技术为继电保护的创新提供了条件。站域保护有利于克服现有继电保护的一些固有缺陷，在设计理念、信息利用、整定配合方面都具有优势，本文详细分析了电力系统站域保护的算法，并结合工程实践探讨了站域保护的应用。

【关键词】电力系统；站域保护；原理应用

0.引言

随着智能电网建设的不断深入，我国电网逐渐向着高电压、大容量、交直流混连的方向发展，系统的运行和控制特性日益复杂，大系统因故失稳的风险不断增大，在此背景下，传统的继电保护和安全稳定装置已经不再能够完全满足电网安全稳定运行的要求，智能量测技术的发展为构建更加完善的保护和控制系统提供了有利条件，电力系统站域保护应运而生。

1.电力系统站域保护与传统继电保护的差异分析

智能变电站中，IEC61850规约的应用使得全站信息实现共享，为站域保护的应用提供了通讯基础。站域保护采集智能变电站内所有间隔的模拟量、断路器、刀闸的开关量等实时信息，为智能变电站内所有的一次设备提供集中的近后备保护。与传统的继电保护相比，站域保护的关键价值在于对后备保护的完善。智能变电站中的主保护依然根据就地信息进行故障判断处理，以目前最常用的“直采直跳”方式跳闸。

1.1 保护设计理念不同

继电保护装置旨在反映被保护元件的故障状态或不正常运行状态，实现电力系统的安全稳定运行。传统的继电保护设计理念立足于被保护设备的角度，采集被保护设备的安装点量测信号，来进行决策和判断；站域保护基于全局视角，立足于智能变电站的信息交互和共享机制，根据划分的冗余信息应用范围，使用多信息融合算法来实现故障识别，结合设计优化逻辑策略实现断路器跳闸，从而快速可靠切除变电站各一次设备保护范围内的故障。

传统的继电保护由于缺乏全局性的综合视角，因此当保护采集到的有效信息不足时难以给出最优判断，因此，传统的继电保护在难以判断信息有效性时多选择牺牲保护范围，即闭锁保护的方式来应对。例如，当出现一侧电流互感器断线时，传统的变压器差动保护为了避免误动而选择退出运行；站域保护基于全局视角，基于全站信息共享，引入了多源信息融合技术，从而能够将差动保护的范围扩大到站内的相应母线，使得变压器保护不致于失去主保护。

1.3 整定配合不同

传统的继电保护后备保护以距离保护和过流保护为主，均为阶段式保护的配合，上下级保护之间通过动作时间和动作值整定来确保选择性，因此，在某些复杂情况下，可能需要长达数秒的动作延时，当主保护因故失去时，后备保护的切除较慢，不利于故障的快速恢复，还存在着扩大故障范围的可能。站域保护通过多源信息来改善后备保护性能，无需复杂的整定配合规则，能够以尽可能快的速度动作切除故障，具有较强的适应性。

2.电力系统站域保护的保护算法分析

根据上文所述，电力系统站域保护能够显著改进后备保护的动作性能，在智能电网中的应用具有较大优势。目前，电力系统站域保护的保护算法尚在不断发展与成熟过程中。整体来讲，站域保护有数据采集和计算模块、故障位置判别模块、保护跳闸决策模块等3个功能模块。

2.1 数据采集和计算模块

数据采集模块通过IEC61850规约采集并计算站域保护所需要的各类信息，包括智能变电站中的电压电流等模拟量和断路器开关位置等状态栏信息。

2.2 故障位置判别模块

故障位置判别模块是站域保护的核心模块，利用采集到的各类故障方向信息和故障距离信息来进行故障位置判别。目前，常见的故障位置判别算法有：

2.2.1基于故障电压分布的故障位置判别

基于IEC61850通信规约，站域保护能够同时获得系统两侧的电压故障分量，并通过其中一侧的电压和电流故障分量来估算另一侧的电压故障分量，如果两侧的电压故障分量一致，则属于区外故障；如果预估的另一侧电压故障分量与本次的实测值相差较大，则属于区内故障，这种算法对于边界元件的故障识别具备良好的适应性，是目前站域保护内常用的一种保护算法。

2.2.2基于遗传信息融合技术的故障位置判别

遗传信息技术属于近年来兴起的人工智能技术，站域保护以故障方向为遗传算法的处理对象，结合其它多种保护判据信息和状态判别方法，分析当前状态值与保护期望值之间的差异，建立差异构造极大值的适应度函数，利用遗传信息技术的快速搜索和收敛判据寻找函数的最优解，实现故障方向决策和故障元件判别。基于遗传信息融合技术的故障位置判别具有较高的容错性和可靠度，增强了保护的大范围抗干扰能力，能够准确定位故障，不过人工智能技术尚不成熟，工程实用性需要进一步考察。

2.3 跳闸决策模块

站域保护完成故障位置判别和定位逻辑判断后，将判断结果以GOOSE报文的形式，通过智能变电站的过程层网络将跳闸策略发送到相应间隔的智能终端，执行跳闸决策，跳开故障元件，将系统内故障切除。目前，站域保护的跳闸方式有利用动作时限进行跳闸配合、根据故障识别的跳闸决策等。

3.电力系统站域保护的应用

目前，包括南瑞、南自、许继等在内的继电保护厂家都开始了对站域保护的研究，并有相应的产品推出，站域保护目前主要应用于智能变电站的后备保护中。如下图1为一个典型的变电站站域保护控制系统图：

该站域保护集成母差保护、变压器保护、线路保护、断路器失灵保护和低频低压减载等功能于一体，对变电站各元件保护范围内的故障，均应该正确动作，包括110kV线路保护，母联（分段）过流保护、断路器失灵保护、加速后备保护、简易母线保护、低周低压减载、备自投、主变过负荷联切、互感器断线等。

4.结语

随着我国电网输电等级不断升高、网架结构日益复杂、系统交直流互联发展，以站域保护为代表的广域保护与控制技术不断发展，成为确保大电网安全稳定性的有效手段，站域保护有利于克服传统保护的局限性，是未来继电保护技术的发展方向之一。