一种基于IEC61850的区域电网数据共享的保护系统.pdf

本发明公开了一种基于IEC61850的数据共享式区域保护系统。该系统是基于高速数据通讯网络，考虑将关联紧密的若干条线路作为一个区域，区域内的各智能保护装置通过光纤互联，采用GPS同步数据，信息共享，构建新型保护系统。这种保护系统，它利用了多个点共享同步信息，系统发生故障时能准确判断故障的位置，在通信正常时保护动作具有绝对选择性；主保护拒动或断路器失灵时能根据被保护的电力系统拓扑结构以及故障线路位置，筛选出需作为后备保护动作的保护单元，区域智能后备保护比传统后备保护动作时间短并且有更好的选择性，

1、  一种基于IEC61850的区域电网数据共享的保护系统，所述保护系统由若干个站点组成，各站点之间通过光纤以太网进行通信，同步进行数据采集，共享采集数据，其中所述站点包括变电站和发电厂；其特征在于，
各个站点的站内系统的过程总线由光纤以太网构成，用于合并单元、智能操作箱与智能保护装置之间的数据通信；
合并单元实现对电网电压、电流以及开关量的同步测量，并将测量数据发送到过程总线上；
GPS授时装置对站内系统所有的合并单元与智能操作箱进行授时，确保智能保护装置从过程总线上获取合并单元上送的所述同步测量数据以及智能操作箱上送的开关量信息都带有GPS同步时标；
智能保护装置计算本站点内的电网电压、电流的幅值、相位、频率信息，通过所述光纤以太网将所计算的本站点内的电网电压、电流的幅值、相位和频率信息以及测量到的同步测量数据连同计算时刻的GPS时间信息传送到其他站点；智能保护装置根据本站点的同步测量数据和共享的其他站点的信息数据进行计算和分析以判断被保护的电网是否发生了异常和故障，进而根据判断的结果和电网的综合信息生成相应的控制命令，通过网络下达给相应的智能操作箱，确保该保护系统快速可靠的切除故障；同时实时存储收集到的数据，并记录下达给智能操作箱的各种命令和发出的其他信息，以备日后查询分析。

2、  根据权利要求1所述的保护系统，其特征在于：
所述站内系统的智能保护装置包括智能保护主机和智能保护从机，按照继电保护标准要求进行双重化配置，任意智能保护主机和智能保护从机判断到电网故障，都可以快速地发出跳闸命令，确保变电站集成保护系统可以快速可靠的切除故障；
所述站内系统的合并单元的采样率为每周波80点，采样的通信协议为IEC61850-9-2，通过该协议，合并单元将采集到的模拟量信息发送到过程总线上；
所述站内系统的智能操作箱与智能保护装置之间的通信协议为GOOSE。

3、  根据权利要求1或2所述的保护系统，其特征在于：
对于区域电网内线路保护，保护系统采用差动保护技术进行故障判定，对于具有分支的线路，将距离本区域电网系统的电源最近的分支的一端作为差动保护的一侧，将其它分支的电流做相量和计算后作为差动保护的另外一侧，将两侧电流的相量和的幅值作为差动电流，将两侧电流相量差的幅值作为制动电流，采用比率制动特性进行判定；由于数据共享，智能保护可以将区域内所有线路同时使用差动保护技术来判定，准确判定故障线路；当发生电流互感器断线时，根据控制字的设置来决定是否闭锁差动保护。

4、  根据权利要求3所述的保护系统，其特征在于：
当所述区域电网中某条线路因过负荷或者故障导致该线路退出运行，该线路所属站点中的智能保护装置自动提高同一功率断面的过负荷电流定值和时间定值，从而避免连锁跳闸事故。

5、  根据权利要求1或2所述的保护系统，其特征在于：
当所述区域电网的电力系统频率低于预定值或者系统电压低于预定值时，切除部分负荷以防止电压崩溃和频率崩溃，所述智能保护装置根据获得的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，按照预先设定的策略选择最优的切负荷方式。

6、  根据权利要求5所述的保护控制系统，其特征在于：
当所述系统电压低于预定值时，启动低压减载，选择电压最低的母线，然后在该母线上切除负荷级别最低的线路；
重新核算电网内所有母线的电压，再次选择电压最低的母线，切除该母线上负荷级别最低的线路；
重复以上步骤，直到系统电压恢复到允许范围。

7、  根据权利要求5所述的保护系统，其特征在于：
当所述系统频率低于预定值时，启动低频减载，选择频率最低的母线，然后在该母线上切除负荷级别最低的线路；
重新核算电网内所有母线的频率，再次选择频率最低的母线，切除该母线上负荷级别最低的线路；
重复以上步骤，直到系统频率恢复到允许范围。

8、  根据权利要求1或2所述的保护系统，其特征在于：
当所述站点智能保护装置检测并判断到线路发生故障时，通过所述光纤以太网络向相应的智能操作箱发跳闸令跳开故障线路各侧断路器，经过设定延时后，如果故障线路还有电流，则认为该断路器失灵，则通过网络向相应智能操作箱发跳令跳开该故障线路上一级的断路器，避免事故的进一步扩大。

9、  根据权利要求1或所述的保护控制系统，其特征在于：
所述站点与站点之间的光纤以太网通过电力系统的2M带宽的专用数据通道进行通信，由于数据共享，区域内任意站点都可以判定整个区域内的故障状态，按照预先设定的主备方案执行控制指令。

一种基于IEC61850的区域电网数据共享的保护系统
技术领域
本发明属于电力系统继电保护和安全控制技术领域，特别涉及一种基于IEC61850的区域电网电气量和状态量信息共享的继电保护和安全控制系统和方法。
背景技术
随着电网互联及电力市场的发展，电力系统将日渐接近其运行极限，其运行和控制将更为复杂，发生扰动和故障的可能性更大，后果也更严重，这对稳定控制提出了更高的要求。
常规的继电保护用于在电力系统发生故障后实现对故障元件的自动和快速切除、隔离故障，以保证人身和设备安全以及无故障部分的正常运行。现有的继电保护和安全自动装置不能适应电力系统发展的要求，主要问题如下：
保护动作判据都是基于本地测量数据，其选择性要求继电保护只能保护本地网络，没有考虑故障对整个电网的影响，难以对运行方式的不断变化的客观系统作出全面的反映。保护装置相互之间缺乏有效的协调，难以实现系统全局的安全稳定运行，在某些情况下(如发生连锁故障)会恶化系统的运行状况。在高负荷时期，这些关键的联络线上的传输功率可能接近输送功率极限。这种情况下运行的系统抗扰动的能力大大降低，很容易因为一条联络线发生偶然事故断开造成其余线路过负荷而相继断开，从而使事故蔓延，甚至造成系统崩溃。美国8.14大停电事故最初就是从几条线路相继断开开始的。
常规的后备保护虽然有比较大的保护范围，但其选择性的获得要以牺牲快速性为代价，动作时间过长，有时候难以发挥应有的保护作用。现有的继电保护配置当中，后备保护的时限整定遵循阶梯时限原则，为了保证选择性，后备保护的动作时限可能高达数秒。在电网规模和复杂程度越来越大的情况下，这一问题越显突出，至今仍无法很好的解决。
安全自动装置的主要作用是维护电网的安全稳定运行，在紧急情况下采取减负荷、切机以及系统解列运行等方式来避免电网崩溃而导致大停电事故。目前电力系统的安全自动装置和继电保护装置是两套独立的系统，二者之间缺乏有效的通信和配合，无法准确反映整个系统的变化情况。
随着计算机与网络通信技术的发展，特别是光纤的大量敷设，为获得区域电网多点电气量和状态量信息提供了必要的信息基础。同时，随着计算机处理能力的增强，为将继电保护系统和安全自动控制系统集成在一起提供硬件条件。IEC61850标准是国际电工委员会(IEC)发布的变电站自动化系统标准。中国已经从标准研究阶段过渡到工程应用阶段，并已有多个基于IEC61850标准的变电站投入使用。IEC61850标准代表了变电站自动化技术的发展方向。
采用IEC61850标准后，变电站的所有信息都可以通过网络进行传递和共享，使得继电保护装置可以获得更多的信息，从而为新型继电保护原理的应用创造必要的条件。但对于在IEC61850标准体系下如何构建继电保护系统尚未有明确的技术方案。传统的继电保护系统是面向电力元件的，诸如线路保护、变压器保护、母线保护、发电机保护、电动机保护等等。各个保护设备之间缺乏有效的信息沟通和信息共享，使得传统的继电保护系统常常顾此失彼，难以满足日益增长的电力系统的要求。基于区域电网里面的数字化变电站的数据化信息的区域智能保护是未来继电保护技术的发展方向。
发明内容
本发明提出了一种基于IEC61850的区域电网电气量和状态量信息共享的保护控制系统。该系统可以完成区域电网的线路保护、失灵保护功能以及低频减载、低压减载功能。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于IEC61850的区域电网数据共享的保护系统，该系统由若干个站点即变电站和发电厂组成，各站点之间通过光纤以太网进行通信，同步进行数据采集，共享采集数据；其特征在于，
各个站点的站内系统的过程总线由光纤以太网构成，用于合并单元、智能操作箱与智能保护装置之间的数据通信；
合并单元实现对电网电压、电流、以及开关量的同步测量，并将测量数据发送到过程总线上；
GPS授时装置对站内系统所有的合并单元与智能操作箱进行授时，确保智能保护装置从过程总线上获取合并单元上送的模拟量信息(即同步测量数据信息)以及智能操作箱上送的开关量信息都带有GPS同步时标；
智能保护装置计算本站点内的电网电压、电流的幅值、相位、频率信息，通过所述光纤以太网将所计算的本站点内的电网电压、电流的幅值、相位和频率信息以及测量到的状态量数据连同计算时刻的GPS时间信息传送到其他站点；智能保护装置根据本站点数据和共享的其他站点的信息数据进行计算和分析以判断被保护的电网是否发生了异常和故障，进而根据判断的结果和电网的综合信息生成相应的控制命令，通过网络下达给相应的智能操作箱，确保该保护系统快速可靠的切除故障；同时实时存储收集到的数据，并记录下达给智能操作箱的各种命令和发出的其他信息，以备日后查询分析。
所述站内系统的合并单元的采样率为每周波80点，采样的通信协议为IEC61850-9-2(特定通信服务映射(SCSM)通过ISO/IEC 8802-3的采样值标准)，通过该协议，合并单元将采集到的模拟量信息发送到过程总线上。
所述站内系统的智能操作箱与保护主机之间的通信协议为GOOSE(面向通用对象的变电站事件)，所有配置好的信息(如跳闸、互锁、断路器状态)能在过程总线上传输；智能操作箱A和智能操作箱B是功能完全相同的装置，任意装置收到保护主机的跳闸命令都可以去执行相应的跳闸操作。
所述站内系统的智能保护主机和智能保护从机可以按照国内继电保护标准要求的双重化配置，任意智能保护主机和从机检测到故障，都可以快速地发出跳闸命令，确保变电站集成保护系统可以快速可靠的切除故障。
本发明是基于区域电网电气量和状态量信息共享的控制系统和控制方法，其综合判断电力系统是否发生了故障和异常。采用分相电流差动作为线路的后备保护，避免了传统的线路后备保护采用距离保护整定困难和动作时间较长的问题。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定值，解决了传统继电保护无法解决的连锁跳闸的难题。本发明可以获得整个区域电网的电压和频率情况，可以综合考虑整个电网拓扑结构，选择最优的切负荷方式，从而尽快地恢复电网稳定运行。在开关拒动的情况下，本发明可以快速的给拒动开关相邻节点的开关发出跳闸命令，避免事故的扩大。可以明显地提升继电保护和安全自动装置的功效，保证电网的安全稳定运行。
附图说明
图1所示为本发明的区域电网数据共享的保护系统结构示意图；
图2所示为变电站站内系统配置结构图。
具体实施方式
下面根据说明书附图对本发明的技术方案作进一步详细表述。
本发明的基于IEC61850的区域电网数据共享保护系统由若干站点组成，各站点之间通过网络进行通信，整个系统结构如附图1所示。区域电网由若干个站点、即变电站和发电厂组成，各站点之间通过网络进行通信，共享采集数据。智能保护装置具有数据采集模块，利用GPS卫星同步时钟实现对电网电压、电流以及状态量的同步测量，并计算电网电压、电流的幅值、相位、频率信息，通过所述网络将所计算的电网电压、电流的幅值、相位和频率信息以及测量到的状态量数据连同计算时刻的GPS时间信息传送到其他站点。
图2所示为变电站站内系统配置结构图，所述的站内系统的过程总线由光纤以太网构成，用于合并单元、智能操作箱与智能保护之间的数据通信。GPS授时装置对变电站内所有的合并单元与智能操作箱进行授时，确保智能保护获取的模拟量和开关量都是带有GPS同步时标的。智能主保护和智能后备保护从过程总线上获取合并单元上送的模拟量信息以及智能操作箱上送的开关量信息。
区域电网内各站点之间通过电力系统的2M带宽的专用数据通道进行通信。站内系统的过程总线由光纤以太网构成，用于合并单元、智能操作箱与智能保护之间的数据通信。GPS授时装置对变电站内所有的合并单元与智能操作箱进行授时，确保智能保护获取的模拟量和开关量都是带有GPS同步时标的。智能主保护和智能后备保护从过程总线上获取合并单元上送的模拟量信息以及智能操作箱上送的开关量信息。
合并单元的采样率为每周波80点，采样的通信协议为IEC61850-9-2(特定通信服务映射(SCSM)通过ISO/IEC 8802-3的采样值标准)，通过该协议，合并单元将采集到的模拟量信息发送到过程总线上。
智能操作箱与保护主机之间的通信协议为GOOSE(面向通用对象的变电站事件)，所有配置好的信息(如跳闸、互锁、断路器状态)能在过程总线上传输；智能操作箱A和智能操作箱B是功能完全相同的装置，任意装置收到保护主机的跳闸命令都可以去执行相应的跳闸操作。
所述站内系统的智能保护主机和智能保护从机可以按照国内继电保护标准要求的双重化配置，任意智能保护主机和从机检测到故障，都可以快速地发出跳闸命令，确保变电站集成保护系统可以快速可靠的切除故障。
智能保护装置安装在被保护的区域电网的变电站，合并单元利用高精度的GPS卫星同步时钟实现对电网电压、电流以及状态量的同步测量，并计算电网电压、电流的幅值、相位、频率信息，通过网络将所计算的电网电压、电流的幅值、相位和频率信息以及测量到的状态量数据连同计算时刻的GPS时间信息传送到其他站点；智能保护装置根据本机数据和共享的其他站点的信息数据进行计算和分析以判断被保护的电网是否发生了异常和故障，进而根据判断的结果和电网的综合信息生成相应的控制命令，通过网络下达给相应的智能执行装置；同时实时存储收集到的数据，并记录下达给智能执行装置的各种命令和发出的其他信息，以备日后查询分析。
智能保护装置每隔10ms进行一次相量计算，根据电压、电流的采样值用傅里叶算法计算得到电压、电流的幅值和相位以及频率。并把幅值、相位和频率计算结果以及断路器位置、刀闸位置等状态量连同计算时刻的GPS时间信息通过网络传送到其他站点的智能保护装置。
智能操作箱由电源插件、通信管理插件、开出插件、开入插件组成。智能执行装置的开入插件采集开关量，包括断路器跳合闸位置，刀闸位置。智能操作箱的开出插件接入到电力系统断路器的跳合闸回路，以实现对断路器的跳合闸操作。智能执行装置通过网络接收智能保护装置下达的GOOSE信息包括跳闸、合闸命令等，并把执行结果通过网络反馈给智能保护装置，同时把收到的GOOSE命令以报文的形式存储到智能执行装置中，以备日后查询。
本发明的保护和控制功能包括以下逻辑功能和步骤，各个功能模块相互独立，可以通过控制字进行投退。
作为线路保护，首先判断线路各侧的电流突变量元件是否启动，如果没有启动说明没有故障，如果突变量元件启动，智能保护采用传统的差动保护技术进行故障判定。对于具有分支的线路，将距离系统电源最近的一端作为一侧，将其它分支的电流做相量和计算作为另外一侧。两侧电流的相量和的幅值作为差动电流，两侧电流相量差的幅值作为制动电流，采用比率制动特性进行判定。当发生电流互感器断线时，可以根据控制字的设置是否闭锁差动保护。
自适应的过负荷保护功能。当某条线路因过负荷或者故障导致该线路退出运行，可能导致同一功率断面上的其他线路因过负荷跳闸退出运行，从而出现连锁故障。为避免连锁故障的发生，智能保护装置在某条线路跳闸后，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，从而避免连锁跳闸事故。
低频、低压切负荷功能。当系统发生频率低于预定值或者电压低于预定值时(该预定值为电网调度运行人员事先设定的)，切除部分负荷以防止电压崩溃和频率崩溃。智能保护装置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，本发明的智能保护装置优选以下切负荷策略：首先计算电网各个节点母线的电压和频率，对于低压减载保护，选择电压最低的母线，然后在该母线上切除负荷级别最低的线路；重新核算电网内所有母线的电压，再次选择电压最低的母线，切除该母线上负荷级别最低的线路；重复以上步骤，直到系统电压恢复到允许范围。
对于低频减载，选择频率最低的母线，然后在该母线上切除负荷级别最低的线路；重新核算电网内所有母线的频率，再次选择频率最低的母线，切除该母线上负荷级别最低的线路；重复以上步骤，直到系统频率恢复到允许范围。
当智能保护装置检测并判断到线路发生故障时，通过网络向相应的子站控制执行单元发跳闸令跳开故障线路各侧断路器，经过设定延时后，如果故障线路还有电流，则认为该断路器失灵，则通过网络向相应子站控制执行单元发跳令跳开该故障线路上一级的断路器，避免事故的进一步扩大。