基于保护智能中心的广域后备保护系统及方法
【专利摘要】一种基于保护智能中心的广域后备保护系统及方法，该系统包括包括采集多个变电站开关量的GOOSE网，采集变电站电气量的采样值网络，与GOOSE网和采样值网络连接的继电保护单元，与继电保护单元通过广域网连接的保护智能中心，还包括和变电站的互感器连接的合并单元；合并单元将互感器测量的电气量进行合并和同步处理，并将处理后的电气量通过采样值网络发送给继电保护单元，变电站的开关量通过GOOSE网发送给继电保护单元，继电保护单元由所得电气量计算出故障方向，然后将收到的开关量和计算得到的故障方向通过广域网传递给保护智能中心，由保护智能中心决策出故障位置并下发跳闸命令；本发明与电网的结构、故障类型无关，动作速度快，可靠性高，自适应性强。
【专利说明】基于保护智能中心的广域后备保护系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及电力系统【技术领域】，具体设及一种基于保护智能中屯、的广域后备保护 系统及方法。
【背景技术】
[000引 1997 年，瑞典学者 Be;rtillngelesso 在 IE邸上发表的《Wide Areas Protection Against Voltage Collapse》一文中首次提出广域保护的概念，用来预防互联电网的长期 电压崩溃，在1996年美国大停电、2003年夏季美加互联电网崩溃事故相继发生后，人们意 识到应从整体的角度加强继电保护和安全装置间的配合。随着国家智能电网建设的发展， 分布式电源的接入，各大区域电网逐渐互联，电网结构愈加复杂，电网的自愈性特征将对继 电保护的选择性、可靠性、灵敏性及速动性提出更高的要求。而传统的后备保护主要是由基 于单端量的阶段式距离保护或零序过流保护构成的，反应的只是系统中某点或局部区域有 限的运行状态，相互之间缺乏协调配合，无法解决设备切除后潮流大范围转移造成的影响， 而且传统的后备保护是通过定值和时限的配合来保证选择性，所W随着电网结构和运行方 式的变化，存在整定困难，动作延时长，故障影响范围大，躲负荷能力差等缺陷，甚至出现保 护失配或灵敏度不足的情况。因此，广域保护受到更多学者的关注。
[0003] 随着计算机处理技术与通信技术的飞速发展，W太网正逐步取代工业控制的现场 总线，变电站内架设了基于W太网的变电站局域网，许多高压变电站还铺设了 SDH光纤环 网，将各变电站局域网连接起来形成电力系统广域网，相量测量单元（PMU)、广域测量系统 (WAM巧的广域通信系统的性能已经足W满足继电保护的标准，为广域保护的工程应用奠定 了良好的基础。
[0004] 目前，学者们对广域保护尚没有明确统一的定义，但通过对其特征及作用的分析， 可将广域保护的概念简述如下；将电力系统内的保护装置通过光纤互联，获得多点故障信 息，根据网络拓扑结构，利用不同算法进行故障定位，从而快速、可靠、精确的切除故障，并 分析故障切除后对系统安全稳定运行的影响，采取相应的策略确保电力系统的安全运行。
[0005] 由于电力系统中的元件对主保护快速性要求很高且现有主保护的保护性能相对 完善，而广域保护则需要通过多点信息交互和集中判断来实现，所W主要承担电力系统后 备保护的任务。
[0006] 在220?5(K)kv电网继电保护装置运行整定规程中规定，为了保证电力系统继电 保护的稳定性，所有运行设备（线路，母线，变压器）都必须由两套交、直流输入输出回路相 互独立，并分别控制不同断路器的继电保护装置进行保护。对于220kv W上的母线，变压器 或线路的后备保护担任母线保护的后备保护。对于220kv W上的线路一般采用近后备保护 方式，即当故障元件的一套继电保护装置拒动时，由相互独立的另一套保护动作切除故障， 而当断路器拒动时，起动断路器失灵保护，断开与故障元件所接入母线相连的所有其他连 接电源的断路器。有条件时可采用远后备保护方式，即故障元件所对应的保护装置或断路 器拒动时，由电源侧最邻近故障元件的上一级继电保护装置动作切除故障。
【发明内容】
[0007] 为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目在于提供一种基于保护智能中 屯、的广域后备保护系统及方法，能够对广域网内所有电力元件提供后备保护，特别是实现 站间联络线的快速近后备保护，与电网的具体结构无关，且不敏感于故障类型，过渡电阻， 故障初始角和电源配置，动作速度快，可靠性高，结构简单，自适应性强。
[000引为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
[0009] 基于保护智能中屯、的广域后备保护系统，包括采集多个变电站开关量的GOOSE 网，采集变电站电气量的采样值网络，与GOOSE网和采样值网络连接的继电保护单元，与继 电保护单元通过广域网连接的保护智能中屯、，还包括和变电站的电流互感器和电压互感器 连接的合并单元，所述的合并单元将电流互感器和电压互感器测量的电气量进行合并和同 步处理，并将处理后的数字电气量通过采样值网络发送给继电保护单元，变电站的开关量 通过GOOSE网发送给继电保护单元，继电保护单元由所得电气量计算出故障方向，然后将 收到的开关量和计算得到的故障方向通过广域网传递给保护智能中屯、，由保护智能中屯、决 策出故障位置并下发跳闽命令。
[0010] 所述继电保护单元包括和变电站内合并单元依次连接的故障检测模块、信号处理 模块和故障位置判别模块，还包括与信号处理模块和故障位置判别模块通信连接的通信模 块，和故障位置判别模块连接的跳闽决策模块，所述跳闽决策模块和变电站内的断路器连 接。
[0011] 所述保护智能中屯、只收集经过各变电站处理过的故障信息，并非各变电站出线上 的电压和电流值。
[0012] 上述保护系统进行广域后备保护的方法，所述的合并单元将电流互感器和电压互 感器传输的电气量进行合并和同步处理并通过采样值网络传递给故障检测模块，故障检测 模块根据处理后的电气量判断是否有故障发生，若有故障发生，则将故障信息传递给信号 处理模块，由信号处理模块计算故障方向，将故障方向传递给故障位置判别模块，故障位置 判别模块决策出故障元件位置，然后将故障元件位置传递给跳闽决策模块，跳闽决策模块 跳开变电站内故障元件对应的断路器，所述通信模块将信号处理模块计算出的故障方向信 息及故障位置判别模块决策处的故障位置通过广域网传递给保护智能中屯、，由保护智能中 屯、通过故障定位算法决策出故障位置，作为变电站内继电保护单元的冗余保护。
[0013] 所述故障定位算法包括如下步骤：
[0014] 步骤1 ;保护智能中屯、通过广域网收集广域保护范围内断路器的状态，确定待保 护电力系统的网络拓扑结构，从而形成母线-线路关联矩阵，该关联矩阵的行分别对应变 电站母线，列分别对应变电站母线联络线，元素为对应的断路器编号，若变电站母线联络线 与变电站母线不直接相连，则填入元素0 ;
[0015] 步骤2 ;保护智能中屯、统计母线-线路关联矩阵中各行非零元素个数之和记为Ni， 其中i为行号，并将Ni存储于保护智能中屯、内；故障发生后，各变电站内继电保护单元向保 护智能中屯、上传故障方向信息，根据故障方向逻辑信息对母线-线路关联矩阵各行各列赋 逻辑值得到母线-线路关联状态矩阵，再分别按列求和得出广域保护范围内各变电站母线 联络线的故障特征值Ai，按行求和得出广域保护范围内各变电站母线的故障特征值町，将 Ai和B i分别与2和-N i相比较，判别出故障发生位置，若判断出的故障发生位置为变电站母 线联络线，则在母线-线路关联矩阵中捜索故障变电站母线联络线所在的列对应的断路器 编号，并延时跳开该断路器，若判断出的故障发生位置为变电站母线，则在母线-线路关联 矩阵中捜索故障变电站母线所在的行对应的断路器编号，并延时跳开该断路器，实现不经 整定的快速近后备保护。
[0016] 和现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0017] 1、不再仅针对单一的系统元件，而是利用电力系统中多点信息，给一定区域内的 所有元件提供后备保护，从而避免了继电保护装置时间定值上的复杂整定过程，且对于电 力系统不同运行方式有良好的自适应性。
[0018] 2、保护智能中屯、只收集经过各变电站处理过的故障信息，且各变电站之间不存在 信息交互，减少电力系统中信息的交流量。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1是本发明保护系统结构图。
[0020] 图2是本发明保护系统应用示意图。
[0021] 图3是继电保护单元结构图。
[0022] 图4是故障定位算法流程图。
[0023] 图5是本发明实施例中kl点短路结构图。
[0024] 图6是本发明实施例中k2点短路结构图。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0026] 如图1和图2所示，本发明基于保护智能中屯、的广域后备保护系统，包括采集多个 变电站开关量的GOOSE网，采集变电站电气量的采样值网络，与GOOSE网和采样值网络连接 的继电保护单元，与继电保护单元通过广域网连接的保护智能中屯、，还包括和变电站的电 流互感器和电压互感器连接的合并单元，所述的合并单元将电流互感器和电压互感器测量 的电气量进行合并和同步处理，并将处理后的数字电气量通过采样值网络发送给继电保护 单元，变电站的开关量通过GOOSE网发送给继电保护单元，继电保护单元由所得电气量计 算出故障方向，然后将收到的开关量和计算得到的故障方向通过广域网传递给保护智能中 屯、，由保护智能中屯、决策出故障位置并下发跳闽命令。
[0027] 下面对本发明系统各单元进行详细说明：
[002引合并单元（Merging化it, MU)是针对与数字化输出的电子式互感器连接而在 IEC60044-8中首次定义的，其功能是用来对一次互感器传输过来的电气量进行合并和同步 处理，并将处理后的数字信号按照特定的格式转发送给保护、测控设备。合并单元与二次设 备的接口是串行单向多路点对点连接，它将7个（3个测量，3个保护，1个备用）W上的电 流互感器和5个（3个测量、保护，1个母线，1个备用）W上的电压互感器合并为一个单元 组，然后将输出的瞬时数字信号填入到同一个数据帖中。其实现过程为；接收站端同步时钟 输入信号，然后向高压侧各路A/D发送同步转换信号，对高压侧采集的数据进行转换处理， 最后通过W太网卡接口传递给二次设备。
[0029] 广域网作为数字化变电站通信的重要设备，它不仅仅连接有关键的接口单元和继 电保护单元，也有大量的其他设备，如通信网关，人机接口和GI^S时钟等。网络中使用标准 的通信协议能够使不同制造厂商制造的智能设备更易于接入系统。网络传感器通过接口单 元被连接在一起，而不是像传统保护里直接连接到继电器上。相当数量的电流和电压互感 器能够连接到接口单元。接口单元通过多路点对点的方式向继电保护装置提供时序连贯的 电压和电流数据。同时，光纤网络也会接收从继电保护发出的跳闽命令并发送到相应的断 路器执行。
[0030] 继电保护单元安装在各变电站内，收集变电站内出线上的同步电气信息，主保护 状态及断路器动作信息，判断站内是否有故障发生，计算变电站各元件处故障的方向，并将 各元件处的故障方向发送到保护智能中屯、，作为广域后备保护判别的基础。
[0031] 保护智能中屯、收集一定范围内的各变电站继电器单元的处理结果，经过相关广域 后备保护算法即可确定出故障元件位置并做出跳闽决策发给相应变电站的智能开关设备 来执行，实现广域范围内所有元件的后备保护。保护智能中屯、只需配备通信模块，故障位置 计算和跳闽决策模块，自身不需要对各变电站出线上的基本电气信号进行运算处理，只收 集由各变电站继电保护单元处理过的信息，从而降低对保护智能中屯、的运算能力的要求， 同时也减轻了通信压力。
[0032] 基于保护智能中屯、的广域后备保护不同于传统的后备保护配置，不再仅针对单一 的系统元件，而是利用电力系统中多点信息，给一定区域内的所有元件提供后备保护，从而 避免了继电保护装置时间定值上的复杂整定过程，且对于电力系统不同运行方式有良好的 自适应性。
[0033] 如图3所示，所述继电保护单元包括和变电站内合并单元依次连接的故障检测模 块、信号处理模块和故障位置判别模块，还包括与信号处理模块和故障位置判别模块通信 连接的通信模块，和故障位置判别模块连接的跳闽决策模块，所述跳闽决策模块和变电站 内的断路器连接。
[0034] 下面对继电保护单元各模块进行详细说明：
[0035] 故障检测模块：在全网统一时钟GI^S下，通过合并单元实时采集本变电站内元件 的电压电流信息，通过故障检测模块中的故障启动和选相元件判断是否有故障发生。
[0036] 信号处理模块：在故障启动元件动作后，由采集的电压电流信息计算出站内各个 元件的故障方向信息并收集本变电站站内断路器动作信息及主保护动作状态。
[0037] 通信模块；保护智能中屯、通过广域网收集本广域后备保护范围内变电站继电保护 单元发送的母线-线路关联状态矩阵的故障方向信息，W及故障元件的主保护动作信号和 断路器状态。
[003引故障方向判别模块；利用本变电站元件的电压、电流信息计算故障发生在本元件 的正方向还是反方向（电压电流相位差或距离算法），利用现有算法确定故障位置，提高故 障方向判别的可靠性。
[0039] 跳闽执行模块：在故障方向判别模块判为正方向故障并且收到保护智能中屯、的跳 闽信息后，结合断路器状态及主保护动作信号执行相应的跳闽策略。
[0040] 本发明保护智能中屯、只收集经过各变电站处理过的故障信息，一般为逻辑信号， 如方向元件的判别结果或故障检测结果，并非各变电站出线上的电压和电流值。一方面减 少了保护智能中屯、与各变电站间的信息交流量，舒缓了通信压力，另一方面也降低了保护 智能中屯、对大量信息的处理能力，避免发生"维数灾"。
[0041] 如图2和图3所示，本发明系统进行广域后备保护的方法，所述的合并单元将电流 互感器和电压互感器传输的电气量进行合并和同步处理并通过采样值网络传递给故障检 测模块，故障检测模块根据处理后的电气量判断是否有故障发生，若有故障发生，则将故障 信息传递给信号处理模块，由信号处理模块计算故障方向，将故障方向传递给故障位置判 别模块，故障位置判别模块决策出故障元件位置，然后将故障元件位置传递给跳闽决策模 块，跳闽决策模块跳开变电站内故障元件对应的断路器，所述通信模块将信号处理模块计 算出的故障方向信息及故障位置判别模块决策处的故障位置通过广域网传递给保护智能 中屯、，由保护智能中屯、通过故障定位算法决策出故障位置，作为变电站内继电保护单元的 冗余保护。
[0042] 如图4所示，故障定位算法包括如下步骤：
[0043] 步骤1 ;保护智能中屯、通过广域网收集广域保护范围内断路器的状态，确定待保 护电力系统的网络拓扑结构，从而形成母线-线路关联矩阵，该关联矩阵的行分别对应变 电站母线，列分别对应变电站母线联络线，矩阵元素为对应的断路器编号，若变电站母线联 络线与变电站母线不直接相连，则填入元素0 ;
[0044] 步骤2 ;保护智能中屯、统计母线-线路关联矩阵中各行非零元素个数之和记为Ni， 其中i为行号，并将Ni存储于保护智能中屯、内；故障发生后，各变电站内继电保护单元向 保护智能中屯、上传故障方向信息，根据故障方向逻辑信息对母线-线路关联矩阵各行各列 赋逻辑值得到母线-线路关联状态矩阵，再分别按列求和得出广域保护范围内各变电站母 线联络线的故障特征值Ai，按行求和得出广域保护范围内各变电站母线的故障特征值町， 将Ai和B i分别与2和-N i相比较，判别出故障发生位置，若判断出的故障发生位置为变电 站母线联络线故障，则在母线-线路关联矩阵中捜索故障变电站母线联络线所在的列对应 的断路器编号，并延时跳开该断路器，若判断出的故障发生位置为变电站母线故障，则在母 线-线路关联矩阵中捜索故障变电站母线所在的行对应的断路器编号，并延时跳开该断路 器，实现不经整定的快速近后备保护。
[0045] 实施例；
[0046] (1).关于对应安装在各断路器保护处的方向元件D输出的定义。定义方向元件的 正方向为流出母线。目前方向元件多由电压电流相位差或阻抗继电器构成。每个方向元件 D的输出值有S种可能；
[0047]
【权利要求】
1. 基于保护智能中心的广域后备保护系统，其特征在于：包括采集多个变电站开关量 的GOOSE网，采集变电站电气量的采样值网络，与GOOSE网和采样值网络连接的继电保护 单元，与继电保护单元通过广域网连接的保护智能中心，还包括和变电站的电流互感器和 电压互感器连接的合并单元；所述的合并单元将电流互感器和电压互感器测量的电气量进 行合并和同步处理，并将处理后的数字电气量通过采样值网络发送给继电保护单元，变电 站的开关量通过GOOSE网发送给继电保护单元，继电保护单元由所得电气量计算出故障方 向，然后将收到的开关量和计算得到的故障方向通过广域网传递给保护智能中心，由保护 智能中心决策出故障位置并下发跳闸命令。
2. 根据权利要求1所述的基于保护智能中心的广域后备保护系统，其特征在于：所述 继电保护单元包括和变电站内合并单元依次连接的故障检测模块、信号处理模块和故障位 置判别模块，还包括与信号处理模块和故障位置判别模块通信连接的通信模块，和故障位 置判别模块连接的跳闸决策模块，所述跳闸决策模块和变电站内的断路器连接。
3. 根据权利要求1所述的基于保护智能中心的广域后备保护系统，其特征在于：所述 保护智能中心只收集经过各变电站处理过的故障信息，并非各变电站出线上的电压和电流 值，且变电站之间无需信息交互。
4. 权利要求2所述保护系统进行广域后备保护的方法，其特征在于：所述的合并单元 将电流互感器和电压互感器传输的电气量进行合并和同步处理并通过采样值网络传递给 故障检测模块，故障检测模块根据处理后的电气量判断是否有故障发生，若有故障发生，则 将故障信息传递给信号处理模块，由信号处理模块计算故障方向，将故障方向传递给故障 位置判别模块，故障位置判别模块决策出故障元件位置，然后将故障元件位置传递给跳闸 决策模块，跳闸决策模块跳开变电站内故障元件对应的断路器，所述通信模块将信号处理 模块计算出的故障方向信息及故障位置判别模块决策处的故障位置通过广域网传递给保 护智能中心，由保护智能中心通过故障定位算法决策出故障位置，作为变电站内继电保护 单元的冗余保护。
5. 根据权利要求4所述的进行广域后备保护的方法，其特征在于：所述故障定位算法 包括如下步骤： 步骤1 :保护智能中心通过广域网收集广域保护范围内断路器的状态，确定待保护电 力系统的网络拓扑结构，从而形成母线-线路关联矩阵，该关联矩阵的行分别对应变电站 母线，列分别对应变电站母线联络线，矩阵元素为对应的断路器编号，若变电站母线联络线 与变电站母线不直接相连，则填入元素〇 ; 步骤2 :保护智能中心统计母线-线路关联矩阵中各行非零元素个数之和记为队，其中 i为行号，并将队存储于保护智能中心内；故障发生后，各变电站内继电保护单元向保护智 能中心上传故障方向信息，根据故障方向逻辑信息对母线-线路关联矩阵各行各列赋逻辑 值得到母线-线路关联状态矩阵，再分别按列求和得出广域保护范围内各变电站母线联络 线的故障特征值A，按行求和得出广域保护范围内各变电站母线的故障特征值&，将化和 Bi分别与2和-N ,相比较，判别出故障发生位置，若判断出的故障发生位置为变电站母线联 络线故障，则在母线-线路关联矩阵中搜索故障变电站母线联络线所在的列对应的断路器 编号，并延时跳开该断路器，若判断出的故障发生位置为变电站母线故障，则在母线-线路 关联矩阵中搜索故障变电站母线所在的行对应的断路器编号，并延时跳开该断路器，实现 不经整定的快速近后备保护。
【文档编号】H02J13/00GK104485736SQ201410640527
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年11月13日 优先权日:2014年11月13日
【发明者】张保会, 薄志谦, 郝治国, 张鹭 申请人:西安交通大学, 许继集团有限公司