云南電工技能培訓(xùn)：站域保護(hù)與控制
站域保護(hù)與控制
站域保護(hù)與控制基于智能變電站過程層與站控層網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)信息共享優(yōu)勢，綜合利用站內(nèi)多間隔線路、元件的電氣量、開關(guān)量信息，實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)的快速、準(zhǔn)確、可靠隔離，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)冗余后備保護(hù)、優(yōu)化后備保護(hù)及安全自動控制等功能，是站域的保護(hù)功能和安全自動裝置功能的一體化。站域保護(hù)與控制通過獲取多個(gè)間隔的電氣量和開關(guān)量信息，進(jìn)而充分利用這些信息形成面向多個(gè)間隔的保護(hù)與控制功能。由于所利用的信息更多，因此有可能構(gòu)建更為智能化的保護(hù)和控制功能。
1.站域保護(hù)的范圍及原理
站域保護(hù)的保護(hù)范圍和應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能與層次化保護(hù)體系的劃分密切相關(guān)，劃分的差異主要在于是否包含變電站的出線，即站域差動保護(hù)算法的范圍劃分。站域差動保護(hù)范圍應(yīng)包括站內(nèi)所有母線和變壓器元件，也可以包活變電站出線，還可以集成一些如線路過負(fù)荷聯(lián)切、低頻/低壓減載、備自投、重合用等自動裝置功能。
由于在層次化保護(hù)體系中，廣域保護(hù)作為站域保護(hù)上層決策中心支持更大的保護(hù)范圍，站域保護(hù)至少應(yīng)提供對變電站站內(nèi)設(shè)備及出線的后備保護(hù)功能，在主保護(hù)拒動或斷路器失靈情況下可靠跳閘，并提供廣域保護(hù)接口，作為子單元與廣域保護(hù)決策中心進(jìn)行信息交互，并可適當(dāng)集成備自投等站域控制功能。站域保護(hù)范圍的擴(kuò)大會導(dǎo)致保護(hù)快速性及可靠性的降低，在層次化保護(hù)體系中已有就地快速主保護(hù)，故站域保護(hù)作后備保護(hù)功能的適應(yīng)性較好。
站城保護(hù)的原理主要有網(wǎng)種;一種是利用電流差動原理實(shí)現(xiàn)保護(hù);另一種是利用方向信息實(shí)現(xiàn)保護(hù)，另外，還有利用分布式概念對保護(hù)功能進(jìn)行劃分的愿理、利用基于故障分量電流信息等新技術(shù)的站域保護(hù)方案。
（1）電流差動原理。電流差動保護(hù)原理以其具備天然的選相能力、完全的選擇性、較快的動作速度和不受系鏡振蕩影響等特點(diǎn)，主要作為主保護(hù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)保護(hù)中。電流差動原理需同步獲取變電站內(nèi)元件及出線的電流信息，同步的數(shù)據(jù)采集是制約其有實(shí)際工程應(yīng)用的關(guān)鍵因素，并且在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，交換機(jī)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)廷時(shí)也會影響保護(hù)的性能。
（2）方向信息。利用方向信息的站城保護(hù)原理在變電站所有線路上安裝方向元件，形成與一次設(shè)備關(guān)聯(lián)的方向矩陣信息，將故障狀態(tài)下的方向信息矩陣與正常狀態(tài)下的方向信息矩降進(jìn)行對比分析，即可定位放障元件。基于方向比較原理形感信息矩陣進(jìn)行故障定位，其算法實(shí)現(xiàn)簡單、動作速度快，具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，利用冗余信息增強(qiáng)了容錯(cuò)性能，在缺少某個(gè)方向元件的信息時(shí)仍具有良好的適應(yīng)性。
分布式的并行計(jì)算是計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的產(chǎn)物，分布式將一個(gè)整體的功能分割成多個(gè)獨(dú)立的小功能完成。綜合后得到最終結(jié)果。其他的站城保護(hù)方案多是由各元件保護(hù)機(jī)械集成、與傳飲的保護(hù)配置沒有本質(zhì)上的區(qū)別。
計(jì)對智能變電站開發(fā)實(shí)用化站域后備保護(hù)裝置，使得一臺后備保護(hù)裝置即可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的多臺后備保護(hù)裝置功能。在經(jīng)濟(jì)效益方面，若以取消化統(tǒng)后備保護(hù)裝置為前提;結(jié)域后備保護(hù)裝置配置于智能變電站中，大大減少了傳統(tǒng)的后備保護(hù)裝置數(shù)量，簡化了二次設(shè)備接線方式，降低了變電站規(guī)模及施工周期。提高了數(shù)率，節(jié)約了建設(shè)成本，后期維護(hù)工作量也會減少。
2. 站域保護(hù)的作用與功能
站城保護(hù)與控制裝置通過網(wǎng)絡(luò)接收電氣量采樣數(shù)據(jù)〈網(wǎng)采）;發(fā)出跳合閘等控制命令（阿跳》。站坡保護(hù)與控制裝置在智能變電站中的位置及對外信息交互如圖8-49所示，其采集全站過程層與站控層網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)信息，完成就地級保護(hù)的冗余后備、優(yōu)化后備及安全自動控制。同時(shí)具備獨(dú)立的通信接口，支持廣域通信，實(shí)現(xiàn)廣域保護(hù)控制系統(tǒng)的子站功能。
站域保護(hù)與控制裝置目前只用在220kV及以下電壓等級變電站的110kV及以下電壓等級側(cè)。每種功能均具備軟壓板進(jìn)行功能投退，根據(jù)運(yùn)行需求進(jìn)行功能選擇。
（1）冗余保護(hù)功能。站內(nèi)110kV及以下電壓等級單套配置的保護(hù)功能冗余，包括線路冗余保護(hù)功能、主變壓器冗余保護(hù)功能，母線冗余保護(hù)功能，分段保護(hù)功能，電容、電抗保護(hù)功能及站用變壓器保護(hù)功能。
（2）優(yōu)化后備保護(hù)功能。優(yōu)化后備保護(hù)功能包括;①結(jié)域保護(hù)控制對站內(nèi)斷路器狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)視，判別站內(nèi)接線拓?fù)洌纬煞从掣髟B接關(guān)系的關(guān)聯(lián)矩陣，識別拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，優(yōu)化保護(hù)功能;②基于多間隔數(shù)掘共享的保護(hù)功能優(yōu)化;③在單間隔采樣數(shù)據(jù)異常導(dǎo)致就地保護(hù)閉鎖時(shí)，通過多間隔采樣數(shù)據(jù)的共享，在站城保護(hù)控制裝置中進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能;④故障發(fā)生后，就地級保護(hù)在確定故障后瞬時(shí)發(fā)出切除故障的命令，站域保護(hù)在獲取相應(yīng)間隔的保護(hù)跳傭命令時(shí)監(jiān)視斷路器的狀態(tài)，經(jīng)一定廷時(shí)確定斷路器未跳開后，依據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖跳開相鄰的斷路器（失靈保護(hù)）;⑤優(yōu)化后各保護(hù)動作時(shí)間;⑤35kV及10kV母線保護(hù)。
（3）安全自動控制功能，安全自動控制功能包括低頻、低壓減載，站域備用電源自動投入，主變壓器過載聯(lián)切，負(fù)荷均分等自動控制功能。
（4）廣城保護(hù)控制的子站功能。完成廣越保護(hù)控制系使的子站功能，含站城保護(hù)控制信息的采集、處理及轉(zhuǎn)發(fā)功能;完成區(qū)域電網(wǎng)保護(hù)控制的子站功健。
需要說明，站域保護(hù)與控制裝置中冗余保護(hù)功能不含線路縱聯(lián)保護(hù)，原因是;①通道和對側(cè)設(shè)備不支持，若要支持需增加大量設(shè)備和工程量;②若含線路縱聯(lián)保護(hù)，站域保護(hù)會通過線路關(guān)聯(lián)多個(gè)站，復(fù)雜程度大大增加，影響范圍較大。
站域保護(hù)與控制裝置中不需要包含 10kV 間隔保護(hù)的冗余，原因是10kV 間隔采用傳統(tǒng)互感器和"六合一"裝置，無獨(dú)立的合并單元和智能終端。若站域保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)10kV間隔保護(hù)，其采樣和出口同樣要經(jīng)過"多合一"裝置。"多合一"裝置因故退出運(yùn)行時(shí)，站域保護(hù)起不到冗余作用。
站域保護(hù)與控制裝置中的冗余保護(hù)只包含對單套配置保護(hù)的冗余。若主變壓器保護(hù)已雙重化配置，站域保護(hù)控制裝置中不宜再配置冗余。若再冗余，會帶來三套保護(hù)的配合問題及三套保護(hù)與備用電源自動投人等其他設(shè)備的配合問題，增加了復(fù)雜性，也無必要。
另外，原有分散配置在分段保護(hù)或橋保護(hù)中的備用電源自動投人功能保留，與站域保護(hù)和控制裝置的集中備用電源自動投人互為備用，只授一套，防止站域保護(hù)檢修時(shí)企站備用電源自動投人失去;原有分散配置的10kV出線保護(hù)中若有低額、低壓，減載功能則保留，與站域保護(hù)和控制裝置的低頻、低壓減載互為備用，可只投一套、也可同時(shí)投、以防止站域保護(hù)檢修時(shí)，全站低頻低壓減載功能失去。
3.110kV線路保護(hù)與母聯(lián)（分段）冗余保護(hù)介紹
110kV線路就地級保護(hù)一般單套配置，當(dāng)因故退出運(yùn)行時(shí)，110kV線路會失去保護(hù)。基于此，站域保護(hù)控制裝置中也集中配置 110kV線路保護(hù)，作為就地級保護(hù)的冗余。但由于通信通道限制等原因，站域保護(hù)中的線路保護(hù)不考慮縱聯(lián)保護(hù)。其他如距離保護(hù)、零序過電流保護(hù)、重合閘、手合后加速以及110kV母聯(lián)（分段）過電流保護(hù)等保護(hù)功能同就地級110kV線路保護(hù)一致。
母聯(lián)（分段）充電過電流保護(hù)包括三段相電流過電流保護(hù)與一段零序過電流保護(hù)。當(dāng)最大相電流大于相電流過電流Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段定值或零序電流大于充電零序過電流定值，并分別經(jīng)各自延時(shí)定值，保護(hù)發(fā)跳閘命令。
4.補(bǔ)充或優(yōu)化后備保護(hù)
補(bǔ)充或優(yōu)化后備保護(hù)主要包括斷路器失靈保護(hù)、母聯(lián)（分段）失靈保護(hù)和變壓器優(yōu)化后備保護(hù)。
（1）斷路器失靈保護(hù)。站域保護(hù)與控制裝置中的110kV母聯(lián)（分段）冗余保護(hù)除了完成母聯(lián)（分段）的充電過電流保護(hù)，還完成110kV側(cè)斷路器的失靈保護(hù)。其保護(hù)邏輯與就地級母聯(lián)（分段）保護(hù)及就地級母線保護(hù)中的斷路器失靈保護(hù)邏輯一致。斷路器失靈保護(hù)由各連接元件保護(hù)裝置提供的保護(hù)跳閘觸點(diǎn)啟動。失靈電流判別功能由站域保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)。
（2）母聯(lián)（分段）失靈保護(hù)。當(dāng)保護(hù)向母聯(lián)（分段）斷路器發(fā)出跳閘命令后，經(jīng)過整定延時(shí)后，母聯(lián)（分段）電流大于母聯(lián)（分段）失靈電流整定值時(shí)，母聯(lián)（分段）失靈保護(hù)經(jīng)過差動復(fù)合電壓閉鎖開放后切除相關(guān)母線上的所有連接元件。
（3）變壓器優(yōu)化后備保護(hù)。220kV及以上系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，就地化的變壓器保護(hù)均按照主后一體雙重化的設(shè)計(jì)原則配置，任一套變壓器保護(hù)因故退出運(yùn)行，不會對變壓器的運(yùn)行造成影響。110kV及以下系統(tǒng)。就地化的變壓器保護(hù)均按照主后一體雙重化配置或主后分置的保護(hù)配置，任一套保護(hù)設(shè)備退出，不會對變壓器的運(yùn)行造成影響。基于上述原因及站間信息共享和協(xié)同保護(hù)技術(shù)，站域保護(hù)對變壓器后備保護(hù)進(jìn)行了補(bǔ)充，通過相鄰間隔保護(hù)的閉鎖和加速信號來提升變壓器后備保護(hù)的性能。
如圖8-50所示，變壓器低壓側(cè)（QF1、QF2）后備過電流保護(hù)動作切除故障，動作延時(shí)較長，會對一次設(shè)備造成危害。采用簡易母線保護(hù)可快速切除低壓側(cè)故障，以減少變申站低壓側(cè)母線短路故障對開關(guān)柜和變壓器的危害。
當(dāng)變壓器低壓側(cè)斷路器合于故障時(shí)，變壓器后備保護(hù)加速跳閘。后備保護(hù)開放條件是斷路器在分位或在分位變?yōu)楹衔坏?00ms內(nèi)。
母線區(qū)外故障時(shí)，低壓側(cè)出線等相關(guān)保護(hù)能夠發(fā)出信號閉鎖，簡易母線保護(hù);母線區(qū)內(nèi)故障時(shí)，低壓側(cè)出線等相關(guān)保護(hù)不發(fā)出閉鎖信號，簡易母線保護(hù)可以快速動作切除變壓器低壓側(cè)斷路器。低壓側(cè)如果有小電源（工7）。則母線區(qū)內(nèi)故障。簡易母線保護(hù)經(jīng)延時(shí)先跳開低壓側(cè)小電源（QF8），再經(jīng)延時(shí)跳開低壓側(cè)斷路器（QF4）。
圖中，當(dāng)k10 故障時(shí)，TA4過電流超過低壓分支2（QF7）簡易母線保護(hù)定值，無外部線路保護(hù)閉鎖條件，簡易母線保護(hù)動作跳開QF7。當(dāng)k9故障時(shí)，TA4過電流超過低壓2分支簡易母線保護(hù)定值。而TA10外部線路保護(hù)啟動，啟動信號通過 GOOSE送至站域保護(hù)，閉鎖低壓分支2簡易母線保護(hù)，QF7不會跳閘。
當(dāng)k6故障時(shí)（有小電源支路），盡管TA1過電流超過定值，但QF8方向電流保護(hù)啟動，啟動信號通過GOOSE送至站域保護(hù)，閉鎖低壓分支1簡易母線保護(hù)，QF4不會跳閘。若k2故障時(shí)，QF8反方向電流保護(hù)不啟動，無閉鎖信號。TA1過電流超過定值，1時(shí)限跳開QF8（小電源支路）），2時(shí)限跳開主變壓器支路QF4。
當(dāng)k6故障時(shí)，TA7過電流動作，閉鎖QF5低壓分支簡易母線保護(hù)。若QF10失靈，該線路過電流保護(hù)跳閘命令發(fā)出后延時(shí)（150ms）將過電流保護(hù)啟動閉鎖信號收回，低壓分支簡易母線保護(hù)仍能正確動作。
5.備用電源自動投入功能
站域保護(hù)與控制裝置中的備自投功能，不局限于實(shí)現(xiàn)某個(gè)電壓等級的備自投，而是著眼于全站，實(shí)現(xiàn)多個(gè)電壓等級的備自投功能。對于110kV變電站，甚至可實(shí)現(xiàn)全站備自投，包括高壓側(cè)進(jìn)線備自投、橋備自投、中壓及低壓分段備自投。
6.分布式母線保護(hù)技術(shù)
相比于集中式母線保護(hù)，分布式母線保護(hù)的 SV接口和 GOOSE接口分散在多個(gè)子單元裝置中配置，主單元裝置設(shè)計(jì)比較容易實(shí)現(xiàn)，功耗、散熱等問題也比較容易解決。但也需要解決兩個(gè)重點(diǎn)問題∶一是大量數(shù)據(jù)的可靠、實(shí)時(shí)傳輸;二是高精度的同步采樣。
分布式母線保護(hù)裝置整體設(shè)計(jì)方案如圖8-51所示。圖中 BU為從機(jī)處理單元（子單元），CU為主機(jī)處理單元（主單元），BU與CU 之間通過光纖網(wǎng)絡(luò)連接。負(fù)責(zé)電流采集的合并單元及智能終端通過光纖與從機(jī)單元 BU相連，負(fù)責(zé)電壓采集的合并單元及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)腉OOSE開關(guān)量通過光纖與主機(jī)單元CU連接。
