第
31
卷 第
28
期
2011
年
10
月
5
日
文章编号：0258-8013
(2011) 28-0095-09
中
½ 电 机 工 程 学
Proceedings of the CSEE
中图分类号：TM
77
报
Vol.31 No.28 Oct.5, 2011
©2011 Chin.Soc.for Elec.Eng.
学科分类号：47040
95
文献标志码：A
分区域广域继电保护的系统结构与故障识别
李振兴，尹项根，张哲，邓星，王育学
(强电磁工程与新技术½家重点实验室(华中科技大学)，湖北省
武汉市
430074)
Study on System Architecture and Fault Identification of Zone-division Wide Area Protection
LI Zhenxing, YIN Xianggen, ZHANG Zhe, DENG Xing, WANG Yuxue
(State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology (Huazhong University of Science and Technology),
Wuhan 430074, Hubei Province, China)
ABSTRACT:
In order to propel the practical application of wide
area protection (WAP), a novel system architecture and a fault
identification algorithm for zone-division WAP were proposed,
then the hierarchy of WAP was established. Wide area network
was decomposed to honeycomb-like structure that combined the
advantages of the distributed and integrated structures. This
partitioning method is more suitable for practical power grid
structure. A three-layer system structure that contains intelligent
electronic device (IED), sub-station processing unit (SSPU) and
regional centralized decision center (RCDC) was applied to
identify faults through inter-layer communication. Meanwhile,
independent decision-making function was employed to enhance
the reliability of protection system when communication outages
occurred. Zone-division distance relay was proposed based on
mutual assistance mechanism, and fault element identification
was realized by logical computation in each partitioned zones so
as to meet the demand of selectivity and rapidity of WAP.
Simulation tests based on eastern Hubei 220kV grid validated the
effectiveness of the presented method.
KEY WORDS:
power system; wide area protection (WAP);
limitation; zone-division; system architecture; system division;
distance protection
摘要：为促进广域继电保护(wide
area protection，WAP)从原
理性探索向工程可实现应用性½化，
提出分区域广域继电保
护的系统结构和故障识别算法，构建了较为明确的保护½
系。
基于有限广域保护的特点，
提出将广域电½划分为类蜂
窝结构的分区域系统实现继电保护，
并结合集中式和分布式
系统结构的优点，
提出了更加适合区域电½的分布集中式广
域继电保护系统结构。基于智½电子设备
(intelligent
electronic device，
IED)、
子站处理单元(sub-station
processing
基金项目：½家自然科学基金项目(50877031，50837002)。
Project Supported by National Natural Science Foundation of China
(50877031, 50837002)．
unit
，
SSPU)
和 区 域 集 中 决 策 中 心
(regional centralized
decision center，RCDC)的 3
层系统结构通过相互通信实现
保护区域的故障判断，
同时，
在通信系统中断时各层结构又
具有独立决策的功½，提高了广域继电保护系统的可靠性。
在建立系统层间互助机制的基础上，提出了区域距离保护，
系统通过不同信息域的简单逻辑计算实现故障元件识别，
可
满足广域继电保护的选择性和快速性要求。用鄂东
220 kV
电½系统模型验证了广域保护系统的有效性。
关键词：电力系统；广域继电保护；有限性；分区域；系统
结构；系统分区；距离保护
0
引言
继电保护½为保障电½安全稳定运行的重要
防线，其可靠性和速动性对隔离故障和防止事故扩
大至关重要。据统计，75%的电力系统扰动½是由
后备保护的误操½引起的
[1]
。传统基于就地测量信
息的后备保护存在整定配合困难的问题，在½前电
½的广泛互联和输电线路接近极限运行的工况下
尤为突出
[2]
。½流½移时后备保护误动及引发的连
锁跳闸事故和整定配合错误造成的隐藏故障½将
加大电½在扰动下失稳的风险
[3-4]
。
近 年 来 ， 随 着 广 域 测 量 技 术
(wide area
measurement system，WAMS)的发展，基于电½多
信息构成的广域继电保护为解决上述难题带来了
契机
[5-6]
。根据½际大电½会议(CIGRE)对广域保护
功½的描述，其研究可分为
2
方面：一是基于广域
信息的电½安全稳定控制研究，主要对电½的安全
稳定运行状态进行监测、分析和评估；另一方面的
研究则集中于利用广域信息改进和提高传统继电
保护的性½。需要指出的是，现有高压电½主保护
主要采用各类纵联保护，动½速度快，不受负荷½
96
中
½
电
机
工
程
学
报
第
31
卷
移的½响，整定简单，动½正确率高，而广域信息
的采样存在同步、传递存在延时、可靠性及安全性
等局限，因此，利用广域信息改善继电保护的性½
主要集中在后备保护方面。
针对上述的第
2
方面，½内外学者就广域继电
保护系统结构和故障识别原理进行了初步的研究。
广域继电保护根据所基于的系统结构不同，可分为
集中式、
分布式和混合式
3
类:集中式结构即广域继
电保护系统的核心决策系统集中在一个中心，优点
是系统通信量小，获得的信息量多，有利于系统决
策和稳定控制系统的结合，½集中决策中心易受到
系统干扰而存在单点失效的风险
[7]
；分布式结构即
广域继电保护系统的核心决策系统½于分布在系
统中的智½电子设备(intelligent
electronic device，
IED)内，由分布式 IED
互相协助完成整个保护功
½，
优点是自适应½力强，
且不存在单点失效风险，
½系统的通信量较大，决策单元可利用的信息量
小，且系统设计复杂
[8]
；混合式结构
[9]
½够结合两
者的优点，弥补相互的缺点，½缺乏详细的实现方
案研究，
分布的
IED
和集中的中心单元(center
unit，
CU)配合不½依然会存在单点失效的风险。因此，
为满足广域继电保护工程应用的实际需要，广域继
电保护系统结构研究仍具有重要意义。
由于系统结构的不同，相同的故障识别算法在
实现过程中也有所差别。目前的算法研究主要是基
于电力系统主保护算法的拓展，将方向比较纵联保
护
[10-11]
和电流差动保护
[12]
原理引伸到广域后备保
护中来，并结合专家系统提高信息的容错½力。½
对电流差动保护存在的电容电流½响、广域测量累
积误差对差流的½响等问题，方向比较保护存在的
½流½移误动、非全相及功率倒向等复杂工况下部
分方向保护退出等问题缺乏明确的应对方案。
本文结合广域继电保护工程承继性和可实现
性的应用特点，
从电力系统安全稳定
“第一道防线”
的要求和特征入手，在描述有限广域保护的基础上
提出一种基于分区域分布集中式广域继电保护系
统结构方案，论述该模式下的系统结构构成及多信
息区域距离保护实现等问题。
广域同步测量信息，通过多信息融合计算来识别故
障元件并通过简单逻辑配合来保证故障的可靠切
除。多信息的融合并不代表全电½的信息融合，也
不代表信息越多越½，因此，构建包含广域范围内
全部变电站的广域继电保护，实现这种广域范围内
充分利用有限广域范围
的信息交换是不必要的
[13]
。
的信息，提高电力系统继电保护的水平，这不仅是
广域保护系统发展的合理趋势，也满足了目前广域
基
继电保护原理的研究方向和工程实现的需要
[14]
。
于有限广域保护的概念，½现在以下几个方面：
1）主要考虑广域继电保护为加强电½“第一
道防线”性½，½现承担的任务有限。
2）广域继电保护决策中心仅需要近故障点灵
敏度较高的保护信息进行故障决策，如果保护系统
汇集全½变电站的故障信息，有用的信息反而淹没
在大量的冗½数据中，增加了信息提取的困难。
3）广域继电保护的实现是逐步发展的过程，
在全电½范围内分区域实现继电保护功½，是电½
长期建设的自然发展结果，
有利于系统的过程实现。
基于有限广域保护的概念和电½整½保护无
死区原则，将广域电½划分为保护对象相对独立、
故障信息实现共享的分区域保护½系是广域继电
保护½够工程实现的可行方向。类蜂窝式结构½够
很½地描述广域电½区域划分，如图
1
所示。分区
域间的保护判据相互独立，保护范围相互交互，相
邻区域间仅交换有限信息，主要包括交互区的远后
备保护起动信息和交互区域故障决策信息。将复杂
电½进行分区域保护和控制，不仅有利于降½系统
的通信量，更加便于广域继电保护的工程实现。
分区
域
1
分区
域
2
分区
域
5
分区
域
6
广域电½类蜂窝
式区域划分示意图
分区
域
3
分区
域
4
区域间信息交换
区域间保护交互区
图
1
Fig. 1
广域电½的分区域½系
Structure of single limited wide area protection
广域电½的分区域划分考虑以下几个方面：
1）区域决策中心的选取。分布集中混合式系
统结构要求在分区域内选取一个信息集中中心½
为广域继电保护系统的决策中心。决策中心的选取
既要考虑输电系统节点之间的连接关系，也要考虑
1
广域后备保护系统结构
1.1
广域电½的分区域½系
广域继电保护的核心思想在于利用电½中的
第
28
期
李振兴等：分区域广域继电保护的系统结构与故障识别
97
节点间通信系统的连接关系。一般优先考虑人为、
地理环境、通信条件等因素，指定一些特殊的变电
站或区调中心½为决策中心；其次是基于电½拓扑
结构选取相邻节点多、路径关联密集的变电站½为
决策中心。
2）分区域保护范围。广域继电保护系统½为被
保护对象的后备保护，在功½上½够实现常规近后
备保护和远后备保护的保护功½，在工程实现上½
可½由本区域内信息完成后备保护功½，区域间信
息交换½可½少，因此，广域继电保护系统保护范
围以满足各保护对象的远后备保护范围为原则，即
以决策中心为起始点，保护范围达到下一条线路的
末端，为方便新建变电站的接入，可适½增大范围。
3）分区域交互保护范围。图 2
给出
4
种不同
区域的交互情况：图
2(a)中变电站 B
2
得不到保护；
图
2(b)中任一个保护区域在变电站B
2
直流消失时，
均不½独立实现变电站
B
2
及线路
L
1
、L
2
的有效保
护；图
2(c)中由于交互区包含一条线路，避免了上
述
2
种情况的缺点，½线路L
2
的远后备保护必须由
2
个不同区域信息协商后共同完成；图
2(d)中由于
交互区包含
2
条线路及中间变电站，不存在上述
3
种情况的问题，½交互区域过大½得系统获取的信
息量增大，增加了通信压力。因此，从上述分析可
知，广域继电保护系统的
2
个相邻区域必须交互至
少一条线路，必要的时候应该交互更多，才½够避
免该线路相邻变电站仅½为一个或多个保护区域
边界时，在变电站直流消失、断路器失灵等情况下
广域继电保护因信息缺失不½够快速切除故障。
考虑到广域继电保护系统具有常规远后备保
护的保护范围，分区域的中心站½量不是直接相邻
变电站，否则
2
个分区域的交互区过大，进一
区域
I
B
1
L
1
区域
II
B
2
L
2
步½得整个系统因此划分出太多的区域，不利于广
域继电保护工程的实现；同时，实际电½是逐渐发
展建设的，在工程应用背景下讨论保护分区，还需
要考虑系统规划、
调度、
运行方式、
安全稳定控制、
保护通信等设计和运行人员的经验对保护分区的
特定要求等，并½对保护分区结果进行适½调整，
½其更加具有工程应用价值。
1.2
广域继电保护分布集中式系统结构
广域电½的分区域势必½响广域继电保护系
统结构，常规分布式和集中式系统结构存在各自的
优点和缺点。本文结合分布集中混合式系统结构的
优点，提出分区域广域继电保护的分布集中式系统
结构，从变电站角度来看，变电站各间隔
IED
采用
分布式信息采集和控制模式，整个变电站的信息汇
集和处理采用集中式模式；从区域集中决策来看，
各变电站处理单元采用分布式模式，广域继电保护
决策中心采用集中式模式。该系统结构模式即½现
了分布式和集中式相结合的优点，又½符合大电½
通过分区域划分之后的格局。这种基于区域集中的
分布式终端结构也为今后电½分区域的安全稳定
计算提供了基础。图
3
为单个分区域分布集中式广
域继电保护系统结构。
在图
3
区域分布集中式广域继电保护系统中，
以变电站
C
为决策中心，称该站为系统的主站，主
站除完成本站信息采集和保护控制外，还完成区域
的多信息集中决策；除主站外的其他变电站称为系
统的子站。系统中各单元的功½如下。
1
）
智½电子设备
IED
。
IED
主要完成基于就地
电流互感器和电压互感器测量信息及断路器状态
信息的采集功½、断路器操½的执行功½、常规主
保护功½、广域保护系统的多信息计算功½，与
区域
I
B
3
B
1
L
1
区域
II
B
2
L
2
B
3
SSPU
的通信功½；同时，
IED
在与子站处理单元
(sub-station processing unit
，
SSPU)
失去联系时完成
常规后备保护功½，
承担了
SSPU
的后备保护功½。
(a)
点交互
区域
I
B
2
区域
II
L
2
B
3
B
1
(b)
变电站交互
区域
I
L
1
B
2
L
2
区域
II
B
3
2
）
子站处理单元。
SSPU
主要完成变电站各
IED
的信息汇集和相应的信息处理功½，与区域集中决
策中心
(regional centralized decision center
，
RCDC)
及
IED
的通信功½。
SSPU
集中整个变电站的信息
和通信，具有重要的地½，为避免单个设备失效不
½实现有效保护，每个变电站
SSPU
双重化配½，
B
1
L
1
(c)
线路交互
(d)
多单元交互
图
2
交互分区
SSPU1
为主设备，
SSPU2
为热后备设备，主设备与
后备设备同时接收
IED
和
RCDC
的信息并进行并行
Fig. 2 Interactive subarea
98
中
½
电
机
工
程
学
报
第
31
卷
广域通信½络
路由器
路由器
路由器
路由器
路由器
RCDC1
路由器
RCDC 2
SSPU2
IED
路由器
路由器
SSPU1
SSPU2
SSPU1
SSPU2
IED
SSPU1
IED
SSPU1
IED
SSPU2
IED
IED
IED
IED
IED
变电站
A
变电站
B
IED
变电站
C
IED
变电站
D
图
3
单个有限广域继电保护系统结构
Fig. 3 Structure of single limited wide area protection
计算处理，由
SSPU1
发送信息给
RCDC
或相应的
备用主保护投入。由于采取分区域多层结构保护系
统，保护和控制的范围较大，区域集中的区域决策
中心应½制定并执行更可靠、有选择性的后备动½
策略，提高应对复杂现场接线的½力。
1.3
构建系统的关键技术
IED
，同时将信息发送给
SSPU2
。正常情况下，
SSPU2
½为
SSPU1
的功½监视和校验设备，并不
发送信息给
RCDC
，以降½广域通信的通信容量；
在
SSPU1
故障时自动切换为主设备。在
SSPU1
、
SSPU2
均与
RCDC
失去联系时则分别自主与相邻
变电站
SSPU
建立通信，由相邻变电站和本站信息
共同完成变电站母线及相邻线路的故障识别功½，
承担了
RCDC
的后备保护功½。
1
）通信系统。通信系统是保障广域继电保护
性½的基础，约束着保护与控制的范围。随着广域
测量系统和光纤通信技术的发展，结合基于
IEC 61850
的数字化变电站的逐步普及，以全站信
息为整½的面向通用对象的变电站事件
(generic
3
）区域集中决策中心。
RCDC
主要完成区域
内各变电站信息的汇集功½，基于多信息的故障元
件识别及保护动½策略的制定功½，与
SSPU
的通
信功½。
RCDC
是广域继电保护系统的核心，是实
现多信息故障识别的关键，为避免单点故障广域继
电保护失效的风险，
在主站内
RCDC
实现双重化配
½，
RCDC1
为主设备，
RCDC2
为热后备设备，主
设备与备后设备同时接收
SPPU
的信息并进行并行
计算处理，由
RCDC1
发送决策½令，同时将信息
发送给
RCDC2
。
正常情况下，
RCDC2
½为
RCDC1
的功½监视和校验设备；在
RCDC1
故障时自动切
换为主设备。
object oriented substation events
，
GOOSE)
传输模式
基于同
成为广域继电保护信息传输的发展趋势
[15]
；
步数字½系
(synchronous digital hierarchy
，
SDH)
光
纤环½的迅速发展为广域继电保护通信½络的½
成奠定了基础，对于没有铺设光纤通道的线路采用
现有纵联保护通信通道构建广域信息通信½络。
2
）广域继电保护故障识别原理与实现方法。
½管广域电½被分为多区域实现继电保护，其分区
域的信息量还是足够满足目前研究比较成熟的多
种广域继电保护故障识别算法。考虑到传统主保护
(
如纵联差动或纵联方向保护、
突变量距离保护、
距
离
I
段保护等
)
本身具有动½快速性和明确选择性
的优点，且在目前继电保护中承担着重要的任务，
在本文提出的广域继电保护系统中，常规主保护的
测量、判断、通信和控制在各
IED
实现，而
RCDC
主要基于广域多信息融合技术实现系统的后备保
护。因此，利用区域的冗½信息量进行故障决策的
智½保护算法或信息融合技术成为研究的重点；同
时，
RCDC
采用多种不同原理的保护判据½有效保
4
）其他功½。系统还包括基于全½的同步时
钟校时功½，与其他分区域保护系统交换信息的通
信功½等。
利用广域多信息构成广域继电保护系统的最
主要目的在于改善后备保护性½，解决基于就地信
息的后备保护问题。基于系统结构各处理单元的协
助配合，也½够为改进和提高主保护性½起到一定
的½用；同时，如果后备保护处理得½，还可½为
第
28
期
李振兴等：分区域广域继电保护的系统结构与故障识别
Z
III
Z
III
Z
II
Z
III
Z
II
IED3
B
3
L
2
IED4 IED1
B
1
SA
4
L
1
SA
1
Z
III
Z
II
99
证故障识别的可靠性。
3
）多级处理单元的协助功½。½管
RCDC
、
SSPU
均采用双重化配½，½考虑到广域继电保护
保护范围较大，一旦失效或决策错误均会给电½带
来严重½响。为应对上述问题，本系统从以下几个
方面实现：①对
RCDC
、
SSPU
进行双重化配½并
建立主从协调机制，主机进行信息处理和决策，从
机监视和检验，并及时通知主机检验结果，主机有
回应则由主机进行容错处理，主机没有回应，从机
自动切换为主机；②
SSPU
与
RCDC
失去联系时，
Fig. 4
Z
III
Z
III
Z
II
IED2 IED5 L IED6
3
SA
2
B
2
B
4
图
4
广域继电保护分区区域图
Division area graph of wide area protection
信息区域
SA
2
；利用线路上一条线路的远后备保护
信息构成最大信息区域
SA
3
。同理，可将图
4
母线
SSPU
与相邻变电站
SSPU
建立通信，
由相邻变电站
SSPU
和该变电站
SSPU
相互协助完成变电站及其相
连线路的后备保护；
SSPU
与主½通信被切断时，
③
直接由
SSPU
利用本变电站的信息承担后备保护功
½；④
SSPU
出现故障时，由该站各
IED
实现常规
后备保护，达到目前常规继电保护配½状态。
B1
的保护信息区域分为
2
个部分：保护对象本身
构成的区域为最小信息区域
SA
4
；利用母线相连线
路对侧远后备保护信息构成最大信息区域
SA
5
。
线路故障时的决策分析
(
以线路
L
1
为例
)
：
1
）由
SA
1
信息构成保护判据，原理同常规纵
联距离保护，分别采用线路两端距离保护
II
段、距
离
III
段保护同时动½识别线路发生区内故障。
2
基于多信息的区域距离保护
2.1
区域距离保护原理
本文主要研究
RCDC
实现后备保护的故障元
件识别功½。
RCDC
集中了整个区域的信息，如½
利用众多的冗½信息量进行故障元件识别一直是
学者研究的热点
[16-17]
Z
AV1
½
(
Z
II
i
Z
III
i
)
i
½
1
2
(1)
式中：Z
AV1
为线路故障决策判据
1
的动½值；Z
II1
为
IED
1
的距离
II
段的保护起动值；其他元件½名
规则相同。
，
本文就
IED
的常规距离保护
起动元件，结合系统结构各处理单元的配合关系，
提出区域距离保护的原理和实现方法。
三段式距离保护通过延时配合来实现后备保
护的选择性。不仅给整定带来困难，还会牺牲故障
切除的快速性，扩大设备的损坏程度，甚至扩大电
½运行的事故。为了兼顾后备保护动½的快速性和
选择性，
区域后备保护利用
IED
计算的距离
II
段保
护和距离
III
段保护的起动元件，通过简单的逻辑
配合实现保护明确的选择性，通过起动元件的无延
时配合实现后备保护的快速性。
以图
4
所示输电系统为例进行分析，在线路两
侧均装设距离
II
段、距离
III
段和距离
IV
段
(
反向
其保护范围同常规距离保护，
½整定冗
特性
)
保护，
½较大，可降½整定困难。
广域继电保护故障元件识别判据根据采用的
信息不同，可以将保护对象划分为不同的保护信息
区域
(signal area
，
SA)
，如图
4
线路
L
1
所示。信息
区域由
3
部分组成：保护对象本身构成的区域为最
小信息区域
SA
1
；利用线路两端站域信息构成中间
2
）由
SA
2
信息构成保护判据，根据交互范围
保护动½共性的特点，
利用本线路距离保护
II
段的
动½信息与线路对侧距离
IV
段及下一条线路距离
保护
II
段不动½信息共同判断线路
L
1
故障；或利
用本线路距离保护
III
段的动½信息与线路对侧距
离
IV
段及下一条线路
IED
距离保护
III
段不动½信
息的逻辑关系识别线路
L
1
发生区内故障。
III
(
Z
i
1
Z
IV2
Z
i
5
)
i
½
II
½
III
(
Z
i
2
Z
IV1
Z
i
4
)
i
½
I
Z
AV2
(2)
3
）由
SA
3
信息构成保护判据，根据相交范围保
护动½共性的特点，利用线路上一级距离
III
段保护
动½信息与线路背侧距离
II
段、下一条线路距离
II
段不动½信息的逻辑关系识别线路发生区内故障。
Z
AV3
½
i
½
3,6
(
Z
III
i
Z
IV
j
Z
II
j
)
j
½
1
i
½
4
2
5
(3)
母线故障时的决策
(
以母线
B
1
为例
)
：
京公网安备 11010802033920号
Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved
评论