基于“三道防线”的广域保护系统及结构综述

陈琳

（广东工业大学 自动化学院电气工程系，广东 广州510090）

0 前言

1996年美国大停电、2003年美国加州大停电和随后世界范围内的几次大停电事故，以及我国2008年特大冰雪灾害让人们逐渐认识到，传统后备保护存在一些局限性，不能避免大规模停电事故的发生[1-4]。

近年来，广域测量系统(Wide Area Measurement System，WAMS)在电力系统中的大量应用，为电网保护系统的设计开阔了新思路[5,6]。广域测量系统可获取全网同步动态信息，其高速数据传输可使主站的数据更新周期达到20ms～50ms。这一特点使得从电网整体最优出发，完成继电保护功能成为可能。

因此，基于广域测量系统的基础上，借助广域测量技术和通信技术以解决互联大电网继电保护和安全自动装置之间的协调问题，广域保护系统应运而生，反映了今后继电保护的发展方向。

1 基于“三道防线”要求的广域保护系统

2004年，山东大学丛伟博士，潘贞存教授提出了满足“三道防线”要求的广域保护系统[7]。由广域继电保护系统实现快速保护功能，构筑电力系统安全稳定的第一道防线；第二道防线由广域安全自动控制系统防止稳定破坏和参数越限的安全自动控制和紧急控制功能。当系统受到严重扰动而失去稳定，导致异步振荡时，广域保护系统执行检测系统振荡、切负荷、发电机控制、系统解列等紧急控制策略，防止系统崩溃，组成第三道防线。

满足“三道防线”要求的广域保护系统借助广域测量技术和通信技术，采集保护区域内的多点运行信息，便于在一个系统内集成实现“三道防线”功能，全面准确反映系统的运行动态，针对扰动后系统的不同运行状态采取不同的保护和控制策略，提高保护和控制设备装置之间相互协调配合的工作性能，避免系统受到大扰动后出现失稳或崩溃的情形。

广域继电保护的核心思想在于借助通信技术，采集电网中广域同步测量信息，通过信息融合计算识别故障元件，在相邻保护之间通过简单的时序配合来保证保护动作的正确性[8]。

从工程化实际应用角度出发，在我国实际电网背景下开展广域继电保护，其信息采集、交换无须覆盖整个广域范围[9]，主要从以下三点原因加以考虑：

(1)从通信技术上进行分析，由于技术和经济条件的制约，目前实际电网中还未能设置专设的广域通信网足以完全满足广域系统传输、交换大量信息的要求。故采用故障范围内就近有限区域的测量信息则可大大减轻广域通信以及信息处理负担，有利于广域继电保护系统准确、及时获取可靠的测量信息。

(2)从信息处理上进行分析，广域继电保护系统借助通信技术可获取较大保护范围内的测量信息，可更准确全面地进行故障定位与切除。但庞大的广域数据量传输，易引发通信延迟，影响保护的速动性；更重要的是，当某个决策点汇集大量数据时，中央决策单元有可能面临“维数灾”的问题，从而使得求解复杂，并有可能导致决策失败。

(3)从故障定位上进行分析，对某条故障线路而言，与其故障情况相关联的仅包含在相邻线路的一个较小区域内，而故障线路与整个广域范围内大部分线路存在很弱的耦合关系。因此，广域保护系统不需获取极大广域范围内的所有信息，仅对故障区域内相关联信息进行决策计算便可有效实现故障定位。

构造适当的结构模式对广域继电保护核心思想的实现至关重要。广域继电保护的结构模式对广域测量信息的采集、网络各节点数据的相互通信和决策中心的信息处理等方面均具有较大的影响。目前提出的广域后备保护系统尚无统一的结构模式。考虑到广域后备保护系统所要实现的功能，以及广域后备保护所用算法对信息需求的不同，以及保护系统对动作延时和可靠性的要求，研究学者提出了几种结构模式。

2 广域保护系统结构

现有广域后备保护的系统结构一般可分为变电站集中式、分布式和区域集中式结构三类基本形式[10-12]。

2.1 变电站集中式结构

变电站集中式结构示意图如图1所示。

图1 变电站集中式结构

从结构层次上看，变电站集中式结构可分为两层：第一层为中央决策单元，设置在每个变电站或由几个变电站构成的区域主站中；第二层为每个变电站的各个测量点处装设的IED终端设备。两层结构对应实现的功能如下：

1 ）终端设备完成的功能：

采集就地电气量和状态量信息，对信息进行简单处理；

上传实时信息，与本站中央决策单元通信，接收来自中央决策单元的指令；

根据接收的指令完成行跳、合开关的操作。

2 ）中央决策单元完成的功能有：

接收决策范围内各IED终端设备上送的实时信息；

与相邻的其他变电站中央决策单元进行通信，收集外部信息；

分析处理综合信息后制定保护控制策略；

发出决策指令下达至各IED终端设备中执行，完成后备保护和稳定控制的功能。

完成广域保护系统的各种功能，做出保护和控制决策。

2.2 分布式结构

分布式结构示意图如图2所示：

图2 变电站分布式结构

分布式结构中，在变电站各测量点处装设IED终端设备，不需要设置中央决策单元。各IED终端设备地位对等，通过点对点的通信方式交换信息，共享数据，完成保护和稳定控制的功能。其主要完成以下功能：（1）采集本站内电气量和状态量信息，并对采集的信息进行简单的处理；（2）借助通信系统与其他约定的IED终端设备通信；（3）融合本站信息和其他IED信息进行故障判断，生成保护控制策略；（4）根据故障发生情况，由本端IED或交由邻近IED控制断路器执行跳闸、合闸操作。

在分布式结构中，可根据实际需要在各个变电站中设置监控IED，作为各IED的监视与管理中心，对各IED进行状态监视和检测，并不参与任何保护和控制策略的形成。

2.3 区域集中式结构

区域集中式结构示意图如图3所示：

图3 区域集中式结构

在区域集中式结构模式下，由若干变电站构成一个整体区域，在此区域内选择一个决策中心站，其余各变电站作为执行终端。从结构层次上可分为三层：最底层的IED功能与集中式结构类似，负责采集就地电气量和状态量信息，并仅与本站决策中心进行通信，通过站内通信系统将信息上传至变电站执行终端。第二层是变电站内的执行终端。该终端获取本站内各IED上传的实时信息，并进行相应处理后，上传至区域内的区域决策中心；同时接收来自区域决策中心的控制指令，根据决策命令执行相关操作。第三层是区域决策中心。区域决策中心管辖决策范围内的所有变电站，，依据区域电网的拓扑结构，综合各站上传的各类实时信息识别故障元件，做出正确动作决策，下达至相关变电站执行终端，由各执行终端执行动作指令。

3 各类系统结构比较

从广域后备保护系统可采用的结构形式看，变电站集中式、分布式结构和区域集中式的结构各有优劣。

3.1 变电站集中式结构

变电站集中式结构的中央决策单元通过广域通信网络可最大限度的采集和利用电网中的各种信息，使用信息融合等方法，综合制定决策判据，准确、快速、可靠地切除故障和做出全局广域系统安全控制决策。

该结构模式拓扑结构简单、保护区域明确、信息交互路径固定，对现有保护配置的改动较小，只需在现有配置的基础上，每个变电站增设一个集运算、决策、通信为一体的IED。投资改造较少。

但系统对中心决策单元的依赖程度高，一旦故障将影响整个变电站的保护功能，存在单点失效的不足。且也存在保护分区困难，对电网拓扑结构变化适应性不高，扩展性较差。对通信要求较高。

3.2 变电站分布式结构

分布式结构无需建立中央决策单元，数据采集、处理、生成算法、制定决策以及决策执行过程均分散至在各IED中执行，各IED独立完成保护与控制功能。其优点在于对IED的可靠性要求降低，一般某个IED发生故障时可由相邻IED协调动作弥补其职能，不会影响保护系统的整体工作；且各IED之间通信对象为事先设定，信息不会在各IED之间多次往返传递，降低了通信延时时间。

但分布式结构对IED性能要求较高，在实际应用时需对保护区域内的所有保护装置加以改造，投资成本增加。且各IED之间需要同时互相通信，网络负载率较高，将致使整个通信网络复杂，使通信系统的构建困难，后期维护检修工作繁复。根据IED间通信实现的不同，致使IED间的通信逻辑繁杂或通信通道数量极大，终将导致实际通信系统复杂化，后期维护检修工作量繁复。同时，由于各IED交换的通信数据多元化，既包含本地电气量和状态量信息，还囊括相邻IED节点收集到的相关信息，数据通信量相较于集中式结构庞大。同时，固定的通信对象降低了系统灵活性，当电网运行方式发生改变时难以及时有效调整。

3.3 区域集中式结构

区域集中式结构结合了变电站集中式结构与分布式结构的双重优点：一方面，采用分布在各个变电站的中央决策单元进行保护控制决策中，可集中应用大量信息，系统实现的整体性能更加优异，保护范围也将更加广泛。。另一方面，对各站的保护配置、IED的可靠性要求不高，各IED仅与区域决策中心站通信，不需进行站与站之间通信，减小数据通信负担，简化通信系统的结构，且简化了各IED功能，相比变电站集中式结构的工程造价更少。

同变电站集中式结构一样，区域集中式结构也对决策中心依赖程度高。一旦决策系统发生故障，轻者导致一个或数个保护IED出现误动或拒动的情况，重者将导致整个保护区域内的保护同时失效，后果将十分严重。因此要求决策中心的可靠性和信息处理能力达到较高水平。同时由于距离决策中心较远的IED的信息，需要经过多次路由进行转发，将会造成信号传输到决策系统的延时较大，直接影响保护的速动性。

随着计算机技术、通信技术的高速发展，并且目前220kV及以上系统变电站之间均已铺设了光纤通道，加上具备高速运行能力的CPU及外围设备，为区域集中式结构的工程化应用提供了良好的硬件条件。因此区域集中式结构完全有可能成为今后广域继电保护的发展趋势，同时这种基于局部集中的智能终端结构也为今后电网分区域的安稳计算提供了基础。

4 结论

针对目前传统保护中存在的局限性，本文对基于广域测量系统的广域保护系统进行了研究综述，结合工程化实际应用要求，研究满足“三道防线”要求的广域保护系统保护区域的划分。并分析了现有的广域保护系统结构，对比论述了变电站集中式、分布式、区域集中式三种体系结构的工作特点以及优缺点。

【参考文献】

[1]印永华，郭剑波，赵建军，等．美加“8·40”大停电事故初步分析以及应吸取的教训[J]．电网技术，2003，27(10)：8-11．

[2]张保会．加强继电保护与紧急控制系统的研究提高互联电网安全防御能力[J]．中国电机工程学报，2004，24(7)：1-61．

[3]肖世杰．构建中国智能电网技术思考[J]．电力系统自动化，2009，33(9)：1-4．

[4]Serizawa Y，Myoujin M，Kitamura K，et al．Wide-area current differential backup protection employing broadband communications and time transfer systems[J]．IEEE Trans on Power Delivery，1998，13(4)：1046-1052．

[5]薛禹胜．时空协调的大停电防御框架(二)广域信息、在线量化分析和自适应优化控制[J]．电力系统自动化，2006，30(2)：1-8．

[6]何志勤，张哲，尹项根，等．电力系统广域继电保护研究综述[J]．电力自动化设备，2010，30(5)：125-130．

[7]丛伟，潘贞存，丁磊，等．满足“三道防线”要求的广域保护系统及其在电力系统中的应用[J]．电网技术，2004，28(18)：29-33．

[8]丛伟，潘贞存，赵建国，等．基于电流差动原理的广域继电保护系统[J]．电网技术，2006，30(5)：91-95，110．

[9]吴科成，林湘宁，鲁文军，等.分层式电网区域保护系统的原理和实现[J].电力系统自动化，2007，31(3):72-77

[10]张保会，周良才．变电站集中式后备保护[J]．电力自动化设备，2009，29(6)：1-5．

[11]Jiang Huang，S S Venkata. Wide area adaptive protection：architecture，algorithms and communication[C]．Power Systems and Communications Infrastructures for the Future ，Beijing，September 2002．

[12]周乐荣，韦岗．一种基于UCA体系的网络化远动通信结构[J]．电力系统自动化，2004，28(10)：65-68．