广域继电保护分层系统结构的网络拓扑设计

　　摘 要：近年来，随着我国经济转型的不断深入，电力行业得到了快速的发展。

　　随着在电力行业中科学技术的加入，使得智能电网技术得到了快速的提高。

　　在现如今的电网运行中，传统的电力技术中融合了先进的通信技术、电子信息技术和计算机网络技术等智能技术，对电网的发展起到了非常积极的作用。

　　由于广域继电保护是针对于电力继电保护中传统后备保护存在的突出问题进行解决的新思路，对于通信网络安全稳定的运行起到了保障的作用。

　　本文从广域继电保护的分层系统结构特征入手进行分析，对广域继电保护IED 接入变电站网络与电力通信网进行了描述，并对广域继电保护分层系统结构的网络拓扑设计进行了研究，具有一定的指导意义。

　　关键词：广域;继电保护;分层系统结构

　　现如今，随着科学技术的不断发展，使得智能电网技术得到了快速的提高。

　　在现如今的电网运行中，传统的电力技术对电子信息技术、通信技术和计算机网络技智能技术进行了融合。

　　高科技技术在电网建设中的应用越来越广泛，大大的促进了电力行业的综合发展。

　　随着电网建设的发展越来越快，电力系统电网结构及运行方式复杂性增加，使得保护动作具有较长的延时性。

　　在面对突发问题时，传统的后备保护方式将会影响到系统的稳定性，对电网的正常运行产生影响。

　　广域继电保护的基础是将保护算法与分层系统结构相结合，实现安全可靠的网络通信。

　　一、广域继电保护的分层系统结构特征分析

　　作为电网运行保护的一种新型模式，广域继电保护是电力系统的新增业务，其分层系统结构一般按照层次的作用将保护网络分为三个层次，分别是接入层、汇聚层和核心层。

　　在对广域继电保护分层系统进行设计时，对数字化变电站和电力通信的网络的设计起到了重要的作用。

　　在实现广域继电保护功能的前提下，是不会影响电力通信网络中现有的业务功能。

　　对于广域继电保护分层系统来说，其一般采取的模式为信息集中和区域集中决策相协调的策略，在分层系统中包含有变电站和调度中心，其中子站广域继电保护IED 被称为TCU，DCU则代表主站中的广域继电保护IED，MU代表为调度中心的广域继电保护IED。

　　现如今，对广域继电保护的定义主要是针对相同电压等级线路进行的保护。

　　一般情况下，在广域通信网络的结构层面可以得出。

　　对于整个广域继电保护分层，其相同电压等级的结构一般分为三个层次，分别表示为核心层、汇聚层和接入层。

　　在对广域继电保护通信结构进行创建时，可以看做是若干个含有主站的区域组合而成，每个区域中的主站是由变电站担任的，并把区域的主站组成汇聚层，对子站上的信息数据进行汇聚，并按照主站的区域进行划分。

　　对于划分后的子站信息进行分析，确定其属于哪个主站区域，并将该区域中除了主站之外的变电站设置为子站。

　　那么，作为对信息进行采集和上传的子站就构成了广域继电保护结构中接入层。

　　而广域继电保护分层结构中的核心层则是由广域电网的调度中心MU组成的。

　　在对广域继电保护的分层结构进行了描述之后，我们已经对广域继电保护的三个分层结构有了一定的认识。

　　在确定了接入层的子站之后，对于子站进行广域继电保护则是由信息采集单元和跳闸执行单元两个结构部分组成的。

　　其中，信息采集单元主要是对启动原件进行判断以及测量保护线路段开关量和模拟量。

　　在测量保护电路的模拟量时，其主要步骤是先对模拟量的测量值进行预处理，并根据与处理后的结果计算相应的权重值，最后将子站得到的预处理值和相应的权重值上传给区域中的主站，由主站对上传来的信息进行分析和处理。

　　另一方面，子站广域继电保护的跳闸执行单元结构部分则是对主站传来的公职命令进行接收和执行，同时综合考虑本地后备保护的配合，最后得出相应的处理措施，对断路器跳合闸的开关进行控制，同时并将处理后的信息作为反馈传回给主站和核心层的调度中心。

　　在对广域继电保护中子站的结构层次进行了分析后，下面将对主站的继电保护层次进行分析。

　　我们知道广域继电保护在主站中分为综合决策单元和信息采集单元，其中信息采集单元主要是处理主站中的TCU任务，对主站区域内的信息进行收集的同时，执行对核心层的调度中心下达的命令。

　　继电保护层次的另一个组成部分是综合决策单元，是根据区域中子站上传的信息进行处理，包括广域继电保护运算等操作。

　　区域内出现的故障问题进行处理后，将具体的处理措施下传给子站进行执行，对故障进行控制和处理。

　　最后，广域继电保护系统的核心部分是调度中心，调度中心是整个继电保护系统的核心，通常是对各区域的继电保护情况进行监测，对全网实时拓扑结构、故障记录查询等的实施协调与监控，保证整个系统的正常稳定运行。

　　二、广域继电保护IED 接入变电站网络与电力通信网

　　(1)广域继电保护IED 接入变电站网络。

　　将广域继电保护IED接入到变电网络去，需要把数字化变电网络的通信设计方案与其结合起来，在数字化变电站网络的通信方案确定之后，实现广域继电保护IED 接入变电站网络的配置。

　　一般情况下，在数字化变电站通信中，全站统一网络与独立过程网络是两种应用较多的网络通信方案。

　　其中，独立过程网络较容易实现，而全站统一网络是一种信息高度共享网络，相对于独立过程网络优势明显，是数字化变电站通信网络的最终选择方案。

　　例如，针对于220kV的两电压等级的数字化变电站，在对此数字化变电站进行数字化拓扑结构建设时，通常是将广域继电保护进行接入。

　　在数字变压器中按照电压分为高压侧和低压侧，针对于不同的电压分侧，采用的不同的拓扑结构。

　　针对于变电站的低压侧一般采用间隔交换机来与间隔内的过程层设备进行连接，并与集中备用交换机相互作用。

　　另一方面，针对于数字变电站的高压侧，通过间隔交换机与断路器以及间隔内的合并单元进行相互作用，建立起通信网络使间隔设备之间进行连接通信。

　　与此同时，公共交换机使得跨间隔设备的过程层在高压侧相连，并在低压侧与另一交换机进行连接。

　　(2)广域继电保护IED 接入电力通信网。

　　在与电力通信网的接入过程中，广域继电保护IED是将网络通信业务通过MSTP平台传输给电力通信网，期间传输的网络通信业务通过广域继电的方式进行保护。，将广域继电保护IED 接入电力通信网，也就是是指将传输的通信业务通过广域继电保护的方式，通过MSTP平台传给电力通信网。

　　(3)广域继电保护分层系统结构的网络拓扑设计。

　　在对广域继电保护分层系统结构网络拓扑进行实现的过程中，一般首先是设计HVPLS网络拓扑结构，之后将以太网业务接入MSTP的设备之中，以太网接口业务一般包括调度数据网、综合数据网和继电保护数据网等业务，上述业务都是通过虚拟的独立网桥实现连接的。

　　广域继电保护分层系统结构网络拓扑的实现方式通常是通过MSTP设备来实现的，在广域继电保护模式中，作为一种集中式的业务形式广域继电保护是对主站汇集到的信息进行保护，并将信息送到核心层，通过组网的形式实现网络通信传输结构形式。

　　结语

　　综上所述，要实现广域继电保护就需要配备高效稳定的通信网络，对于继电保护分层系统结构进行网络拓扑设计，有利于使得广域继电保护在电网运行和维护过程中迅速发展，并且可以促进电网的安全稳定发展，推动电力行业的快速、健康稳定的发展。

　　参考文献

　　[1]丛伟，潘贞存，赵建国.基于纵联比较原理的广域继电保护算法研究[J].中国电机工程学报，2006(21).

　　电力系统广域继电保护

　　摘要：广域继电保护是近几年国内外新兴的一个研究课题，它的提出是建立在计算机和通信技术发展基础上的，并且与大型互联电网的安全性和稳定性要求有着密切关系。

　　分析了目前广域继电保护的主要保护原理，电保护与稳定控制有机协调构成的广域保护已经成为现代电力统的研究热点，是未来保护与控制的发展方向。

　　关键词：广域继电保护;系统结构;控制策略?

　　一、引言?

　　随着我国电力需求的与日俱增，电力市场改革的深化与发展以及电力系统规模的不断扩大，电力系统日渐接近极限运行，其运行与控制更为复杂，发生扰动以及故障的可能性更大，这些都对电力系统安全提出了更高的要求，对我国的继电保护以及安全稳定控制带来了新的挑战。

　　近年来，我国以特高压电网为骨干网架的各级电网在迅速协调发展，建立以信息化、自动化、互动化为特征的统一坚强智能电网川的要求十分迫切。

　　智能电网的建设必须依托更精确，更快速，更完善的通讯系统以及信息共享平台，这为基于广域信息的广域保护系统的发展提供了契机。

　　二、广域继电保护概述?

　　继电保护技术是随着电力系统的发展而发展起来的。

　　电力系统在运行中，可能发生各种故障和不正常运行状态，最常见同时也是最危险的故障是发生各种形式的短路。

　　在电力系统中，除应采取各项积极措施消除或减少发生故障的可能性以外，故障发生时，必须迅速而有选择性地切除故障元件，这是保证电力系统安全运行的最有效方法之一。

　　现代电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技术与通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新的活力。

　　(一)电网互联的发展趋势对继电保护提出了更高的要求，不仅要求故障发生时继电保护装置能快速可靠地切除故障，还要求在系统遭受较大扰动时能保证其安全稳定地运行;

　　(二)当前继电保护系统存在的某些间题难以有效地解决，必须探索新的保护原理;

　　(三)以全球定位系统(GPS)为基础的相量测量单元(PMU)技术导致了广域测量系统(WAMS)的诞生PMU可测量系统各个结点的电压、电流相量，误差不大于1μs，为广域保护提供了能同时采集全电网多个结点信息的有效手段;

　　(四)通信技术的发展为广域保护的实现提供了技术保证，以太网(Ethernet)正在逐步代替现场总线，高压变电站间铺设了光纤环网，将信号传输延时控制在几十ms以内，可以应用于全电网的动态实时监测。

　　三、广域继电保护系统?

　　广域继电保护系统可定义为：依赖电力系统多点的信息，对故障点进行快速、可靠、精确地切除(包括主保护和后备保护)，同时分析故障切除对系统安全稳定运行的影响，并采取相应的措德，能同时实现继电保护和自动控制功能的系统称为广域保护系统.广域保护系统是一个复杂的系统，它的研究现状可以概括为以下3个方面：?

　　(一)广域保护系统的一般结构?

　　广域保护系统由各个变电站或发电厂的广域保护装置组成，经路由、光纤环网相连接。

　　以集中式广域保护装置为倒，每个变电站设置枣央处理单元(IED)和若干个终端设备，经以太网相连接.对应予每台断路器设置终端设备，用以采集安装点的模拟量和开关量信息，对信息进行简单处理，与本变电站的IED连接，上传、下传信息与命令，按命令执行跳、合闸操作。

　　变电站的IED接收来自各个终端设备的信息，并与其他变电站的IED交换信息，做出保护与控制决策后下传至终端设备执行变电站的所有广域保护算法都集中在lED中。

　　(二)基于不同原理的广域保护算法与控制策略?

　　开展基于广域信息的继电保护和安全自动控制算法的研究是实行广域保护的关键，是当前的研究热点。

　　构成广域继电保护算法应遵循以下几个原则：1、在满足故障判断的前提下，所利用的信息越少越好;2、所利用的信息在形式上越简单越好;3、故障判断和计算过程越简明越好;4、能应付各种非正常情况，如IED拒动和误动、断路器失灵、变电站直流故障等。

　　据不完全统计，目前提出的保护算法与控制策略有：基于网格(Grid)计算的广域继电保护系统、基于专家系统的广域电流差动保护、利用A—gent的电网后备保护、基于图论的电网广域差动保护、能识别潮流转移的广域后备保护等。

　　(三)广域保护的通信网络?

　　通信技术为广域保护的基础。

　　广域保护的通信系统分为变电站内部的通信系统和变电站之间的通信系统，站内通信属于局域网通信，采用以太网;而站间通信属于广域网通信，采用同步数字体系、异步传输模式协议的光纤通信及低轨道卫星通信。

　　当前我国在电力系统的高压和超高压变电站内开始敷设了光纤以太网，在各变电站之间敷设了光纤环网，使得高性能、低延时的实时通信成为可能。

　　对于广域保护的通信系统，不仅要有强健的底层通信网络进行承载，还要有上层的通信协议来保证。

　　电力系统发生故障时有大量的、类型不同的数据在网络中传输，需有适应这种特殊情况的数据通信模型和通信协议，否则有可能造成通信阻塞和数据丢失。

　　国际电工委员会颁发的变电站通信网络标准IEC61850，提供了标准的数据通信模型，支持了局域网和广域网的数据传输。

　　四、广域保护应用?

　　广域保护的应用总的来说还处于起步阶段，目前国内外还没实现大规模应用，典型应用如：华东电网公司研发了一套针对华东电网的广域动态监测系统，目前该系统已进入运行阶段。

　　在试运行中，该系统成功捕捉了2006年“桑美”台风登陆浙江、福建造成的电网短路故障、浙江乌沙山电厂60万千瓦机组的甩负荷试验状况，并经历了华东电网电力市场第二次调电试验考验，为华东电网安全稳定动态监视、预警和在线决策提供了技术手段，为运行方式的研究、电力交易的稳定校核和离线事故分析提供了技术支持。

　　五、总结?

　　由于微机保护具有强大的逻辑分析、判断和数值计算的能力，并可以利用网络进行通信，通过广域保护和电网的信息交换来提高保护装置的性能的自适应、基于多agent的保护以及广域保护引起了国内外电力界学者和工程技术人员的广泛重视，经过长期不懈地努力，已取得初步的成果。

　　参考文献：?

　　[1]贺家李，宋从矩.电力系统继电保护原理[M].北京：中国电力出版社，2003.?

　　[2]陈德树，张哲，尹项根.微机继电保护[M].北京：中国电力出版社，2000.?

　　[3]崔家佩，孟庆炎.电力系统继电保护与安全自动化装置整定计算[M].北京：中国电力出版社，1993.