浅谈变电站IED数据在继电保护中的应用

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0 引 言

继电保护是保障大电网安全的第一道防线，而由于保护的误动、拒动以及电网的潮流转移等导致的连锁动作最终造成事故扩大也有发生。因此，在复杂电网环境下审视继电保护中存有的问题，研究出相应的快速识别故障隔离故障，简化保护方案是值得研究的。近年来，随着广域同步测量和智能变电站技术的不断成熟发展，各种智能电子设备也相应地安装到智能变电站中，这就为改善继电保护性能提供了良好的契机。

目前变电站内稳态、动态和暂态信息分别由测控单元、相量测量装置(phasor measurement unit,PMU)和故障录波装置、继电保护装置采集。这些装置在功能上存在交叉，因此在一定程度上也造成了不必要的成本增加和管理难度。文献[1]提出一种用于三态(稳态、动态、暂态)数据监控的新型多功能IED的实现方案，多功能IED通过信息共享和功能优化有效减少网络负担，提高信息利用率。然而，伴随这种多功能IED方案而来的又是对系统多种数据类型整合和实时分析的更高要求。由于多功能IED将多种功能集成，所以各个功能间的配合问题需要做出深入的研究。

由于IED装置数量种类众多，且大多来自不同厂家，有着不同的规格，IEC 61850国际标准的颁布切实地解决了此问题，实现了多种IED的互换性和一致性。IED的功能有状态监测、故障检测、故障定位、故障诊断、信息交互以及开关操作控制。IED的特点包括实现信息的完全交互：IED之间以及IED与控制中心之间进行信息完全交互。信息交互不仅包括节点电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率、谐波、电压波动和闪络、开关位置信号、断路器失效信号、重合闸与录波信号，还包含保护与故障隔离的输出信号、网络重构与故障诊断、决策信号等。而所有这些信号都是以标准格式存储在IED中的数据形式。有效采集分析这些数据对提高继电保护性能具有不容忽视的意义。下面将从IED模型建立、继电保护算法分析、广域继电保护中IED数据传递与配合3个方面进行论述，分析各技术路线的研究重点和难点并给出建议，在此基础上进一步展望有效利用IED数据的方法。

1 IED模型建模思想

1.1 基于IEC 61850标准的IED模型建立

文献[2-3]介绍了关于特定IED装置的建模方法和步骤。其中，基于IEC 61850标准的故障选线IED模型是将故障选线功能分解为IEC 61850定义的逻辑节点，对故障选线IED进行应用信息和基本功能的标识和划分，构建新型模型的基本框架。由于需要监测多条线路，检测量众多，所以为了避免数据流量较大、计算复杂的不利情况，考虑采用每条线路作为一个逻辑点再将线路信息汇总到选线算法模块，进而选出故障线路的方法。这样既避免了信息冗余，也使得数据传输能对应逻辑节点，提高了系统可靠性。类似地，借鉴IEC 61850功能分层结构、统一对象建模和抽象通信服务接口的特点，对广域电流差动保护智能电子设备进行建模。其中广域电流差动保护新逻辑节点的扩展是实现各IED互操作性的关键所在。图1是超高压线路保护装置对象的建模实例。

由图1可知，按照功能划分原则，将一个或几个性质相似的功能归到一个逻辑设备中，整个模型由几个逻辑设备组成。

图1 超高压线路保护的对象模型

1.2 功能闭锁IED模型建立

随着电力系统规模的不断壮大，IED数量也相应增加，这带来了数量众多的IED数据需要分类并有效处理的问题，而一旦处理有误便会带来严重的影响。功能闭锁机制在避免因电力系统保护误动而导致事故方面具有重要作用。目前国内外的众多研究都只是针对利用IED来为整个电力系统服务，提高系统性能，而忽视了IED本身的研究。文献[4-5]提出设计数字化变电站运行功能闭锁IED，以两个设备为例分成正常、预留和释放3种控制模式，将相关开关的预留闭锁信息通过通信信道发送给对应的IED，有效避免了某一个IED动作时因为包含其他一个或几个IED相关动作信息而导致相应的IED发生不正确的动作，实现资源的配置和设备的分布应用，增强了系统运行的灵活和稳定。图2 阐释了此种功能闭锁IED的思想流程。

图2 IED功能闭锁信息流程

由图2可知，此预留闭锁信息的传递过程中，确认信息的成功发送很关键，只有成功预留了IEDb，才不会发生IEDb的误动，有效避免因数据流量大而导致保护IED误动。

1.3 基于IEC 61850的变电站后备IED设计

针对保护IED装置本身发生故障的情况，文献[6]提出后备IED的概念。传统变电站系统只使用本地数据和时间曲线处理保护与协调，而IEC 61850的保护IED使用建立在以太网基础上的通信网络，采集其他IED的数据，最大化实现广域范围内的数据共享，提高保护与协调的有效性。后备IED包含变电站的每一种保护元素，由逻辑节点解析文件决定是否使能后备IED，根据具体实时的运行情况自动激活后备IED而不是由厂家整定。后备IED有利于减少整体后备IED族的数目，也可以为故障的IED提供后备。

后备IED建立的要求也十分严格：使用SCD文件构造SCL基础上的保护IED；避免物理重启，保证持续运行；储存变电站中的继电保护装置和逻辑节点的所有信息和功能。其中后备IED的运行也较为复杂，具体为：后备IED启动一个主功能路径监测来自变电站的文件传输并等待后备命令；接收到含有逻辑名的文件之前，后备IED一直处于在线状态但并不执行任何动作；接收到文件后，解析文件获取信息并匹配数据，执行对故障IED的后备。故障IED修复后，站控层发送复位信息，此时后备IED销毁所有路径，但仍保留主路径，删除所有之前后备动作的相关信息；复位以后，后备IED回到初始状态，监测并等待后备信息[6]。这种后备IED的优点在于不需要物理重启，有效减少了保护失效的时间，但某种程度上会影响系统的实时动态性能和可靠性。所以可以考虑刷新系统，定期重启后备IED，避免由整定和算法变化产生的不稳定情况。

2 IED中的保护配合与算法应用

2.1 分区域思想与聚类算法

文献[7]提出利用广域状态信息进行模糊C均值聚类的方法实行故障区域的判别，利用线路智能电子装置(IED)采集相应的保护动作信息、断路器状态信息等，并以网络各个线路IED状态信息作为聚类的对象，定义了电网关联IED的含义，将故障元件IED归为关联的一类，同方向区外故障IED归类关联的另一类。文献[8]提出将广域电网划分为类蜂窝结构，实现分区域系统的继电保护，更采用广域继电保护分布集中式系统结构适应区域电网。系统中IED主要完成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能、断路器操作的执行功能、常规主保护功能等。构成了基于信息拓扑树搜索的保护判据，保护对象为树根，其他相邻元件为树枝，以树枝IED为节点建立了多层信息域。

2.2 IED方向比较原理

文献[9]提出了一种基于方向比较原理的广域继电保护算法，建立厂站内一次设备和厂站出线对应的一次设备、方向元件关联矩阵，并据此确定具体的故障元件。文献[10]提出基于负序功率方向比较原理的广域继电保护算法。根据IED的安装位置，形成了包含有母线及线路在内的IED关联域。系统发生故障后，通过IED在关联域内对故障信息的采集和共享，定位故障，并按照预定的IED动作策略迅速切除故障。综合比较文献[7-10]的算法思想，可得到聚类算法适应性强，但得依赖同步测量工具；负序功率方向比较原理仅适用于非对称故障情况。因此，可以采用将两种思想融合的改进算法，即联合负序功率方向比较与聚类的新继电保护算法，这样不仅可以对上述的算法进行优势互补，还可以通过增大系统的信息冗余提高系统故障判别的容错性。图3 阐释的是改进算法的流程图。

图3 改进法的故障判别与后备保护流程

3 广域继电保护IED数据传递与配合

3.1 IED数据提取与传递

变电站中IED的安装改变了保护工程的现状，IED 设备不仅记录大量模拟量和数字量，同时也经由通信系统将数据传送到控制中心。由IED产生的动作数据能够分析系统中的故障部分，由非动作数据可以分析出故障的原因所在[11]。很明显，IED的数据具有重要的意义，然而，伴随着IED存储数据和传递的过程会积累大量的不必要数据。因此，要求系统能够自动辨识所有IED中的信息，提取出高质量的有效信息。图4给出了IED数据的提取过程。

图4 IED数据生成提取五步法

3.2 事故分析中的IED数据应用

IED的互换性问题解决之后为系统大流量的数据共享提供了方便，其中利用IED数据对变电站进行事故分析具有切实的重要作用。通过分析采集到的IED数据，能够得到系统异常的原因，快速恢复供电，阻止事故扩大，保证设备高效率运行；做出基础设施替换维修的决策，延长设备使用寿命，提高系统可靠性。将IED数据进行整理和分析可得到事件的分类情况，如表1所示。

表1 变电站事故分析表

3.3 故障隔离与供电恢复IED的协调与配合

文献[12]研究了IED中不同原理的保护之间相互协调配合问题，指出通过将传统的馈线终端单元换成智能电子设备(IED)，利用IED的数据信息交互实现网络的故障隔离和供电恢复。以图5为例详细介绍IED的保护配合。

图5 保护IED配合结构

由图5可知，当k1处发生永久性故障时，IED15打开断路器15。同时，IED15向IED14发送开、关命令来控制断路器14的操作达到隔离故障的效果。此时，EF部分是非故障区域，需要恢复供电。IED13和IED9～IED12向系统侧的IED7发送恢复电力供应的请求。IED7合上回路开关7，此时EF部分由S3供电。当S1发生故障，IED14～IED16发送恢复供电请求给IED13，IED13合上开关，此时IED14～IED16由S3供电。同样地，IED2和IED3向IED4发送恢复供电请求，此时IED2～IED3由S2供电。当k2处发生故障，IED10和IED11预测到故障点位于节点10和11之间，但节点10和11之间的开关仅是分段开关，无法切断故障电流。IED11向IED12发送直接跳闸信号，IED12动作于断路器12跳开故障。如果IED11检测到馈线上没有电压，打开分段开关11，经过一定延时，断路器12重新合闸，接着合上分段开关11。如果故障是暂态故障，系统恢复到正常工作。如果是永久性故障，IED11重新监测到故障电流，再次向IED12发送直接跳闸命令，断开断路器12。当IED11检测到馈线上没有电压，打开分段开关11和分段开关10，当IED11和IED10检测到分段开关11和分段开关10可靠打开以后，向IED12发送重合闸命令，断路器重新合上。至此，节点12和节点11之间恢复供电。同样地，IED10向IED7发送恢复供电请求，合上开关7，此时由S2供电，节点7和节点10之间供电恢复。

这种IED之间的相互动态配合与协调，能够及时隔离故障区域，但每一次动作之后IED之间的相互上下级关系会发生变化，这是在实际应用中需要注意的地方。

关于故障诊断方面，文献[13-14]提出同时利用不同种类的IED(DPR、DFR、PMU等)并嵌入不同的故障定位算法，通过增加判据，增强故障定位的快速性，同时提高故障诊断的容错能力。文献[15-16]在广域继电保护的基础上分析了IED数据使用的注意事项，指出了应当将IED较大的数据信息视为研究重点，并不是数据信息越多越好，必须提取有用信息，减少不必要的干扰信息甚至是错误信息。因此，针对越来越多的IED安装于智能变电站中，有必要研究如何充分有效地利用IED数据，同时精简IED装置数量，实现IED数据的在线自适应调整和最有效分析。

4 结 语

分析了IED数据的产生及提取分析过程，概括总结出IED数据的应用情况、应用方法和应用过程并对其数据的应用情况进行了相关分类。通过具体的实例阐释了利用IED中的算法和数据进行故障区域判别与故障定位以及IED在广域继电保护领域的配合问题。对具体应用情况指出了研究内容的难点并给出了一定的建议。

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