基于數(shù)字化變電站繼電保護系統(tǒng)的分析

鄒仁訪

摘要：數(shù)字化變電站是如今電力系統(tǒng)一個前沿的課題，代表了電力系統(tǒng)變電站未來的發(fā)展方向。保證用戶電能質(zhì)量的關(guān)鍵是保證供電的穩(wěn)定可靠。數(shù)字化變電站采用了不同于模擬技術(shù)的全新數(shù)字化技術(shù)及設(shè)備和校驗方法，但如何保證數(shù)字化變電站繼電保護系統(tǒng)的可靠性仍然是一個關(guān)鍵問題，本文在分析數(shù)字化變電站繼電保護系統(tǒng)元件構(gòu)成基礎(chǔ)上，對保護系統(tǒng)的信息流進行了剖析。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化變電站；繼電保護系統(tǒng)；信息流；可靠性； 分析

1 數(shù)字化變電站繼電保護系統(tǒng)的組成

信息的數(shù)字化和通信的網(wǎng)絡(luò)化是數(shù)字化變電站的特點，因此繼電保護系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)變電站由互感器、保護單元和斷路器通過點對點方式連接的簡單結(jié)構(gòu)，會有更多的元件加入其中。合并單元用于匯集和合并多個互感器的采樣數(shù)據(jù)并以一定的格式編制成數(shù)據(jù)幀上傳給交換機。智能終端作為斷路器等一次設(shè)備側(cè)的數(shù)字化智能組件，在保護系統(tǒng)中主要用于接收保護單元發(fā)來的跳合閘和閉鎖信息去控制斷路器的動作，以及負責(zé)采集斷路器的開關(guān)位置等信息并上傳給保護單元。交換機組成的網(wǎng)絡(luò)取代了傳統(tǒng)的二次電纜，成為合并單元與二次設(shè)備之間信息傳遞的平臺，有利于各設(shè)備之間信息的共享。由于繼電保護對各種事件發(fā)生的時間序列有嚴格的準確性要求，各設(shè)備在輸出信息時需要附加精準的時標信息，這就需要全站的同步時鐘源進行統(tǒng)一對時。

2 數(shù)字繼電保護系統(tǒng)的信息流與拓撲結(jié)構(gòu)

同步對時信息、以SV 報文形式傳輸?shù)牟蓸有畔?、以GOOSE 報文形式傳輸?shù)臄嗦菲骺刂萍盃顟B(tài)信息是數(shù)字化繼電保護系統(tǒng)中的三類重要信息。

2.1 同步對時信息

同步對時信息回路的起點是同步時鐘源，其主要用來接收GPS 或北斗系統(tǒng)的時鐘信號，然后以固定的時間間隔向合并單元、保護單元和智能終端等設(shè)備發(fā)送對時信息?，F(xiàn)有的變電站對時方式主要有脈沖對時、編碼對時和網(wǎng)絡(luò)對時三種，其中在過程層最常用的是編碼對時中的IRIG-B 碼對時和網(wǎng)絡(luò)對時中的PTP（IEEE 1588）對時。當(dāng)對時方式不同時，其拓撲結(jié)構(gòu)也會有所變化。脈沖對時和編碼對時需要專用的對時網(wǎng)絡(luò)，由

同步時鐘源直接通過傳輸介質(zhì)與需要對時的設(shè)備相連，一般為星型結(jié)構(gòu)或分級星型結(jié)構(gòu)。

2.2 SV 報文信息

SV 報文信息回路起始于互感器，經(jīng)由合并單元和交換機網(wǎng)絡(luò)后，最終到達保護單元，如圖1 所示，其中交換機網(wǎng)絡(luò)用虛線表示，是由于采樣值傳輸可采用不同的規(guī)約，有些規(guī)約只支持點對點傳輸，不需要交換機網(wǎng)絡(luò)。目前常用的采樣值傳輸規(guī)約有IEC 60044-7/8、IEC 61850-9-1 和IEC 61850-9-2。

圖1 SV 報文信息回路結(jié)構(gòu)圖

IEC 60044-7/8 采用FT3 幀格式，不支持以太網(wǎng)組網(wǎng)，只能通過串行口實現(xiàn)點對點傳輸，傳輸介質(zhì)一般為光纖或是電纜，由于是非以太網(wǎng)傳輸方式，其數(shù)據(jù)傳送的延時是恒定不變的，因而采用此規(guī)約的合并單元不需要外部對時，同時也省去了交換機的環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)較為簡單，然而點對點的傳輸方式將使傳輸介質(zhì)的使用量增加，對可靠性產(chǎn)生影響。

IEC 61850-9-1 是為兼容IEC 60044-7/8 而制定的規(guī)約，數(shù)據(jù)內(nèi)容與后者相同均為固定格式，通訊方式為邏輯點對點的單向廣播方式，所以通常也可以不使用交換機，由合并單元通過專用的線路與保護單元相連。然而由于是以太網(wǎng)的傳輸方式，其CSMA/CD 的介質(zhì)訪問控制方法將造成傳輸延時的不確定，所以要求合并單元對發(fā)出的信息附以精確的時標信息，這就要求外部的對時網(wǎng)絡(luò)對合并單元的時鐘進行對時。

IEC 61850-9-2 報文所傳送的數(shù)據(jù)是可以靈活配置組合的，采用以太網(wǎng)絡(luò)方式，可以使用點對點方式，也可以采用交換機組網(wǎng)，從而減少接口和傳輸光纖的數(shù)量，與9-1 相同，由于以太網(wǎng)傳輸延時的不固定，所以需要同步對時。

2.3 GOOSE 報文信息

GOOSE 報文采用發(fā)布者/訂閱者的方式，實現(xiàn)裝置間一點對多點數(shù)據(jù)的快速傳遞。在繼電保護系統(tǒng)中，GOOSE 報文一般作為跳合閘信號、開關(guān)位置信息和閉鎖信號等信息的載體，在保護單元和智能終端之間傳輸，并最終達到控制斷路器的目的，如圖2所示。

圖2 GOOSE 報文信息回路結(jié)構(gòu)圖

與SV 報文相同，GOOSE 可以采用點對點的方式連接，也可以采用組網(wǎng)的方式。前者不需要交換機，但在每個保護單元和智能終端之間都要用專用的光纖連接，后者更符合IEC 61850 的標準和信息共享的原則，但在網(wǎng)絡(luò)流量過大時會對跳合閘的實時性產(chǎn)生影響，因此一般賦予GOOSE 報文較高的優(yōu)先級，從而保證其可靠傳輸。

3 數(shù)字化繼電保護系統(tǒng)的可靠性分析

如果將傳輸介質(zhì)看作節(jié)點間的線段，而其他元件看作節(jié)點，數(shù)字化繼電保護系統(tǒng)可以看作一個連通網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，各類信息回路的可靠性可以運用最小路集法計算二端網(wǎng)絡(luò)連通率。

1）對時回路的可靠性計算。對于需要對時的合并單元、保護單元和智能終端等元件，只有對時回路保持連通，這些元件才有可能正確工作，因此可以將對時回路的可靠性加入設(shè)備本身的可靠性，形成修正后的元件可靠性，如式（1）～式（3）所示。

（1）

（2）

（3）

式中： 、 、 分別表示修正后的合并單元、保護單元和智能終端的可靠度； 、 和 分別表示同步時鐘源分別到合并單元、保護單元和智能終端的第i 條最小路徑；n 表示最小路徑的數(shù)量。

對于圖1 所示星型結(jié)構(gòu)的對時回路，L 只包括1 條從同步時鐘源經(jīng)傳輸介質(zhì)到對時元件路徑，以合并單元為例此時的修正元件可靠度為

（4）

式中， 、 和 分別表示同步時鐘源、傳輸介質(zhì)和合并單元的可靠度。對于網(wǎng)絡(luò)對時，由于有交換機網(wǎng)絡(luò)的加入，對時回路拓撲結(jié)構(gòu)將變得復(fù)雜，最小路徑數(shù)量n 也相應(yīng)增多，但其可靠性計算處理方法同式（1）～式（3）。

2）SV 回路和GOOSE 回路的可靠性計算。這兩個回路的區(qū)別是待計算的二端網(wǎng)絡(luò)起始節(jié)點與終端節(jié)點不同，具體計算表達式如式（5）～式（6）。

（5）

（6）

式中： 和 分別表示SV 和GOOSE 回路的可靠性； 和 分別表示互感器到保護單元和保護單元到斷路器的第i 條最小路徑。

式（5）為一套保護對應(yīng)一個互感器的情況，當(dāng)一套保護對應(yīng)n 個互感器時，如果這些互感器不是冗余配置，則每條互感器的SV 回路都應(yīng)保持暢通，其之間應(yīng)為串聯(lián)關(guān)系，即

（7）

式中， 表示第i 個互感器對應(yīng)的SV 回路的可靠性。

如果是冗余配置，則只要一條SV 回路保持暢通，保護就能正常工作，此時應(yīng)為并聯(lián)關(guān)系，即

（8）

同樣，式（6）為一套保護對應(yīng)一個斷路器的情況，一般斷路器很少會進行冗余配置，當(dāng)一套保護控制n 臺斷路器時，其之間的GOOSE 回路應(yīng)為串聯(lián)關(guān)系，即

（9）

式中， 表示第 i 個斷路器對應(yīng)的GOOSE 回路的可靠性。

需注意的是，上述路集計算中，合并單元、保護單元和智能終端的可靠度要用式（1）～式（3）對時回路修正后的可靠度所代替。

3）系統(tǒng)整體可靠性計算。由于一套保護需要SV 回路和GOOSE 回路同時正常工作，因此對于繼電保護系統(tǒng)的可靠性來說兩者之間為串聯(lián)關(guān)系，由式（8）、式（9）得

（10）

式中， 表示整個保護系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)保護單元冗余配置時，應(yīng)分別計算每套保護對應(yīng)的SV 回路和GOOSE 回路的可靠性，最終各套保護之間并聯(lián)就是整個保護系統(tǒng)的可靠性，即

（11）

式中， 表示第i 套保護對應(yīng)的系統(tǒng)的可靠性。需再次強調(diào)的是，上述公式計算時，展開后需按照布爾代數(shù)的運算規(guī)則進行合并運算，將相乘的相同項合并為一項，才能得到最終的繼電保護系統(tǒng)可靠性表達式，再代入相應(yīng)的數(shù)值計算。

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