控制保護(hù)系統(tǒng)

控制保護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定的預(yù)警和決策支持的功能有:

1)實(shí)時(shí)的動態(tài)監(jiān)測，在線路溫度、電壓、相角、頻率等出現(xiàn)靜態(tài)或動態(tài)異常時(shí)報(bào)警，還包括傳輸功率、電能質(zhì)量(諧波分析，不對稱分量，電壓質(zhì)量，頻率質(zhì)量)及輔助服務(wù)質(zhì)量監(jiān)測、分布發(fā)電的監(jiān)視、保護(hù)和控制、全網(wǎng)聯(lián)動記錄的觸發(fā)等。

2)辨識異常運(yùn)行的特征和故障類型，利用線路雙端量測量改進(jìn)瞬時(shí)性故障的定位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)廣域保護(hù)及廣域后備保護(hù)。

3)動態(tài)行為分析，包括時(shí)變的低頻振蕩特性(模式、模態(tài)、阻尼、振蕩界面)、定性判穩(wěn)并識別同調(diào)群和失穩(wěn)模式，捕捉振蕩中心及其轉(zhuǎn)移，選擇不平衡功率小的解列方案并與切負(fù)荷方案協(xié)調(diào)，快速確定解列面，識別解列時(shí)刻及其方式。

4)在不知道精確模型與參數(shù)的情況下，評估實(shí)測軌跡的穩(wěn)定裕度，但目前尚無突破性的進(jìn)展。

5)事故追憶和演化過程分析。

6)數(shù)學(xué)模型及參數(shù)的校核，在線測定線路的各序參數(shù)，如特性阻抗、傳播參數(shù)、分布電感及電容等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)保護(hù)。

7)決策與控制，包括:互聯(lián)系統(tǒng)解列的協(xié)調(diào)；閉環(huán)控制，由PMU提供反饋信號，為PSS及可控串聯(lián)補(bǔ)償(TCSC)等控制器提供遠(yuǎn)方的附加穩(wěn)定控制信號；電壓靜態(tài)失穩(wěn)的預(yù)測與控制，頻率穩(wěn)定的預(yù)測與控制，加快故障后的診斷和處理。

控制保護(hù)系統(tǒng)對采集到的系統(tǒng)動態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和分析，包括導(dǎo)線溫度、電能質(zhì)量、輔助服務(wù)質(zhì)量、低頻振蕩、故障定位與演化，可以按該真實(shí)動態(tài)來校核仿真模型及參數(shù)。此外，還可以識別振蕩模式及解列邊界，評估受擾軌跡的穩(wěn)定性，廣域調(diào)節(jié)，參與狀態(tài)估計(jì)，驗(yàn)證模型和參數(shù)。

將數(shù)據(jù)直接用于電網(wǎng)的閉環(huán)控制(如正常運(yùn)行時(shí)的遠(yuǎn)方電壓調(diào)節(jié)，以及檢測到不安全行為后的校正控制)時(shí)，必須妥善考慮通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)洹r(shí)延及不確定性。雖然目前還缺乏工程應(yīng)用的實(shí)例，但未來幾年內(nèi)有可能實(shí)現(xiàn)熱穩(wěn)定極限和廣域二次電壓閉環(huán)控制。將相量測量單元(PMU)提供的相量測量和RTU的量測量一起加到狀態(tài)估計(jì)中可以增加冗余度，如果能充分利用統(tǒng)一時(shí)標(biāo)的信息，將進(jìn)一步改善估計(jì)精度。

國際大電網(wǎng)會議(CIGRE)工作組在2006年預(yù)測控制保護(hù)系統(tǒng)的3個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)?改進(jìn)基于傳統(tǒng)技術(shù)的緩慢二次電壓控制；振蕩阻尼、電壓穩(wěn)定和熱穩(wěn)定極限的控制；廣域的暫態(tài)穩(wěn)定保護(hù)。

當(dāng)前世界范圍內(nèi)對于控制保護(hù)系統(tǒng)的興趣正在不斷增加，當(dāng)從PMU數(shù)據(jù)中挖掘深層次信息、知識和智慧的核心技術(shù)取得突破后，測量系統(tǒng)、預(yù)警系統(tǒng)和控制保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用將突飛猛進(jìn)。其中，預(yù)警系統(tǒng)在測量系統(tǒng)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)安全分析、態(tài)勢預(yù)測和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警功能；控制保護(hù)系統(tǒng)在測量系統(tǒng)和預(yù)警系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)設(shè)備保護(hù)、系統(tǒng)保護(hù)和其他自動控制功能，即確保事故停堆，又可避免因儀器故障引起的誤動作。

控制保護(hù)系統(tǒng)的功能主要是根據(jù)數(shù)據(jù)在線分析穩(wěn)定性，包括暫態(tài)功角穩(wěn)定、小信號穩(wěn)定、頻率穩(wěn)定、暫態(tài)與長期電壓穩(wěn)定、低頻振蕩、次同步振蕩，確定實(shí)時(shí)輸電能力，分析相繼故障風(fēng)險(xiǎn)，以及優(yōu)化控制決策。為此，必須通過可靠的通信系統(tǒng)將控制命令傳送到分層分散的控制裝置。

系統(tǒng)主站通過高速通信系統(tǒng)接收來自子站或其他主站的相量數(shù)據(jù)，并可與EMS等系統(tǒng)交換信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)頻率特征分析、擾動識別、仿真曲線對比及全網(wǎng)錄波觸發(fā)等功能。平臺包括前置機(jī)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫、監(jiān)測系統(tǒng)與外部系統(tǒng)的接口、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)等部分。

系統(tǒng)要協(xié)調(diào)許多矛盾，例如系統(tǒng)安全的全局性與控制手段的局部性，選擇性切除故障的常規(guī)保護(hù)與保證系統(tǒng)動態(tài)安全的系統(tǒng)保護(hù)，動態(tài)控制的實(shí)時(shí)要求與決策支持的大量計(jì)算。因此，最好與SCADA/EMS等系統(tǒng)完全融合，即采用一體化的信息平臺、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)等?？刂票Ｗo(hù)系統(tǒng)可以克服現(xiàn)有局部和分散控制系統(tǒng)的不足，實(shí)現(xiàn)全局的優(yōu)化協(xié)調(diào)控制。

關(guān)鍵技術(shù)包括:

①系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)；

②網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時(shí)性、可靠性和安全性保障；

③相量測量技術(shù)，非時(shí)標(biāo)信息和時(shí)標(biāo)信息的融合；

④從動態(tài)響應(yīng)曲線中挖掘深層信息，包括在沒有與實(shí)際軌線對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型及參數(shù)下，從PMU軌線中提取量化指標(biāo)；

⑤實(shí)測數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)相結(jié)合的數(shù)據(jù)挖掘，基于廣域動態(tài)信息的定量分析和優(yōu)化控制的理論和算法；

⑥自適應(yīng)控制的優(yōu)化和協(xié)調(diào)；

⑦可視化技術(shù)。

其中④和⑤是目前推廣控制保護(hù)系統(tǒng)的主要障礙。

控制保護(hù)系統(tǒng)定義及現(xiàn)狀

直流控制保護(hù)系統(tǒng)是直流輸電的“大腦”。是直流輸電系統(tǒng)安全、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行的保障。其關(guān)鍵技術(shù)主要包括軟硬件平臺技術(shù)、直流控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、閥觸發(fā)控制、直流保護(hù)。ABB，SIEMENS，ALSTOM等作為國際上少數(shù)幾家能夠完整進(jìn)行直流輸電系統(tǒng)設(shè)計(jì)制造的公司。把直流控制保護(hù)系統(tǒng)作為直流輸電的核心。投入了大量的資金和人力。不斷進(jìn)行開發(fā)和產(chǎn)品升級換代。ABB公司現(xiàn)在提供的MACH2直流控制保護(hù)系統(tǒng)是在20世紀(jì)90年代初開始開發(fā)。

1995年左右開發(fā)完成的、我國剛投入運(yùn)行的龍政直流和三廣直流采用的就是這套系統(tǒng)：SIEMENS公司提供的直流控制保護(hù)系統(tǒng)被我國南方電網(wǎng)的天廣直流和在建的貴廣直流中所采用。據(jù)悉。ABB已著手開發(fā)更新一代的直流控制保護(hù)系統(tǒng)。SIEMENS已經(jīng)推出新的直流控制保護(hù)系統(tǒng)Win.TDC。

控制保護(hù)系統(tǒng)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

直流控制保護(hù)系統(tǒng)基本按面向物理或邏輯對象的原則進(jìn)行功能配置。不同對象的功能之間盡可能少的交換信息。某一對象異常不影響其他對象功能的正確運(yùn)行。系統(tǒng)分為站層和設(shè)備層兩大層次。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖《直流控制保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖》所示。站層主要包括SCADA和遠(yuǎn)動通信系統(tǒng)及站級CAN網(wǎng)。設(shè)備層設(shè)備按照功能可分為交直流站控系統(tǒng)、直流極控系統(tǒng)、直流保護(hù)系統(tǒng)。

控制保護(hù)系統(tǒng)SCADA

高壓直流控制保護(hù)系統(tǒng)中SCADA系統(tǒng)的軟硬件。包括對換流站交流開關(guān)場(含換流變及備用間隔)、直流開關(guān)場、換流站控制樓、閥廳、通信系統(tǒng)、直流線路、換流站輔助系統(tǒng)等的監(jiān)視控制以及與遠(yuǎn)方調(diào)度中心和其他監(jiān)視場所的通信接口等。換流站SCADA系統(tǒng)的作用是用于監(jiān)視控制高壓直流傳輸系統(tǒng)以及換流站交流系統(tǒng)的運(yùn)行控制、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。

SCADA系統(tǒng)是一個(gè)模塊化、分布化的全面的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。層次結(jié)構(gòu)清晰。它由過程監(jiān)視單元、過程控制單元、圖形操作工作站和主計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。所有過程監(jiān)視與運(yùn)行的工作站、主計(jì)算機(jī)通過局域網(wǎng)(LAN)連接，具有信息共享、資源優(yōu)化使用和功能分布的網(wǎng)絡(luò)性能。SCADA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用開放化設(shè)計(jì)。將來如有需要便于系統(tǒng)升級和增加新的功能。SCADA系統(tǒng)必須要保證其高可靠性。重要的子系統(tǒng)、設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)、通道都采用冗余體系結(jié)構(gòu)，保證在單通道或單硬件故障下不引起系統(tǒng)故障。

控制保護(hù)系統(tǒng)交流站控系統(tǒng)

站控系統(tǒng)分為交流站控和直流站控。交流站控系統(tǒng)主要完成交流場、交流濾波器和電容器的監(jiān)視與控制。其主要功能歸納如下：

• 整個(gè)換流站范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)采集及信息處理、上送運(yùn)行人員控制系統(tǒng)：

• 全站范圍內(nèi)的開關(guān)、刀閘和地刀的操作控制；

• 聯(lián)鎖：

• 同期：

• 交流站控系統(tǒng)內(nèi)部及輔助系統(tǒng)的事件生成和上傳至運(yùn)行人員控制系統(tǒng)：

• 在線諧波監(jiān)視：

• 對輔助系統(tǒng)的監(jiān)控接口(包括站用電系統(tǒng)的控制、監(jiān)視，以及對其他輔助系統(tǒng)的監(jiān)視功能)；

• 對一次測量裝置的接口功能。

以下是交流站控系統(tǒng)的配置原則。

1、采用分散式結(jié)構(gòu)。按面向物理對象的原則進(jìn)行各站控子系統(tǒng)的配置。不同子系統(tǒng)之間盡可能少的交換信息。某一對象異常不影響其他對象功能的正確運(yùn)行。配置子系統(tǒng)時(shí)充分考慮各子系統(tǒng)的負(fù)載均衡。避免某一子系統(tǒng)任務(wù)過重。造成運(yùn)行異常。

2、采用分布式I/O系統(tǒng)。I/O采用按對象設(shè)計(jì)的原則。即關(guān)閉某一對象相關(guān)I/O的電源不影響系統(tǒng)及其他對象的運(yùn)行。

3、采用標(biāo)準(zhǔn)總線CAN和TDM。通信介質(zhì)采用光纖。提高系統(tǒng)抗干擾能力。CAN總線用于信號量及控制命令的傳輸。TDM總線用于電壓和電流信號的傳輸。

為了保證系統(tǒng)的高可用性。即不因單一故障影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。交流站控系統(tǒng)的主要系統(tǒng)設(shè)計(jì)為冗余的。冗余的主要方法是雙重化，冗余的范圍從輸入/輸出回路到SCADA，LAN。

控制保護(hù)系統(tǒng)直流極控系統(tǒng)

極控系統(tǒng)是整個(gè)換流站控制系統(tǒng)的核心。極控系統(tǒng)的控制性能直接決定直流系統(tǒng)的各種響應(yīng)特性以及功率/電流穩(wěn)定性。

極控系統(tǒng)功能概要如圖《高壓直流控制系統(tǒng)功能框圖》所示。

控制功能模塊包括：極功率控制/電流控制(PPC)；過負(fù)荷限制(OLL)；直流功率調(diào)制(MODS)；換流器觸發(fā)控制(CFC)；控制脈沖發(fā)生單元(CPG)；無功功率控制(RPC)；開關(guān)順序控制(SSQ)；模式順序控制(MSQ)；準(zhǔn)備順序控制(RSQ)；電壓角度參考值計(jì)算(VARC)；換流變壓器分接頭控制(TCC)；線路開路試驗(yàn)控制(OLT)；站問通信(TCOM)。

運(yùn)行人員設(shè)定功率定值和各種直流功率調(diào)制后。功率定值經(jīng)PPC單元計(jì)算得到電流定值，電流定值再送到CFC單元計(jì)算得到相應(yīng)的觸發(fā)角。CPG單元產(chǎn)生觸發(fā)脈沖送到閥控制(VC)，CFC還確保觸發(fā)脈沖在允許限制范圍內(nèi)。

控制保護(hù)系統(tǒng)直流保護(hù)系統(tǒng)

直流系統(tǒng)保護(hù)有以下特點(diǎn)。

a、保護(hù)完全雙重化配置：1套直流保護(hù)可完成所有的保護(hù)功能。2套直流保護(hù)完成完全雙重化保護(hù)配置。每套保護(hù)自身采取措施保證單一元件損壞本套保護(hù)不誤動。保證安全性：2套保護(hù)同時(shí)運(yùn)行，任意1套動作可出口。保證可靠性。

b、每套保護(hù)的防誤不依賴于其他套保護(hù)，使設(shè)備之間關(guān)系簡單。易維護(hù)。

c、每套保護(hù)采取的單一元件損壞防誤動的措施。

d、每套保護(hù)為雙輸入、雙采樣、雙總線傳輸、雙處理器進(jìn)行保護(hù)運(yùn)算。

直流保護(hù)裝置原理如圖《直流保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)圖》所示。

直流系統(tǒng)保護(hù)所保護(hù)的設(shè)備和范圍與換流站的特點(diǎn)密切相關(guān)。與一般的交流變電站不同，所要保護(hù)的設(shè)備和范圍有交流母線、交流濾波器；換流變壓器：直流系統(tǒng)。

眾多 對廣域繼電保護(hù)決策任務(wù)的劃分方法進(jìn)行了探討，提出了集中式、分散式、分層區(qū)域式三種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。集中式保護(hù)系統(tǒng)由控制中心進(jìn)行決策，如圖1所示，控制中心集中決策可

以做到系統(tǒng)全局最優(yōu)控制，更能體現(xiàn)廣域保護(hù)的優(yōu)勢。但是集中式結(jié)構(gòu)對控制中心設(shè)備要求過高，因此必須配置備用的中心設(shè)備;而且大量信息的集中處理使得控制中心計(jì)算量大，并對通信系統(tǒng)的依賴程度特別高，通信系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性、實(shí)時(shí)性決定著控制中心的分析結(jié)果。分散式保護(hù)系統(tǒng)由各分散的保護(hù)終端SPT進(jìn)行決策，如圖1所示，各保護(hù)終端利用一定范圍內(nèi)的信息，通過相對簡單的算法和判據(jù)，實(shí)現(xiàn)可靠、靈敏的系統(tǒng)保護(hù)功能。即使某個(gè)保護(hù)終端決策功能失效，鄰近終端可以作為后備。分散式結(jié)構(gòu)能較好地克服集中式對控制中心設(shè)備要求過高的問題。但作為分散式系統(tǒng)的決策單元，保護(hù)終端獲得電網(wǎng)信息有限，分析和決策能力有限，因此分散式結(jié)構(gòu)往往不能做到全局最優(yōu)控制。分層區(qū)域式的保護(hù)系統(tǒng)由三層構(gòu)成位于最底層的本地測量單元(Local Measure UnitLMU、位于中問層的區(qū)域決策層(Region DecisionUnit RD U)和位于最頂層的系統(tǒng)監(jiān)控中心(SystemMonitor Center SMC)，如圖1中（c）所示。LMU是用來采集電網(wǎng)實(shí)時(shí)信息或同時(shí)附帶保護(hù)功能的PMUs CPhase Measure Units); RDU完成數(shù)據(jù)采集以及保護(hù)控制功能，實(shí)現(xiàn)一個(gè)保護(hù)分區(qū)的系統(tǒng)保護(hù);SMC對本地保護(hù)中心進(jìn)行協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)安全防御計(jì)劃。在分層區(qū)域式保護(hù)系統(tǒng)中，RDU與此區(qū)域內(nèi)LMU通過光纖連接，正常運(yùn)行時(shí)，監(jiān)測本區(qū)域內(nèi)LMU的運(yùn)行狀態(tài)，在擾動發(fā)生后，對LMU上傳信息綜合分析并作出相應(yīng)的決策。決策作出后，一方面下傳至LMU，執(zhí)行閉鎖或操作相應(yīng)的斷路器;另一方面將判斷結(jié)果送至SMC } SMC負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)和監(jiān)控各區(qū)域保護(hù)系統(tǒng)。分層式系統(tǒng)中保護(hù)中心SMC根據(jù)下級單元的判斷結(jié)果從邏輯上進(jìn)行故障定位和全局決策，理論上能有效解決集中式廣域保護(hù)中心計(jì)算量大的弊端，對通訊系統(tǒng)的要求也相應(yīng)降低。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要解決在哪里決策的問題。分散式結(jié)構(gòu)是把數(shù)據(jù)分析和決策過程放在分散于系統(tǒng)各處的保護(hù)終端上，雖然能夠解決集中式結(jié)構(gòu)對于控制中心要求過高的問題，但是其決策能力有限;集中 式結(jié)構(gòu)是在控制中心集中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和控制決策，能夠?qū)崿F(xiàn)全局最優(yōu)控制，在通信系統(tǒng)和控制中心分析決策能力能夠達(dá)到要求的前提下，集中式結(jié)構(gòu)是優(yōu)于分散式結(jié)構(gòu)的。集中式結(jié)構(gòu)雖然功能強(qiáng)大，但是隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，保護(hù)系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)增多，數(shù)據(jù)傳輸距離增長，對通信系統(tǒng)帶寬和計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理能力提出更高要求。分層式結(jié)構(gòu)結(jié)合分散式和集中式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，把大量原始數(shù)據(jù)的處理分散在各RDU進(jìn)行，將大量原始數(shù)據(jù)傳輸限制在各有限區(qū)域之內(nèi)，RDU把運(yùn)算結(jié)果上傳到保護(hù)中心SMC；SMC根據(jù)下級單元的判斷結(jié)果從邏輯上進(jìn)行故障定位和全局決策。分層式結(jié)構(gòu)不僅能夠解決集中式控制中心計(jì)算量大的問題，其對通信系統(tǒng)的要求也相應(yīng)降低，而且還能夠從系統(tǒng)角度進(jìn)行分析和決策，實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)控制，是集中式結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化，因此分層式結(jié)構(gòu)是目前更為合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

目前廣域繼電保護(hù)分層式結(jié)構(gòu)是可以改進(jìn)的，控制中心SMC除了接收區(qū)域保護(hù)RDU的判斷結(jié)果外，還應(yīng)當(dāng)接收LMU中的部分電網(wǎng)信息，全面利用控制中心信息處理決策能力，更好地實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化控制。例如在某個(gè)區(qū)域保護(hù)中，可以考慮將區(qū)域的邊界點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)大差，大差中的信息處理及決策在控制中心進(jìn)行，而內(nèi)部的判別結(jié)果由下級判定結(jié)果上報(bào)。此外，筆者認(rèn)為分層式結(jié)構(gòu)還存在一些問題，比如說RDU和SMC的權(quán)限劃分問題，當(dāng)RDU的判斷結(jié)果與上級SMC的判斷結(jié)果不一致時(shí)，保護(hù)終端應(yīng)該采用誰的決策結(jié)果才更為合理，這也是廣域繼電保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中值得深入探討的問題。

1、自動倒回 　智能光纜保護(hù)系統(tǒng)提供了自動倒回功能。當(dāng)線路維修好以后，在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，通信線路會自動從備纖切換到主纖。 　2、自動告警和切換 　智能光纜保護(hù)系統(tǒng)提供了在光纖線路發(fā)生中斷時(shí)發(fā)出告警提示音，以便工作人員查找原因和進(jìn)行維護(hù)。同時(shí)，系統(tǒng)自動將故障光纖路由快速切換至備用路由，保證業(yè)務(wù)無阻斷。 　3、實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制 　智能光纜保護(hù)系統(tǒng)可在網(wǎng)管中心或本地實(shí)時(shí)監(jiān)測光信號的功率及其變化情況，以及設(shè)備的各種參數(shù)。需要時(shí)網(wǎng)管中心可直接發(fā)送控制命令進(jìn)行主備光纖切換或其它操作。 　4、歷史數(shù)據(jù)存儲及追蹤 　智能光纜保護(hù)系統(tǒng)提供了歷史數(shù)據(jù)存儲及追蹤功能。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性及設(shè)備的易維護(hù)性，在本地可保存連續(xù)24小時(shí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在網(wǎng)管中心計(jì)算機(jī)中可將所監(jiān)控的光功率值連續(xù)地記錄下來，供分析判斷或事故追蹤等。