一种信息量自适应的保护转换机制及其使用方法

摘要

本发明公开了一种信息量自适应的保护转换机制包括：信息评估与保护协调模块、站内保护模块和站间保护模块；信息评估与保护协调模块基于各变电站保护的保护动作信息和电气量信息数据，根据信息类别和充裕程度，快速反应出能够执行的保护模式，并向站内保护模块和站间保护模块发出协调和动作命令；站内保护模块基于信息评估与保护协调模块集中全站的信息，实现全变电站的保护功能，完成信息评估与保护协调模块的选择和实施，并将保护动作情况反馈至信息评估与保护协调模块；站间保护模块依据站间交互信息和本地的站内保护模块上传的动作信息，完成保护模式的选择，分布式实现站间保护功能，并将保护动作情况反馈至信息评估与保护协调模块。

说明书

技术领域

本发明属于变电站电力系统故障识别技术领域，特别是涉及一种信息量自适应的保护转换机制及其使用方法。

背景技术

继电保护是维持电力系统安全稳定运行必不可少的部分。继电保护的基本任务是判别故障并快速切除故障，保障非故障区域能够继续正常运行。性能良好的继电保护应满足可靠性、选择性、速动性和灵敏性的要求。

在复杂的现代电网中，电流保护、方向保护和距离保护等原理已难以满足保护四性要求，传统保护的弊端愈发显现出来:由于受微机保护硬件资源、CPU处理能力、专业分工等约束，传统继电保护采用按间隔分散、独立配置方式，并在相当长的时期内取得了成功的运行经验。但随着电力系统的发展，电力网络结构也越来越复杂，传统继电保护也存在越来越多的问题：

(1)保护装置仅获取本间隔信息，无法兼顾灵敏性和选择性，只能采用逐级配合原则，后备保护动作时间可能高达数秒，不利于电网稳定运行，其选择性的获取是以牺牲快速性为代价的。

(2)大规模新能源电力的接入，将使网络重构频繁发生，基于预先设定整定值的保护装置，将面临频繁修改保护定值的问题。

(3)定值整定困难、保护配置复杂，而且有些保护受系统运行方式的影响很大，其保护范围在不同运行方式下变化明显，甚至可能会失去保护范围，导致保护的失效。

随着智能电网的发展，基于信息共享技术，继电保护可获取更多、更广泛的信息资源，为解决传统保护所存在问题带来新的契机。

因此希望有一种信息量自适应的保护转换机制及其使用方法来克服或至少减轻上述的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种信息量自适应的保护转换机制及其使用方法在通信信息系统发生通信异常情况时实现多信息的区域保护转换为传统保护，由传统保护完成对电力系统的保护，以克服现有技术中存在的种种不足。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种信息量自适应的保护转换机制，包括：信息评估与保护协调模块、站内保护模块和站间保护模块；

信息评估与保护协调模块，所述信息评估与保护协调模块基于各变电站保护的保护动作信息和电气量信息数据，根据信息类别和充裕程度，快速反应出能够执行的保护模式，并向所述站内保护模块和站间保护模块发出协调和动作命令；

站内保护模块，所述站内保护模块基于所述信息评估与保护协调模块集中全站的信息，实现全变电站的保护功能，完成所述信息评估与保护协调模块的选择和实施，并将保护动作情况反馈至所述信息评估与保护协调模块；

站间保护模块，所述站间保护模块依据站间交互信息和本地的所述站内保护模块上传的动作信息，完成保护模式的选择，分布式实现站间保护功能，并将保护动作情况反馈至所述信息评估与保护协调模块。

优选地，所述信息评估与保护协调模块在现有信息量无法满足多信息区域联动保护的情况下，迅速下达指令，保护按照自有配置动作。

优选地，所述站内保护模块获取全站多源信息，完成信息交互，在正常、信息延迟和信息缺失的情况下完成各种条件下的保护类型的选择，集中实现站内保护功能。

优选地，所述站间保护模块仅与相邻变电站交互信息，无需添加主机设备，在正常、信息延迟和信息缺失情况下完成各种条件下的保护类型的选择，分布式实现站间保护功能。

一种使用信息量自适应的保护转换机制的方法包括以下步骤：

(1)所述信息评估与保护协调模块分布在各变电站二次系统，正常情况下，保护与测量系统运行正常，所述信息评估与保护协调模块协调所述站内保护模块与站间保护模块与各保护单元配合，完成主保护保护相关功能；

(2)在所述站内保护模块相关信息缺失的情况下，所述站内保护模块无法完成站内保护功能，所述信息评估与保护协调模块接收到所述站内保护模块传送的信息，将站内保护方案自动退化为传统保护方案；

(3)在所述站间保护模块想关信息缺失的情况下，所述站间保护模块无法完成站内保护功能，所述信息评估与保护协调模块接收到来自本站的所述站内保护模块传送的信息，向相邻站发出“信息缺失”信号，接受和发出到“信息缺失”信号的变电站将停止所述站间保护模块的功能，自动退化为线路传统保护方案。

本发明公开了一种信息量自适应的保护转换机制，当通信信息系统正常运行时，基于多信息的区域保护能够对故障做出正确识别并快速切除故障；当通信信息系统发生通信异常情况时，由于多信息无法及时交互，使得决策主站缺失部分或全部多信息，导致原有的保护策略中因缺少某些必要的判断条件而无法做出故障识别。本发明提出的信息量自适应的保护转换机制能够在上述极端情况下将多信息的区域保护转换为传统保护，由传统保护完成对电力系统的保护，由此实现纵向分层次的继电保护架构体系，通过时间上的相互衔接和动作信息的协同配合，达到提高继电保护性能的目的。

附图说明

图1为本发明所提出的信息量自适应的保护转换机制系统的结构示意图。

图2为变压器间隔信息缺失，故障发生在中压侧或低压侧。

图3为变压器间隔信息缺失，故障发生在高压侧。

图4为线路间隔信息缺失，故障发生在中压侧、低压侧或变压器高压侧绕组。

图5为线路间隔信息缺失，故障发生在高压侧母线或信息缺失线路。

图6为B站C站之间信息缺失，故障发生在线路三。

图7为B站C站之间信息缺失，故障发生在线路二。

图8为B站站内保护自然蜕化，故障发生在变压器高压侧。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明宽泛的实施例的描述中，信息量自适应的保护转换机制包括：信息评估与保护协调模块、站内保护模块和站间保护模块；

信息评估与保护协调模块，所述信息评估与保护协调模块基于各变电站保护的保护动作信息和电气量信息数据，根据信息类别和充裕程度，快速反应出能够执行的保护模式，并向所述站内保护模块和站间保护模块发出协调和动作命令；

站内保护模块，所述站内保护模块基于所述信息评估与保护协调模块集中全站的信息，实现全变电站的保护功能，完成所述信息评估与保护协调模块的选择和实施，并将保护动作情况反馈至所述信息评估与保护协调模块；

站间保护模块，所述站间保护模块依据站间交互信息和本地的所述站内保护模块上传的动作信息，完成保护模式的选择，分布式实现站间保护功能，并将保护动作情况反馈至所述信息评估与保护协调模块。

在本发明另一宽泛实施例中，一种使用信息量自适应的保护转换机制的方法包括以下步骤：

(1)所述信息评估与保护协调模块分布在各变电站二次系统，正常情况下，保护与测量系统运行正常，所述信息评估与保护协调模块协调所述站内保护模块与站间保护模块与各保护单元配合，完成主保护保护相关功能；

(2)在所述站内保护模块相关信息缺失的情况下，所述站内保护模块无法完成站内保护功能，所述信息评估与保护协调模块接收到所述站内保护模块传送的信息，将站内保护方案自动退化为传统保护方案；

(3)在所述站间保护模块想关信息缺失的情况下，所述站间保护模块无法完成站内保护功能，所述信息评估与保护协调模块接收到来自本站的所述站内保护模块传送的信息，向相邻站发出“信息缺失”信号，接受和发出到“信息缺失”信号的变电站将停止所述站间保护模块的功能，自动退化为线路传统保护方案。

一种与信息量相适应的保护转换机制系统，其特征在于：第一，利用现有保护配置模式，不改变保护设备及其基本原理，保护均为反映保护安装处电气量的现有保护。第二，利用多源信息及其传输和处理手段。随着通信技术的发展，可以掌握充足的保护关联信息，关联信息的有效应用可消除传统保护选择性和快速性的矛盾。第三，保护机制与信息量相适应。在信息量充足且处理有效的情况下，采用多信息区域联动保护，可以加速动作速度且具有相当的可靠性。在信息不具备或发生矛盾、堵塞、错误情况下，通过合理的机制转换和功能配置，保留原有保护逻辑，完成保护功能。

如图1所示，信息量相适应的保护转换机制系统包括：信息评估与保护协调模块、站内保护模块和站间保护模块。

一种与信息量相适应的保护转换机制系统的基本原理为：

1.信息评估与保护协调模块

一种与信息量相适应的保护转换机制方法的步骤为：

步骤1：间隔保护模块基于各变电站保护间隔实现该间隔的保护功能，并提取保护动作信息和电气量信息上传至站内保护模块；

步骤2：站内保护模块基于间隔保护模块，集中全站的信息，实现全变电站的保护功能，完成保护模式的选择和实施，并将保护动作情况反馈至信息评估与保护协调模块；

步骤3：站间保护模块依据站间交互信息和本地站内保护模块上传的动作信息，完成保护模式的选择，分布式实现站间保护功能，并将保护动作情况反馈至信息评估与保护协调模块。

2.站内保护模块

站内保护的功能是精确定位变电站内部故障，快速切除故障，充分利用冗余信息提高继电保护的可靠性。相对于传统后备保护，站内保护可以获取多源信息，完成一定信息交互，有助于实现后备保护的选择性和快速性；站内保护能够灵活增加对中低压保护的配置，并简化接线，提高可靠性与经济性，提高功能的简洁性与装置的易操作性；互感器断线导致信息缺失时，由于实现了信息共享，可对缺失信息进行补充，对冗余信息实时分析及利用，可以提高保护动作的安全性与可靠性。

如图2所示，站内保护在功能上区别于传统保护的最大优势是可以根据多信息进行综合决策判断，综合利用站内及相邻站信息，一方面是各处电压、电流信息和断路器、刀闸状态等这些直接信息；另一方面是经过处理后的中间信息或动作结果等这些间接信息。利用冗余的直接信息以及间接信息，可以优化保护之间的配合，缓解保护选择性与速动性之间的矛盾。

站内保护还可以简化后备保护的整定配合。基于就地量的近后备、远后备保护，在网络拓扑越来越复杂的现代电网下，由于获得信息有限，保护范围互相覆盖，使得配合十分复杂，整定值计算工作量大。通信正常情况下，站内保护收集站内信息后，根据变电站的网络拓扑结构，经过简单判别就能准确隔离故障。所以，站内保护不仅能有效提高保护性能，而且能取代或者大大简化后备保护整定配合等一系列繁琐复杂的工作。

站内保护的通信异常类型可分为信息延时和信息缺失两种情况。

⑴信息延时

信息延时，即由于通讯堵塞导致站域主机无法及时获取站内间隔层上传的信息，不能在故障发生后第一时间进行保护决策判别。

发生信息延时时，站内保护是否发生自然蜕化取决于延时的时长。

若通信延时与站内保护逻辑设定的延时之和小于传统保护延时，则站内保护不发生蜕化，保护动作速度仍将得到提升；

若通信延时与站内保护逻辑设定的延时之和大于传统保护动作时间，则传统保护将优先动作，此时站内保护便自然蜕化为传统保护。

⑵信息缺失

站内保护获取的信息来源包括变压器间隔与本站高压侧线路间隔，以下分别考虑缺失此两种间隔的信息对站内保护的影响：

缺失来自变压器间隔的信息：此时，站域主机无法获取变压器三侧的保护信号。

如图2所示，当故障发生在中压侧(包括变压器中压侧绕组、中压侧母线以及中压侧出线)或低压侧(包括变压器低压侧绕组、低压侧母线以及低压侧出线)，则站内保护将无法识别故障，自然蜕化为传统保护，依靠传统保护的延时配合切除故障。

如图3所示，当故障发生在高压侧(包括变压器高压侧绕组以及高压侧母线)，则依靠高压侧线路间隔上传信息可以识别出站内发生了故障，但不能分辨出是高压侧母线故障还是变压器故障，这种情况下，可通过增设延时与阶段式跳闸方式完成站内保护功能，I时限跳保护3，I I时限跳保护1、2或保护4、5，站内保护不发生蜕化。

缺失来自高压侧线路间隔的信息：此时，站域主机无法获取此线路间隔的保护信号。

如图4所示，当故障发生在中压侧、低压侧或变压器高压侧绕组时，此间隔信息缺失对站内保护故障识别功能无影响，不会发生自然蜕化。

如图5所示，当故障发生在高压侧母线或信息缺失线路时，依靠变压器间隔与其余高压侧线路间隔上传信息可以识别出站内发生了故障，但不能分辨出是高压侧母线故障还是发生信息缺失的高压侧线路故障，这种情况下，可通过增设延时与阶段式跳闸方式完成站内保护功能，I时限跳保护1，I I时限跳保护2、3，站内保护不发生蜕化。

同时缺失来自变压器间隔与高压侧线路间隔的信息：此时，无论故障发生在何处，站域主机都将无法识别出故障，站内保护将彻底失去故障识别能力，自然蜕化为传统保护。

综上，站内保护的自然蜕化边界为:通信延时与站内保护逻辑设定的延时之和大于传统保护动作时间。或缺失变压器间隔信息且故障发生在中、低压侧时。或同时缺失来自变压器间隔与高压侧线路间隔的信息。

3.站间保护模块

如图3所示多信息自适应保护主要负责站间联络线的保护以及站内元件远后备保护，由主机依据通过数据网络共享的区域内各节点的电流、电压、断路器状态，计算出故障的基本信息，实现站间保护功能。站间保护优于传统单端量保护主要体现在站间保护不仅仅利用被保护设备自身的信息，还可利用其他相关设备信息以及网络拓扑信息和模型参数信息等，优化现有保护功能，提升保护的选择性和快速性；站间保护利用多信息直接识别故障，无需考虑上下级保护的配合关系，既降低了整定难度，同时又提高了保护的动作速度；当线路信息缺失时，站间保护对信息分析及利用实现对缺失信息进行补充，提高保护的安全性与可靠性。

站间保护的通信异常类型可分为信息延时和信息缺失两种情况。

⑴信息延时

信息延时，即由于通讯堵塞导致站域主机无法及时获取相邻站的信息，不能在故障发生后第一时间进行保护决策判别。

发生信息延时时，站间保护是否发生自然蜕化取决于延时的时长。

若通信延时与站间保护逻辑设定的延时之和小于传统保护延时，则站间保护不发生蜕化，保护动作速度仍将得到提升。

若通信延时与站间保护逻辑设定的延时之和大于传统保护动作时间，则传统保护将优先动作，此时站间保护便自然蜕化为传统保护。

⑵信息缺失

由于通讯中断等原因，导致区域主机无法获取相邻站的信息，即发生信息缺失。

发生信息缺失时，与信息缺失站相连的站域主机将无法识别发生在信息缺失线路及其下级线路上的故障，因此与信息缺失站相连的线路出口保护将自然蜕化为传统保护，而其他线路出口的站间保护功能将不受影响，不发生自然蜕化。

如图6所示，B站与C站发生通讯中断，无法获得对侧区域信息，B站出口保护3和C站出口保护4自然蜕化为传统保护，B站出口保护2和C站出口保护5不发生自然蜕化。

此时若故障发生在线路三，则对C站而言，由于仍与D站保持正常的信息交互，对线路三的保护功能不受信息缺失影响，故不发生自然蜕化。

然而对B站而言，由于缺少C站交互信息，无法确认故障位置是位于线路三还是线路四，致使其对保护3的远后备保护加速功能失效，需蜕化为传统保护对线路三进行远后备保护。

如图7所示，若故障发生在线路二，则对B站和C站而言，由于缺少与对方的信息交互，无法准确识别故障位置，致使对线路二的站间保护功能失效，保护3与保护4自然蜕化为传统保护。

综上，站间保护的自然蜕化边界为:

1)通信延时与站间保护逻辑设定的延时之和大于传统保护动作时间

2)发生信息缺失时，与信息缺失站相连的线路出口保护将自然蜕化，其他线路出口的站间保护不蜕化。

4.蜕化过程中可能产生的问题及措施

区域网络中，当个别保护自然蜕化为传统保护后，其保护动作时限也延长为传统保护的设定延时，最多可能达到3到4秒，而其相邻区域的保护元件作为远后备保护，若仍保有加速能力，则可能在比蜕化后的保护先行动作，致使停电范围扩大化。

如图7所示，保护3与保护4自然蜕化后，假设其动作时限为3秒，若保护1与保护6仍具有站间保护功能，则可能在1秒延时后切断线路一与线路三，造成停电范围扩大化。

为此，需考虑保护蜕化区域与未蜕化区域的配合，防止保护误跳的发生。以下分别对站间保护蜕化与站内保护蜕化与相邻线路保护的配合加以论述。

(1)站间保护发生蜕化

仍以图7为例，保护3与保护4发生自然蜕化。

若保护3距离I段起动，则B站可确定故障发生在线路二上，此时，B站向A站发送故障确认信号，告知A站故障发生在线路二上，则保护1的远后备动作延时只需躲过保护3的传统保护I段动作时间，保护速度仍然得到加速。若保护4距离I段起动，则同理保护6远后备也得到加速。

若保护3距离I段不起动，则B站无法确定故障是发生在线路二还是线路三上，此时，B站不会向A站发送故障确认信号。A站接收不到故障确认信号，则保护1的站间保护功能不起动，远后备保护速度不会得到加速，仍按照传统保护设定的延时动作，此延时在传统保护整定时即考虑了与保护3在时间上的配合，故保护1不会比保护3先行跳闸，也就不会扩大停电范围。若保护4距离I段不起动，则同理保护6的远后备保护速度也不会加速，将按照传统保护整定的延时动作，不会扩大停电范围。

(2)站内保护发生蜕化

正常情况下，当变电站内部发生故障时，站内保护可以对故障进行准确识别，并向相邻站发送故障确认信号，加速相邻站对本变电站的远后备保护速度。

而当由于某种原因导致站内保护蜕化后，如图8所示，B站站域主机无法确认本变电站内是否发生了故障，也不会向相邻站A、C发送故障确认信号。A、C站接收不到故障确认信号，其对B站的远后备保护1、4的保护速度不会得到加速，仍按照传统保护设定的延时动作，此延时在传统保护整定时即考虑了与保护5在时间上的配合，故不会造成停电范围的扩大

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。