基于ptn通讯技术和ieee1588网络对时协议的广域保护控制系统的制作方法
基于ptn通讯技术和ieee1588网络对时协议的广域保护控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力系统继电保护和安全控制技术领域，特别涉及一种基于PTN(分组传送网，Packet Transport Network，其特点是在IP业务和底层光传输媒质之间设置了一个层面，它针对分组业务流量的突发性和统计复用传送的要求而设计，以分组业务为核心并支持多业务提供，具有更低的总体使用成本(TCO)，同时秉承光传输的传统优势，包括高可用性和可靠性、高效的带宽管理机制和流量工程、便捷的OAM和网管、可扩展、较高的安全性等。)光网络通讯技术和IEEE1588网络对时协议的广域保护技术。
【背景技术】
[0002]随着电网互联及电力市场的发展，电力系统将日渐接近其运行极限，其运行和控制将更为复杂，发生扰动和故障的可能性更大，后果也更严重，这对稳定控制提出了更高的要求。
[0003]常规的继电保护用于在电力系统发生故障后实现对故障元件的自动和快速切除、隔离故障，以保证人身和设备安全以及无故障部分的正常运行。现有的继电保护和安全自动装置不能适应电力系统发展的要求，主要问题如下:
[0004]保护动作判据都是基于本地测量数据，其选择性要求继电保护只能保护本地网络，没有考虑故障对整个电网的影响，难以对运行方式的不断变化的客观系统作出全面的反映。保护装置相互之间缺乏有效的协调，难以实现系统全局的安全稳定运行，在某些情况下(如发生连锁故障)会恶化系统的运行状况。在高负荷时期，这些关键的联络线上的传输功率可能接近输送功率极限。这种情况下运行的系统抗扰动的能力大大降低，很容易因为一条联络线发生偶然事故断开造成其余线路过负荷而相继断开，从而使事故蔓延，甚至造成系统崩溃。美国8.14大停电事故最初就是从几条线路相继断开开始的。
[0005]常规的后备保护虽然有比较大的保护范围，但其选择性的获得要以牺牲快速性为代价，动作时间过长，有时候难以发挥应有的保护作用。现有的继电保护配置当中，后备保护的时限整定遵循阶梯时限原则，为了保证选择性，后备保护的动作时限可能高达数秒。在电网规模和复杂程度越来越大的情况下，这一问题越显突出，至今仍无法很好的解决。
[0006]安全自动装置的主要作用是维护电网的安全稳定运行，在紧急情况下采取减负荷、切机以及系统解列运行等方式来避免电网崩溃而导致大停电事故。目前电力系统的安全自动装置和继电保护装置是两套独立的系统，二者之间缺乏有效的通信和配合，无法准确反映整个系统的变化情况。
[0007]随着计算机与网络通信技术的发展，特别是光纤的大量敷设，为获得广域电网多点电气量和状态量信息提供了必要的信息基础。同时，随着计算机处理能力的增强，为将继电保护系统和安全自动控制系统集成在一起提供硬件条件。
【发明内容】
[0008]为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种基于PTN光网络通讯技术和IEEE1588网络对时协议的广域保护控制系统。该广域保护可以完成广域电网的线路保护、变压器保护、母线保护、开关失灵保护、低频减载、低压减载功能、广域备自投功能。
[0009]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:一种基于PTN通讯技术和IEEE1588网络对时协议的广域保护控制系统，所述广域保护控制系统包括站域保护子站、区域保护主站和广域保护主站；其特征在于:
[0010]站域保护子站基于PTN光网络和IEEE1588网络对时协议，利用PTN光网络将变电站内的同步数据共享，实现变电站站域保护功能；将关联紧密的若干变电站作为一个区域电网，利用PTN光网络将区域电网内各变电站的同步数据上送到区域保护主站，实现区域保护控制功能；将关联紧密的若干区域电网作为一个广域电网，利用PTN光网络将广域电网内各区域保护主站的同步数据上送到广域保护主站，实现广域保护控制功能；所述广域保护控制系统通过安装在被保护的广域电网各站域保护子站中的站域保护控制装置、安装在各区域保护主站中的区域保护控制装置和安装在广域保护主站中的广域保护控制装置实现站域、区域、广域电网的保护和控制。
[0011 ] 在所述广域电网中，所有变电站各间隔配置数据采集模块和执行单元，站域保护子站利用PTN光网络通讯技术和IEEE1588协议对时机制实现对该站域子站所属变电站的各间隔的电压、电流以及状态量的同步测量，并计算对应电压、电流的幅值、相位、频率、功率，将所计算的电压、电流的幅值、相位、频率、功率连同计算时刻的时间信息，以及测量到的状态量数据连同测量时刻的时间信息作为共享同步数据通过PTN光网络传送站域保护控制装置，站域保护控制装置根据本变电站共享的同步数据，判断是否本变电站内的元件出现异常或者故障，站域保护控制装置将本站共享同步数据和元件出现异常或者故障的判断结果上送至本站所属的区域保护主站中的区域保护控制装置。
[0012]区域电网中的区域保护控制装置根据本区域电网中各站域保护子中的站域保护控制装置上送的共享同步数据进行计算和分析以判断被保护的区域电网是否发生了异常和故障，进而根据判断的结果生成相应的控制命令，通过PTN光网络下达给相应的站域保护控制装置。
[0013]区域保护控制装置根据多个相关站域保护控制装置上传的共享同步数据完成分析和判断，并辅以站域保护控制装置根据本地的判定结果来协同完成保护和控制功能。
[0014]安装在广域保护主站中的广域保护控制装置根据所包含的各区域保护控制装置上送的共享同步数据进行计算和分析以判断被保护的广域电网是否发生了异常和故障，进而根据判断的结果生成相应的控制命令，通过PTN光网络下达给相应的区域保护控制装置。
[0015]对于广域电网所属的区域电网之间的联络线路和区域电网内的线路，广域保护控制装置和区域保护控制装置可以将广域电网内线路分别同时使用差动保护和集成式后备保护。
[0016]集成式后备保护采用2段式距离保护、2段零序方向保护、TV断线后2段过流保护，以及过负荷保护。当广域电网中某条线路因过负荷或者故障导致该线路退出运行，该线路所属区域保护控制装置或站域保护控制装置会自动提高同一功率断面线路的过负荷保护电流定值和时间定值，从而避免连锁跳闸事故。
[0017]当所述站域保护控制装置检测并判断到本站所属线路发生故障时，通过PTN光网络向相应间隔的执行单元发跳闸令跳开故障线路各侧断路器，经过设定延时后，如果故障线路还有电流，则认为该断路器失灵，则由站域保护控制装置通过PTN光网络向相应间隔执行单元发跳令跳开该故障线路上一级的断路器，避免事故的进一步扩大。
[0018]当所述区域电网发生故障并成功切除故障后，区域保护控制装置根据区域电网电源分布情况和区域电网运行情况，启动区域备自投功能，恢复供电，缩小失电范围。区域保护控制装置结合区域电网共享同步数据，综合计算区域电网各节点的有功、无功、频率，预估区域备自投动作后的情况，以达到智能恢复供电的目的。
[0019]所述当广域电网发生影响广域电网安全稳定的大扰动时，广域保护控制系统可以实现切机、切负荷、快速减出力等安全稳定控制功能，该广域保护控制系统是基于IEEE1588的同步数据系统，对时精度可以达到I微秒，完全满足广域电网安全稳定控制的要求。
[0020]本发明具有以下有益的技术效果:本发明基于高速数据通讯网络和网络对时同步数据，考虑利用高速数据网络将变电站内的数据共享，实现变电站站域保护功能；同时将关联紧密地若干变电站作为一个区域电网，利用高速数据网络将区域内各变电站的数据上送到区域主站，实现区域保护功能；将关联紧密的若干区域电网作为一个广域电网，利用高速数据网络将广域电网内各区域主站的数据上送到广域主站，实现广域保护功能。该系统区域保护功能是站在区域电网全局的高度来进行控制调度，要比传统的按间隔配置的控制装置更有效，更合理，该广域保护可以实 现切机、切负荷、快速减出力等安全稳定控制功能，该广域保护是基于PTN光网络和IEEE1588的同步数据系统，对时精度可以达到I微秒，完全满足广域稳控的要求。
【附图说明】
[0021]如图1所示为本发明站域保护控制系统结构示意图。
[0022]如图2所示为本发明区域保护控制系统结构示意图。
[0023]如图3所示为本发明广域保护控制系统结构示意图。
【具体实施方式】
[0024]下面根据说明书附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。本发明公开了一种基于PTN光网络通讯技术和IEEE1588网络对时协议的广域保护控制保护系统，该广域保护是基于高速数据通讯网络和网络同步对时机制，利用高速数据网络将变电站内的同步数据共享，实现变电站站域保护功能，如图1所示；同时将关联紧密地若干变电站作为一个区域电网，利用高速数据网络将区域内各变电站的同步数据上送到区域主站，实现区域保护控制功能，如图2所示；将关联紧密的若干区域电网作为一个广域电网，利用高速数据网络将广域电网内各区域主站的同步数据上送到广域主站，实现广域保护控制功能，如图3所示。所述广域保护通过安装在被保护的广域电网各区域主站节点和站域子站节点中的智能保护控制装置实现站域、区域、广域电网的保护和控制。整个系统结构如图1、2、3所示。
[0025]所述广域保护的变电站各间隔配置数据采集模块和执行单元，系统利用PTN光网络通讯技术和IEEE1588协议对时机制实现对广域电网各变电站、电厂站域子站所属的各间隔的电压、电流以及状态量的同步测量，并计算所述对应的电压、电流的幅值、相位、频率、功率等信息，通过高速数据网络将所计算的电网电压、电流的幅值、相位、频率、功率等信息以及测量到的状态量数据连同计算时刻的时间信息传送到本变电站站域保护控制装置，站域保护控制装置根据本站点的共享同步数据，判断是否本站内的元件出现异常或者故障，进而站域保护控制装置将本站计算的结果上送至本站所属的区域保护控制装置。站域保护控制装置同时执行区域保护控制装置下发的动作命令，同时记录本站的各种信息和命令信息，以备日后查询分析。
[0026]区域电网中的区域保护控制装置根据本区域电网站域保护控制装置上送的共享同步数据和状态信息数据进行计算和分析以判断被保护的区域电网是否发生了异常和故障，进而根据判断的结果和区域电网的综合信息生成相应的控制命令，通过网络下达给相应的站域保护控制装置。区域保护控制装置需要处理多个站域保护控制装置的数据，才能完成分析和判断，并辅以站域保护控制装置根据本地的判定结果来协同完成保护和控制功能。区域保护控制装置同时实时存储收集到的数据，并记录下达给站域保护控制装置的各种命令和发出的其他信息，以备日后查询分析。
[0027]广域电网中的广域保护控制装置根据所包含的区域保护控制装置上送的共享同步数据和状态信息数据进行计算和分析以判断被保护的广域电网是否发生了异常和故障，进而根据判断的结果和广域电网的综合信息生成相应的控制命令，通过网络下达给相应的区域保护控制装置。广域保护控制装置需要处理多个区域保护控制的数据，才能完成分析和判断，并辅以区域保护控制装置根据的判定结果来协同完成保护和控制功能。广域保护控制装置同时实时存储收集到的数据，并记录下达给区域保护控制装置的各种命令和发出的其他信息，以备日后查询分析。
[0028]对于广域电网所属的区域电网之间的联络线路，广域保护控制装置采用差动保护技术进行故障判定，对于具有分支的线路，将距离系统电源最近的分支的一端作为差动保护的一侧，将其它分支的电流做相量和计算后作为差动保护的另外一侧，将两侧电流的相量和的幅值作为差动电流，将两侧电流相量差的幅值作为制动电流，采用比率制动特性进行判定；由于数据同步并共享，广域保护控制装置可以将广域电网内所有区域电网联络线路同时使用差动保护技术来判定，准确判定故障线路，当发生电流互感器断线时，根据控制字的设置来决定是否闭锁差动保护。
[0029]对于广域电网所属的区域电网之间的联络线路，广域保护控制装置利用收到的联络线路的同步数据进行集成式保护，保护采用2段式距离保护、2段零序方向保护、TV断线后2段过流保护，过负荷保护。
[0030]对于广域电网所属的区域电网之间的联络线路，当差动保护、距离保护I段、零序保护I段均未判定出故障时，使用线路方向关联矩阵来判定故障点并延时切除故障，根据被保护广域电网系统的拓扑结构形成广域电网系统关联矩阵，同时需根据各区域保护控制装置上送的断路器的位置状态信息实时修改广域电网系统关联矩阵，采用方向元件进行故障线路的筛选；联络线路所属的区域保护控制装置将当前线路的方向测量元件的正反向判断结果传送到广域保护控制装置，广域保护控制装置根据被保护的广域电力系统拓扑结构的关联矩阵以及各区域保护控制装置上送的方向元件判断结果，经综合处理筛选出故障线路。
[0031]当广域电网中某条联络线路因过负荷或者故障导致该线路退出运行，该线路所属区域保护控制装置自动提高同一功率断面线路的过负荷保护电流定值和时间定值，从而避免连锁跳闸事故。
[0032]当广域电网系统电压低于预定值时，启动低压减载，选择系统电压最低的区域，然后给该区域保护控制装置发送低压减载的命令；重新核算广域电网内所有区域电网的系统电压，再次选择系统电压最低的区域，给该区域保护控制装置发送低压减载的命令；重复以上步骤，直到广域电网系统电压恢复到允许范围。
[0033]当广域电网系统频率低于预定值时，启动低频减载，选择系统频率最低的区域，然后给该区域保护控制装置发送低频减载的命令；重新核算广域电网内所有区域电网的系统频率，再次选择系统频率最低的区域，给该区域保护控制装置发送低频减载的命令；重复以上步骤，直到广域电网系统频率恢复到允许范围。
[0034]对于区域电网内线路，区域智能保护控制装置采用差动保护技术进行故障判定，对于具有分支的线路，将距离区域电网系统电源最近的分支的一端作为差动保护的一侧，将其它分支的电流做相量和计算后作为差动保护的另外一侧，将两侧电流的相量和的幅值作为差动电流，将两侧电流相量差的幅值作为制动电流，采用比率制动特性进行判定；由于数据共享，区域保护控制装置可以将区域电网内所有线路同时使用差动保护技术来判定，准确判定故障线路，当发生电流互感器断线时，根据控制字的设置来决定是否闭锁差动保护。
[0035]对于属于某一站点的线路和其他元件，站域保护控制装置利用该站点上送的同步数据进行全站集成式保护，其中线路保护采用2段式距离保护、2段零序方向保护、TV断线后的2段过流保护、过负荷保护；主变及后备保护采用分相差动保护、零序差动保护、复合电压闭锁方向过流保护。
[0036]对于区域电网内线路，当差动保护和距离保护速断、零序保护速断均未判定出故障时，使用线路方向关联矩阵来判定故障点并延时切除故障，根据被保护区域电网系统的拓扑结构形成区域电网系统关联矩阵，同时需根据各站域保护控制装置上送的断路器位置状态信息实时修改区域电网系统关联矩阵，采用方向元件进行故障线路的筛选，区域保护控制装置将当前线路的方向测量元件的正反向判断结果传送到区域保护控制装置，根据被保护的区域电力系统拓扑结构的关联矩阵以及各站域保护控制装置上送的方向元件判断结果，经综合处理筛选出故障线路。
[0037]当区域电网中某条线路因过负荷或者故障导致该线路退出运行，该线路所属站域保护控制装置自动提高同一功率断面的线路过负荷保护电流定值和时间定值，从而避免连锁跳闸事故。
[0038]当区域电网系统电压低于预定值时，启动低压减载，选择系统电压最低的变电站母线，结合广域保护控制装置下发的低压减载的命令，在该母线上切除级别最低的负荷；重新核算区域电网内所有变电站母线的电压，再次选择系统电压最低的变电站母线，结合广域保护控制装置下发的低压减载的命令，切除该母线上级别最低的负荷；重复以上步骤 ，直到区域电网系统电压恢复到允许范围。
[0039]当区域电网系统频率低于预定值时，启动低频减载，选择系统频率最低的变电站母线，结合广域保护控制装置下发的低频减载的命令，然后在该母线上切除级别最低的负荷；重新核算区域电网内所有变电站母线的频率，再次选择系统频率最低的变电站母线，结合广域保护控制装置下发的低频减载的命令，切除该母线上级别最低的负荷；重复以上步骤，直到区域电网系统频率恢复到允许范围。
[0040]当所述站域保护控制装置检测并判断到本站所属线路发生故障时，通过网络向相应间隔的采集控制执行单元发跳闸令，结合区域保护控制装置发送的跳闸命令和广域保护控制装置发送的跳闸命令，跳开故障线路各侧断路器。
[0041]当所述站域保护控制装置收到区域保护控制装置或者广域保护控制装置发出的跳闸命令时，通过网络向相应间隔的采集控制执行单元发跳闸令，结合站域保护控制装置根据本地数据做出的判断结果，跳开故障线路各侧断路器。
[0042]当所述站域保护控制装置检测并判断到本站所属线路发生故障时，通过网络向相应间隔的采集控制执行单元发跳闸令跳开故障线路各侧断路器，经过设定延时后，如果故障线路还有电流，则认为该断路器失灵，则由站域保护控制装置通过网络向相应间隔采集控制执行单元发跳令跳开该故障线路上一级的断路器，避免事故的进一步扩大。
[0043]当所述区域电网发生故障并成功切除故障后，区域保护控制装置根据区域电网电源分布情况和区域电网运行情况，启动区域备自投功能，恢复供电，缩小失电范围。区域保护控制装置可结合区域电网共享同步数据，综合计算区域电网各节点的有功、无功、频率等数据，预估区域备自投动作后的情况，以达到智能恢复供电的目的。
[0044]当所述广域电网发生影响广域电网安全稳定的大扰动时，广域保护控制系统可以实现切机、切负荷、快速减出力等安全稳定控制功能，该广域保护控制系统是基于IEEE1588的同步数据系统，对时精度可以达到I微秒，完全满足广域电网安全稳定控制的要求。
[0045]所述广域电网所属的各区域保护控制装置和广域保护控制装置、各区域电网所属的站域保护控制装置和区域保护控制装置、各站域变电站所属的采集执行单元和站域保护控制装置之间均采用PTN光网络传输，利用IEEE1588网络对时协议实现全网时间同步，采集数据同步，状态量同步。PTN光网络是当前SDH通讯技术的升级技术，具有SDH通讯技术的传统优势，包括高可用性和可靠性、高效的带宽管理机制和流量工程、便捷的OAM和网管、可扩展、较高的安全性等，是比SDH更为先进的技术。时钟源有主时钟源和后备时钟源，设置在广域保护主站。相对于采用GPS或者北斗对时的系统，利用IEEE1588网络对时协议的时钟同步系统具有不依赖外部对时系统的优点，其安全可靠性有了很大提高。
【主权项】
1.一种基于PTN通讯技术和IEEE1588网络对时协议的广域保护控制系统，所述广域保护控制系统包括站域保护子站、区域保护主站和广域保护主站；其特征在于: 站域保护子站基于PTN光网络和IEEE1588网络对时协议，利用PTN光网络将变电站内的同步数据共享，实现变电站站域保护功能；将关联紧密的若干变电站作为一个区域电网，利用PTN光网络将区域电网内各变电站的同步数据上送到区域保护主站，实现区域保护控制功能；将关联紧密的若干区域电网作为一个广域电网，利用PTN光网络将广域电网内各区域保护主站的同步数据上送到广域保护主站，实现广域保护控制功能；所述广域保护控制系统通过安装在被保护的广域电网各站域保护子站中的站域保护控制装置、安装在各区域保护主站中的区域保护控制装置和安装在广域保护主站中的广域保护控制装置实现站域、区域、广域电网的保护和控制。2.根据权利要求1所述的广域保护控制系统，其特征在于: 在所述广域电网中，所有变电站各间隔配置数据采集模块和执行单元，站域保护子站利用PTN光网络通讯技术和IEEE1588协议对时机制实现对该站域子站所属变电站的各间隔的电压、电流以及状态量的同步测量，并计算对应电压、电流的幅值、相位、频率、功率，将所计算的电压、电流的幅值、相位、频率、功率连同计算时刻的时间信息，以及测量到的状态量数据连同测量时刻的时间信息作为共享同步数据通过PTN光网络传送站域保护控制装置，站域保护控制装置根据本变电站共享的同步数据，判断是否本变电站内的元件出现异常或者故障，站域保护控制装置将本站共享同步数据以及元件异常或者故障的判断结果上送至本站所属的区域保护主站中的区域保护控制装置。3.根据权利要求2所述的广域保护控制系统，其特征在于: 区域电网中的区域保护控制装置根据本区域电网中各站域保护子中的站域保护控制装置上送的共享同步数据进行计算和分析以判断被保护的区域电网是否发生了异常和故障，进而根据判断的结果生成相应的控制命令，通过PTN光网络下达给相应的站域保护控制装置。4.根据权利要求3所述的广域保护控制系统，其特征在于: 区域保护控制装置根据多个相关站域保护控制装置上传的共享同步数据完成分析和判断，并辅以站域保护控制装置根据本地的判定结果来协同完成保护和控制功能。5.根据权利要求3所述的广域保护控制系统，其特征在于: 安装在广域保护主站中的广域保护控制装置根据所包含的各区域保护控制装置上送的共享同步数据进行计算和分析以判断被保护的广域电网是否发生了异常和故障，进而根据判断的结果生成相应的控制命令，通过PTN光网络下达给相应的区域保护控制装置。6.根据权利要求1所述的广域保护控制系统，其特征在于: 对于广域电网所属的区域电网之间的联络线路和区域电网内的线路，广域保护控制装置和区域保护控制装置可以将广域电网内线路分别同时使用差动保护和集成式后备保护。7.根据权利要求6所述的广域保护控制系统，其特征在于: 集成式后备保护采用2段式距离保护、2段零序方向保护、TV断线后2段过流保护，以及过负荷保护。当广域电网中某条线路因过负荷或者故障导致该线路退出运行，该线路所属区域保护控制装置或站域保护控制装置会自动提高同一功率断面线路的过负荷保护电流定值和时间定值，从而避免连锁跳闸事故。8.根据权利要求1所述的广域保护控制系统，其特征在于: 当所述站域保护控制装置检测并判断到本站所属线路发生故障时，通过PTN光网络向相应间隔的执行单元发跳闸令跳开故障线路各侧断路器，经过设定延时后，如果故障线路还有电流，则认为该断路器失灵，则由站域保护控制装置通过PTN光网络向相应间隔执行单元发跳令跳开该故障线路上一级的断路器，避免事故的进一步扩大。
【专利摘要】一种基于PTN的光网络和IEEE1588网络对时协议的广域保护控制系统。该系统是基于高速数据通讯网络和网络对时同步数据，考虑利用高速数据网络将变电站内的数据共享，实现变电站站域保护功能；同时将关联紧密地若干变电站作为一个区域电网，利用高速数据网络将区域内各变电站的数据上送到区域主站，实现区域保护功能；将关联紧密的若干区域电网作为一个广域电网，利用高速数据网络将广域电网内各区域主站的数据上送到广域主站，实现广域保护功能。该系统区域保护功能是站在区域电网全局的高度来进行控制调度，要比传统的按间隔配置的控制装置更有效，更合理，该广域保护可以实现切机、切负荷、快速减出力等安全稳定控制功能，该广域保护是基于PTN光网络和IEEE1588的同步数据系统，对时精度可以达到1微秒，完全满足广域稳控的要求。
【IPC分类】H02H7/22, H02H7/04, H02J3/00, H02J13/00, H02H7/00, H02H7/26
【公开号】CN104901275
【申请号】CN201510292941
【发明人】韩冰, 田文辉, 郑发林, 娄霄楠, 黄超, 张华年
【申请人】广西电网有限责任公司, 北京四方继保自动化股份有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月2日
【技术领域】
[0001]本发明属于电力系统继电保护和安全控制技术领域，特别涉及一种基于PTN(分组传送网，Packet Transport Network，其特点是在IP业务和底层光传输媒质之间设置了一个层面，它针对分组业务流量的突发性和统计复用传送的要求而设计，以分组业务为核心并支持多业务提供，具有更低的总体使用成本(TCO)，同时秉承光传输的传统优势，包括高可用性和可靠性、高效的带宽管理机制和流量工程、便捷的OAM和网管、可扩展、较高的安全性等。)光网络通讯技术和IEEE1588网络对时协议的广域保护技术。
【背景技术】
[0002]随着电网互联及电力市场的发展，电力系统将日渐接近其运行极限，其运行和控制将更为复杂，发生扰动和故障的可能性更大，后果也更严重，这对稳定控制提出了更高的要求。
[0003]常规的继电保护用于在电力系统发生故障后实现对故障元件的自动和快速切除、隔离故障，以保证人身和设备安全以及无故障部分的正常运行。现有的继电保护和安全自动装置不能适应电力系统发展的要求，主要问题如下:
[0004]保护动作判据都是基于本地测量数据，其选择性要求继电保护只能保护本地网络，没有考虑故障对整个电网的影响，难以对运行方式的不断变化的客观系统作出全面的反映。保护装置相互之间缺乏有效的协调，难以实现系统全局的安全稳定运行，在某些情况下(如发生连锁故障)会恶化系统的运行状况。在高负荷时期，这些关键的联络线上的传输功率可能接近输送功率极限。这种情况下运行的系统抗扰动的能力大大降低，很容易因为一条联络线发生偶然事故断开造成其余线路过负荷而相继断开，从而使事故蔓延，甚至造成系统崩溃。美国8.14大停电事故最初就是从几条线路相继断开开始的。
[0005]常规的后备保护虽然有比较大的保护范围，但其选择性的获得要以牺牲快速性为代价，动作时间过长，有时候难以发挥应有的保护作用。现有的继电保护配置当中，后备保护的时限整定遵循阶梯时限原则，为了保证选择性，后备保护的动作时限可能高达数秒。在电网规模和复杂程度越来越大的情况下，这一问题越显突出，至今仍无法很好的解决。
[0006]安全自动装置的主要作用是维护电网的安全稳定运行，在紧急情况下采取减负荷、切机以及系统解列运行等方式来避免电网崩溃而导致大停电事故。目前电力系统的安全自动装置和继电保护装置是两套独立的系统，二者之间缺乏有效的通信和配合，无法准确反映整个系统的变化情况。
[0007]随着计算机与网络通信技术的发展，特别是光纤的大量敷设，为获得广域电网多点电气量和状态量信息提供了必要的信息基础。同时，随着计算机处理能力的增强，为将继电保护系统和安全自动控制系统集成在一起提供硬件条件。
【发明内容】
[0008]为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种基于PTN光网络通讯技术和IEEE1588网络对时协议的广域保护控制系统。该广域保护可以完成广域电网的线路保护、变压器保护、母线保护、开关失灵保护、低频减载、低压减载功能、广域备自投功能。
[0009]为实现上述目的，本发明采用如下技术方案:一种基于PTN通讯技术和IEEE1588网络对时协议的广域保护控制系统，所述广域保护控制系统包括站域保护子站、区域保护主站和广域保护主站；其特征在于:
[0010]站域保护子站基于PTN光网络和IEEE1588网络对时协议，利用PTN光网络将变电站内的同步数据共享，实现变电站站域保护功能；将关联紧密的若干变电站作为一个区域电网，利用PTN光网络将区域电网内各变电站的同步数据上送到区域保护主站，实现区域保护控制功能；将关联紧密的若干区域电网作为一个广域电网，利用PTN光网络将广域电网内各区域保护主站的同步数据上送到广域保护主站，实现广域保护控制功能；所述广域保护控制系统通过安装在被保护的广域电网各站域保护子站中的站域保护控制装置、安装在各区域保护主站中的区域保护控制装置和安装在广域保护主站中的广域保护控制装置实现站域、区域、广域电网的保护和控制。
[0011 ] 在所述广域电网中，所有变电站各间隔配置数据采集模块和执行单元，站域保护子站利用PTN光网络通讯技术和IEEE1588协议对时机制实现对该站域子站所属变电站的各间隔的电压、电流以及状态量的同步测量，并计算对应电压、电流的幅值、相位、频率、功率，将所计算的电压、电流的幅值、相位、频率、功率连同计算时刻的时间信息，以及测量到的状态量数据连同测量时刻的时间信息作为共享同步数据通过PTN光网络传送站域保护控制装置，站域保护控制装置根据本变电站共享的同步数据，判断是否本变电站内的元件出现异常或者故障，站域保护控制装置将本站共享同步数据和元件出现异常或者故障的判断结果上送至本站所属的区域保护主站中的区域保护控制装置。
[0012]区域电网中的区域保护控制装置根据本区域电网中各站域保护子中的站域保护控制装置上送的共享同步数据进行计算和分析以判断被保护的区域电网是否发生了异常和故障，进而根据判断的结果生成相应的控制命令，通过PTN光网络下达给相应的站域保护控制装置。
[0013]区域保护控制装置根据多个相关站域保护控制装置上传的共享同步数据完成分析和判断，并辅以站域保护控制装置根据本地的判定结果来协同完成保护和控制功能。
[0014]安装在广域保护主站中的广域保护控制装置根据所包含的各区域保护控制装置上送的共享同步数据进行计算和分析以判断被保护的广域电网是否发生了异常和故障，进而根据判断的结果生成相应的控制命令，通过PTN光网络下达给相应的区域保护控制装置。
[0015]对于广域电网所属的区域电网之间的联络线路和区域电网内的线路，广域保护控制装置和区域保护控制装置可以将广域电网内线路分别同时使用差动保护和集成式后备保护。
[0016]集成式后备保护采用2段式距离保护、2段零序方向保护、TV断线后2段过流保护，以及过负荷保护。当广域电网中某条线路因过负荷或者故障导致该线路退出运行，该线路所属区域保护控制装置或站域保护控制装置会自动提高同一功率断面线路的过负荷保护电流定值和时间定值，从而避免连锁跳闸事故。
[0017]当所述站域保护控制装置检测并判断到本站所属线路发生故障时，通过PTN光网络向相应间隔的执行单元发跳闸令跳开故障线路各侧断路器，经过设定延时后，如果故障线路还有电流，则认为该断路器失灵，则由站域保护控制装置通过PTN光网络向相应间隔执行单元发跳令跳开该故障线路上一级的断路器，避免事故的进一步扩大。
[0018]当所述区域电网发生故障并成功切除故障后，区域保护控制装置根据区域电网电源分布情况和区域电网运行情况，启动区域备自投功能，恢复供电，缩小失电范围。区域保护控制装置结合区域电网共享同步数据，综合计算区域电网各节点的有功、无功、频率，预估区域备自投动作后的情况，以达到智能恢复供电的目的。
[0019]所述当广域电网发生影响广域电网安全稳定的大扰动时，广域保护控制系统可以实现切机、切负荷、快速减出力等安全稳定控制功能，该广域保护控制系统是基于IEEE1588的同步数据系统，对时精度可以达到I微秒，完全满足广域电网安全稳定控制的要求。
[0020]本发明具有以下有益的技术效果:本发明基于高速数据通讯网络和网络对时同步数据，考虑利用高速数据网络将变电站内的数据共享，实现变电站站域保护功能；同时将关联紧密地若干变电站作为一个区域电网，利用高速数据网络将区域内各变电站的数据上送到区域主站，实现区域保护功能；将关联紧密的若干区域电网作为一个广域电网，利用高速数据网络将广域电网内各区域主站的数据上送到广域主站，实现广域保护功能。该系统区域保护功能是站在区域电网全局的高度来进行控制调度，要比传统的按间隔配置的控制装置更有效，更合理，该广域保护可以实 现切机、切负荷、快速减出力等安全稳定控制功能，该广域保护是基于PTN光网络和IEEE1588的同步数据系统，对时精度可以达到I微秒，完全满足广域稳控的要求。
【附图说明】
[0021]如图1所示为本发明站域保护控制系统结构示意图。
[0022]如图2所示为本发明区域保护控制系统结构示意图。
[0023]如图3所示为本发明广域保护控制系统结构示意图。
【具体实施方式】
[0024]下面根据说明书附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。本发明公开了一种基于PTN光网络通讯技术和IEEE1588网络对时协议的广域保护控制保护系统，该广域保护是基于高速数据通讯网络和网络同步对时机制，利用高速数据网络将变电站内的同步数据共享，实现变电站站域保护功能，如图1所示；同时将关联紧密地若干变电站作为一个区域电网，利用高速数据网络将区域内各变电站的同步数据上送到区域主站，实现区域保护控制功能，如图2所示；将关联紧密的若干区域电网作为一个广域电网，利用高速数据网络将广域电网内各区域主站的同步数据上送到广域主站，实现广域保护控制功能，如图3所示。所述广域保护通过安装在被保护的广域电网各区域主站节点和站域子站节点中的智能保护控制装置实现站域、区域、广域电网的保护和控制。整个系统结构如图1、2、3所示。
[0025]所述广域保护的变电站各间隔配置数据采集模块和执行单元，系统利用PTN光网络通讯技术和IEEE1588协议对时机制实现对广域电网各变电站、电厂站域子站所属的各间隔的电压、电流以及状态量的同步测量，并计算所述对应的电压、电流的幅值、相位、频率、功率等信息，通过高速数据网络将所计算的电网电压、电流的幅值、相位、频率、功率等信息以及测量到的状态量数据连同计算时刻的时间信息传送到本变电站站域保护控制装置，站域保护控制装置根据本站点的共享同步数据，判断是否本站内的元件出现异常或者故障，进而站域保护控制装置将本站计算的结果上送至本站所属的区域保护控制装置。站域保护控制装置同时执行区域保护控制装置下发的动作命令，同时记录本站的各种信息和命令信息，以备日后查询分析。
[0026]区域电网中的区域保护控制装置根据本区域电网站域保护控制装置上送的共享同步数据和状态信息数据进行计算和分析以判断被保护的区域电网是否发生了异常和故障，进而根据判断的结果和区域电网的综合信息生成相应的控制命令，通过网络下达给相应的站域保护控制装置。区域保护控制装置需要处理多个站域保护控制装置的数据，才能完成分析和判断，并辅以站域保护控制装置根据本地的判定结果来协同完成保护和控制功能。区域保护控制装置同时实时存储收集到的数据，并记录下达给站域保护控制装置的各种命令和发出的其他信息，以备日后查询分析。
[0027]广域电网中的广域保护控制装置根据所包含的区域保护控制装置上送的共享同步数据和状态信息数据进行计算和分析以判断被保护的广域电网是否发生了异常和故障，进而根据判断的结果和广域电网的综合信息生成相应的控制命令，通过网络下达给相应的区域保护控制装置。广域保护控制装置需要处理多个区域保护控制的数据，才能完成分析和判断，并辅以区域保护控制装置根据的判定结果来协同完成保护和控制功能。广域保护控制装置同时实时存储收集到的数据，并记录下达给区域保护控制装置的各种命令和发出的其他信息，以备日后查询分析。
[0028]对于广域电网所属的区域电网之间的联络线路，广域保护控制装置采用差动保护技术进行故障判定，对于具有分支的线路，将距离系统电源最近的分支的一端作为差动保护的一侧，将其它分支的电流做相量和计算后作为差动保护的另外一侧，将两侧电流的相量和的幅值作为差动电流，将两侧电流相量差的幅值作为制动电流，采用比率制动特性进行判定；由于数据同步并共享，广域保护控制装置可以将广域电网内所有区域电网联络线路同时使用差动保护技术来判定，准确判定故障线路，当发生电流互感器断线时，根据控制字的设置来决定是否闭锁差动保护。
[0029]对于广域电网所属的区域电网之间的联络线路，广域保护控制装置利用收到的联络线路的同步数据进行集成式保护，保护采用2段式距离保护、2段零序方向保护、TV断线后2段过流保护，过负荷保护。
[0030]对于广域电网所属的区域电网之间的联络线路，当差动保护、距离保护I段、零序保护I段均未判定出故障时，使用线路方向关联矩阵来判定故障点并延时切除故障，根据被保护广域电网系统的拓扑结构形成广域电网系统关联矩阵，同时需根据各区域保护控制装置上送的断路器的位置状态信息实时修改广域电网系统关联矩阵，采用方向元件进行故障线路的筛选；联络线路所属的区域保护控制装置将当前线路的方向测量元件的正反向判断结果传送到广域保护控制装置，广域保护控制装置根据被保护的广域电力系统拓扑结构的关联矩阵以及各区域保护控制装置上送的方向元件判断结果，经综合处理筛选出故障线路。
[0031]当广域电网中某条联络线路因过负荷或者故障导致该线路退出运行，该线路所属区域保护控制装置自动提高同一功率断面线路的过负荷保护电流定值和时间定值，从而避免连锁跳闸事故。
[0032]当广域电网系统电压低于预定值时，启动低压减载，选择系统电压最低的区域，然后给该区域保护控制装置发送低压减载的命令；重新核算广域电网内所有区域电网的系统电压，再次选择系统电压最低的区域，给该区域保护控制装置发送低压减载的命令；重复以上步骤，直到广域电网系统电压恢复到允许范围。
[0033]当广域电网系统频率低于预定值时，启动低频减载，选择系统频率最低的区域，然后给该区域保护控制装置发送低频减载的命令；重新核算广域电网内所有区域电网的系统频率，再次选择系统频率最低的区域，给该区域保护控制装置发送低频减载的命令；重复以上步骤，直到广域电网系统频率恢复到允许范围。
[0034]对于区域电网内线路，区域智能保护控制装置采用差动保护技术进行故障判定，对于具有分支的线路，将距离区域电网系统电源最近的分支的一端作为差动保护的一侧，将其它分支的电流做相量和计算后作为差动保护的另外一侧，将两侧电流的相量和的幅值作为差动电流，将两侧电流相量差的幅值作为制动电流，采用比率制动特性进行判定；由于数据共享，区域保护控制装置可以将区域电网内所有线路同时使用差动保护技术来判定，准确判定故障线路，当发生电流互感器断线时，根据控制字的设置来决定是否闭锁差动保护。
[0035]对于属于某一站点的线路和其他元件，站域保护控制装置利用该站点上送的同步数据进行全站集成式保护，其中线路保护采用2段式距离保护、2段零序方向保护、TV断线后的2段过流保护、过负荷保护；主变及后备保护采用分相差动保护、零序差动保护、复合电压闭锁方向过流保护。
[0036]对于区域电网内线路，当差动保护和距离保护速断、零序保护速断均未判定出故障时，使用线路方向关联矩阵来判定故障点并延时切除故障，根据被保护区域电网系统的拓扑结构形成区域电网系统关联矩阵，同时需根据各站域保护控制装置上送的断路器位置状态信息实时修改区域电网系统关联矩阵，采用方向元件进行故障线路的筛选，区域保护控制装置将当前线路的方向测量元件的正反向判断结果传送到区域保护控制装置，根据被保护的区域电力系统拓扑结构的关联矩阵以及各站域保护控制装置上送的方向元件判断结果，经综合处理筛选出故障线路。
[0037]当区域电网中某条线路因过负荷或者故障导致该线路退出运行，该线路所属站域保护控制装置自动提高同一功率断面的线路过负荷保护电流定值和时间定值，从而避免连锁跳闸事故。
[0038]当区域电网系统电压低于预定值时，启动低压减载，选择系统电压最低的变电站母线，结合广域保护控制装置下发的低压减载的命令，在该母线上切除级别最低的负荷；重新核算区域电网内所有变电站母线的电压，再次选择系统电压最低的变电站母线，结合广域保护控制装置下发的低压减载的命令，切除该母线上级别最低的负荷；重复以上步骤 ，直到区域电网系统电压恢复到允许范围。
[0039]当区域电网系统频率低于预定值时，启动低频减载，选择系统频率最低的变电站母线，结合广域保护控制装置下发的低频减载的命令，然后在该母线上切除级别最低的负荷；重新核算区域电网内所有变电站母线的频率，再次选择系统频率最低的变电站母线，结合广域保护控制装置下发的低频减载的命令，切除该母线上级别最低的负荷；重复以上步骤，直到区域电网系统频率恢复到允许范围。
[0040]当所述站域保护控制装置检测并判断到本站所属线路发生故障时，通过网络向相应间隔的采集控制执行单元发跳闸令，结合区域保护控制装置发送的跳闸命令和广域保护控制装置发送的跳闸命令，跳开故障线路各侧断路器。
[0041]当所述站域保护控制装置收到区域保护控制装置或者广域保护控制装置发出的跳闸命令时，通过网络向相应间隔的采集控制执行单元发跳闸令，结合站域保护控制装置根据本地数据做出的判断结果，跳开故障线路各侧断路器。
[0042]当所述站域保护控制装置检测并判断到本站所属线路发生故障时，通过网络向相应间隔的采集控制执行单元发跳闸令跳开故障线路各侧断路器，经过设定延时后，如果故障线路还有电流，则认为该断路器失灵，则由站域保护控制装置通过网络向相应间隔采集控制执行单元发跳令跳开该故障线路上一级的断路器，避免事故的进一步扩大。
[0043]当所述区域电网发生故障并成功切除故障后，区域保护控制装置根据区域电网电源分布情况和区域电网运行情况，启动区域备自投功能，恢复供电，缩小失电范围。区域保护控制装置可结合区域电网共享同步数据，综合计算区域电网各节点的有功、无功、频率等数据，预估区域备自投动作后的情况，以达到智能恢复供电的目的。
[0044]当所述广域电网发生影响广域电网安全稳定的大扰动时，广域保护控制系统可以实现切机、切负荷、快速减出力等安全稳定控制功能，该广域保护控制系统是基于IEEE1588的同步数据系统，对时精度可以达到I微秒，完全满足广域电网安全稳定控制的要求。
[0045]所述广域电网所属的各区域保护控制装置和广域保护控制装置、各区域电网所属的站域保护控制装置和区域保护控制装置、各站域变电站所属的采集执行单元和站域保护控制装置之间均采用PTN光网络传输，利用IEEE1588网络对时协议实现全网时间同步，采集数据同步，状态量同步。PTN光网络是当前SDH通讯技术的升级技术，具有SDH通讯技术的传统优势，包括高可用性和可靠性、高效的带宽管理机制和流量工程、便捷的OAM和网管、可扩展、较高的安全性等，是比SDH更为先进的技术。时钟源有主时钟源和后备时钟源，设置在广域保护主站。相对于采用GPS或者北斗对时的系统，利用IEEE1588网络对时协议的时钟同步系统具有不依赖外部对时系统的优点，其安全可靠性有了很大提高。
【主权项】
1.一种基于PTN通讯技术和IEEE1588网络对时协议的广域保护控制系统，所述广域保护控制系统包括站域保护子站、区域保护主站和广域保护主站；其特征在于: 站域保护子站基于PTN光网络和IEEE1588网络对时协议，利用PTN光网络将变电站内的同步数据共享，实现变电站站域保护功能；将关联紧密的若干变电站作为一个区域电网，利用PTN光网络将区域电网内各变电站的同步数据上送到区域保护主站，实现区域保护控制功能；将关联紧密的若干区域电网作为一个广域电网，利用PTN光网络将广域电网内各区域保护主站的同步数据上送到广域保护主站，实现广域保护控制功能；所述广域保护控制系统通过安装在被保护的广域电网各站域保护子站中的站域保护控制装置、安装在各区域保护主站中的区域保护控制装置和安装在广域保护主站中的广域保护控制装置实现站域、区域、广域电网的保护和控制。2.根据权利要求1所述的广域保护控制系统，其特征在于: 在所述广域电网中，所有变电站各间隔配置数据采集模块和执行单元，站域保护子站利用PTN光网络通讯技术和IEEE1588协议对时机制实现对该站域子站所属变电站的各间隔的电压、电流以及状态量的同步测量，并计算对应电压、电流的幅值、相位、频率、功率，将所计算的电压、电流的幅值、相位、频率、功率连同计算时刻的时间信息，以及测量到的状态量数据连同测量时刻的时间信息作为共享同步数据通过PTN光网络传送站域保护控制装置，站域保护控制装置根据本变电站共享的同步数据，判断是否本变电站内的元件出现异常或者故障，站域保护控制装置将本站共享同步数据以及元件异常或者故障的判断结果上送至本站所属的区域保护主站中的区域保护控制装置。3.根据权利要求2所述的广域保护控制系统，其特征在于: 区域电网中的区域保护控制装置根据本区域电网中各站域保护子中的站域保护控制装置上送的共享同步数据进行计算和分析以判断被保护的区域电网是否发生了异常和故障，进而根据判断的结果生成相应的控制命令，通过PTN光网络下达给相应的站域保护控制装置。4.根据权利要求3所述的广域保护控制系统，其特征在于: 区域保护控制装置根据多个相关站域保护控制装置上传的共享同步数据完成分析和判断，并辅以站域保护控制装置根据本地的判定结果来协同完成保护和控制功能。5.根据权利要求3所述的广域保护控制系统，其特征在于: 安装在广域保护主站中的广域保护控制装置根据所包含的各区域保护控制装置上送的共享同步数据进行计算和分析以判断被保护的广域电网是否发生了异常和故障，进而根据判断的结果生成相应的控制命令，通过PTN光网络下达给相应的区域保护控制装置。6.根据权利要求1所述的广域保护控制系统，其特征在于: 对于广域电网所属的区域电网之间的联络线路和区域电网内的线路，广域保护控制装置和区域保护控制装置可以将广域电网内线路分别同时使用差动保护和集成式后备保护。7.根据权利要求6所述的广域保护控制系统，其特征在于: 集成式后备保护采用2段式距离保护、2段零序方向保护、TV断线后2段过流保护，以及过负荷保护。当广域电网中某条线路因过负荷或者故障导致该线路退出运行，该线路所属区域保护控制装置或站域保护控制装置会自动提高同一功率断面线路的过负荷保护电流定值和时间定值，从而避免连锁跳闸事故。8.根据权利要求1所述的广域保护控制系统，其特征在于: 当所述站域保护控制装置检测并判断到本站所属线路发生故障时，通过PTN光网络向相应间隔的执行单元发跳闸令跳开故障线路各侧断路器，经过设定延时后，如果故障线路还有电流，则认为该断路器失灵，则由站域保护控制装置通过PTN光网络向相应间隔执行单元发跳令跳开该故障线路上一级的断路器，避免事故的进一步扩大。
【专利摘要】一种基于PTN的光网络和IEEE1588网络对时协议的广域保护控制系统。该系统是基于高速数据通讯网络和网络对时同步数据，考虑利用高速数据网络将变电站内的数据共享，实现变电站站域保护功能；同时将关联紧密地若干变电站作为一个区域电网，利用高速数据网络将区域内各变电站的数据上送到区域主站，实现区域保护功能；将关联紧密的若干区域电网作为一个广域电网，利用高速数据网络将广域电网内各区域主站的数据上送到广域主站，实现广域保护功能。该系统区域保护功能是站在区域电网全局的高度来进行控制调度，要比传统的按间隔配置的控制装置更有效，更合理，该广域保护可以实现切机、切负荷、快速减出力等安全稳定控制功能，该广域保护是基于PTN光网络和IEEE1588的同步数据系统，对时精度可以达到1微秒，完全满足广域稳控的要求。
【IPC分类】H02H7/22, H02H7/04, H02J3/00, H02J13/00, H02H7/00, H02H7/26
【公开号】CN104901275
【申请号】CN201510292941
【发明人】韩冰, 田文辉, 郑发林, 娄霄楠, 黄超, 张华年
【申请人】广西电网有限责任公司, 北京四方继保自动化股份有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月2日
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