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基于IEC 61850过程总线结构的数字化保护系统性能研究

作　者: 杨丽
导　师: 赵建国；Peter Crossley
学　校: 山东大学
专　业: 电力系统及其自动化
关键词: IEC 61850 数字化变电站过程总线继电保护可靠性时间同步 GPS IEEE 1588 V2 性能测试 CT饱和检测算法
分类号: TM764
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

基于IEC 61850 过程总线结构的数字化继电保护系统是数字化变电站综合自动化系统的重要体系之一,其性能优劣直接影响到电网的安全性和稳定性。过程总线结构数字化保护系统一般由常规/非常规互感器NCIT (Non-conventional Instrument Transformer)、合并单元MU (Merging Unit)、以太网交换机(Ethernet Switch)、保护智能电子装置IED (Intelligent Electronic Device)、同步时钟源(Time Synchronisation Source)、断路器控制器(Breaker Controller)等构成。IEC61850-9-2定义的过程总线,实现了互感器或合并单元与间隔层设备如保护IED、间隔层控制器、测量仪表等的数字化连接,是一次系统和二次系统的桥梁。不同的过程总线组网结构和过程层采样值通信的时间同步精度对数字化保护系统的性能有直接影响,与NCIT并列运行的常规电流互感器(CT)饱和现象对电流差动保护的影响也必须解决。因此,研究上述各种问题对基于过程总线结构的数字化保护系统性能的影响及解决方案具有重要的理论价值和实际意义,本工作是英国国家电网NG (National Grid)、法国阿海珐公司(Areva)、苏格兰电力公司(Scottish Power)等联合资助的基金项目的重要内容,由作者在英国曼彻斯特大学的国家电网电力系统研究中心完成。本文引入最小径集、灵敏度分析、三阶差分等方法并借助统计学工具,对基于过程总线结构的数字化保护系统的性能进行了深入研究,为英国国家电网公司设计了过程总线组网应用方案,过程层采样值精准时间同步实现方案和新型数字化保护系统模型及性能测试方案,开发了电流差动保护CT饱和检测程序,并应用于工程实际,取得的创新性成果和主要研究工作如下：1、建立了基于过程总线结构的六种数字化保护系统模型,应用可靠性框图和最小径集算法,求解各模型可靠性数据并进行灵敏度分析,得出最优模型和设备重要度优先级序列。过程总线的组网方案有星型拓扑、总线拓扑、环形拓扑、网状拓扑等,不同的组网方案对数字化保护系统的可靠性有重要影响。通过分析各方案的优缺点,基于国际主流设备制造商的过程总线数字化保护系统实现方案,为英国匡家电网设计了通用型过程总线组网方案、适用于双母线接线变电站和网格型接线变电站的过程总线组网方案。从功能冗余角度,提出了六种基于过程总线结构的数字化保护系统模型,建立可靠性框图并借助最小径集算法求解各模型的可靠性。由于系统各元件的可靠性数据源于设备制造商和电网运营商的经验值而非实际统计所得,采用两组灵敏度分析工具来研究原始数据不准确或发生变化时最优解的稳定性,得到各设备对保护系统可靠性的影响,确定元件重要度优先级排序,对优化系统投资计划和指导系统维护及故障检修有重要指导作用。2、针对数字化保护系统过程层采样值SV (Sampled Values)亚微秒级时间同步精度的要求,提出了三种合并单元时间同步模型,分别适用于灵敏度补偿系统、常规互感器和非常规互感器并列运行系统和分布式母线保护系统。将“乒乓”原理同步算法应用于合并单元同步,得出算法执行后的合并单元时钟漂移特性和采样值相角差；提出预测算法应对GPS信号丢失；对基于主从时钟算法的IEEE 1588 V2精准时钟同步协议,提出“主时钟群”概念并采用“民主”算法提高其主时钟故障时的可用率；结合实际工程,引入透明时钟概念,将支持IEEE1588 V2的RuggedCOM RSG 2288以太网交换机应用于过程层组网,确保过程层时间同步的可靠性和精确性。3、应用OMICRON CMC测试仪和RTDS (Real Time Digital Simulator),开发了新型过程总线结构数字化保护的性能测试系统。研究了IEC 61850对保护系统测试的影响,采用OMICRON CMC测试仪的IEC 61850测试工具和IRIG-B接口单元,设计了支持IEEE 1588 V2过程层时间同步的数字化保护测试系统,实现冗余时间源机制,提高了时间同步(亚微秒级)的可靠性和准确性。与原方案(5个保护柜各需一个GPS天线)相比节省了3套GPS天线及相应的P594同步单元,实现降低成本和简化接线的目的。同时,该测试方案修改扩展灵活,可替换其他厂家的合并单元和保护IED进行设备兼容性和互操作性测试,实现设备的“即插即测”,充分体现和利用了数字化保护系统的优势。开发了两套基于RTDS的合并单元测试方案,通过对OMICRON与RTDS测试方案的对比,提出测试工具的最优选择标准。4、针对英国国家电网的网格角型接线变电站(Mesh Corner)的运行特点,应用Areva MiCOM系列保护IED,在英国曼彻斯特大学国家电网电力系统研究中心为其建立了由5个保护柜组成的完整保护系统,包括全数字化网格角母线保护柜、全数字化变压器高/低压侧保护柜、馈线近网格角全数字化保护A柜和远端常规硬接线保护B柜。引入统计学工具,针对常规保护系统性能测试参数的不足,提出了一系列适用于该保护系统性能测试的独立参数、相对参数、兼容性和互操作性参数等指标,综合考虑保护系统的整体性能测试和单个设备的性能测试,同时兼顾设备兼容性和互操作性参数,并开发了适用于不同保护配置的测试执行方案,为量化统计分析该新型数字化保护系统的性能参数提供了高效有力的工具。5、针对本项目CT饱和对馈线B柜的常规硬接线电流差动保护的影响,引入CT二次侧感应电压变化率等判据对原三阶差分CT饱和检测算法进行改进。原算法采用CT二次电流三阶差分的模极大值串检测CT饱和,灵敏度较高但容易发生识别错误,抗噪声能力弱,且后续检测结果对前期检测结果依赖性强易导致检测结果无效,稳定性无法满足实际要求。改进算法克服了原三阶差分检测法的不足,且运算量小,便于实时实现。DigSILENT (DIgital SImuLation and Electrical NeTwork calculation program)仿真结果表明,该方法实用有效,提高了CT饱和检测的准确性和稳定性,有效避免了常规硬接线电流差动保护IED因CT饱和引起的误动、拒动或延时动作等问题。

全文目录

摘要  11-14
ABSTRACT  14-19
第一章绪论  19-36
  1.1 背景与意义  19-22
  1.2 数字化微机保护的发展及应用趋势  22-29
    1.2.1 数字化微机保护的发展  22-24
    1.2.2 数字化微机保护的应用趋势  24-29
  1.3 过程总线结构数字化保护系统的应用  29-34
    1.3.1 云南曲靖翠峰110KV数字化变电站工程  30-31
    1.3.2 南桥500 KV数字化变电站工程  31-32
    1.3.3 法国EDF公司试点工程  32-33
    1.3.4 英国NGT和加拿大HYDRO QUEBEC试点工程  33-34
  1.4 本文的主要研究工作  34-36
第二章过程总线结构对数字化保护系统的影响  36-59
  2.1 引言  36-37
  2.2 过程总线实现的技术背景  37-41
    2.2.1 IEC 61850标准  37-39
    2.2.2 非常规互感器和智能化断路器  39-41
    2.2.3 网络通信技术  41
  2.3 过程总线的工作原理和组网方案  41-44
    2.3.1 过程总线的工作原理  41-42
    2.3.2 过程总线的组网方案  42-44
  2.4 过程总线结构保护系统的可用率分析  44-45
  2.5 英国国家电网过程总线结构保护系统组网方案设计  45-49
  2.6 过程总线结构数字化保护系统的模型及可靠性分析  49-58
    2.6.1 系统可靠性框图  51-53
    2.6.2 系统可靠性分析  53-55
    2.6.3 保护系统各模型可靠性数据的灵敏度分析  55-58
  2.7 小结  58-59
第三章过程层采样值的精准时间同步实现  59-75
  3.1 引言  59-60
  3.2 合并单元的同步方法  60-62
    3.2.1 合并单元的特点  60-61
    3.2.2 三种合并单元时间同步模型  61-62
  3.3 "乒乓"原理在合并单元时间同步中的应用  62-66
    3.3.1 "乒乓"原理及同步算法  62-63
    3.3.2 时钟漂移特性分析  63-65
    3.3.3 采样值相角差分析  65-66
  3.4 GPS同步方案存在的问题及应对GPS信号丢失的算法  66-69
    3.4.1 GPS同步方案的问题  66-68
    3.4.2 预测算法应对GPS信号丢失  68-69
  3.5 IEEE 1588 V2精准时间同步标准的应用  69-72
    3.5.1 IEEE 1588 V2的时间同步实现过程  69-71
    3.5.2 IEEE 1588 V2的优点和现阶段问题  71
    3.5.3 "民主"算法应对主时钟故障  71-72
  3.6 RUGGEDCOM RSG 2288以太网交换机的应用  72-74
    3.6.1 RUGGEDCOM RSG 2288以太网交换机的特点  72-73
    3.6.2 过程层应用方案  73-74
  3.7 小结  74-75
第四章基于OMICRON和RTDS的新型数字化保护性能测试系统开发  75-86
  4.1 引言  75-76
  4.2 IEC 61850对保护测试的影响  76-77
  4.3 OMICRON CMC保护测试仪的应用  77-80
    4.3.1 IEC 61850测试工具  77-79
    4.3.2 支持IEEE 1588 V2过程层时间同步的保护测试系统  79-80
  4.4 RTDS数字化保护测试方案设计  80-83
  4.5 基于RTDS的合并单元一致性和互操作性测试平台  83-85
  4.6 小结  85-86
第五章过程总线结构数字化保护性能测试系统的工程实现  86-105
  5.1 项目简介  86-94
    5.1.1 系统运行特点  86-88
    5.1.2 保护配置方案  88-94
  5.2 MICOM PX4X 9-2LE SIMULATOR  94-96
  5.3 保护系统测试性能参数设计  96-102
    5.3.1 常规保护系统性能测试参数的不足  96-97
    5.3.2 数字化保护系统性能测试的参数设计  97-102
  5.4 测试执行方案  102-104
    5.4.1 独立参数和相对参数测试执行方案  102-103
    5.4.2 兼容性和互操作性参数测试执行方案  103-104
  5.5 小结  104-105
第六章电流差动保护的CT饱和检测算法  105-116
  6.1 三阶差分CT饱和检测算法及其问题  105-106
  6.2 利用二次感应电压变化率判据的改进算法  106-109
  6.3 仿真结果与分析  109-115
  6.4 小结  115-116
第七章结论  116-119
参考文献  119-128
致谢  128-129
攻读博士学位期间发表的论文与成果  129-130
攻读博士学位期间参与的课题研究与项目开发  130-131
学位论文评阅及答辩情况表  131

基于IEC 61850过程总线结构的数字化保护系统性能研究

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