數(shù)字化變電站繼電保護(hù)技術(shù)研究

丘雪嬌

摘 要：智能電網(wǎng)下數(shù)字化變電站的不斷增多，不僅改變了我國電網(wǎng)的格局，也給數(shù)字化平臺下繼電保護(hù)技術(shù)的研究帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。與傳統(tǒng)的繼電保護(hù)設(shè)備相比，新型數(shù)字化裝置具有更強的互操作性，實現(xiàn)了硬件配置模塊化、通信功能網(wǎng)絡(luò)化、裝置性能簡單化、裝置軟件元件化。文章結(jié)合工作實踐，簡介了數(shù)字化變電站及其構(gòu)成，并重點討論了數(shù)字化環(huán)境下的繼電保護(hù)技術(shù)，與廣大同行共享和交流。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化；變電站；繼電保護(hù)；技術(shù)研究

中圖分類號：TM63 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）23-0089-02

隨著我國電網(wǎng)朝著智能化、自動化、自愈化方向發(fā)展，在智能電網(wǎng)發(fā)展的浪潮推動下，數(shù)字化變電站在我國不斷興起。并帶動了電網(wǎng)繼電保護(hù)領(lǐng)域技術(shù)的不斷革新，光電轉(zhuǎn)換技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、微電網(wǎng)技術(shù)、智能開關(guān)技術(shù)迅速發(fā)展。

1 數(shù)字化變電站及其構(gòu)成

數(shù)字化變電站是伴隨智能電網(wǎng)建設(shè)而出現(xiàn)的一個概念，是與傳統(tǒng)變電站相對而言的。數(shù)字化變電站在信息采集、傳輸、處理、輸出過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)全部數(shù)字化，其基本特征為設(shè)備智能化、通信網(wǎng)絡(luò)化、模型和通信協(xié)議統(tǒng)一化、運行管理自動化。

隨著國家大力投入智能電網(wǎng)建設(shè)，數(shù)字化變電站在我國如雨后春筍般出現(xiàn)。以福建省為例，自2009年，第一座福建先農(nóng)220 kV數(shù)字化變電站開工建設(shè)以來，截止2013年，福建已經(jīng)建成了12座數(shù)字化變電站，涵蓋110～500 kV各個電壓等級。

與傳統(tǒng)的變電站相比，數(shù)字化變電站具有明顯的優(yōu)勢，更加適用于智能電網(wǎng)的發(fā)展。數(shù)字化變電站基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，具有以下特點和優(yōu)勢：

①采用IEC 61850國際標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，電網(wǎng)內(nèi)設(shè)備能夠共享統(tǒng)一的信息平臺，從而簡化了信息傳輸通道，提高了信號傳輸?shù)目煽啃院图嫒菪裕嵘嗽O(shè)備間的互操作性。

②大量使用非常規(guī)電流/電壓互感器和智能開關(guān)設(shè)備，如光電互感器和電子式互感器、智能斷路器等，實現(xiàn)了模擬量采樣的數(shù)字化、一次設(shè)備的智能化，從而提升了采樣的精度，降低了變電站整體設(shè)計、建設(shè)和運行的成本。

③大量使用光纜取代電纜，進(jìn)一步提高自動化和管理水平，傳統(tǒng)的電纜采用電信號傳輸，二次回路接線完成后，需要進(jìn)行繁瑣的查線工作，而非常規(guī)互感器的使用，使得數(shù)據(jù)的傳輸具有標(biāo)記和自糾正功能，數(shù)據(jù)傳輸更加便捷，不僅降低了接線難度和工作量，而且避免電纜帶來的電磁兼容、傳輸過電壓和兩點接地等問題，減少了變電站生命周期成本。

如圖1為傳統(tǒng)變電站與數(shù)字化變電站站結(jié)構(gòu)圖的對比。

與傳統(tǒng)變電站相比較，同樣分為站控層、間隔層和過程層，數(shù)字化變電站的差異主要體現(xiàn)在過程層的實現(xiàn)技術(shù)上，由圖1可見，數(shù)字化變電站的過程層使用電子式互感器代替了傳統(tǒng)互感器，智能一次設(shè)備代替了傳統(tǒng)一次設(shè)備，并增加了智能斷路器MU單元，且設(shè)備之間使用光纜通信。

2 數(shù)字化變電站的繼電保護(hù)技術(shù)研究

數(shù)字化變電站的技術(shù)革新集中體現(xiàn)在一次設(shè)備的智能化和二次設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化，變電站的繼電保護(hù)技術(shù)也發(fā)生了巨大的變化，集中體現(xiàn)在以下幾個方面。

2.1 硬件配置模塊化

與傳統(tǒng)的繼電保護(hù)保護(hù)裝置相比，數(shù)字化保護(hù)的硬件性能大大簡化。傳統(tǒng)的微機保護(hù)集狀態(tài)信號采集、模擬量采樣和測量、保護(hù)邏輯處理、出口跳閘功能于一體，因而，裝置硬件包括電源模塊、CPU模塊、交流采樣模塊、開入開出模塊以及裝置箱體等，基于保護(hù)設(shè)備的類型、特性、保護(hù)范圍不同，所需要進(jìn)行的硬件配置和板卡數(shù)量也不同，難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和處理的模塊化。

由于數(shù)字化保護(hù)采用了電子式或光電互感器來代替常規(guī)的CT和PT，所以不再需要模擬量輸入、采樣保持、A/D轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)，保護(hù)配置更加簡單。由新型互感器和合并單元來實現(xiàn)傳統(tǒng)保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)采集和處理功能，智能操作箱來完成相應(yīng)的跳合閘功能，因而，數(shù)字化保護(hù)僅需要電源模塊和CPU模塊以及裝置箱體，即可完成保護(hù)功能，且在統(tǒng)一的硬件平臺下，能夠?qū)崿F(xiàn)高度的標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化，有利于裝置設(shè)計成本的降低，也簡化了數(shù)字化變電站的維護(hù)工作量。

2.2 通信功能網(wǎng)絡(luò)化

此外，數(shù)字化保護(hù)在通信方面具有比傳統(tǒng)保護(hù)更強大的功能，基于數(shù)字化變電站全站統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺和GOOSE通信技術(shù)，數(shù)字化保護(hù)使用合并單元，具有更強的實時性和共享性。過程層的智能操作機構(gòu)和合并單元采集的數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)全站所有設(shè)備共享，極大的提升了數(shù)據(jù)傳輸和處理的效率。例如，對于間隔配置較多的變電站母線保護(hù)，傳統(tǒng)保護(hù)需要配置和增加CT/PT來完成數(shù)據(jù)采集，而數(shù)字化母線保護(hù)只需要接收由過程層傳送的采樣數(shù)據(jù)和開關(guān)量信息，并通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到相關(guān)處理單元，經(jīng)CPU處理后，即可實現(xiàn)相應(yīng)的告警、跳閘等功能。

隨著裝置通信網(wǎng)絡(luò)化的實現(xiàn)，以及通訊技術(shù)的提升，應(yīng)用于更大規(guī)模變電站保護(hù)的站域保護(hù)和網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)也得到進(jìn)一步發(fā)展，充分利用通信網(wǎng)絡(luò)化的優(yōu)勢，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化的研究成果，形成全站數(shù)據(jù)有機統(tǒng)一和實時共享，進(jìn)行智能化分析和狀態(tài)輸出。

2.3 裝置性能簡單化

數(shù)字化保護(hù)的裝置性能也比傳統(tǒng)保護(hù)得到極大的擴充，傳統(tǒng)繼電保護(hù)設(shè)備的測量、錄波、開關(guān)狀態(tài)監(jiān)視等功能的實現(xiàn)更加簡單，都可以在數(shù)字化保護(hù)的內(nèi)部實現(xiàn)。基于新型互感器的使用，使得傳統(tǒng)保護(hù)面對的電流互感器飽和、傳變特性變差、互感器斷線等問題不再存在，保護(hù)裝置不再需要針對斷線和飽和設(shè)置相應(yīng)的閉鎖邏輯，不僅省略了保護(hù)內(nèi)部程序處理，現(xiàn)場也無需對這些邏輯再進(jìn)行校驗，有利于保護(hù)原理的改善和新判據(jù)的研究。

2.4 裝置軟件元件化

數(shù)字化保護(hù)裝置軟件元件化的優(yōu)勢在中低壓領(lǐng)域體現(xiàn)尤為明顯，高壓保護(hù)準(zhǔn)入門檻較高，繼電保護(hù)技術(shù)相對成熟，而中低壓領(lǐng)域的繼電保護(hù)產(chǎn)品往往具有較多的工程需求變化，且設(shè)備制造廠家相對較多，經(jīng)常需要進(jìn)行頻繁的程序修改，對傳統(tǒng)保護(hù)來說，程序的升級和維護(hù)的過程難免帶來風(fēng)險，由于程序的不同模塊可能由不同人員來研究，難以進(jìn)行有效的統(tǒng)一管理，且程序每次升級后要重新進(jìn)行封裝，所以，每次程序的更改或升級也給裝置的可靠性帶來影響。

在數(shù)字化環(huán)境下，可以進(jìn)行軟件的元件化處理，通過高級語言，將保護(hù)功能進(jìn)行合理封裝，形成眾多的模塊黑匣子，再組成保護(hù)功能元件庫，通過開放的標(biāo)準(zhǔn)元件庫的提取和組裝，既有利于提升裝置對現(xiàn)場的適應(yīng)能力，降低了新產(chǎn)品開發(fā)和升級中更換程序可能帶來的不確定因素，也有利于設(shè)備的互操作性實現(xiàn)，在較為統(tǒng)一的軟件平臺下，與其他廠家的設(shè)備增強兼容性和互操作性。

此外，隨著電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，更多新型的繼電保護(hù)技術(shù)，如數(shù)字化變電站繼電保護(hù)測試儀、全數(shù)字變電站動態(tài)仿真系統(tǒng)、先進(jìn)的自動控制、狀態(tài)預(yù)測、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和人工智能等，篇幅所限，在此不再贅述。

3 結(jié) 語

智能電網(wǎng)的發(fā)展為數(shù)字化變電站提供了廣闊的應(yīng)用空間，帶來了繼電保護(hù)裝置外部環(huán)境的變革，電網(wǎng)的繼電保護(hù)技術(shù)必將由“保護(hù)裝置”時代向“保護(hù)系統(tǒng)”時代轉(zhuǎn)變，一次與二次設(shè)備逐漸融合，新的發(fā)展形勢下，如何有效提升繼電保護(hù)的動作性能，實現(xiàn)保護(hù)技術(shù)的飛躍，是廣大電網(wǎng)繼電保護(hù)工作人員面臨的新命題和新挑戰(zhàn)。

參考文獻(xiàn)：

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