數(shù)字化變電站繼電保護(hù)新技術(shù)

匡華 孫志祥

云南電網(wǎng)公司曲靖供電局 655000

數(shù)字化使得變電站有了較大的改變，無論是變電站的結(jié)構(gòu)還是功能，最大變化的是由電子式互感器、合并單元以及智能斷路器控制器等設(shè)備代替了原來由微機(jī)保護(hù)設(shè)備完成的功能。而繼電保護(hù)作為數(shù)字化變電站發(fā)展的重要部分，其功能和技術(shù)的改進(jìn)對變電站的發(fā)展以及整個電力系統(tǒng)的發(fā)展都起著至關(guān)重要的作用。所以對在數(shù)字化變電站發(fā)展下繼電保護(hù)技術(shù)的研究，能夠使電力系統(tǒng)在日常運(yùn)行中保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，避免重大事故的發(fā)生和擴(kuò)大。

1 數(shù)字化繼電保護(hù)的技術(shù)特征

1)單元保護(hù)：對變電站中的單個設(shè)備、線路的保護(hù)。包括發(fā)動機(jī)的內(nèi)部短路保護(hù)、變壓器保護(hù)、交流電路的保護(hù)直流線路保護(hù)。

2)廣域保護(hù)：通過高速實(shí)時的信息通信，將多點(diǎn)多類型信息接入繼電保護(hù)系統(tǒng)，從而顯著提升了整個變電站繼電保護(hù)的動作性能。

3)設(shè)備檢測狀態(tài)化：在數(shù)字化變電站中，由于設(shè)備狀態(tài)的特征量采集上沒有盲點(diǎn)，因此可以實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)裝置的狀態(tài)檢測，對于存在故障隱患的設(shè)備還可以組織各類專家進(jìn)行網(wǎng)上遠(yuǎn)程診斷，有效提高設(shè)備的可用率。

4)設(shè)備操作智能化：計(jì)算機(jī)技術(shù)、廣域測量技術(shù)以及非常規(guī)互感器等技術(shù)的運(yùn)用，使得在繼電保護(hù)過程中斷路器設(shè)備可以不依賴于變電站的控制系統(tǒng)，獨(dú)立執(zhí)行其功能；各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)可獨(dú)立采集；設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對一、二次設(shè)備檢測和監(jiān)視的連續(xù)化等。

5)該種數(shù)字化繼電保護(hù)裝置包括：光接收單元、開入單元、中央處理單元、出口單元、人機(jī)接口和通信接口等部分, 如圖1所示。同時，繼電保護(hù)裝置采用的數(shù)據(jù)取自電子式互感器。

圖1 數(shù)字化變電站繼電保護(hù)裝置硬件框圖

2 數(shù)字化繼電保護(hù)技術(shù)分析

2.1 數(shù)字化變電站的結(jié)構(gòu)組成

數(shù)字化變電站在邏輯結(jié)構(gòu)上主要分為 3 個層次：變電站層、間隔層、過程層。每個層次內(nèi)部和層次之間采用高速網(wǎng)絡(luò)通信，其關(guān)系機(jī)構(gòu)如圖2所示。

變電站層：包括主機(jī)、五防主機(jī)、操作員站、遠(yuǎn)動裝置等設(shè)備。其任務(wù)是搜集數(shù)據(jù)、信息入庫、信息傳送以及信息轉(zhuǎn)送。

間隔層：包括各種自動化裝置、保護(hù)裝置、安全自動裝置等設(shè)備。其任務(wù)是信息匯總、功能實(shí)現(xiàn)、操作判別以及網(wǎng)絡(luò)通信。

過程層：包括智能一次設(shè)備、智能終端等。其任務(wù)是氣量采集、設(shè)備在線狀態(tài)監(jiān)測與統(tǒng)計(jì)、命令的執(zhí)行、操作控制的執(zhí)行與驅(qū)動。

2.2 技術(shù)分析

本技術(shù)用數(shù)字化變電站最新技術(shù)成果，變電站繼電保護(hù)裝置按照“三層結(jié)構(gòu)、二級網(wǎng)絡(luò)”實(shí)現(xiàn)變電站繼電保護(hù)的自動化、信息化以及互動化，通過分層分布式來實(shí)現(xiàn)數(shù)字化變電站內(nèi)智能電氣設(shè)備間的繼電保護(hù)。

1)變電站層系統(tǒng)采用SNTP網(wǎng)絡(luò)對時，間隔層與過程層設(shè)備采用B碼對時。

2)變電站層與過程層之間獨(dú)立組網(wǎng)，而同時站控層采用雙星型100M電以太網(wǎng)，各小室間采用交換機(jī)通過光纖進(jìn)行級聯(lián)；過程層采用單星型100M光以太網(wǎng)傳輸GOOSE信息，實(shí)現(xiàn)信息傳輸?shù)莫?dú)立性。

3)在不同邏輯層次采用不同的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，有效保證各層設(shè)備的效率運(yùn)行：站控層與間隔層保護(hù)測控等設(shè)備采用IEC61850-8-1 通信協(xié)議；間隔層與過程層合并單元通訊規(guī)約采用IEC61850-9-2通信協(xié)議，智能終端采用GOOSE通信協(xié)議。

4)測控裝置的邏輯互鎖信息、開出信息、斷路器機(jī)構(gòu)的位置、保護(hù)間的閉鎖、啟動失靈以及告警信息等均通過GOOSE 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸；保護(hù)裝置的跳合閘 GOOSE 信號采用光纖點(diǎn)對點(diǎn)方式直接接入就地智能終端。

5)過程層網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)測控、電度、錄波的采樣，保護(hù)與合并單元均采用光纖點(diǎn)對點(diǎn)方式直接連接。

6)電纜直接跳閘實(shí)現(xiàn)變壓器的非電量保護(hù)。

將數(shù)字量輸出的電子式互感器運(yùn)用于變電站戶外GIS、主變進(jìn)線及母線 PT，并配置數(shù)字化電度表；不同千伏線路之間隔采用模擬小信號輸出的電壓電流一體化互感器，配置支持模擬不同信號接入的電度表，與保護(hù)裝置一體化安裝于開關(guān)柜內(nèi)；不同千伏母線配置數(shù)字量輸出的電子式電壓互感器。具體結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖2 變電站自動化結(jié)構(gòu)功能

2.3 在線監(jiān)測技術(shù)

在線監(jiān)測、故障診斷、實(shí)施維修整個一系列過程構(gòu)成了繼電保護(hù)設(shè)備狀態(tài)檢修工作的內(nèi)涵。因此，本技術(shù)將一次設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)信息直接上傳至在線監(jiān)測后臺監(jiān)控服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)測。

GIS 狀態(tài)檢測：采用局放帶電監(jiān)測實(shí)現(xiàn)其狀態(tài)檢測功能。

變壓器狀態(tài)監(jiān)測：采用油色譜在線監(jiān)測方式，通過變壓器油中故障氣體的含量變化確定變壓器運(yùn)行情況。

設(shè)備可視化：將設(shè)備的運(yùn)行工況信息、自檢診斷信息等通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，傳送至變電站監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行可視化展示，為電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)監(jiān)測的設(shè)備全壽命周期綜合優(yōu)化管理提供一手的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

2.4 智能化技術(shù)

智能決策技術(shù)：根據(jù)告警信號的重要性對各種告警進(jìn)行分類處理、判斷以及專家推理，已達(dá)到及時有效地對告警進(jìn)行決策處理保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

故障分析技術(shù)：在事故出現(xiàn)之后及時對包括保護(hù)裝置、事件順序記錄信號、故障錄波、相量測量等數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘、綜合分析，及時準(zhǔn)確地得到故障分析結(jié)果，并對故障信息進(jìn)行有效管理。

數(shù)字化繼電保護(hù)測試儀：適用于數(shù)字化變電站間隔層保護(hù)測控裝置的研發(fā)測試、基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)、工廠調(diào)試和現(xiàn)場檢驗(yàn)的測試設(shè)備。是數(shù)字化變電站繼電保護(hù)技術(shù)的重要組成部分之一，為智能化下變電站的繼電保護(hù)起著重要的作用。

圖3 數(shù)字化變電站繼電保護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖

3 新技術(shù)對繼電保護(hù)性能的改進(jìn)

1)繼電保護(hù)裝置采用電子式互感器采集數(shù)據(jù)，采樣保持、無模擬量輸入、A/D 轉(zhuǎn)換等插件，大大簡化了硬件結(jié)構(gòu)。

2)采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺，為數(shù)據(jù)信息的實(shí)時共享提供了可能性。此外，保護(hù)裝置的功能得到大大擴(kuò)充，比如錄波、測量、開關(guān)狀態(tài)監(jiān)視等功能都可以通過內(nèi)部進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

3)電子式互感器的線性度、動態(tài)范圍大的特點(diǎn)被得到了有效的運(yùn)用，在很大程度上改善了之前繼電保護(hù)上的缺陷和問題。

4)基于過程層的分布式母線保護(hù)，取消了保護(hù)出口繼電器以及母差保護(hù)中的復(fù)壓閉鎖元件, 在一定程度上簡化了母差保護(hù)邏輯，使得每個間隔內(nèi)的保護(hù)都能夠獨(dú)立完成母線保護(hù)的功能，只跳本間隔的斷路器。失靈保護(hù)由集中保護(hù)完成。

5)數(shù)字化的變壓器保護(hù)，利用電子式電流互感器的高保真?zhèn)髯冎绷饕约案哳l分量的特性，分析出正確區(qū)分勵磁涌流與故障電流的新判據(jù)，由此可以有效防止變壓器差動保護(hù)出現(xiàn)誤動。

6)輸電線路數(shù)字化保護(hù)，使得電子式電流互感器不存在飽和現(xiàn)象，基本上解決了縱差保護(hù)誤動的問題。同時對于線路的距離保護(hù)，采樣值來自電子式互感器，消除了電流傳變過程中引入的誤差，從根本上改善了其動作性能，所以不存在鐵芯磁飽和問題，保護(hù)的選項(xiàng)元件、啟動元件以及距離阻抗元件的性能都可以得到很大的提升，動作準(zhǔn)確率的提高也得到了有效的保證。

數(shù)字化、智能化是我國電力系統(tǒng)發(fā)展的主要方向，也是我國電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要契機(jī)，發(fā)展數(shù)字化下的繼電保護(hù)技術(shù)更是一項(xiàng)需要投入諸多精力的研究，這樣才能使變電站的運(yùn)行更為可靠，用電更為安全。

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