淺談數(shù)字化變電站繼電保護(hù)裝置的優(yōu)化配置

李霞

摘 要：電氣智能化技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子式互感器、智能開(kāi)關(guān)等新型元器件在變電站中得到了逐步推廣應(yīng)用，各種新型網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)也日漸發(fā)展成熟，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布與應(yīng)用統(tǒng)一了變電站內(nèi)的通信協(xié)議，奠定了數(shù)字化變電站內(nèi)部實(shí)現(xiàn)交互操作和通信功能的基礎(chǔ)，從而大大的推廣了數(shù)字化變電站技術(shù)的使用。文章從測(cè)量精度、電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性和設(shè)備間互操作等方面闡述了數(shù)字化變電站相對(duì)傳統(tǒng)變電站具有的優(yōu)勢(shì)，簡(jiǎn)要介紹了傳統(tǒng)變電站和數(shù)字化繼電保護(hù)在結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和組成方面的差異以及數(shù)字化變電站對(duì)繼電保護(hù)技術(shù)的影響，最后點(diǎn)明數(shù)字化變電站在信息傳輸安全方面還需進(jìn)一步完善。

關(guān)鍵詞：變電站；數(shù)字化；繼電保護(hù)；測(cè)量精度；電子式互感器

中圖分類(lèi)號(hào)：TM774 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2014）14-0068-02

1 數(shù)字化變電站相對(duì)傳統(tǒng)變電站具有的優(yōu)勢(shì)

1.1 測(cè)量精度方面

數(shù)字化變電站相對(duì)傳統(tǒng)變電站在測(cè)量精度方面有了巨大的提高。這是因?yàn)閿?shù)字化變電站中使用的互感器采用了新型電子式互感器來(lái)代替電磁式互感器，一次和二次設(shè)備間通過(guò)光纖取代傳統(tǒng)金屬電纜傳輸數(shù)字編碼方式的電壓電流狀態(tài)量和控制命令等信息。光導(dǎo)纖維抗外界電磁干擾能力強(qiáng)，數(shù)字信號(hào)在傳輸過(guò)程中不會(huì)引入誤差，從而提高了變電站保護(hù)、測(cè)量和計(jì)量等系統(tǒng)的精度。而傳統(tǒng)變電站互感器輸出的模擬信號(hào)利用金屬電纜傳輸，傳輸過(guò)程會(huì)產(chǎn)生誤差，系統(tǒng)精度很難提高。同時(shí)，數(shù)字化變電站通信系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)字編碼信號(hào)中除了狀態(tài)量、采樣值、控制命令等有效信息外還添加了傳輸信息對(duì)應(yīng)的校驗(yàn)碼和通道自檢信號(hào)，這些措施保證了信號(hào)和通信系統(tǒng)的正確性。光電互感器也可以進(jìn)行自我檢查，當(dāng)檢測(cè)到通信故障或互感器故障時(shí)，二次設(shè)備會(huì)感測(cè)到不到正確的校驗(yàn)碼數(shù)據(jù)，從而判斷出互感器異常并報(bào)警，提高了信號(hào)傳輸可靠性。

1.2 提高電力系統(tǒng)的安全可靠性

數(shù)字化變電站一、二次設(shè)備之間信號(hào)傳輸使用光纖， 實(shí)現(xiàn)了一、二次側(cè)電氣設(shè)備間的電氣隔離，從根本上解決了傳輸信道的抗干擾問(wèn)題，光纖也避免了傳統(tǒng)電纜避免不了的電磁干擾和傳輸過(guò)電壓?jiǎn)栴}，也避免了設(shè)備二次側(cè)發(fā)生兩點(diǎn)接地的可能性。傳統(tǒng)變電站通過(guò)金屬電纜傳輸模擬電壓、電流信號(hào)，使用的金屬電纜容易受外界電磁干擾，還會(huì)傳導(dǎo)一次側(cè)傳輸?shù)倪^(guò)電壓，這些都可能引起設(shè)備不正常運(yùn)行，此外金屬傳輸電纜較長(zhǎng)的情況下由于對(duì)地分布電容的影響，還可能會(huì)造成保護(hù)誤動(dòng)、拒動(dòng)問(wèn)題。采用光電互感器不存在傳統(tǒng)電磁式電壓互感器二次側(cè)短路或電流互感器二次側(cè)開(kāi)路引入的危險(xiǎn)；解決了絕緣油或絕緣氣體絕緣強(qiáng)度下降帶來(lái)的問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的安全可靠性。另外，數(shù)字化變電站的設(shè)備間通信采用計(jì)算機(jī)通信技術(shù)，一條信號(hào)傳輸信道可傳輸多個(gè)上級(jí)設(shè)備傳輸?shù)男盘?hào)，合并單元的存在使得端子排的使用大幅減少，簡(jiǎn)化了二次設(shè)備間接線復(fù)雜度，使得信號(hào)傳輸電纜的使用量大大降低。

1.3 解決設(shè)備間的互操作問(wèn)題

數(shù)字化變電站按照國(guó)際電工委員會(huì)頒布的IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范按統(tǒng)一的通信協(xié)議建立設(shè)備間的信息交互模型和通信接口，使得設(shè)備間無(wú)縫通信連接成為可能。傳統(tǒng)變電站中設(shè)備由于沒(méi)有統(tǒng)一通信協(xié)議保障導(dǎo)致不同生產(chǎn)廠家的二次設(shè)備間不能完全可靠完成互操作，需要設(shè)置通信接口裝置和規(guī)約轉(zhuǎn)換器等設(shè)備，增加了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試、維護(hù)增加了難度，通信系統(tǒng)的性能也較低。

2 數(shù)字化變電站保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.1 數(shù)字化變電站保護(hù)裝置與傳統(tǒng)變電站保護(hù)裝置硬件

的區(qū)別

微機(jī)保護(hù)裝置在傳統(tǒng)型變電站中普遍應(yīng)用，該裝置主要由微處理器為核心的數(shù)字電路構(gòu)成。還含有模擬量采集單元、CPU、開(kāi)關(guān)量輸入/輸出接口、人機(jī)對(duì)話接口和通信接口等部分，傳統(tǒng)危機(jī)保護(hù)裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。然而數(shù)字化變電站繼電保護(hù)裝置利用的數(shù)據(jù)信號(hào)來(lái)自電子式互感器（EPT，ECT），通過(guò)光纖傳輸采樣信號(hào)，與傳統(tǒng)的微機(jī)繼電保護(hù)裝置硬件結(jié)構(gòu)形式存在差異。數(shù)字化變電站繼電保護(hù)裝置通常包括光接收單元、開(kāi)入量接受單元、CPU、出口單元、人機(jī)對(duì)話接口和通信接口等，如圖2所示。

2.2 數(shù)字化變電站保護(hù)配置方案

常規(guī)的數(shù)字化變電站繼電保護(hù)配置方案和傳統(tǒng)變電站采用常規(guī)互感器時(shí)的保護(hù)配置方案一致，都是按照保護(hù)對(duì)象進(jìn)行配置，保護(hù)邏輯原理并沒(méi)有發(fā)生改變，保留原有非數(shù)字化保護(hù)的邏輯，如主變壓器保護(hù)、母線保護(hù)、線路電流三段保護(hù)等，只是將原來(lái)保護(hù)裝置的模擬量輸入元件替換為新的數(shù)據(jù)采集光纖的通信接口，原有輸入輸出I/O接口替換為新的GOOSE 結(jié)構(gòu)下光纖通信接口，原本由中央處理器進(jìn)行處理的模擬量也交給通信接口來(lái)進(jìn)行處理。這種常規(guī)的數(shù)字化變電站保護(hù)配置方案的保護(hù)對(duì)象具體，已經(jīng)具有豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，可以很好地幫助傳統(tǒng)保護(hù)向數(shù)字化保護(hù)的過(guò)渡，但這種保護(hù)方案網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，數(shù)字化變電站的優(yōu)勢(shì)沒(méi)能充分發(fā)揮。如圖3所示：

3 數(shù)字化變電站對(duì)繼電保護(hù)技術(shù)的影響

數(shù)字化變電站將站內(nèi)設(shè)備分歸為過(guò)程層、間隔層和變電站層，位于過(guò)程層的電子式互感器、合并單元、智能斷路器及智能控制器等設(shè)備代替微機(jī)保護(hù)設(shè)備的工作，例如狀態(tài)量的交換、采集信號(hào)等功能。將原來(lái)統(tǒng)一由微機(jī)保護(hù)完成的測(cè)量、控制、保護(hù)和數(shù)據(jù)通信等功能拆分為兩部分完成，采集數(shù)據(jù)及斷路器的控制等功能交給過(guò)程層中的設(shè)備完成，原來(lái)位于間隔層的微機(jī)保護(hù)裝置在數(shù)字化變電站中只完成數(shù)據(jù)的計(jì)算、邏輯處理和數(shù)據(jù)通信等任務(wù)。

3.1 繼電保護(hù)功能網(wǎng)絡(luò)化

合并單元設(shè)備是電子式電流、電壓互感器（ECT，EPT）的應(yīng)用所必須的，它的存在使得過(guò)程層中數(shù)據(jù)的數(shù)字化和交互傳輸成為可能。繼電保護(hù)裝置擁有了數(shù)據(jù)共享功能，就能實(shí)現(xiàn)集成多種類(lèi)型保護(hù)功能，進(jìn)一步提高了數(shù)字化變電站的綜合自動(dòng)化能力。例如數(shù)字化變電站中具有網(wǎng)絡(luò)通信處理功能的母線單元，它能接收過(guò)程層設(shè)備傳輸?shù)拈_(kāi)關(guān)量信號(hào)并進(jìn)行處理，處理結(jié)果通過(guò)GOOSE網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)傳送至對(duì)應(yīng)的下級(jí)處理模塊，下級(jí)處理模塊按照需要執(zhí)行相關(guān)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)保護(hù)，減少了互感器的需求，充分利用了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，使保護(hù)功能網(wǎng)絡(luò)化。

3.2 繼電保護(hù)的可靠性得以提高

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的使用，使得數(shù)字化變電站中一次和二次設(shè)備間信號(hào)傳輸電纜的使用大大減少，將傳統(tǒng)繼保的相應(yīng)功能拆分，使保護(hù)具有網(wǎng)絡(luò)化特點(diǎn)。采集的數(shù)據(jù)信號(hào)為數(shù)字量，不需要再進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，消除了數(shù)模轉(zhuǎn)換可能帶來(lái)的錯(cuò)誤。進(jìn)一步整合在線監(jiān)測(cè)、自檢等模塊后，繼電保護(hù)裝置的運(yùn)行可以更為穩(wěn)定。另外，由于數(shù)字化變電站光纜的利用，代替了大量使用的金屬電纜，大幅度減少了系統(tǒng)中元件的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)了真正的去冗余。

3.3 繼電保護(hù)技術(shù)面臨的新問(wèn)題

數(shù)字化變電站內(nèi)采取對(duì)等（P2P）通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模式后，傳輸信息的安全性問(wèn)題就變得十分重要。所有IED設(shè)備在LAN上交互信息，意味著每個(gè)IED設(shè)備都具有對(duì)其他IED設(shè)備進(jìn)行信息交互的能力，因此，一旦某個(gè)IED設(shè)備受到惡意破壞攻擊時(shí)，在數(shù)字化變電站缺乏信息有效安全防護(hù)的情況下有可能給整個(gè)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

目前，數(shù)字化變電站的建設(shè)沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)要求，數(shù)字化變電站的常規(guī)繼電保護(hù)配置沿用運(yùn)行檢驗(yàn)豐富的保護(hù)邏輯原理，即分散單獨(dú)保護(hù)，有利于傳統(tǒng)變電站繼電保護(hù)向數(shù)字化變電站的過(guò)渡，但沒(méi)有充分發(fā)揮數(shù)字化變電站設(shè)備無(wú)縫通信的優(yōu)勢(shì)。未來(lái)可以采用系統(tǒng)化的繼保配置方案，保護(hù)對(duì)象面向多個(gè)元件，使得每套繼電保護(hù)裝置可以完成主變保護(hù)，母線保護(hù)，出線保護(hù)等保護(hù)功能，減少變電站設(shè)備數(shù)量，充分利用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和信息共享功能。

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