數(shù)字化繼電保護(hù)在智能變電站中的應(yīng)用研究

程誠(chéng)

摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，智能電網(wǎng)建設(shè)程度也日益加深，逐漸涌現(xiàn)出更多智能變電站。文章首先對(duì)數(shù)字化繼電保護(hù)的研究背景和意義進(jìn)行了分析，然后對(duì)數(shù)字化繼電保護(hù)的相關(guān)理論知識(shí)進(jìn)行了闡述，對(duì)數(shù)字化繼電保護(hù)的裝置進(jìn)行了介紹，最后與實(shí)際情況和使用原則相結(jié)合，闡述了數(shù)字化繼電保護(hù)在智能變電站中的運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化；繼電保護(hù)；智能變電站；智能電網(wǎng)；電力系統(tǒng) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM77 文章編號(hào)：1009-2374（2015）35-0046-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.35.023

目前，我國(guó)的智能變電站逐漸向數(shù)字化與自動(dòng)化發(fā)展，規(guī)范性比較差，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的評(píng)估體系相對(duì)缺乏，對(duì)各設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性以及可靠性掌控不嚴(yán)，其中又以繼電器保護(hù)為智能變電站應(yīng)用的重點(diǎn)與難點(diǎn)。

1 研究目的

1.1 數(shù)字化繼電保護(hù)在智能變電站中的應(yīng)用背景

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，我國(guó)的電力系統(tǒng)也在不斷升級(jí)以適應(yīng)新形勢(shì)、新變化。變電站作為電力系統(tǒng)中的重要一環(huán)，在其中起到調(diào)整電壓、分配電能的作用，因此，對(duì)變電站環(huán)節(jié)一旦發(fā)生故障，所造成的損失影響非常大。當(dāng)前我國(guó)在智能電網(wǎng)技術(shù)以及相應(yīng)的智能電氣設(shè)備開發(fā)和推廣上的研究不斷深入，變電站在建設(shè)上也邁入數(shù)字化時(shí)代。另外，為了維護(hù)變電站的安全，國(guó)家也制定了相關(guān)的規(guī)范希望推動(dòng)數(shù)字化繼電保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用。所以，加強(qiáng)對(duì)數(shù)字化繼電保護(hù)在智能變電站中的運(yùn)用研究有著十分重要的意義。

1.2 數(shù)字化繼電保護(hù)在智能變電站中的應(yīng)用研究意義

變電站的數(shù)字化繼電保護(hù)系統(tǒng)在提升變電站的經(jīng)濟(jì)效益和生產(chǎn)效率，推動(dòng)電力系統(tǒng)的數(shù)字化建設(shè)，維護(hù)國(guó)家在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、商業(yè)以及人民生活的正常運(yùn)行方面發(fā)揮著重要作用。因此，加強(qiáng)數(shù)字化繼電保護(hù)在智能變電站中的研究，推動(dòng)數(shù)字化繼電保護(hù)系統(tǒng)在變電站的廣泛應(yīng)用有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 數(shù)字化繼電保護(hù)及其自動(dòng)化概述

2.1 概念及原理

繼電保護(hù)是當(dāng)電力系統(tǒng)有異常狀況發(fā)生或者有設(shè)備故障的情況出現(xiàn)時(shí)，在繼電保護(hù)系統(tǒng)的能力范圍內(nèi)以最快的速度和最小的選擇區(qū)域時(shí)，自動(dòng)向電力人員發(fā)出故障信號(hào)或?qū)⑵渲挟a(chǎn)生的故障設(shè)備排除，是一種依靠自動(dòng)化降低事故損失度的保護(hù)措施。而數(shù)字繼電保護(hù)則是以數(shù)字信號(hào)為依托來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的相互通信與信息傳遞，可以說(shuō)其所具有的數(shù)字化為最顯著的特征，與傳統(tǒng)的繼電保護(hù)相比更加高效與便利。

2.2 數(shù)字化繼電保護(hù)系統(tǒng)與傳統(tǒng)微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的比較

2.2.1 簡(jiǎn)化了二次回路。數(shù)字化繼電保護(hù)系統(tǒng)中的合并單元與電子互感器等配件相互配合，可以實(shí)時(shí)對(duì)測(cè)量值進(jìn)行處理，將原有的非數(shù)字化信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化信號(hào)，并在通信的過(guò)程中利用光纖而非傳統(tǒng)的電纜進(jìn)行數(shù)字信息傳送。它與之前傳統(tǒng)的微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)相比，電纜的傳送回路不同，可以將一次設(shè)備和二次設(shè)備進(jìn)行有效隔離，明確清晰了現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)間隔，避免了不慎與電纜發(fā)生觸碰、連接的事故的發(fā)生，更加安全高效。

2.2.2 加強(qiáng)了保護(hù)的可靠性。數(shù)字化繼電保護(hù)系統(tǒng)中的電子式互感器無(wú)論是在絕緣性能上、線圈范圍的廣度上以及抗干擾能力上都比傳統(tǒng)的微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)更勝一籌，因此也就比傳統(tǒng)的微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)更能提高測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。光纖對(duì)于數(shù)字信號(hào)的傳輸方面也有保護(hù)作用。數(shù)字化繼電保護(hù)系統(tǒng)中的智能操作箱取代常規(guī)斷路器可以在過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)和保護(hù)裝置的幫助下實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信。

2.2.3 開放性和互操作性大大提升。數(shù)字化繼電保護(hù)系統(tǒng)依照統(tǒng)一的IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)來(lái)運(yùn)行，因此與數(shù)字化繼電保護(hù)設(shè)備相關(guān)的生產(chǎn)供應(yīng)商也都會(huì)基本生產(chǎn)統(tǒng)一設(shè)備型號(hào)，確保了設(shè)備的共享性，避免了設(shè)備在使用更換時(shí)發(fā)生不連續(xù)的情況，使成本得以節(jié)約，并使得在變電站的保護(hù)方面具有更大范圍的開放性。

2.2.4 繼電保護(hù)的自動(dòng)化。在實(shí)際的工作中，如果電力系統(tǒng)由于種種原因出現(xiàn)短路的情況，要是想要及時(shí)地把這些信息發(fā)送出去，一定要保證繼電保護(hù)設(shè)備的可靠性。在出現(xiàn)故障的時(shí)候，繼電保護(hù)設(shè)備一般來(lái)說(shuō)會(huì)出現(xiàn)拒動(dòng)故障與誤動(dòng)故障兩種情況。在電力系統(tǒng)發(fā)生故障的時(shí)候，繼電保護(hù)設(shè)備沒(méi)有及時(shí)行動(dòng)起來(lái)，因而電氣故障并沒(méi)有及時(shí)地清除掉，這就是拒動(dòng)故障。如果繼電保護(hù)出現(xiàn)了一些比較嚴(yán)重的故障，那么電力系統(tǒng)就非常容易出現(xiàn)崩潰現(xiàn)象。繼電保護(hù)設(shè)備的誤動(dòng)故障指的是其實(shí)電力系統(tǒng)是正常的，沒(méi)有故障出現(xiàn)，繼電保護(hù)設(shè)備受到其他因素的影響，繼電保護(hù)發(fā)出錯(cuò)誤的動(dòng)作，這時(shí)候也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的利益損失。繼電保護(hù)設(shè)備自動(dòng)化裝置主要就是對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)和對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行控制。

3 智能變電站相關(guān)設(shè)備的保護(hù)裝置

智能變電站要求有較高的裝置配置，在線路保護(hù)、變壓器保護(hù)以及母聯(lián)保護(hù)方面都有很高的技術(shù)要求。

3.1 線路保護(hù)

智能變電站中的保護(hù)應(yīng)當(dāng)具有很強(qiáng)的綜合性，將站內(nèi)保護(hù)、監(jiān)測(cè)與控制等功能緊密地結(jié)合在一起，以間隔具體情況單套設(shè)置。在進(jìn)行線路保護(hù)時(shí)可以直接跳到斷路器上以對(duì)設(shè)備運(yùn)行的信息進(jìn)行直接采樣。保護(hù)監(jiān)測(cè)裝置被應(yīng)用于線路間隔內(nèi)，并且該裝置除了Goose網(wǎng)以外，不會(huì)再與其他的設(shè)備裝置之間發(fā)生信息傳遞，而剩下的均采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式進(jìn)行連接來(lái)傳遞數(shù)據(jù)。

3.2 變壓器保護(hù)

首先，按照規(guī)范要求，變壓器保護(hù)中分別采用主、后備保護(hù)一體化雙套配置，無(wú)論是合并單元，還是智能終端的兩側(cè)都要采用主、后備保護(hù)一體化雙套配置，間歇電流和中性點(diǎn)會(huì)分別并入對(duì)應(yīng)側(cè)；其次，直接采樣的方式在保護(hù)時(shí)也會(huì)直接跳到兩側(cè)的斷路器上。

3.3 母聯(lián)保護(hù)

母聯(lián)保護(hù)也就是分段保護(hù)。與線路保護(hù)相比，二者十分相似，但是在結(jié)構(gòu)上，母聯(lián)保護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單一些。此時(shí)的母聯(lián)保護(hù)裝置不需要具備數(shù)據(jù)交換的功能，只要進(jìn)行直接采樣、直接跳閘，因此它與合并單元和智能終端直接相連。對(duì)于智能變電站母線保護(hù)，可以選擇用分布式設(shè)計(jì)相應(yīng)裝置，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，每個(gè)間隔之間可以選擇用獨(dú)立母線保護(hù)方式。其中如果為110kV智能變電站母線保護(hù)設(shè)計(jì)，可以選擇用分段保護(hù)方式，保護(hù)單元與合并單元進(jìn)行連接，并且與智能終端連接，不利用網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)信息以及數(shù)據(jù)的交換，以此來(lái)直接完成對(duì)數(shù)據(jù)信息的采樣與分析，另外，母聯(lián)保護(hù)裝置可以跨間隔實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞，最終實(shí)現(xiàn)跳閘動(dòng)作。

4 智能變電站繼電保護(hù)的原則

在實(shí)際的工作中，對(duì)于智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)的研究，必須要滿足四個(gè)要求：（1）對(duì)于繼電保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用，必須要具備可靠性、選擇性、快速性以及靈敏性特點(diǎn)，提高繼電保護(hù)的安全性，能夠快速地針對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行中存在的故障進(jìn)行分析，并迅速進(jìn)行解決；（2）對(duì)于110kV及以上高電壓級(jí)別變電站，如果雙母線與單母線分段接線形式有特殊要求時(shí)，應(yīng)該選擇安裝電子式電流電壓互感器；（3）對(duì)于110kV及較低電壓級(jí)別變電站在安裝繼電保護(hù)保護(hù)裝置的時(shí)候，可以選擇用集成安裝的方式。其中，對(duì)于主變壓器來(lái)說(shuō)，應(yīng)該對(duì)各側(cè)合并單元進(jìn)行冗余配置，剩余各間隔之間合并單元應(yīng)進(jìn)行單套配置；（4）要控制好繼電保護(hù)與監(jiān)控、調(diào)度之間關(guān)系，滿足數(shù)字化以及遠(yuǎn)程控制變電站運(yùn)行的要求，提高各級(jí)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)之間的聯(lián)通性，進(jìn)而保證電網(wǎng)能夠安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

5 數(shù)字化繼電保護(hù)系統(tǒng)在智能變電站中的應(yīng)用

目前，變電站正邁入智能化時(shí)代，傳統(tǒng)的繼電保護(hù)也應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，以適應(yīng)新變化新形勢(shì)的發(fā)展。要想讓數(shù)字化繼電保護(hù)系統(tǒng)發(fā)揮出強(qiáng)大的作用，首先就要改進(jìn)原有的繼電保護(hù)設(shè)備，將電子式互感器取代傳統(tǒng)的電磁式互感器，用光纖代替電纜并使用有智能單元的斷路器。針對(duì)設(shè)備所發(fā)生的變化，采取下文的測(cè)試檢驗(yàn)方法：（1）過(guò)去的方式是在保護(hù)裝置中輸入電壓和電流的模擬量，而現(xiàn)在新的方式是被光纖數(shù)字信號(hào)所替代。而光纖數(shù)字信號(hào)要求采用有跨間隔數(shù)據(jù)要求，以盡量在不同間隔間發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，避免發(fā)生傳輸時(shí)間的不同步的情況。一旦發(fā)生明顯的時(shí)間不一致的情況，保護(hù)裝置就不會(huì)達(dá)到正常的期望；（2）從傳統(tǒng)的方式中可以看出，以前的變電站在繼電保護(hù)方面大多使用接點(diǎn)直接跳閘。但是，GOOSE網(wǎng)目前在智能變電站得到了廣泛的應(yīng)用，在數(shù)字化繼電保護(hù)中，數(shù)字信號(hào)也會(huì)通過(guò)GOOSE網(wǎng)等新的網(wǎng)絡(luò)向智能終端傳輸，原有的實(shí)用節(jié)點(diǎn)直接跳閘此時(shí)會(huì)被取代，使系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性都得到了極大的保證，也方便了對(duì)以后的設(shè)備維修檢查以及擴(kuò)建；（3）當(dāng)前智能變電站中的智能變電器則在原先的基礎(chǔ)上增設(shè)優(yōu)先級(jí)別，借助于GOOSE報(bào)文來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的傳遞。在測(cè)試檢驗(yàn)中，可利用整組傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)對(duì)變電站保護(hù)裝置輸入和輸出信號(hào)來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)，以確定輸入輸出信號(hào)的準(zhǔn)確性和精確性；（4）與傳統(tǒng)的繼電保護(hù)系統(tǒng)相比，數(shù)字化繼電保護(hù)系統(tǒng)是采用光纖數(shù)字信號(hào)的輸入方式，因此數(shù)據(jù)同步性檢驗(yàn)與測(cè)試十分有必要，例如對(duì)變壓器差動(dòng)保護(hù)進(jìn)行測(cè)試檢驗(yàn)和母差保護(hù)進(jìn)行測(cè)試檢驗(yàn)等，以確保數(shù)據(jù)的同步性；（5）光纖以太網(wǎng)在檢驗(yàn)時(shí)主要是針對(duì)光收發(fā)器件的功率以及誤碼率來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)，從而保證其物理連接的準(zhǔn)確性和可靠性。針對(duì)這一檢驗(yàn)過(guò)程，數(shù)字化繼電系統(tǒng)也采取的是現(xiàn)代化檢驗(yàn)手段，通常依靠網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相關(guān)的檢驗(yàn)。

6 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字化繼電保護(hù)系統(tǒng)對(duì)建設(shè)智能變電站所顯示出的強(qiáng)大推動(dòng)作用，已經(jīng)得到了國(guó)家以及相關(guān)學(xué)者的研究及重視。在實(shí)際運(yùn)行中，數(shù)字化變電站突顯出節(jié)約土地和電纜，使內(nèi)部監(jiān)控網(wǎng)模塊化、規(guī)范化、高效、穩(wěn)定等諸多優(yōu)點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)電力生產(chǎn)現(xiàn)代化提供了及時(shí)科學(xué)的網(wǎng)絡(luò)信息和決策依據(jù)，對(duì)我國(guó)變電站的運(yùn)行管理產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。本文為數(shù)字化繼電保護(hù)系統(tǒng)對(duì)于智能變電站的作用進(jìn)行了研究，目的是為我國(guó)的智能變電站的未來(lái)發(fā)展提供參考。

參考文獻(xiàn)

[1] 葉曉劍，侯曉春.全數(shù)字化繼電保護(hù)在智能變電站中的應(yīng)用[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2012，（12）.

[2] 徐菊琴.繼電保護(hù)狀態(tài)檢修技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用探討[J].電網(wǎng)技術(shù)，2011，（9）.

（責(zé)任編輯：陳 潔）