變電站繼電保護(hù)就地化整體解決方案研究

陳福鋒 ，俞春林 ，張 堯 ，李玉平 ，董 貝 ，陳 琦 ，薛明軍 ，王 勝 ，陳新之 ，趙 謙

（1.國電南京自動化股份有限公司，江蘇 南京 210032；2.南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司，江蘇 南京 211153）

0 引言

我國電力行業(yè)經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，變電站由早期的常規(guī)變電站發(fā)展到綜合自動化變電站，再發(fā)展到現(xiàn)在的智能變電站；從電磁型保護(hù)到晶體管保護(hù)再到微機(jī)保護(hù)，繼電保護(hù)也歷經(jīng)數(shù)十年發(fā)展，保護(hù)的實(shí)現(xiàn)手段、物理形態(tài)、運(yùn)維技術(shù)都發(fā)生了很大變化。繼電保護(hù)設(shè)備的數(shù)據(jù)信息源也從電磁式互感器，發(fā)展到電子式和光學(xué)互感器；交流信號的傳輸媒介也從電纜發(fā)展到光纖。數(shù)十年來保護(hù)技術(shù)的發(fā)展始終圍繞“四性”要求不放松，保護(hù)的現(xiàn)場正確動作率有了很大提高，設(shè)備故障率明顯降低，整體性能有了非常大的改進(jìn)［1-4］。但隨著電力供應(yīng)需求量逐漸變大，投運(yùn)變電站不斷增多，運(yùn)行的保護(hù)設(shè)備數(shù)量與日俱增，也不斷有新的情況和需求出現(xiàn)，以下4個主要方面有待科技工作者進(jìn)行進(jìn)一步研究和提升。

a.繼電保護(hù)的可靠性及速動性有待進(jìn)一步提高。常規(guī)變電站保護(hù)接線復(fù)雜，容易產(chǎn)生寄生回路影響保護(hù)的可靠工作，二次回路過長，雜散電容容易造成保護(hù)誤開入誤動作；智能變電站合并單元和智能終端的使用延長了保護(hù)采樣和跳閘回路，降低了可靠性，還人為增加了保護(hù)動作延時。在系統(tǒng)短路容量不斷增加、直流落點(diǎn)越來越密的情況下，系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的隱患也越來越大。

b.繼電保護(hù)運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜，技術(shù)門檻過高。繼電保護(hù)尤其是智能變電站保護(hù)運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜，取消了傳統(tǒng)的電纜接線，采用IEC61850規(guī)約實(shí)現(xiàn)純數(shù)字通信后保護(hù)信號模型化、抽象化，導(dǎo)致現(xiàn)場運(yùn)行人員技術(shù)能力很難及時跟上，而廠家所提供的運(yùn)維工具的友好性和實(shí)用性也有待提高。因此變電站二次設(shè)備的調(diào)試、檢修和消缺等更依賴于廠家，對設(shè)備的有效管理造成了一定影響。

c.變電站建設(shè)周期長，占用土地資源多?，F(xiàn)在的變電站基本是先基建，然后進(jìn)行保護(hù)屏柜入小室，最后進(jìn)行一、二次設(shè)備聯(lián)調(diào)。由于站內(nèi)土建過多，二次系統(tǒng)接線復(fù)雜，建設(shè)、調(diào)試周期往往過長；而繼電保護(hù)設(shè)備均采用屏柜在保護(hù)小室內(nèi)安裝的模式，占用土地資源較多，在征地越來越困難的情況下，變電站建設(shè)尤其在城區(qū)繁華地段的建設(shè)難度越來越大。

d.一、二次設(shè)備分散，難以縱向融合。繼電保護(hù)設(shè)備與其保護(hù)的對象一個在保護(hù)小室內(nèi)，一個在開關(guān)場，所有信號均靠電纜或光纜連接，兩者之間相隔數(shù)百米。另外，開關(guān)場的電磁環(huán)境和氣候環(huán)境也比保護(hù)小室惡劣得多，原有的繼電保護(hù)不能適應(yīng)在開關(guān)場運(yùn)行，難以實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)設(shè)備和一次設(shè)備的融合。

針對上述問題，國內(nèi)眾多繼電保護(hù)專家提出了研發(fā)高可靠性就地化小型化繼電保護(hù)裝置的思路，旨在通過繼電保護(hù)的開關(guān)場就地安裝簡化二次回路提高保護(hù)可靠性，取消合并單元和智能終端以提高保護(hù)動作速度；其主要特點(diǎn)為板卡高度集成，結(jié)構(gòu)緊湊合理，采用標(biāo)準(zhǔn)化接口連接器，能滿足復(fù)雜電磁環(huán)境及各種惡劣氣候，并可進(jìn)行無防護(hù)戶外安裝［5］。另外，國家電網(wǎng)公司對典型的220kV變電站進(jìn)行估算，采用保護(hù)就地化方案可減少60%的變電站屏柜，節(jié)約50%的變電站建筑面積，縮短近70%的變電站安裝調(diào)試時間，可大幅節(jié)約投資，提高效率。

1 繼電保護(hù)就地化配置方案

1.1 整體配置原則

a.繼電保護(hù)就地化必須堅(jiān)持繼電保護(hù)的可靠性、選擇性、靈敏性、速動性的“四性”基本要求，就地化應(yīng)在對前十年智能變電站繼電保護(hù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的基礎(chǔ)上，著重解決前期智能變電站中繼電保護(hù)采樣環(huán)節(jié)復(fù)雜、數(shù)據(jù)可靠性降低、智能終端導(dǎo)致的保護(hù)動作時間增長等問題，進(jìn)一步提高繼電保護(hù)的可靠性和速動性。

b.繼電保護(hù)就地化要求“小型化、標(biāo)準(zhǔn)化、無防護(hù)安裝”：采用緊湊化的結(jié)構(gòu)，減小裝置尺寸，貼近被保護(hù)設(shè)備安裝；要求適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境及各種惡劣氣候的影響，并可進(jìn)行無防護(hù)戶外安裝。繼電保護(hù)裝置采用標(biāo)準(zhǔn)化接口，實(shí)現(xiàn)與一次設(shè)備間的即插即用，可實(shí)現(xiàn)間隔二次設(shè)備模塊化集成、工廠化預(yù)制、更換式檢修。

c.繼電保護(hù)就地化方案仍按照斷路器設(shè)置間隔保護(hù)單元，如圖1所示。間隔保護(hù)單元采用物理集成、邏輯獨(dú)立的方式實(shí)現(xiàn)線路保護(hù)、母線保護(hù)和主變保護(hù)等功能，并上送模擬量和狀態(tài)量信息至過程層網(wǎng)絡(luò)。間隔保護(hù)單元貼近一次設(shè)備安裝，采用直接采樣和直接跳閘的方式，減少數(shù)據(jù)采集和跳閘輸出的中間環(huán)節(jié)，縮短電氣連接距離。變電站設(shè)置站控層和過程層網(wǎng)絡(luò)，其中站控層網(wǎng)絡(luò)采用IEC61850通信協(xié)議的制造報文規(guī)范MMS（Manufacturing Message Specification），過程層網(wǎng)絡(luò)采用IEC61850-9-2及IEC 61850-8-1協(xié)議，采樣值SV（Sampling Value）和面向通用對象的變電站采樣GOOSE（Generic Object Oriented Substation Events）共網(wǎng)傳輸。

1.2 繼電保護(hù)配置方案

a.線路保護(hù)配置方案。

對于雙母線接線方式的線路間隔，由相應(yīng)間隔保護(hù)單元完成線路保護(hù)功能；對于3/2接線的線路間隔，由2個斷路器對應(yīng)的間隔保護(hù)單元獨(dú)立采樣后進(jìn)行數(shù)據(jù)級聯(lián)，由其中1臺間隔單元完成線路保護(hù)功能。重合閘、斷路器失靈保護(hù)功能由相應(yīng)斷路器的間隔保護(hù)單元實(shí)現(xiàn)。線路保護(hù)優(yōu)先采用線路側(cè)電壓，也可按照裝置分別配置電壓切換模塊。

b.母線保護(hù)配置方案。

如圖1所示，母線保護(hù)配置方案不設(shè)置獨(dú)立的母線保護(hù)裝置，母線保護(hù)功能采用分布式方案，與線路保護(hù)復(fù)用間隔保護(hù)單元。各間隔保護(hù)單元采用雙向環(huán)網(wǎng)連接，共同實(shí)現(xiàn)母線保護(hù)功能。設(shè)置邏輯上的主機(jī)用于集中計(jì)算，即有主分布式母線差動保護(hù)方案；也可將保護(hù)功能分布到各子機(jī)獨(dú)立完成運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)無主式母線差動保護(hù)方案。母線電壓互感器設(shè)置獨(dú)立的電壓互感器保護(hù)子機(jī)采集母線電壓并接入環(huán)網(wǎng)。

c.變壓器保護(hù)配置方案。

變壓器保護(hù)功能也采用分布式方案，如圖1所示，由各側(cè)斷路器對應(yīng)的間隔保護(hù)單元組成雙向環(huán)網(wǎng)，變壓器差動保護(hù)在高壓側(cè)間隔保護(hù)單元中實(shí)現(xiàn)，各側(cè)后備保護(hù)功能可在各側(cè)斷路器間隔保護(hù)單元中獨(dú)立實(shí)現(xiàn)，變壓器中性點(diǎn)電流或公共繞組電流由獨(dú)立的采集單元接入變壓器保護(hù)環(huán)網(wǎng)。

d.站域保護(hù)配置方案。

站域保護(hù)與就地化繼電保護(hù)相互協(xié)調(diào)、相互配合、相互補(bǔ)充，功能上可按照層次化保護(hù)的原則進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)對就地保護(hù)的冗余配置和優(yōu)化，即按等級分別設(shè)置，接收來自線路、母聯(lián)（分段）、變壓器各間隔保護(hù)單元等輸出間隔采樣和間隔設(shè)備狀態(tài)信息，完成備自投、110 kV斷路器失靈、過載聯(lián)切、低周減載等功能；也可以簡化就地化繼電保護(hù)的后備功能，簡化其整定、調(diào)試工作，加強(qiáng)主保護(hù)的可靠性，將就地化繼電保護(hù)裝置的后備保護(hù)分離出來，由站域保護(hù)實(shí)現(xiàn)完整后備，實(shí)現(xiàn)站域保護(hù)對時間和空間的全覆蓋，并利用站內(nèi)全景信息優(yōu)化后備保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)后備保護(hù)對于設(shè)備狀態(tài)和系統(tǒng)狀態(tài)的自適應(yīng)。

圖1 繼電保護(hù)就地化配置方案Fig.1 Configuration scheme of on-site relay protection

1.3 間隔層其他設(shè)備

a.測控。

按照斷路器分別設(shè)置間隔測控單元，采集相關(guān)一次設(shè)備信息并上送到站控層網(wǎng)絡(luò)，間隔內(nèi)聯(lián)閉鎖等功能可配置站域級測控裝置實(shí)現(xiàn)。

b.故障錄波。

故障錄波裝置通過過程層網(wǎng)絡(luò)采集各間隔保護(hù)單元輸出的SV和GOOSE信息記錄系統(tǒng)擾動及保護(hù)跳閘。

c.交換機(jī)。

交換機(jī)具備戶外無防護(hù)安裝條件后，可實(shí)現(xiàn)間隔二次設(shè)備就近組網(wǎng)，避免大量的光纜連接，簡化二次回路，提高可靠性。

1.4 就地化繼電保護(hù)管理單元

由于液晶材料的耐低溫能力以及裝置尺寸的限制，就地化繼電保護(hù)取消了人機(jī)交互界面，對現(xiàn)場保護(hù)的運(yùn)維造成了不便。因此在變電站層設(shè)置就地化繼電保護(hù)管理單元，接入全站的就地化二次設(shè)備，替代原有的保護(hù)裝置液晶界面，同時可實(shí)現(xiàn)保護(hù)在線監(jiān)視和智能診斷等高級功能。

2 就地化繼電保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 設(shè)備軟硬件高可靠性設(shè)計(jì)要求

2.1.1 就地化繼電保護(hù)應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性

我國地域?qū)拸V，幅員遼闊，各地氣候環(huán)境差異極大，例如東南沿海的極端鹽潮、東北地區(qū)的極端低溫、西北地區(qū)的局部極端高溫等，就地化繼電保護(hù)裝置下放到戶外開關(guān)場后，處于戶外無防護(hù)環(huán)境，必須適應(yīng)在上述各種嚴(yán)酷環(huán)境中長期運(yùn)行，對裝置本身各項(xiàng)性能的設(shè)計(jì)裕度提出了更高的要求。就地化的保護(hù)裝置應(yīng)能適應(yīng)其所處環(huán)境的溫度、濕度，防止空氣中的水分及腐蝕性介質(zhì)侵入造成的損壞，同時還應(yīng)具備抵御變電站內(nèi)復(fù)雜的靜態(tài)及暫態(tài)電磁干擾的功能。因此，在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時，應(yīng)充分開展環(huán)境影響因素分析，用于指導(dǎo)材料、器件的選用以及軟硬件的冗余、防誤設(shè)計(jì)，同時考慮抵御外部復(fù)雜氣候、電磁、機(jī)械環(huán)境造成的破壞，提高二次回路可靠性。

2.1.2 氣候環(huán)境適應(yīng)性

統(tǒng)計(jì)資料表明電子元器件溫度每升高2℃，可靠性就會下降10%；溫升為50℃時電子元器件的壽命只有溫升為25℃時的1/6［6］。55%的電子設(shè)備失效是由溫度超過規(guī)定的值引起的。我國新疆吐魯番地區(qū)夏天極端情況下，近地面（2 m）溫度超過60℃，裝置內(nèi)部局部最高溫度可達(dá)90℃以上，嚴(yán)重影響裝置的可靠性。因此，在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時，可選用汽車級電子元器件，并根據(jù)有利散熱原則合理布局內(nèi)部功能模塊及元器件，采用導(dǎo)熱襯墊及硅脂等材料將電子元器件的熱耗導(dǎo)出至殼體，并通過殼體的高密度翅片散至裝置外部。

當(dāng)電子設(shè)備經(jīng)歷潮濕或其他惡劣氣候環(huán)境時，有可能由于腐蝕效應(yīng)而失效。材料受環(huán)境介質(zhì)的化學(xué)作用而發(fā)生性能下降，狀態(tài)改變，直至變質(zhì)損壞。為防止腐蝕介質(zhì)侵入裝置內(nèi)部，在端蓋結(jié)合面、進(jìn)出線口、導(dǎo)光零件等處采用高性能的“O”型密封圈或密封膠結(jié)合壓力分布設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)裝置的整體密封，同時將直接裸露于外部環(huán)境的零部件表面鍍涂致密的防護(hù)層抵御腐蝕。

2.1.3 電磁環(huán)境適應(yīng)性

戶外就地安裝的繼電保護(hù)裝置所處的電磁環(huán)境更為復(fù)雜、惡劣，其不僅要經(jīng)受變電站內(nèi)各一次設(shè)備正常運(yùn)行產(chǎn)生的靜態(tài)電磁波的感應(yīng)騷擾，同時，還需抵御高壓開關(guān)動作、雷電等現(xiàn)場產(chǎn)生的暫態(tài)電磁波的沖擊。目前，要求繼電保護(hù)裝置等承受不低于6 kV快速瞬變和6 kV浪涌的試驗(yàn)要求。為確保繼電保護(hù)裝置不因受到干擾而造成誤動、拒動或其他不正常工作狀態(tài)，裝置內(nèi)部需要設(shè)置有效的泄放回路，確保將各類干擾所產(chǎn)生的有害能量及時導(dǎo)出。

2.1.4 機(jī)械性能

繼電保護(hù)裝置被移至戶外安裝后，不再受原有戶內(nèi)安裝的屏柜的支撐及保護(hù)，其所受的機(jī)械環(huán)境變得更為復(fù)雜和惡劣。在極端情況下，戶外繼電保護(hù)裝置會受到冰雹、臺風(fēng)、飛石等偶發(fā)現(xiàn)象的破壞，嚴(yán)重的會直接導(dǎo)致裝置及相關(guān)電路的失效。計(jì)算表明，就地化繼電保護(hù)裝置的5 mm厚鋁制外殼在受到20 J的外部沖擊時，其最大塑性形變可控制在0.3 mm以內(nèi)而不受損壞。不過，由于裝置外表面受到?jīng)_撞、跌落而引起的對內(nèi)部構(gòu)件的沖擊危害更為顯著，特別是印刷電路板上焊接的各類元器件。因此在進(jìn)行就地化繼電保護(hù)裝置的內(nèi)部布局時，應(yīng)根據(jù)應(yīng)力及形變分布合理避讓失效風(fēng)險位置。在空間允許的情況下，可采用輔助支撐增加強(qiáng)剛度，或采用彈性材料吸收瞬間作用產(chǎn)生的能量，對內(nèi)部構(gòu)件進(jìn)行防護(hù)。

2.1.5 二次回路的可靠性

基于“間隔信息電纜直采直跳，跨間隔信息GOOSE傳輸”的原則，就地化繼電保護(hù)裝置在“六統(tǒng)一”標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步簡化裝置接口，實(shí)現(xiàn)二次回路接線的優(yōu)化。交流量及重要開關(guān)量信息都采用就地電纜采集，同時通過電纜直接跳閘減少了智能變電站原有的智能終端環(huán)節(jié)。就地直采直跳解決了原有的保護(hù)小室安裝時，長電纜帶來的電流互感器飽和、多點(diǎn)接地、分布式電容放電等問題，大幅提高了保護(hù)的可靠性。

就地化繼電保護(hù)裝置采用高防護(hù)及高電氣性能的專用航插連接器取代傳統(tǒng)的接線端子，可有效抵御外部惡劣氣候及電磁環(huán)境。在使用時，按電氣功能分組接入專用航插連接器，采用防誤插鍵位設(shè)計(jì)及輔助辨識色帶可有效杜絕現(xiàn)場誤操作，避免不同回路誤接的風(fēng)險，最終實(shí)現(xiàn)快速可靠插接、即插即用、便捷維護(hù)。

同時，為避免由于電流互感器回路開路引起的對設(shè)備或人身造成的傷害，在交流專用航插連接器的設(shè)計(jì)中應(yīng)加入交流電流回路的自短路功能，自短路機(jī)構(gòu)可采用高性能的彈性金屬連接片或彈簧壓片置于回路連接觸針之間。在插合時，裝置外部接線與采樣互感器接線閉合后，自短路構(gòu)件被頂開，采樣接入；在拔離時，裝置外部接線與采樣互感器接線脫離前，自短路構(gòu)件先復(fù)位，實(shí)現(xiàn)外部回路短接自封，可充分保障人員和設(shè)備的安全。

2.2 跨間隔設(shè)備就地化技術(shù)

2.2.1 分布式保護(hù)環(huán)網(wǎng)配置方案

跨間隔保護(hù)裝置需要同時獲取多間隔的電壓和電流數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)集中式保護(hù)需要將所有間隔的采樣回路和開入開出回路連接在1臺繼電保護(hù)裝置上，導(dǎo)致二次回路接線復(fù)雜，且單臺保護(hù)裝置的外部接口眾多，軟、硬件資源壓力都很大，功耗較大，極難實(shí)現(xiàn)就地?zé)o防護(hù)安裝。為實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)的就地化，必須采用新架構(gòu)、新模式，本文提出一種基于環(huán)網(wǎng)的無主分布式跨間隔保護(hù)方案［7-9］，如圖2所示。

每個間隔配置1臺獨(dú)立的保護(hù)子機(jī)（本文方案為與間隔保護(hù)集成），每臺子機(jī)與其左右相鄰的2臺子機(jī)采用2對千兆光纖連接，最終連接成2組獨(dú)立的光纖環(huán)網(wǎng)，二者互為冗余，各子機(jī)采集本間隔的交流數(shù)據(jù)和開關(guān)量，并上送環(huán)網(wǎng)，同時從環(huán)網(wǎng)上實(shí)時獲取其他子機(jī)的數(shù)據(jù)，基于這些數(shù)據(jù)，各臺子機(jī)獨(dú)立地進(jìn)行保護(hù)邏輯運(yùn)算，判斷本間隔的保護(hù)行為，輸出開關(guān)量。并且每臺子機(jī)配備光旁路開關(guān)，在本間隔檢修退出時，將本間隔從環(huán)網(wǎng)中旁路掉，從而不影響其他間隔子機(jī)的運(yùn)行。為方便管理，在所面向的間隔類型相似的情況下，子機(jī)的軟硬件宜相同。

圖2 環(huán)網(wǎng)保護(hù)架構(gòu)Fig.2 Architecture of ring network protection

2.2.2 環(huán)網(wǎng)可靠性設(shè)計(jì)

環(huán)網(wǎng)可靠性設(shè)計(jì)采用高可用性無縫冗余環(huán)網(wǎng)HSR（High-availability Seamless Ring）技術(shù)［10-11］。采用內(nèi)部協(xié)議將數(shù)據(jù)打包，每個數(shù)據(jù)包由子機(jī)在2個環(huán)網(wǎng)上同時發(fā)送，做到數(shù)據(jù)的冗余備份。由于每個數(shù)據(jù)都是雙份，所以需要配置丟棄策略。環(huán)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)包經(jīng)過每個子機(jī)節(jié)點(diǎn)，子機(jī)解析收到的數(shù)據(jù)，若是其他子機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，則將獲取的數(shù)據(jù)解析后提供給保護(hù)邏輯使用，并轉(zhuǎn)發(fā)給后面的節(jié)點(diǎn)；若是本子機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，則證明該數(shù)據(jù)包已經(jīng)走完整個環(huán)網(wǎng)，其生存周期結(jié)束，將其丟棄。HSR數(shù)據(jù)包交換的具體邏輯如圖3所示。

圖3 HSR數(shù)據(jù)包交換示意圖Fig.3 Schematic diagram of HSR network data package exchange

2.2.3 環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)同步技術(shù)

環(huán)網(wǎng)的采樣同步技術(shù)是本文方案的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文方案首先在基于鏈路收發(fā)回路延時一致的前提下，采用對稱法計(jì)算相鄰節(jié)點(diǎn)間的鏈路傳輸延時Tlink，借鑒IEEE1588協(xié)議的請求報文（Peer-Delay-Request）和回復(fù)報文（Peer-Delay-Respond），計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的鏈路延時；然后，增加1個報文在每個節(jié)點(diǎn)中轉(zhuǎn)發(fā)時的駐留修正延時Tstay，則第n和m間隔之間的延時Tmn可通過式（1）計(jì)算。在計(jì)算得到2臺子機(jī)之間的延時后，再采用插值同步算法實(shí)現(xiàn)各個間隔的采樣值同步。為了保證同步的精度，環(huán)網(wǎng)接口帶寬為千兆，通信接口采用Serdes接口，總延時和延時抖動不大于15 ns。報文收、發(fā)時標(biāo)計(jì)數(shù)器頻率為125 MHz，由報文時標(biāo)引起的最大延時誤差為16 ns。按環(huán)內(nèi)30個節(jié)點(diǎn)計(jì)算，由以太網(wǎng)口、報文時標(biāo)引起的累計(jì)延時誤差最大為930 ns，完全滿足同步精度±10 μs的要求［4］。

跨間隔保護(hù)既可采用無主模式，即每臺子機(jī)都獨(dú)立地進(jìn)行保護(hù)邏輯判斷；也可采用有主模式，在環(huán)網(wǎng)中設(shè)置主機(jī)，主機(jī)可以由某一間隔的子機(jī)擔(dān)任，或者在環(huán)網(wǎng)中單獨(dú)安放不面向任一間隔的裝置作為主機(jī)，負(fù)責(zé)保護(hù)邏輯的計(jì)算和與后臺通信，其余子機(jī)只負(fù)責(zé)采集間隔信息和執(zhí)行主機(jī)的指令。

3 繼電保護(hù)就地化運(yùn)維技術(shù)

3.1 就地化繼電保護(hù)智能安裝系統(tǒng)

相比傳統(tǒng)的小室內(nèi)安裝或就地屏柜內(nèi)安裝的二次設(shè)備，就地化繼電保護(hù)裝置所處的環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜，也更為惡劣，目前已有相當(dāng)一部分專家學(xué)者提出對就地化設(shè)備的微環(huán)境實(shí)現(xiàn)智能化控制。圖4給出的基于間隔布置的就地化繼電保護(hù)智能安裝系統(tǒng)集成了溫濕度采集、裝置運(yùn)行狀態(tài)圖像采集、除塵清洗、消防、驅(qū)鼠、照明等多項(xiàng)功能，在有效保障了就地化繼電保護(hù)裝置穩(wěn)定可靠運(yùn)行的同時，保證其狀態(tài)可記錄、可控制。利用光伏效應(yīng)存儲電池作為就地化繼電保護(hù)裝置的應(yīng)急電源，確保在外部失電時保護(hù)裝置能正常工作。當(dāng)裝置、電纜由于高溫或放電引起火星、冒煙等異?，F(xiàn)象時，現(xiàn)場布置的消防噴淋系統(tǒng)能將異常情況控制在最低限度，同時，圖4所示系統(tǒng)還能開展裝置降溫、表面除塵等工作。在圖像識別、自動采集等技術(shù)的支撐下，該系統(tǒng)有助于實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)裝置就地化安裝后的自我管理、自我運(yùn)維。

圖4 就地化繼電保護(hù)智能安裝系統(tǒng)Fig.4 Intelligent installation system of on-site relay protection

3.2 就地化繼電保護(hù)自動測試系統(tǒng)

就地化繼電保護(hù)裝置貼近開關(guān)場一次設(shè)備安裝，取消了人機(jī)界面，安裝現(xiàn)場不方便進(jìn)行功能測試，需在檢修中心完成設(shè)備的調(diào)試和驗(yàn)證，最終實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)場的即插即用。本文提出了適用于就地化繼電保護(hù)的自動測試系統(tǒng)，如圖5所示。

圖5 就地化繼電保護(hù)自動測試系統(tǒng)Fig.5 Automatic test system of on-site protection

自動測試系統(tǒng)和就地化繼電保護(hù)裝置之間采用與現(xiàn)場完全一樣的航空插頭連接，完成測試模板的自動生成、保護(hù)行為指標(biāo)的自動甄別、測試報告的自動生成。系統(tǒng)可由測試主機(jī)、服務(wù)器、交換機(jī)、測試終端四部分組成。

a.根據(jù)被測裝置的使用環(huán)境（IEC61850模型）自動獲取保護(hù)功能配置信息和現(xiàn)場設(shè)備關(guān)聯(lián)信息生成自動測試模板，自動測試模板具備典型測試項(xiàng)目及可選測試項(xiàng)目，根據(jù)實(shí)際工作性質(zhì)和需求供用戶選擇。

b.主機(jī)需根據(jù)選定的自動測試模板自動觸發(fā)測試功能，連接并控制測試終端。測試終端執(zhí)行主機(jī)下發(fā)指令輸出所模擬故障的電氣量信息，并采集就地化保護(hù)反饋的節(jié)點(diǎn)和數(shù)字信息，反饋主機(jī)形成閉環(huán)控制。由主機(jī)根據(jù)預(yù)定的參數(shù)和指標(biāo)判斷每個測試項(xiàng)是否合格。

c.測試結(jié)束后主機(jī)自動生成測試報告，并上送服務(wù)器，服務(wù)器同時用于保存測試報告、測試模板及相應(yīng)的模型文件等，并歸入該被測裝置的臺賬管理。

3.3 就地化繼電保護(hù)現(xiàn)場檢修和消缺

就地化繼電保護(hù)裝置的無人機(jī)界面菜單通過IEC61850建模在智能管理單元進(jìn)行遠(yuǎn)程顯示，導(dǎo)致其工程現(xiàn)場運(yùn)維復(fù)雜，針對此情況本文提出了一種基于移動智能終端的運(yùn)維系統(tǒng)，如圖6所示。智能運(yùn)維終端既是信息資料的載體，也是數(shù)據(jù)采集的工具，通過在智能運(yùn)維終端安裝專業(yè)定制開發(fā)的智能APP，完成相應(yīng)的運(yùn)行、維護(hù)、檢修、測試、臺賬管理等功能，并將數(shù)據(jù)通過移動網(wǎng)絡(luò)在線或通過存儲設(shè)備離線上傳到主機(jī)，協(xié)助主機(jī)完成全站數(shù)據(jù)的采集和管理。使用智能運(yùn)維終端后，運(yùn)行巡視、智能標(biāo)簽、虛實(shí)回路映射、檢修工單、人員管理、專家協(xié)助等功能可通過信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，顯著提高了現(xiàn)場工作效率，減輕了運(yùn)維負(fù)擔(dān)，降低了工作難度，確保了運(yùn)維檢修的正確性和安全性，進(jìn)一步推動了就地化繼電保護(hù)的發(fā)展。

圖6 就地化繼電保護(hù)現(xiàn)場運(yùn)維系統(tǒng)Fig.6 Field operation and maintenance system of on-site relay protection

3.4 就地化繼電保護(hù)遠(yuǎn)程運(yùn)維支撐

隨著變電站智能化、自動化程度的不斷提升，無人值守站越來越多，對于設(shè)備的遠(yuǎn)程管理要求也越來越高，就地化繼電保護(hù)自身的黑盒特性、即插即用的目標(biāo)和更換式檢修的管理模式，更加要求對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控及全壽命周期的智能管理。就地化繼電保護(hù)遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)如圖7所示，其主要分站端和主站端2層。站端設(shè)備通過先進(jìn)的測量和傳感技術(shù)對就地化繼電保護(hù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，例如環(huán)境溫度、裝置內(nèi)部溫度、濕度、收發(fā)光功率、內(nèi)部電壓等可觀可測因子，并通過移動安全網(wǎng)關(guān)或?qū)Ｓ?G網(wǎng)絡(luò)上送至主站系統(tǒng)。主站端根據(jù)站端上送的設(shè)備信息并結(jié)合裝置的唯一身份識別技術(shù)及其歷史臺賬，形成就地化繼電保護(hù)設(shè)備運(yùn)行工況報告，并運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析形成有效的智能診斷，為調(diào)度人員給出供參考的專家處理意見。此外，站端系統(tǒng)兼有投運(yùn)、檢修的自動檢測功能，以及就地化繼電保護(hù)設(shè)備的資料、臺賬管理功能等。智能運(yùn)維終端將運(yùn)維、測試數(shù)據(jù)和站內(nèi)采集的其他相關(guān)數(shù)據(jù)上送至站內(nèi)主機(jī)，同時上送至主站端，依托主站大數(shù)據(jù)平臺實(shí)現(xiàn)對評價中心的數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)共享等。就地化繼電保護(hù)遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)化圖檔資料庫實(shí)現(xiàn)設(shè)備的技術(shù)資料管理，以數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)實(shí)現(xiàn)精益化評價，以狀態(tài)評估技術(shù)結(jié)合專家系統(tǒng)完成智能運(yùn)維，最終實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)運(yùn)維的遠(yuǎn)程化、集約化、智能化和精益化，滿足當(dāng)前就地化繼電保護(hù)的應(yīng)用需求。

圖7 就地化繼電保護(hù)遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)Fig.7 Remote operation and maintenance system of on-site relay protection

4 結(jié)論

繼電保護(hù)就地化思路是對多年來智能變電站技術(shù)的總結(jié)提升，通過簡化回路提高了保護(hù)可靠性，精簡設(shè)備提高了保護(hù)的速動性，提高設(shè)計(jì)裕度改善了保護(hù)的可靠性；通過小型化、就地化安裝可以取消保護(hù)小室，節(jié)約土地征用；通過標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和預(yù)制式接口，真正實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)即插即用，大幅降低了運(yùn)維難度，有效提升了工作效率。

繼電保護(hù)就地化技術(shù)也是一、二次設(shè)備融合的新思路和方向，兩者可以貼近安裝或者進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，需著重解決好電磁兼容性防護(hù)和機(jī)械振動等問題；隨著信息通信技術(shù)及新型傳感技術(shù)的發(fā)展，就地化繼電保護(hù)也將真正實(shí)現(xiàn)其狀態(tài)的實(shí)時在線監(jiān)測和智能告警，信息更透明、更準(zhǔn)確，遠(yuǎn)程運(yùn)維更便利；結(jié)合裝置二維碼信息系統(tǒng)、生產(chǎn)廠家的物料系統(tǒng)、變電站運(yùn)維管理系統(tǒng)，依托大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)就地化繼電保護(hù)的全壽命周期管理，進(jìn)一步提高我國繼電保護(hù)的運(yùn)行管理水平。

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