數(shù)字化變電站繼電保護(hù)及自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

【摘 要】我國作為一個(gè)工業(yè)大國，人們生活生產(chǎn)的各方面都離不開電力資源，由于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的需求也在不斷增加，所以變電站的改革就十分必要。變電站的數(shù)字化發(fā)展模式已經(jīng)成為必然趨勢，這其中就包括繼電保護(hù)系統(tǒng)的智能化，繼電保護(hù)系統(tǒng)直接關(guān)系著整個(gè)變電站的穩(wěn)定運(yùn)行，因此分析研究數(shù)字化變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性就具有十分重要的意義。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字化變電站；繼電保護(hù)；自動化系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

引言

在配電網(wǎng)絡(luò)中，變電站是直接連通用戶和電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的重要單元，對變電站的實(shí)時(shí)監(jiān)測有利于實(shí)現(xiàn)對電能質(zhì)量的實(shí)時(shí)控制，提高用電設(shè)備的運(yùn)行效率。我國現(xiàn)行中低壓配電網(wǎng)變電站主要以220/110/10 kV電壓等級為主，變電站不但能夠保障電能質(zhì)量，并且還具備較高的經(jīng)濟(jì)性，因此運(yùn)用廣泛。

1繼電保護(hù)的基本原理

繼電保護(hù)裝置的功能一般要根據(jù)電力系統(tǒng)發(fā)生故障前后的電氣物理量的變化來通過相應(yīng)的原理實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際的電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，電力系統(tǒng)發(fā)生故障后，其前后電氣物理量的變化有———電流增大、電壓降低、測量阻抗發(fā)生變化以及電流和電壓之間的相位角發(fā)生改變等。根據(jù)這些變化，繼電保護(hù)裝置會構(gòu)成各種原理的繼電保護(hù)，如母線繼電保護(hù)、變壓器繼電保護(hù)、發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)等。

2數(shù)字化變電站繼電保護(hù)

2.1接線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行是安全生產(chǎn)的重要條件，線纜必須布局合理，可以保證設(shè)備的正常用電需求，同時(shí)，滿足生產(chǎn)的靈活性和經(jīng)濟(jì)性要求，供電系統(tǒng)的主接線方案主要包括：單母線、單母線分段、橋型接法。結(jié)合生產(chǎn)負(fù)荷，某煤礦的35 kV供電系統(tǒng)的母線接線方式選擇為單母線接線方案。該母線接線方案的優(yōu)點(diǎn)如下。（1）在母線上通過一組斷路器的配合使用，將單母線分成兩段，同時(shí)按照平均分配的原則，將變電站的負(fù)荷分成兩個(gè)部分，分別接在兩個(gè)母線上，當(dāng)煤礦中的某一個(gè)用電設(shè)備出現(xiàn)故障或者發(fā)生停電故障時(shí)，可以將改路中的重要負(fù)荷切換到另一路母線上，減小對煤礦生產(chǎn)的影響，保證重要負(fù)荷的持續(xù)供電，從而提高系統(tǒng)的供電可靠性。（2）在需要檢修時(shí)，可以將兩路負(fù)荷相互到彼此的母線上，方便檢修，增加靈活性。（3）設(shè)備簡單，運(yùn)維成本低，出現(xiàn)故障時(shí)，自動切換負(fù)荷。

2.2提高系統(tǒng)冗余性

提高系統(tǒng)冗余性可以維護(hù)繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性和安全性，具體的措施為：利用以太網(wǎng)交換機(jī)的數(shù)據(jù)鏈的路層技術(shù)對變電站實(shí)時(shí)監(jiān)控；在三個(gè)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上形成網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的需求，其中，總線結(jié)構(gòu)利用交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳送，有減少接線的作用，但是冗余度比較差，所以在使用中，可以通過延長時(shí)間增加敏感度，提高冗余性；環(huán)形結(jié)構(gòu)環(huán)路上的任何點(diǎn)都可以提供冗余，如果和以太網(wǎng)的交換機(jī)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合就可以形成樹協(xié)議，也可以提高繼電系統(tǒng)的冗余度，同時(shí)還可以在一定的時(shí)間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的控制，但是環(huán)形結(jié)構(gòu)使用時(shí)需要的收斂時(shí)間比較長，完成任務(wù)的速度比較慢，還會對系統(tǒng)重構(gòu)產(chǎn)生影響；星型結(jié)構(gòu)的等待時(shí)間比較短，所以適用于比較高的場合，不存在冗余度，其缺點(diǎn)是一旦主交換機(jī)的過程中有了故障，就會對信息傳送產(chǎn)生影響，可靠性相比下來就比較低，所以并不適合進(jìn)一步推廣普及。想要提高變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性，就要提高系統(tǒng)冗余性，所以選擇繼電保護(hù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架就要注意結(jié)合實(shí)際情況，并對比不同架構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)而選擇出合適的架構(gòu)。此外，由于環(huán)形結(jié)構(gòu)自身的可靠性比較強(qiáng)，所以可以把環(huán)形結(jié)構(gòu)應(yīng)用于母線的保護(hù)裝置中，以增強(qiáng)繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。環(huán)形結(jié)構(gòu)對母線的保護(hù)的可靠性高，可以滿足繼電保護(hù)系統(tǒng)對可靠性的要求，且對元件的損害比較小，所以更可以提高繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

2.3電子式互感器

電子式互感器是一種將正比于被測量的電壓、電流等傳輸給測量儀器的裝置。與傳統(tǒng)互感器相比，它的絕緣結(jié)構(gòu)更為簡單，且沒有采用油這類易燃液體進(jìn)行絕緣，因此能夠從根本上避免火災(zāi)、爆炸等危險(xiǎn)，提高整個(gè)繼電保護(hù)系統(tǒng)的安全性。另外，電子式互感器所采用的連接線纜為光纜，而非傳統(tǒng)的電纜，這種改變也直接避免了互感器在運(yùn)行過程中出現(xiàn)電磁飽和現(xiàn)象，有利于提高測量的準(zhǔn)確性。

2.4做好繼電保護(hù)裝置版本及軟壓板的校對工作

在優(yōu)化改進(jìn)數(shù)字化變電站繼電保護(hù)的過程中，應(yīng)做好繼電保護(hù)裝置版本的校對工作，以確保設(shè)備的硬件和軟件版本是否為國家電網(wǎng)系統(tǒng)檢測的版本，如若不是，則應(yīng)及時(shí)上報(bào)更改。此外，還應(yīng)加強(qiáng)機(jī)電保護(hù)裝置軟壓板的校對工作。在智能變電站中，除了置檢修狀態(tài)這一功能使用硬壓板外，其他的都應(yīng)改為軟壓板形式，并增加SV接收軟壓板。在此之前，應(yīng)認(rèn)真核對軟壓板的正確性，從而實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.5電容器保護(hù)

在生產(chǎn)、生活中，會使用到很多感性設(shè)備。此時(shí)，為了保證數(shù)字化變電站供電電能的功率因數(shù)在正常范圍內(nèi)，需要配備實(shí)地電容器，消耗供電系統(tǒng)中無功功率，調(diào)節(jié)供電系統(tǒng)的功率因數(shù)。當(dāng)電力系統(tǒng)中的電容器發(fā)生故障時(shí)，會嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)中的功率因數(shù)，破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定性，針對電容器的外部故障，制定以下保護(hù)方案：采用電流速斷保護(hù)，微機(jī)采集兩相電流信息構(gòu)建不完全星形接法。

K k：可靠系數(shù)；I ec：短路電流整定值；K n：電流互感器變比。動作時(shí)限取1.5 s，靈敏度校檢計(jì)算如下：

3自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1變電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括三個(gè)方面組成：站控層、間隔層、過程層。站控層是變電站自動化的最頂層，包含了服務(wù)器、監(jiān)測界面等部分，可以向操作機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，監(jiān)測整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)。采用IEC61850以太網(wǎng)組成站控層網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)控主機(jī)連接了通信監(jiān)控機(jī)、通信交換機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)等各類節(jié)點(diǎn)；在變電站的間隔層，中低壓線路負(fù)荷涉及安全生產(chǎn)，應(yīng)配置綜合測控單元實(shí)時(shí)監(jiān)控，擬配置深瑞公司智能儀表EPM5500P。采集模擬量、狀態(tài)量、告警量，并發(fā)出控制操作狀態(tài)，EPM5500智能儀表I/O組態(tài)靈活，支持ICE61850協(xié)議；在過程層的單元配置中，通過許繼公司BDH-806合并單元，合并和處理常規(guī)電流、電壓互感器的信號，通過IEC16850協(xié)議，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，并通過ML2400網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與間隔層網(wǎng)絡(luò)通信。通過站控層、間隔層、過程層三個(gè)層面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的合理配置，使檢測信息在網(wǎng)絡(luò)中高速傳輸，實(shí)現(xiàn)變電站的自動化。

3.2狀態(tài)檢測技術(shù)

在數(shù)字化變電站設(shè)計(jì)中應(yīng)用狀態(tài)檢測技術(shù)，能夠?qū)⒁酝亩ㄆ跈z修逐漸轉(zhuǎn)為維護(hù)檢修，將目前的定期檢修制度加以優(yōu)化和改革，有效節(jié)約人力物力等資源。利用狀態(tài)檢測技術(shù)對設(shè)備進(jìn)行故障檢測，能夠有效降低故障維修使用的時(shí)間，保障設(shè)備快速恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)通過該技術(shù)還能及時(shí)檢測到設(shè)備異常以及缺陷等早期信號，為設(shè)備正常、可靠的運(yùn)行提供重要支持和保障。當(dāng)前變電站很多設(shè)備上都已經(jīng)應(yīng)用了狀態(tài)檢測技術(shù)，未來也有重要的應(yīng)用發(fā)展空間。

3.3數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)選型功能

在變電站自動化系統(tǒng)中，若想發(fā)揮其數(shù)字化功能，需在功能模塊構(gòu)建過程中融合數(shù)據(jù)庫技術(shù)，對變電站設(shè)備、系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行儲存、記錄，對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。數(shù)據(jù)庫技術(shù)應(yīng)用比較有限，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中需要人員手動輸入對比數(shù)據(jù)、維修數(shù)據(jù)等，當(dāng)系統(tǒng)中的感應(yīng)器能夠?qū)?shù)進(jìn)行辨別時(shí)，其通過與數(shù)據(jù)庫之間的數(shù)據(jù)對比，觀察其是否超出了數(shù)據(jù)庫的額定范圍，并對設(shè)備、系統(tǒng)的故障情況進(jìn)行分析、判斷，并對其故障的原因進(jìn)行分析。在變電站設(shè)備運(yùn)行過程中，若出現(xiàn)電磁波干擾現(xiàn)象，則需要借助數(shù)字化功能，對數(shù)字信號進(jìn)行傳輸，將信號傳輸至控制系統(tǒng)之中，并借助系統(tǒng)的自動化處理功能，對設(shè)備發(fā)送控制指令，對其進(jìn)行科學(xué)調(diào)控。在此過程中，需要重視網(wǎng)絡(luò)選型的科學(xué)性，以上功能均是借助網(wǎng)絡(luò)選型功能實(shí)現(xiàn)，科學(xué)的網(wǎng)絡(luò)選型不僅能夠增加信號的傳輸效率，還能保障系統(tǒng)、設(shè)備信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。為了對其進(jìn)行科學(xué)優(yōu)化，在變電站自動化系統(tǒng)數(shù)字化應(yīng)用過程中，需要在設(shè)計(jì)階段采取科學(xué)的優(yōu)化策略，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，對通信插件質(zhì)量進(jìn)行科學(xué)控制，提高整體系統(tǒng)的兼容性，使其能夠在與科學(xué)網(wǎng)絡(luò)選型的共同作用下，優(yōu)化自動化系統(tǒng)的控制功能。

3.4數(shù)據(jù)通信功能

這一功能包括現(xiàn)場級通信和遠(yuǎn)方通信，由于數(shù)字化變電站的場景不同于普通環(huán)境，站內(nèi)的電磁環(huán)境比較復(fù)雜，對通信設(shè)備及計(jì)算機(jī)等會產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾。通過選擇合適的通信設(shè)備和介質(zhì)并采取適當(dāng)防范措施，來保障通信的正常進(jìn)行，避免造成傳輸錯誤或誤動作。例如，選用光纖通信、組建雙機(jī)雙網(wǎng)系統(tǒng)、增加電磁屏蔽罩、采用光耦器件、與高壓電纜保持充足的距離等等都屬于針對變電站環(huán)境下的特殊考慮。

3.5系統(tǒng)維護(hù)可視化

通過將常規(guī)變電站電纜回路大量地轉(zhuǎn)換成虛擬回路，達(dá)到簡化了二次回路設(shè)計(jì)的目的。但是因虛擬回路缺乏直觀的展示方式，導(dǎo)致運(yùn)維人員無法掌握電站的物理鏈路、二次虛回路以及裝置間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。因此，為了簡化運(yùn)行、維護(hù)流程，降低虛端子關(guān)聯(lián)的復(fù)雜程度，減少虛端子和裝置數(shù)量，對實(shí)現(xiàn)數(shù)字化電站設(shè)備科學(xué)的整合和集成有重要的意義。

結(jié)語

數(shù)字化變電站是智能電網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)過程中的重要組成部分，繼電保護(hù)技術(shù)是智能變電站中的核心技術(shù)，對數(shù)字化變電站的安全、穩(wěn)定運(yùn)行有著至關(guān)重要的作用，在新形勢下，相關(guān)人員應(yīng)積極面對當(dāng)前數(shù)字化變電站繼電保護(hù)實(shí)際運(yùn)行過程中的問題，并積極采取相應(yīng)的措施進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，從而有效保證設(shè)備和工作人員的安全，并為數(shù)字化變電廠的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

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作者簡介：

張俊亮（1983-），男，壯族，籍貫：廣西南寧市人，本科，工程師，主要從事電力行業(yè)設(shè)計(jì)工作。

（作者單位：廣西百源建設(shè)工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司）