基于SVG技術的智能變電站繼電保護分析裝置設計

劉志剛，王志鵬，張海輝，李能俊，毛 藝

(國網(wǎng)青海西寧供電公司，青海 西寧 810003)

隨著智能電網(wǎng)技術的應用范圍不斷擴大，對智能電網(wǎng)的建設要求也越來越高。在智能電網(wǎng)的建設中，智能變電站是電網(wǎng)建設中重點建設的對象，也是智能電網(wǎng)建設中的關鍵節(jié)點[1]。智能變電站能夠通過繼電保護分析裝置進行電能的分配、轉移與傳輸，并且可以利用繼電保護分析裝置排查出變電站中的設備故障，避免設備故障波及范圍的擴大，因此繼電保護分析裝置是智能變電站建設中的重要設備[2]。繼電保護分析裝置能夠在不影響設備正常運轉的情況下，對故障設備進行切除操作，因此其對電網(wǎng)系統(tǒng)正常運轉具有重大意義。

現(xiàn)階段，對變電站繼電保護分析裝置的研究取得了一定成果。文獻[3]提出了一種基于SOC(片上系統(tǒng))數(shù)據(jù)交互的智能變電站繼電保護裝置，利用ACP顯卡接口帶寬的特性，將ARM(微處理器)及存儲器中的數(shù)據(jù)進行交互處理，據(jù)此對變電站電能進行調(diào)度，該方法能夠有效控制智能調(diào)度變電站電力分配，但未考慮產(chǎn)生諧波電流的情況，電力系統(tǒng)易發(fā)生故障；文獻[4]提出了一種基于微電子采集技術的繼電保護裝置，利用微電機采集模塊采集電力系統(tǒng)各項數(shù)據(jù)并進行相關計算，據(jù)此優(yōu)化電力系統(tǒng)的電能分配方案，該方法能夠優(yōu)化電能分配方案，但未考慮變電站容量大小問題，易發(fā)生電力超調(diào)現(xiàn)象。針對上述方法存在的問題，本文設計了基于SVG(static var generator，無功補償)技術的智能變電站繼電保護分析裝置，并通過實驗驗證了該裝置的有效性。

1 基于SVG技術的智能變電站繼電保護分析裝置

基于SVG技術的智能變電站繼電保護分析裝置的構成包括站控單元、間隔單元、SVG單元、主變保護單元，下面分別對各個單元進行設計。

1.1 站控單元設計

站控單元的配置包括狀態(tài)監(jiān)測模塊、同步對時模塊、網(wǎng)絡分析記錄儀、遠動通信裝置、操作員兼主機站，其中，狀態(tài)監(jiān)測模塊負責進行智能告警的決策分析；同步對時模塊負責進行同步采樣；網(wǎng)絡分析記錄儀負責進行網(wǎng)絡故障的分析記錄；遠動通信裝置負責進行與主站的通信；操作員兼主機站負責進行程序化操作。站控單元的網(wǎng)絡采用 SNTP、GOOSE 與MMS相結合的方式進行設計，網(wǎng)絡結構是單星類型的以太網(wǎng)，網(wǎng)速可達100 Mbps。配置遠動單套主機、電口交換機以及中心交換機實現(xiàn)站控單元的網(wǎng)絡通訊。站控單元的具體設備配置見表1。

1.2 間隔單元設計

間隔單元主要用于SVG單元與站控單元之間的數(shù)據(jù)交互[5]。當站控單元發(fā)生故障無法下發(fā)指令時，間隔單元能夠對站控單元進行實時監(jiān)控。間隔單元還可以對其他單元進行非保護采樣并傳送跳閘數(shù)據(jù)信息[6]，其利用交換機進行數(shù)據(jù)信息的傳輸，交換機的具體配置需要根據(jù)設備室來劃分[7]。間隔單元的配置包括保護裝置與測控裝置等。保護裝置的具體設備配置見表2，測控裝置的具體設備配置見表3。

表1 站控單元設備配置

表2 保護裝置設備配置

表3 測控裝置設備配置

1.3 SVG單元設計

SVG單元是智能變電站繼電保護分析裝置的基礎單元，連接著智能變電站的傳感設備與電氣設備[8]。SVG單元能夠實現(xiàn)一次裝置的智能化與數(shù)字化，并且可以測控一次裝置，包括執(zhí)行監(jiān)控單元發(fā)出的指令、監(jiān)測二次系統(tǒng)電氣設備的運行狀況、實時對電氣量采樣等。SVG單元的智能變電站繼電保護功能是通過直接跳閘與直接采樣實現(xiàn)的，SVG單元與SVG單元之間跳閘信號與采樣信號的傳送則通過P2P的方式來實現(xiàn)[9]。通過SVG裝置，SVG單元可以實現(xiàn)諧波電流與沖擊電流的跟蹤補償，SVG單元的具體設備配置見表4。

表4 SVG單元設備配置

SVG單元的整體電路設計如圖1所示。

圖1 SVG單元的整體電路設計

1.4 主變保護單元設計

主變保護單元主要由主變保護裝置組成。主變保護裝置構成如下：每臺主變壓器均配置2套電量保護裝置，每套電量保護裝置中均包含完整的后備保護裝置與主備保護裝置，2套電量保護裝置可以構成一面保護柜。主變保護單元中共配置2臺主變保護裝置，每臺主變保護裝置分別配置1臺保護柜[10]。主變保護通過雙套電量保護裝置中后備、主備一體的主變保護裝置來實現(xiàn)，其中后備保護包括零序電流保護與過流保護；主備保護包括差流速斷保護與差動保護[11]。

主變保護裝置中，非電量保護裝置均采用單套配置，在自身終端設備上實現(xiàn)集成。非電量保護裝置通過電纜實現(xiàn)跳閘功能，利用自身智能終端實現(xiàn)信號向上傳輸[12]。非電量保護裝置可以實現(xiàn)啟動跳閘保護、繞組溫高信號保護、油溫高信號保護、壓力釋放器動作保護等功能，并且可以實現(xiàn)遙控、中性點刀閘遙信、有載檔位控制等功能。

變壓器則通過直接跳閘與直接采樣來實現(xiàn)主變保護單元的電量保護，通過SNTP、GOOSE 與MMS相結合的網(wǎng)絡實現(xiàn)信號傳輸[13]。根據(jù)變壓器故障的重要性、故障類型以及變壓器容量大小，主變保護單元還需要配置一些主變保護裝置，包括縱差保護裝置、電流速斷保護裝置、氣體保護裝置；需要配置的后備保護裝置包括過負荷保護裝置、零序電流保護裝置、電壓閉鎖復合過電流保護裝置、后備電力變壓器保護裝置[14]。

主變保護單元的參數(shù)整定包括差動保護與差流速斷保護，以差動保護為主保護。差動保護的整定需要躲避變壓器發(fā)出的激勵涌流，其具體計算公式如下：

Iact=1.3Irat-t

(1)

式中：Iact為變壓器發(fā)出的激勵涌流；Irct-t為變壓器發(fā)出的變壓涌流。

對式(1)進行參數(shù)代入可得：

(2)

還需要躲避外部故障導致的不平衡電流，其具體計算公式如下：

Itat=KrelIunb.max

(3)

式中：Itat為外部故障導致的不平衡電流；Krel為可靠系數(shù)；Iunb.max為變壓器故障外泄電流。

Krel取1.3，對式(3)進行參數(shù)代入可得：

Itat=KrelIunb.max=1.3×0.517 6=0.671 7(A)

(4)

通過躲避變壓器發(fā)出的激勵涌流與外部故障導致的不平衡電流，實現(xiàn)主變保護單元的參數(shù)整定[15]。

由站控單元、間隔單元、SVG單元、主變保護單元共同構成的基于SVG技術的智能變電站繼電保護分析裝置的具體構造如圖2所示。

圖2 智能變電站繼電保護分析裝置具體構造

2 實驗研究

為驗證本文設計的基于SVG技術的智能變電站繼電保護分析裝置的性能，設計了對比實驗。

2.1 實驗過程

對智能變電站繼電保護分析裝置的實驗環(huán)境進行設置，包括變電站現(xiàn)場測試環(huán)境與實驗室測試環(huán)境，如圖3所示。

圖3 設置完成后的實驗環(huán)境

在圖3所示的實驗環(huán)境中驗證智能變電站繼電保護分析裝置的性能，測試電網(wǎng)負荷高峰期諧波產(chǎn)生情況，測試結果如圖4所示。

圖4 變電站諧波測試結果

由圖4可知，系統(tǒng)主要含5次諧波。當功率因數(shù)增大時，電網(wǎng)傳輸效率提高，同時也增加了電網(wǎng)的電壓負荷，高負載產(chǎn)生諧振，使系統(tǒng)的諧波放大，造成變電站供電穩(wěn)定性下降，電力系統(tǒng)容易發(fā)生故障。

2.2 實驗結果

將基于SVG技術的智能變電站繼電保護分析裝置安裝在西寧市某變電站中，并測試其電流波動情況，得到電流波形對比圖如圖5所示。

由圖5可知，安裝基于SVG技術的智能變電站繼電保護分析裝置后，變電站電網(wǎng)諧波電流過大的情況得到了明顯的遏制，系統(tǒng)的穩(wěn)定性明顯提升。安裝繼電保護裝置后變電站的諧波電流含量滿足安全標準要求，說明設計的裝置能夠有效降低電力系統(tǒng)故障率，減少短路現(xiàn)象的發(fā)生。

為了保證實驗的有效性，使用設計的基于SVG技術的智能變電站繼電保護分析裝置與文獻[3]、文獻[4]設計的繼電保護裝置進行對比實驗，測試24 h內(nèi)電網(wǎng)輸出功率，得到實驗結果如圖6所示。

圖5 系統(tǒng)電流波形對比圖

圖6 3種方法下的變電站輸出功率對比圖

根據(jù)圖6所示的實驗結果可知，采用文獻[3]及文獻[4]方法的變電站輸出功率波動幅度較大，說明其對電壓的調(diào)控能力較差，變電站電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性及安全性較差；而采用基于SVG技術的智能變電站繼電保護分析裝置的變電站輸出功率穩(wěn)定在1.5 MW左右，波動幅度不超過0.2 MW，說明采用該繼電保護分析裝置后，變電站輸出功率基本保持穩(wěn)定，電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性及安全性得到了顯著提升。

3 結束語

本文設計的基于SVG技術的智能變電站繼電保護分析裝置，主要通過對站控單元、間隔單元、SVG單元等設置，完成智能變電站繼電保護。實驗結果表明，本文設計的基于SVG技術的智能變電站繼電保護分析裝置，可有效抑制變電站電網(wǎng)諧波電流過大，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性，降低了電力系統(tǒng)故障率，對于智能變電站的建設具有重要意義。