智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析

李文亮

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211111）

在智能變電站系統(tǒng)中，會運用光纖材料作為信號和數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕橘|(zhì)。使用一些集成化較高、損耗較低的電子元件和設(shè)備，可以有效降低能源消耗，提高資源利用率，減少對周圍環(huán)境影響，并實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保效益。變電站實際運行狀況對整個電網(wǎng)系統(tǒng)有較大影響，所以要加強對其的維護(hù)和檢修，對其繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性及影響因素應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)地分析和研究，從而制定對應(yīng)的運行和維護(hù)方案，以提高系統(tǒng)運行質(zhì)量和安全。但必須先了解繼電保護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和其運行特點及規(guī)律，然后采用科學(xué)的方案進(jìn)行檢測。

1 智能變電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

主要包括三個方面的內(nèi)容：間隔層、過程層和站控層。過程層是對系統(tǒng)運行電氣量的采樣和信息收集，對各個設(shè)備運行的實際狀況進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測，同時執(zhí)行命令。間隔層包括保護(hù)、監(jiān)測和自動化裝置等，對過程層各間隔的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、計算和分析，并下達(dá)指令，起著承上啟下的作用。站控層主要是有關(guān)主機、通信分析和操作等，并依據(jù)傳遞的不同信息進(jìn)行數(shù)據(jù)的及時更新，然后將信息傳送給主控室和調(diào)度系統(tǒng)，能夠?qū)φ緝?nèi)的詳細(xì)情況進(jìn)行監(jiān)測，還可以實現(xiàn)人機聯(lián)系等功能［1］。智能變電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 智能變電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 對繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性研究的重要意義

系統(tǒng)的可靠性是指在特定時間和運行環(huán)境下，有關(guān)繼電保護(hù)裝置不出現(xiàn)故障和問題，能夠正常完成相應(yīng)的工作。對于智能變電站系統(tǒng)來說，當(dāng)保護(hù)裝置出現(xiàn)問題時，就會影響系統(tǒng)運行的安全和質(zhì)量。本文主要是運用信息化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對變電站相關(guān)設(shè)備進(jìn)行有效地控制和調(diào)節(jié)，以此來保證系統(tǒng)運行的可靠性和穩(wěn)定性，從而減少對設(shè)備的影響，進(jìn)而滿足用電需求［2］。

3 變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的組成

3.1 交換機

該設(shè)備是通信網(wǎng)路系統(tǒng)的重要設(shè)備，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時，為了保證傳遞的及時性和準(zhǔn)確性，應(yīng)圍繞交換機建立一個對應(yīng)的較強網(wǎng)路系統(tǒng)，其與傳統(tǒng)的信息傳遞不同，以前的保護(hù)系統(tǒng)都是圍繞電纜接線而建的，而在新的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，應(yīng)加強對交換機的維護(hù)及地址網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建。通過局域網(wǎng)可將信息進(jìn)行及時準(zhǔn)確傳遞，從而保證設(shè)備運行效率。

3.2 合并單元

它主要是利用電子互感設(shè)備將輸出的電流和電壓信號合并，進(jìn)行采樣信息和數(shù)據(jù)傳送，并且和互感設(shè)備接口相連接，保證互感傳遞的質(zhì)量，主要有間隔和母線合并單元兩種。這種處理方法，可以有效簡化系統(tǒng)運行，提高工作效率，還能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。此外，通過信息和數(shù)據(jù)的合并，實現(xiàn)了以特殊的格式傳送給保護(hù)裝置，并且運用信息收集過程實現(xiàn)了傳遞［3］。

3.3 電子互感設(shè)備

主要是和傳輸系統(tǒng)以及二次轉(zhuǎn)換設(shè)備之間相連接的單個或者多個電流、電壓傳感器。將檢測和收集到的數(shù)據(jù)傳遞給繼電保護(hù)裝置，依據(jù)能否向傳感頭提供對應(yīng)電源，可以將其分為無源型和有源型兩種，后者的重量和體積都較小，因而可以減少占用體積。

3.4 同步時鐘

在智能變電站系統(tǒng)中進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)的傳遞，需要同步時鐘裝置來保證運行的時效和準(zhǔn)確性。比如在系統(tǒng)的運行中，對于不同事件的記錄順序、故障和數(shù)據(jù)分析，可以利用時鐘的設(shè)定來進(jìn)行操作、判斷和控制。此外，還能夠?qū)﹄娋W(wǎng)暫態(tài)過程中的保護(hù)裝置、電流電壓圖形及斷路器等發(fā)生問題時的時間順序進(jìn)行有效排列，從而為故障檢測和維修提供科學(xué)的依據(jù)［4］。

3.5 智能化終端

它屬于嵌入式的計算機系統(tǒng)設(shè)備，主要分為硬件和軟件兩個部分。對開關(guān)量和信息的收集以及斷路器的控制，智能終端隨斷路器發(fā)展而發(fā)展。在以往的工作中，對于斷路器的檢測和維修，主要是通過預(yù)防性試驗和定期維護(hù)和檢修方式來進(jìn)行，而智能終端就可以利用斷路器內(nèi)部各個零件的運行溫度、狀態(tài)等進(jìn)行全面地檢測，并且結(jié)合收集到的數(shù)據(jù)分析，來判斷具體的運行情況。在智能變電站系統(tǒng)中，利用該設(shè)備來接受保護(hù)裝置傳送的跳閘和關(guān)閉命令，對斷路器進(jìn)行科學(xué)控制，還可將收集到的信息傳遞給總的控制中心，以便及時地了解斷路器的實際運行狀況。

4 智能保護(hù)系統(tǒng)的運行特點

4.1 信息運用

在智能變電站系統(tǒng)中，會利用智能化技術(shù)來收集全方位的信息和數(shù)據(jù)，并且結(jié)合系統(tǒng)裝置和設(shè)備運行，來實現(xiàn)新的有效傳遞和共享，并且利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究，獲得準(zhǔn)確的判斷依據(jù)，并對系統(tǒng)中的二次回路接線進(jìn)行優(yōu)化，從而提高系統(tǒng)運行的可靠性。

4.2 數(shù)據(jù)收集

主要是利用電子互感器和光學(xué)設(shè)備對系統(tǒng)運行中的電流和電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，在完成后及時地將數(shù)據(jù)傳送給合并單元進(jìn)行統(tǒng)一處理，并結(jié)合通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)系統(tǒng)電氣隔離，從而達(dá)到保護(hù)的目的。將計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，可以提高系統(tǒng)運行的安全性和工作效率［5］。

5 提高智能變電系統(tǒng)可靠性的方法

5.1 繼電保護(hù)可靠性評價依據(jù)

可靠性的依據(jù)主要包含三個方面的內(nèi)容：可靠程度、實用性、平均失效時間。可靠度是在一定的時間和環(huán)境下，運行可達(dá)到的程度。實用性是在出現(xiàn)系統(tǒng)故障和問題時，其自身的修復(fù)功能等。平均失效時間是穩(wěn)定系統(tǒng)再次發(fā)生故障的時間?？梢罁?jù)這幾個內(nèi)容來判斷繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性［6］。

5.2 具體的應(yīng)對方法

5.2.1 繼電保護(hù)結(jié)構(gòu)形式

（1）直采直跳

主要對于單間隔設(shè)置，在保護(hù)裝置和智能終端中使用點對點的光纖，進(jìn)行設(shè)備信息收集，進(jìn)行直接跳閘。主要運用于對監(jiān)測和控制信號、數(shù)據(jù)以及具體位置等實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享，其運行的特點表現(xiàn)為連接較為可靠，且穩(wěn)定性好，但是光纖數(shù)量較多，因連接多而不適合二次擴展。

（2）網(wǎng)采直跳

主要適合單元內(nèi)部相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)過光纖傳遞給交換機，再利用網(wǎng)絡(luò)劃分與交換機連接，然后將其輸出到對應(yīng)的保護(hù)裝置中。網(wǎng)采直跳示意圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)采直跳示意圖

（3）網(wǎng)采網(wǎng)跳

主要是保護(hù)系統(tǒng)中相關(guān)信息和數(shù)據(jù)的收集，跳閘都是利用網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。運用組網(wǎng)方式進(jìn)行，不但有著很好的擴展性能，而且可以節(jié)約成本，減少接口，但是需要和同步時鐘進(jìn)行綜合運用。交換機網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定對于信息采樣和跳閘控制有較大影響。

（4）直采網(wǎng)跳

運用點對點的方式進(jìn)行保護(hù)，可以保證收集信息的準(zhǔn)確和可靠性，節(jié)省開支，但是擴展性不好。

5.2.2 可靠性分析研究

（1）保護(hù)實施方案

220kV的保護(hù)裝置中，采用的是雙重話配置方案，合并單元和保護(hù)系統(tǒng)運用的都是直采方式，而智能終端保護(hù)采用的是直跳方法，在跨間隔信息采樣和收集中，通過網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。如圖3所示為主變保護(hù)和智能終端系統(tǒng)框圖。

圖3 主變保護(hù)和智能終端系統(tǒng)框圖

（2）提升系統(tǒng)可靠性研究

①系統(tǒng)冗余設(shè)計

主要從兩個方面進(jìn)行設(shè)計和研究。一是運用交換機太網(wǎng)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行連接，來進(jìn)行實時的動態(tài)監(jiān)測，以便及時地了解變電站運行的情況。二是根據(jù)整體系統(tǒng)的總線、環(huán)形以及星型結(jié)構(gòu)特點，進(jìn)行科學(xué)利用。對于總線來說接線可以相對減少，但是長度要求較高，在環(huán)路上的任意點都有一定的冗余，但是對系統(tǒng)的重構(gòu)有較大影響。星型結(jié)構(gòu)的可靠性不強，應(yīng)結(jié)合變電站系統(tǒng)的具體情況進(jìn)行冗余的合理優(yōu)化。

②線路保護(hù)

線路對于電力系統(tǒng)中不同電壓間隔可以進(jìn)行有效地控制，為了保證線路運行安全和穩(wěn)定，必須安裝保護(hù)裝置，可以采用背后和集中方法進(jìn)行，要結(jié)合實際情況來決定，但要注意的是要確保裝置安裝后能夠滿足監(jiān)測和通信等功能。具體的是運用點對點的方式進(jìn)行，將保護(hù)裝置放在對應(yīng)線路上，獲得對應(yīng)的電流和電壓，可以用來檢查母線合并單元的繼電保護(hù)。

③變壓器保護(hù)

變壓器對于系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行質(zhì)量有很大影響，尤其是具體的電壓參數(shù)要和電網(wǎng)系統(tǒng)一致，才能保證系統(tǒng)的正常運行。但是在高負(fù)荷的運行下，會導(dǎo)致設(shè)備的快速損耗，因而可以在變壓器突出部位安裝保護(hù)系統(tǒng)，可以采用分布配置方法進(jìn)行，加強對變壓器后備保護(hù)，使得電纜和斷路器進(jìn)行有效連接，從而實現(xiàn)繼電保護(hù)［8］。

④電壓延時過電保護(hù)

主要是在遇到一些特殊情況時，比如雷電的影響會導(dǎo)致電流和電壓快速變化，造成超負(fù)荷和短路問題。尤其是在變電站運行出現(xiàn)故障時，會影響保護(hù)裝置的運行效率和質(zhì)量。針對這種情況，可以采用電壓限定措施控制日常用電，并在系統(tǒng)線路電流量超過一定標(biāo)準(zhǔn)時自動啟用保護(hù)裝置并發(fā)出預(yù)警提示。

（3）可靠性分析

①評價參數(shù)選擇

根據(jù)保護(hù)系統(tǒng)可靠性原理分析可知，對一些元件故障信息進(jìn)行分析和研究，是開展評價的基礎(chǔ)條件。在整體的電網(wǎng)中，一次和二次設(shè)備的檢修和維護(hù)有著明確的規(guī)定和要求。其中可以修復(fù)的元件，可以將穩(wěn)定狀況下的檢修數(shù)據(jù)作為常數(shù)，并且結(jié)合長時間的數(shù)據(jù)和信息收集進(jìn)行統(tǒng)一分析和研究，可以對智變電站系統(tǒng)中的組成部分，比如合并單元、交換機和終端設(shè)備等，具體故障和運行參數(shù)進(jìn)行科學(xué)選擇。同時對穩(wěn)定狀態(tài)下運行數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和記錄［7］。

②框圖法

對于繼電保護(hù)系統(tǒng)中元件較少的情況，可以采用該方法進(jìn)行計算，結(jié)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)繪制對應(yīng)的框圖，來展示元件和系統(tǒng)運行狀態(tài)的關(guān)系，再運用對應(yīng)的公式計算得出準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。比如在多個獨立分布的元件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，可以認(rèn)定為每個維修和監(jiān)測點都有其獨立性。當(dāng)兩個不同的元件進(jìn)行并聯(lián)運行時，其中一個出現(xiàn)問題，就會影響到另一個。而將兩個元件設(shè)置為拒動狀態(tài)時，可以根據(jù)它們各自運行的實際情況，進(jìn)行信息和數(shù)據(jù)的收集，再進(jìn)行分析和研究。然后根據(jù)結(jié)果進(jìn)行確定，和以往的變電站系統(tǒng)相比，新的系統(tǒng)中增加了一些設(shè)備，運行的可靠性有所降低。直采直跳模式下的系統(tǒng)運行，線路保護(hù)較好，而且連接和操作較簡單，在共網(wǎng)運行下，對系統(tǒng)的影響相對較小。

6 結(jié)論

綜上所述，在智能變電站系統(tǒng)中，對于繼電保護(hù)裝置，要根據(jù)系統(tǒng)的主要構(gòu)成和具體形式，結(jié)合實際運行情況，進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，從而提高系統(tǒng)運行效率和質(zhì)量，并有效實現(xiàn)節(jié)能降耗、增加運行效益。