智能變電站中繼電保護(hù)穩(wěn)定控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

李子武

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引 言

智能變電站傳統(tǒng)繼電保護(hù)存在保護(hù)對(duì)象單一、缺乏數(shù)據(jù)溝通和傳遞、信息共享性差等問(wèn)題，在智能變電站運(yùn)行管理過(guò)程中極易出現(xiàn)信息丟失導(dǎo)致變電站誤動(dòng)或拒動(dòng)等事件，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。通過(guò)對(duì)智能變電站繼電保護(hù)穩(wěn)定控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)智能變電站冗余后備保護(hù)、母線和變壓器主后備保護(hù)、主變過(guò)載聯(lián)切以及斷路器跳閘失靈保護(hù)等，對(duì)提高智能變電站智能化管理水平和智能電網(wǎng)運(yùn)行效率具有重要意義。

1 智能變電站中繼電保護(hù)穩(wěn)定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 繼電保護(hù)穩(wěn)定控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于智能變電站線路保護(hù)需求和繼電保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用需求，穩(wěn)定控制系統(tǒng)框架主要包括3部分，分別是多任務(wù)操作系統(tǒng)、硬件驅(qū)動(dòng)程序以及應(yīng)用軟件，如圖1所示。

圖1 穩(wěn)定控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

繼電保護(hù)穩(wěn)定控制系統(tǒng)硬件驅(qū)動(dòng)程序主要封裝在操作系統(tǒng)中，可以為高級(jí)驅(qū)動(dòng)程序提供功能包、硬件寄存器和外部存儲(chǔ)訪問(wèn)、時(shí)鐘和其他外部設(shè)備控制等功能[1]。多任務(wù)操作系統(tǒng)包括維護(hù)程序、多任務(wù)內(nèi)核、傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）以及存儲(chǔ)訪問(wèn)等，集成了程序終端存儲(chǔ)調(diào)度和資源管理等功能。應(yīng)用軟件主要用于實(shí)現(xiàn)線路保護(hù)、過(guò)負(fù)荷聯(lián)切、變壓器保護(hù)、母線保護(hù)、全站后備保護(hù)以及備自投等設(shè)備的保護(hù)功能配置、信息監(jiān)測(cè)及操作控制。

1.2 繼電保護(hù)穩(wěn)定控制系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

穩(wěn)定控制系統(tǒng)功能模塊包括數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、相量計(jì)算模塊以及差動(dòng)保護(hù)模塊等。

1.2.1 數(shù)據(jù)收發(fā)模塊

數(shù)據(jù)收發(fā)模塊包括面向通用對(duì)象的變電站事件（Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE）收發(fā)模塊和采樣測(cè)量值（Sampled Value，SV）收發(fā)模塊2種。GOOSE收發(fā)模塊主要采集智能電網(wǎng)中的斷路器狀態(tài)信息，將智能電網(wǎng)聯(lián)鎖命令和保護(hù)跳閘命令發(fā)送至GOOSE網(wǎng)絡(luò)，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)開(kāi)關(guān)和斷路器自動(dòng)投切[2]。SV收發(fā)模塊主要用于采集智能電網(wǎng)電流和電壓瞬時(shí)值，為采集數(shù)據(jù)設(shè)置相應(yīng)的時(shí)間標(biāo)簽，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的處理、分析及管理。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊主要對(duì)穩(wěn)定控制系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。智能變電站傳輸?shù)脑O(shè)備信息量大，而穩(wěn)定控制系統(tǒng)CUP芯片計(jì)算能力有限，因此采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（Filed Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）集中處理采樣數(shù)據(jù)，以此來(lái)解決CPU被占用的問(wèn)題。此外，為了進(jìn)一步提高穩(wěn)定控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理效率，需要對(duì)穩(wěn)定控制系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，如波形系數(shù)、突變量等。

1.2.3 相量計(jì)算模塊

相量計(jì)算模塊主要負(fù)責(zé)處理FPGA采樣數(shù)據(jù)和繼電保護(hù)故障判斷邏輯計(jì)算等，采用滑動(dòng)離散方法計(jì)算相量。根據(jù)采樣點(diǎn)數(shù)量先計(jì)算一級(jí)相量值，并將其進(jìn)行乘方加和。二級(jí)相量是計(jì)算2個(gè)累計(jì)級(jí)數(shù)和之間取差值，進(jìn)而獲取時(shí)間差級(jí)數(shù)和，并以此為基礎(chǔ)計(jì)算相量實(shí)部數(shù)據(jù)、虛部數(shù)值以及幅值[3]。

1.2.4 差動(dòng)保護(hù)模塊

差動(dòng)保護(hù)模塊是穩(wěn)定控制系統(tǒng)的核心模塊，包括變壓器差動(dòng)保護(hù)、母線差動(dòng)保護(hù)、線路差動(dòng)保護(hù)，任何一種差動(dòng)保護(hù)都包括故障選相定位、相量差動(dòng)、延時(shí)模塊、差動(dòng)區(qū)狀態(tài)以及故障起動(dòng)5個(gè)部分。差動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)置程序避免智能電網(wǎng)誤動(dòng)作，根據(jù)差動(dòng)電流突變量、穩(wěn)態(tài)差動(dòng)變化量等進(jìn)行故障定位[4]。

1.3 繼電保護(hù)穩(wěn)定控制系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

1.3.1 通信網(wǎng)絡(luò)接入方案

智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒ㄐ切?、閉環(huán)型以及線型，3種通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的時(shí)間同步會(huì)影響繼電保護(hù)動(dòng)作結(jié)果。

（1）線型結(jié)構(gòu)通信方式時(shí)間同步配置。當(dāng)智能變電站過(guò)程網(wǎng)絡(luò)為線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定控制系統(tǒng)為閉環(huán)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時(shí)，穩(wěn)定控制過(guò)程網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)均采用線型結(jié)構(gòu)和透明時(shí)鐘，此時(shí)系統(tǒng)上下級(jí)聯(lián)通會(huì)產(chǎn)生時(shí)間差，可以進(jìn)一步減少網(wǎng)絡(luò)流量擁堵情況[5]。

（2）閉環(huán)型結(jié)構(gòu)通信方式時(shí)間同步配置。當(dāng)智能變電站過(guò)程網(wǎng)絡(luò)為星型結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定控制系統(tǒng)為閉環(huán)通信結(jié)構(gòu)時(shí)，穩(wěn)定控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)通信質(zhì)量從交換機(jī)中選取最佳主時(shí)鐘，然后在通信線路上設(shè)置干擾同步報(bào)文命令，以此達(dá)到隔斷環(huán)路的目的。穩(wěn)定控制終端時(shí)鐘系統(tǒng)為邊界時(shí)鐘，閉環(huán)結(jié)構(gòu)通信系統(tǒng)采用透明時(shí)鐘，設(shè)置2種不同類(lèi)型時(shí)鐘的目的是減少時(shí)間抖動(dòng)所產(chǎn)生的時(shí)間差。

（3）星型結(jié)構(gòu)通信方式時(shí)間同步配置。當(dāng)智能變電站過(guò)程網(wǎng)絡(luò)和穩(wěn)定控制系統(tǒng)均為星型結(jié)構(gòu)時(shí)，穩(wěn)定控制系統(tǒng)采用原子時(shí)鐘和衛(wèi)星時(shí)鐘，分別將其接入邊界時(shí)鐘上，如果任意時(shí)鐘模塊出現(xiàn)故障，另外一個(gè)時(shí)鐘仍然可以正常運(yùn)行[6]。在星型通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，穩(wěn)定控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和過(guò)程網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)采用不同的時(shí)鐘系統(tǒng)，前者采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)時(shí)鐘，后者采用透明時(shí)鐘，可以進(jìn)一步降低穩(wěn)定控制系統(tǒng)信息時(shí)延和擁堵造成的累積誤差。

以上3種通信網(wǎng)絡(luò)接入方式中，星型結(jié)構(gòu)具有便于網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和檢修難度低、整體可靠性高、網(wǎng)絡(luò)故障率低、網(wǎng)絡(luò)傳輸速度快以及延時(shí)低等優(yōu)勢(shì)，因此本文主要采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)傳輸報(bào)文。

1.3.2 最終通信網(wǎng)絡(luò)方案

本系統(tǒng)采用光纖點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的SV網(wǎng)絡(luò)+總線方式的GOOSE星型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)+站控層通信網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示。

圖2 繼電保護(hù)穩(wěn)定控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

（1）采樣值上傳。過(guò)程層線路保護(hù)、主變保護(hù)以及母線保護(hù)監(jiān)測(cè)設(shè)備采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式，間隔層合并單元與設(shè)備采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接方式，通過(guò)間隔層合并單元向其他設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)。該采樣值傳輸通信方式簡(jiǎn)單明了，在不使用信息交換機(jī)的情況下仍然可以實(shí)現(xiàn)快速通信，避免了數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中出現(xiàn)采樣值沖突等問(wèn)題，進(jìn)一步提高了繼電保護(hù)穩(wěn)定控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院头€(wěn)定性。

（2）開(kāi)關(guān)量上傳。繼電保護(hù)穩(wěn)定控制系統(tǒng)跳閘保護(hù)指令采用光纖傳輸方式，可靠性較高，可以避免信息丟失。

（3）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。繼電保護(hù)穩(wěn)定控制系統(tǒng)站控層和GOOSE報(bào)文以星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為主，過(guò)程層數(shù)據(jù)傳輸以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)形式為主。

2 智能變電站中繼電保護(hù)穩(wěn)定控制系統(tǒng)實(shí)際工程應(yīng)用

2.1 工程概況

某智能變電站所處位置的海拔為1 780 m，該變電站安裝有2臺(tái)油浸風(fēng)冷變壓器，變壓器低壓側(cè)為10 kV、中壓側(cè)為35 kV、高壓側(cè)為110 kV。智能變電站進(jìn)線分別為山水線和煙廠線，2條進(jìn)線均為110 kV，接線方式為內(nèi)橋接線。35 kV出線共4條，采用分段接線方式。10 kV出線共10條，采用分段接線方式。

繼電保護(hù)穩(wěn)定控制系統(tǒng)可以利用站內(nèi)多信息融合共享特性，實(shí)現(xiàn)變壓器主后備保護(hù)、主變過(guò)載聯(lián)切、斷路器跳閘保護(hù)、母線保護(hù)以及其他后備保護(hù)等，及時(shí)發(fā)出報(bào)警并執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作將故障切除，以此來(lái)保證整個(gè)智能變電站運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。

2.2 1#主變差動(dòng)速斷保護(hù)測(cè)試

以1#主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作為例，對(duì)繼電保護(hù)穩(wěn)定控制系統(tǒng)進(jìn)行功能測(cè)試，以驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性。將智能變電站中運(yùn)行的電氣設(shè)備接入繼電保護(hù)穩(wěn)定控制系統(tǒng)，采集主變的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)繼電保護(hù)穩(wěn)定控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)測(cè)調(diào)試，檢測(cè)穩(wěn)定控制系統(tǒng)保護(hù)邏輯、采樣精度以及各單元端子是否連接正確。此外，檢查穩(wěn)定控制指令和信號(hào)執(zhí)行正確性，該階段穩(wěn)定控制系統(tǒng)的調(diào)試需要在智能組件中加入間隔斷路器、傳輸通道、過(guò)程層設(shè)備儀器等輔助設(shè)備，實(shí)際運(yùn)行設(shè)備不能直接調(diào)試。

2.2.1 主變差動(dòng)速斷保護(hù)制動(dòng)特性

對(duì)于主變差動(dòng)速斷保護(hù)制動(dòng)，測(cè)試要求主變差動(dòng)定值誤差為[-5%,+5%]。穩(wěn)定控制系統(tǒng)1#主變差動(dòng)速斷保護(hù)的制動(dòng)測(cè)試結(jié)果如表1所示，其中In表示動(dòng)作電流。

表1 穩(wěn)定控制系統(tǒng)1#主變差動(dòng)速斷保護(hù)的制動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)

從表1可以看出，當(dāng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)差動(dòng)電流為0.3In時(shí)，制動(dòng)電流理論值與實(shí)際值的誤差為-3.04%；差動(dòng)電流為1.6In時(shí)，制動(dòng)電流理論值與實(shí)際值的誤差為-0.5%；差動(dòng)電流為6.0In時(shí)，制動(dòng)電流理論值與實(shí)際值誤差為0.32%。由此可見(jiàn)，穩(wěn)定控制系統(tǒng)的差動(dòng)電流越大，制動(dòng)電流理論值與實(shí)際值之間的誤差越小，穩(wěn)定控制系統(tǒng)的檢測(cè)精度越高。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，制動(dòng)電流理論值與實(shí)際值誤差滿足[-5%,+5%]的要求[7]。

2.2.2 主變差動(dòng)速斷保護(hù)動(dòng)作時(shí)間

對(duì)于主變差動(dòng)速斷保護(hù)動(dòng)作時(shí)間，測(cè)試要求為差動(dòng)電流低于2In時(shí)，動(dòng)作時(shí)間小于0.03 s。穩(wěn)定控制系統(tǒng)1#主變差動(dòng)保護(hù)測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 穩(wěn)定控制系統(tǒng)1#主變差動(dòng)保護(hù)測(cè)試結(jié)果

從表2可以看出，穩(wěn)定控制系統(tǒng)理論動(dòng)作時(shí)間與實(shí)際動(dòng)作時(shí)間誤差較小。在不同差動(dòng)電流和制動(dòng)電流下，理論動(dòng)作時(shí)間與實(shí)際動(dòng)作最大誤差為0.028 s，最小誤差為0.012 s，滿足2In下動(dòng)作時(shí)間小于0.03 s的測(cè)試要求。

2.2.3 二次諧波制動(dòng)

對(duì)于二次諧波制動(dòng)，測(cè)試要求二次諧波制動(dòng)系數(shù)誤差為[-2.5%,+2.5%]。穩(wěn)定控制系統(tǒng)1#二次諧波制動(dòng)測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 穩(wěn)定控制系統(tǒng)1#二次諧波制動(dòng)測(cè)試結(jié)果

從表3可以看出，穩(wěn)定控制系統(tǒng)制定系數(shù)整定值與諧波制動(dòng)動(dòng)作值最大誤差為0.59%，最小誤差為0.04%，穩(wěn)定控制系統(tǒng)二次諧波制動(dòng)測(cè)試結(jié)果滿足誤差為[-2.5%,+2.5%]的要求[8]。

2.3 工程應(yīng)用效果分析

繼電保護(hù)穩(wěn)定控制系統(tǒng)的運(yùn)行情況滿足預(yù)期目標(biāo)要求，實(shí)現(xiàn)了智能變電站保護(hù)功能要求。同時(shí)，穩(wěn)定控制系統(tǒng)還具備低頻低壓減載、站內(nèi)備投等自動(dòng)化控制功能，在提高變電站繼電保護(hù)水平的同時(shí)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)跳閘模式和光纖傳輸通道進(jìn)一步減少了系統(tǒng)連接電纜和系統(tǒng)維護(hù)工作量，降低了變電站系統(tǒng)維護(hù)成本。穩(wěn)定控制系統(tǒng)具備保護(hù)定值和投退保護(hù)自動(dòng)切換功能，實(shí)現(xiàn)了變電站保護(hù)裝置的運(yùn)程管理。此外，穩(wěn)定控制系統(tǒng)在運(yùn)行期間并未出現(xiàn)繼電保護(hù)拒動(dòng)和誤動(dòng)等情況，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

3 結(jié) 論

簡(jiǎn)要闡述了智能變電站繼電保護(hù)穩(wěn)定控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，以某智能變電站為例，分析了穩(wěn)定控制系統(tǒng)在實(shí)際工程中的應(yīng)用。在變電站復(fù)雜的環(huán)境下，穩(wěn)定控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好，可以做到不誤動(dòng)、不拒動(dòng)且正確分析故障，能夠保證電網(wǎng)系統(tǒng)的安全、高效運(yùn)行，滿足預(yù)期目標(biāo)，可以在實(shí)際工程中廣泛應(yīng)用。