基于貝瑞隆模型的智能化變電站線路保護系統(tǒng)

康丹

（兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦，山東濟寧 272100）

在智能電網(wǎng)高速發(fā)展的背景下，智能化變電站成為其高速發(fā)展的產(chǎn)物，智能化變電站中的傳感器數(shù)據(jù)在線路保護系統(tǒng)的處理下，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息的全站共享，有效保證了電網(wǎng)的正常運行。但在電網(wǎng)運行過程中，電網(wǎng)中的輸電線路保護裝置由于老化、檢修不及時等原因可能導致智能化變電站線路出現(xiàn)故障，使輸送容量與電能負荷不斷增加，因此需要設計線路保護系統(tǒng)，加強對智能化變電站線路的保護，實現(xiàn)自動保護[1]。

為實現(xiàn)這一目標，專家學者展開了相關(guān)的研究。有學者設計了基于威布爾分布函數(shù)的智能化變電站線路保護系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用威布爾函數(shù)對變電站線路的異常情況進行分析和診斷，又從風險傳遞方面對環(huán)境、電網(wǎng)系統(tǒng)、線路故障頻率等因素進行了分析和研究，通過建立線路保護模型實現(xiàn)對智能化變電站線路的保護。但是，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單，導致運行可靠性較差[2]。還有學者設計了基于Markov模型的智能化變電站線路保護系統(tǒng)，該系統(tǒng)設計了相應的硬件與軟件，實現(xiàn)了對故障線路數(shù)據(jù)的采集和處理，但該系統(tǒng)沒有對變電站線路的狀態(tài)進行及時的監(jiān)控，導致該系統(tǒng)不能準確監(jiān)測到智能化變電站線路中出現(xiàn)的故障[3]。

為了解決以上問題，文中設計了基于貝瑞隆模型的智能化變電站線路保護系統(tǒng)，設計了該系統(tǒng)的硬件與軟件環(huán)境，并通過實驗驗證了該系統(tǒng)的性能。

1 硬件設計

硬件通過電源模塊傳輸電源來控制整個系統(tǒng)的運行，利用采集模塊對信號進行采集，實現(xiàn)信息處理，完成數(shù)據(jù)控制。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 電源模塊設計

電源模塊可以為智能化變電站線路保護系統(tǒng)提供120 V 的電壓，根據(jù)系統(tǒng)中設備對電壓的需求，文中設計的電源模塊采用變壓器將120 V 電壓轉(zhuǎn)換成其他設備需要的工作電壓，來保證設計的智能化變電站保護系統(tǒng)可以正常、穩(wěn)定運行。電源模塊提供的電流為6 A，為了滿足系統(tǒng)中其他設備的工作需要，電源模塊中采用電壓互感器、電流互感器來進行轉(zhuǎn)換[4-5]。電源電路圖如圖2 所示。

圖2 電源電路圖

1.2 采集模塊設計

采集模塊主要負責采集智能化變電站線路中的電壓、電流等故障數(shù)據(jù)。采集模塊的核心設備為采集器，該款采集器為三星公司生產(chǎn)的SD8374 型采集器。其功耗較低、采集性能較好，采樣頻率最高可達200 kHz。當變電站線路中的電壓與電流流入模擬多路開關(guān)后，模擬多路開關(guān)將電壓、電流信號傳輸?shù)紸/D 轉(zhuǎn)換器內(nèi)，A/D 轉(zhuǎn)換器對其進行模數(shù)轉(zhuǎn)換后將信號傳輸?shù)讲杉K，采集模塊結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 采集模塊結(jié)構(gòu)

由采集模塊的核心設備采集器對變電站線路數(shù)據(jù)進行采集，采集模塊中的模擬多路開關(guān)為TI 公司的單8 通道開關(guān)。A/D 轉(zhuǎn)換器具有CMOS 結(jié)構(gòu)，為32位轉(zhuǎn)換器，另外，采集模塊內(nèi)部設有16 位的采樣保持器，可以對采集的線路數(shù)據(jù)信號實現(xiàn)采樣、保持，在采集模塊的外部設有串行接口與并行通信接口，以方便變電站線路數(shù)據(jù)的傳輸[6]。

1.3 處理模塊設計

處理模塊主要負責處理智能化變電站線路中的數(shù)據(jù)，其核心設備為微處理器，該款微處理器為TD 公司生產(chǎn)的TI8362 型微處理器，其數(shù)據(jù)處理速度較快，外部晶振為40 MHz，指令周期為50 ms，數(shù)據(jù)處理速率最高可達250 kbit/s。在微處理器的內(nèi)部設有數(shù)據(jù)RAM，可臨時存儲20 kB 的智能化變電站線路數(shù)據(jù)，RAM 為32位。采集模塊中的采集器采集完變電站線路數(shù)據(jù)后，經(jīng)由模擬多路開關(guān)與A/D 轉(zhuǎn)換器傳輸至處理模塊內(nèi)，在傳輸過程中會產(chǎn)生8 個同步脈沖，經(jīng)過高低電平的轉(zhuǎn)換后傳輸至微處理器中，微處理器對智能化變電站線路數(shù)據(jù)的處理，可以提高變電站數(shù)據(jù)的可靠性[7-9]。處理模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 處理模塊結(jié)構(gòu)圖

1.4 控制模塊設計

設計的系統(tǒng)控制模塊主要負責對處理完的變電站線路數(shù)據(jù)進行控制?？刂颇K的核心設備為主控制器，其是由三星公司生產(chǎn)的SGM834H 型控制器，該款控制器為16 位，在線路保護系統(tǒng)中采用嵌入式的方式來安裝，在控制器的內(nèi)部設有定時器與時鐘，定時器與時鐘共同參與控制芯片的工作[10-12]?？刂颇K結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 控制模塊結(jié)構(gòu)

控制器的外部設有多個I/O 端口，用來傳輸智能化變電站線路數(shù)據(jù)?？刂破鞯墓妮^低、控制性能較好，處理線路數(shù)據(jù)的標準速度為1.0 MIPS/MHz，可緩存10 kB 的線路數(shù)據(jù)，該款控制器與其他普通控制器的不同之處在于，不但可以對變電站線路數(shù)據(jù)進行控制還可存儲線路數(shù)據(jù)?？刂破鹘邮站€路數(shù)據(jù)并對線路數(shù)據(jù)進行預處理，去除無效數(shù)據(jù)，留下有效數(shù)據(jù)，然后將有效數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖Ｗo系統(tǒng)中，以此完成智能化變電站線路數(shù)據(jù)的控制[13]。

2 軟件設計

系統(tǒng)軟件流程如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)軟件流程

首先，對智能化變電站線路進行分層保護。為了對智能化變電站線路進行有效的保護，需要將變電站線路與變壓器間隔開，并統(tǒng)一將它們安裝在保護層。開啟采集器采集變電站線路數(shù)據(jù)后，為了實現(xiàn)對智能化變電站母線的保護，將變電站母線設置在過程層，將智能化變電站中的交換機設置在間隔層，采用分體運輸?shù)哪Ｊ綄χ悄芑冸娬具M行裝配式設計，形成預制艙全智能化變電站。采用模塊化的設計思路對變電站進行母線改造，交換機中的線路可通過過程層與保護層實現(xiàn)交互[14-16]。

然后，對智能化變電站線路進行過流電限制。在對智能化變電站線路實現(xiàn)分層保護后，針對線路中的電流過載現(xiàn)象進行處理，變電站線路由于接地故障而導致電流超負荷，變電站中的變壓器出現(xiàn)跳閘現(xiàn)象，這是由于過載電流與其他電流的差距較大，因此為了保護變電站線路與變壓器，需要準確測量出流經(jīng)變電站線路電流的大小，一旦出現(xiàn)過載電流，需要及時對其進行限制。完成限制后，采用貝瑞隆模型對故障數(shù)據(jù)進行分析。

最后，進行就地化間隔保護。為了保證智能化變電站線路的穩(wěn)定性與可靠性，在智能化變電站中安裝繼電保護設備，安裝完成后鋪設一體化線路，這樣可以提升繼電保護設備對線路故障響應的靈敏性，降低變電站故障發(fā)生的概率。

3 實驗研究

為了驗證設計系統(tǒng)的實際工作性能，將基于Markov 模型的智能化變電站線路保護系統(tǒng)與所設計系統(tǒng)進行對比實驗。相關(guān)實驗參數(shù)設置如下：變電站中繼電保護設備的故障率為0.006 7，額定工作電壓為120 V，交換機的故障率為0.04。

首先針對所設計系統(tǒng)與基于Markov 模型的智能化變電站線路保護系統(tǒng)的可靠性進行實驗。在智能化變電站線路保護系統(tǒng)中，由于線路檢修時間過長或發(fā)生雷電等意外狀況時，導致智能化變電站輸電線路出現(xiàn)直采直跳、直采網(wǎng)跳、網(wǎng)采網(wǎng)跳跳閘現(xiàn)象。跳閘現(xiàn)象發(fā)生后，所設計系統(tǒng)與基于Markov 模型的智能化變電站線路保護系統(tǒng)對故障進行了響應與保護，在不同的故障模式下，兩種保護系統(tǒng)的可靠性對比結(jié)果如圖7-9 所示。

圖7 直采直跳模式下線路保護系統(tǒng)可靠性曲線

圖8 直采網(wǎng)跳模式下線路保護系統(tǒng)可靠性曲線

圖9 網(wǎng)采網(wǎng)跳模式下線路保護系統(tǒng)可靠性曲線

通過對實驗結(jié)果進行分析可知，當智能化變電站線路出現(xiàn)以上跳閘現(xiàn)象時，所設計系統(tǒng)與基于Markov模型的智能化變電站線路保護系統(tǒng)的可靠性均隨著時間的推移而逐漸下降，這符合智能化變電站線路保護系統(tǒng)的變化規(guī)律。并且由圖可知，在3 種跳閘現(xiàn)象變化曲線中，所設計系統(tǒng)的可靠性在任意一個時間點上均高于基于Markov 模型的智能化變電站線路保護系統(tǒng)，并且所設計系統(tǒng)的可靠性的下降趨勢與基于Markov 模型的智能化變電站線路保護系統(tǒng)相比較為緩慢，這是由于所設計系統(tǒng)的變電站線路進行了及時的檢修。并且所設計的線路保護系統(tǒng)的保護設備種類與數(shù)量較多，在跳閘現(xiàn)象發(fā)生時，所設計系統(tǒng)中的采集、處理、控制設備及時對智能化變電站線路數(shù)據(jù)進行了采集、處理、分析與控制，采用繼電器保護設備迅速對智能化變電站線路進行了保護。

接下來針對直采直跳、直采網(wǎng)跳、網(wǎng)采網(wǎng)跳模式下，所設計系統(tǒng)與基于Markov 模型的智能化變電站線路保護系統(tǒng)的故障響應時間進行對比實驗。兩種系統(tǒng)每種模式下的平均故障響應耗時對比結(jié)果如圖10 所示。

圖10 故障響應時間實驗結(jié)果

由實驗結(jié)果可知，當只發(fā)生直采直跳一種故障時，所設計系統(tǒng)對故障作出響應的耗時較短，而基于Markov 模型的智能化變電站線路保護系統(tǒng)對故障響應的時間長于所設計系統(tǒng)。當發(fā)生網(wǎng)采網(wǎng)跳故障時，所設計系統(tǒng)對故障響應的時間遠遠短于基于Markov 模型的智能化變電站線路保護系統(tǒng)。由此說明所設計系統(tǒng)的故障響應時間較短，可以在較短時間內(nèi)對故障作出響應，及時進行報警。

4 結(jié)束語

此次設計的基于貝瑞隆模型的智能化變電站線路保護系統(tǒng)優(yōu)于基于Markov 模型的智能化變電站線路保護系統(tǒng)，說明所設計系統(tǒng)的可靠性較高，可對智能化變電站的運行狀態(tài)進行感知、預警，并實現(xiàn)了繼電保護設備的智能檢測。