變電站繼電保護就地化整體解決方案研究

崔堂貴

國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司內(nèi)蒙古超特高壓分公司 內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000

引言

變電站是電力系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，繼電保護作為防止電網(wǎng)事故擴散、保障電力供應穩(wěn)定的第一道防線，其重要性日益凸顯。然而，傳統(tǒng)的繼電保護系統(tǒng)由于安裝位置固定、維護復雜等因素，已經(jīng)難以滿足現(xiàn)代電網(wǎng)對快速響應和高效運維的需求。加之電力設施所處環(huán)境的多樣性和復雜性，如極端氣候條件和電磁干擾等，對繼電保護系統(tǒng)的可靠性和適應性提出更高的要求。因此，探索一種能夠適應復雜應用環(huán)境，提高運維效率和系統(tǒng)可靠性的繼電保護新方案，成為電力行業(yè)迫切需要解決的問題。

1 可靠性設計要求

1.1 就地化繼電保護應用環(huán)境的復雜性

就地化的保護裝置應該能夠與其所處環(huán)境的溫度和濕度相適應，避免由于空氣中的水分和腐蝕性介質的入侵而引起的損害，并且還應該具有抵抗變電站內(nèi)復雜的靜態(tài)及暫態(tài)電磁干擾的能力。所以，在進行產(chǎn)品設計的時候，應該對環(huán)境影響因素進行全面的分析，以此來指導材料、器件的選用、軟硬件的冗余、防誤設計，還要考慮到抵抗外部復雜氣候、電磁、機械環(huán)境所造成的破壞，從而提高二次回路的可靠性。

1.2 氣候環(huán)境適應性

有數(shù)據(jù)顯示，電子元器件的溫度每上升2℃，其可靠性將降低10%；當溫度上升到50℃時，其使用壽命僅為25℃時的1/6[1]。在所有的電子器件故障中，有55%的原因是溫度超出了設定的范圍。在新疆吐魯番地區(qū)，夏季極端天氣條件下，地表（2m）表面溫度高于60℃，部分設備內(nèi)部溫度甚至達到90℃，極大地降低了設備的可靠性。所以，在進行產(chǎn)品設計的時候，可以選擇汽車級電子元器件，并且按照有利的散熱原則，對內(nèi)部的功能模塊和元器件進行合理的布局，使用導熱襯墊和硅脂等材料，將電子元器件的熱耗導出到殼體上，然后再由殼體的高密度翅片擴散到裝置的外面。電子元器件在濕度較大或其他惡劣的天氣條件下，會因腐蝕作用而發(fā)生故障。在外界介質中，由于化學因素的影響，物質的性質會發(fā)生退化、變化，最終發(fā)生劣化破壞。通過對端蓋結合面、進出線口、導光件等部位的高效“O”形密封件和密封件結合壓差設計，可實現(xiàn)器件的全封閉，并對暴露在外界環(huán)境中的部分部位進行致密防護。

1.3 電磁環(huán)境適應性

在戶外就地安裝的繼電保護裝置，其所處的電磁環(huán)境更為復雜和惡劣，它不僅要經(jīng)受變電站內(nèi)各一次設備正常運行產(chǎn)生的靜態(tài)電磁波的感應騷擾，同時，還需抵御高壓開關動作、雷電等現(xiàn)場產(chǎn)生的暫態(tài)電磁波的沖擊。當前，對繼電器等設備提出了不少于6kV的快速暫態(tài)和6kV的沖擊測試要求。為了保證繼電保護設備不會在外界擾動下發(fā)生誤動、拒動等異常情況，必須在設備內(nèi)部設置高效的泄放回路，以保證各種擾動引起的危害能被及時地釋放出來。

1.4 機械性能

繼電器在遷移到室外安裝時，由于沒有了原來在室內(nèi)安裝的屏蔽箱的支撐與保護，其受到的力學環(huán)境更加復雜與惡劣。在極端天氣條件下，由于冰雹、臺風和飛石等突發(fā)事件，可能會對室外繼電保護設備造成損壞，嚴重時可能造成設備和線路的故障。計算結果顯示，在外力作用下，5mm厚的原位繼電器在不被破壞的情況下，其最大塑性變形可以控制在0.3mm之內(nèi)。但是，因為設備的外表面受到撞擊，跌落而造成的對內(nèi)部元件的沖擊傷害就比較明顯了，尤其是對印制線路板上焊接的各種元件。所以，在原位化繼電器的內(nèi)部布置中，應該依據(jù)應力和變形分布，合理規(guī)避故障危險點。

1.5 二次回路的可靠性

以“六統(tǒng)一”的技術規(guī)范為依據(jù)，按照“區(qū)間內(nèi)電纜直接取入、直接跳入、跨區(qū)間內(nèi)信息GOOSE傳送”的原理，進一步簡化設備界面，以達到二次線路最優(yōu)的目的[2]。利用現(xiàn)場電纜采集交流量和重要開關量的信息，并利用電纜直接進行跳閘，從而降低在智能變電站中原有的智能終端的連接。用特殊的航空插入式連接器來代替常規(guī)的接線柱，具有較高的保護和較高的電氣特性，可以有效地抵抗外界的嚴酷天氣和電磁環(huán)境。在使用的時候，要按照電氣功能分類，將其接入專用航插連接器，通過防誤插鍵位設計及輔助辨識色帶，可以有效地杜絕現(xiàn)場誤操作，避免出現(xiàn)不同回路誤接的風險，最終實現(xiàn)快速可靠插接、即插即用、方便維護。

2 變電站繼電保護就地化問題

2.1 繼電保護的可靠性及速動性有待進一步提高

普通變電站繼電保護的接線方式比較煩瑣，易形成“寄生”回路，影響繼電器的可靠性；二次回路長度較大，且有雜散電容，易引起繼電器的誤開、誤動；智能變電站合并單元和智能終端的應用，使得保護采樣和跳閘回路變長，可靠性下降，而且還人為地增加了保護動作延時。電網(wǎng)短路容量的增大，直流接地點的密集程度的增加，都給電網(wǎng)的安全和可靠性帶來了很大的威脅。

2.2 繼電保護運行維護復雜，技術門檻過高

繼電保護，特別是智能變電站保護的運行維護比較復雜，它取消了傳統(tǒng)的電纜接線，使用IEC61850規(guī)約實現(xiàn)純數(shù)字通信后保護信號模型化、抽象化，這就造成了現(xiàn)場運行人員的技術能力很難及時跟上，同時廠家所提供的運維工具的友好性和實用性也需要進一步提升。所以，在變電站二次設備的調(diào)試、檢修和消缺等方面，更多地依靠廠家，這對設備的有效管理產(chǎn)生了一定的影響。

2.3 變電站建設周期長，占用土地資源多

目前的變電站，基本上都是從基礎建設開始，到保護屏柜入室，再到一次和二次設備的聯(lián)調(diào)。變電站在建設中的二次系統(tǒng)線路復雜，施工和調(diào)試周期較長；而且，繼電保護設備都是采用屏柜在保護小室中的安裝方式，這種方式會對土地資源造成很大的占用。在征地變得更加困難的情況下，變電站的建設，特別是在市區(qū)繁華地段的建設，也會變得更加困難。

2.4 一、二次設備分散，難以縱向融合

繼電保護裝置和被保護目標一個位于保護室內(nèi)部，另一個位于開關區(qū)，全部信號通過電纜或光纜相連，彼此間隔幾百米。此外，與保護室相比，開關場內(nèi)的電磁、氣象條件更為惡劣，傳統(tǒng)的繼電保護裝置無法在此工作，且其與一次裝置之間存在較大的融合難度。

3 變電站繼電保護就地化整體解決方案

3.1 跨間隔設備的就地化技術

3.1.1 分布式環(huán)網(wǎng)配置設計?？鐓^(qū)間保護是由多區(qū)間的電壓和電流數(shù)據(jù)構成，而傳統(tǒng)的集中式保護由于次級線路配線復雜、能耗高，很難實現(xiàn)不受保護的狀態(tài)。因此，研究人員必須使用一種新的方式，一種新的結構，來實現(xiàn)原位保護。文中提出了一種基于無主度的分布式保護策略。每一個空間單元布置一個輔助設備，并在相鄰的空間單元之間采用光導纖維連接，互為補充。每臺子機旁邊都設有一旁路開關，當間歇維修完畢離開時，可以關閉該開關，這樣就能確保其他子機的正常工作。

3.1.2 環(huán)網(wǎng)可靠性設計采用HSR技術。通過對網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)進行封裝，對網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)進行備份和配置。環(huán)網(wǎng)中將資料傳給各子機，各子機接收和分析，如果資料是由其他子機發(fā)來的，就會對資料進行邏輯保護；如果是本主機所提供的，那么就說明該數(shù)據(jù)已經(jīng)過了整個環(huán)形網(wǎng)絡，可以將這一報文丟棄。

3.2 自動測試系統(tǒng)

利用航電插頭連接繼電器原位設備和自動化試驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了繼電器原位設備的自動鑒別和分析，并實現(xiàn)了對繼電器原位設備的自動檢測和分析。該系統(tǒng)包括測試主機、交換機、服務器和測試終端四大模塊。①從被測物體的環(huán)境信息中獲得有關的信息指數(shù)，并產(chǎn)生能夠按照用戶要求進行選擇和確認的自動測試模板。②選擇的模板能夠自動啟動試驗，并且能夠與控制試驗端子相連。試驗終端根據(jù)主機發(fā)出的指令，將所得到的信息進行反饋，并將其傳送到主機，從而形成閉環(huán)控制。然后，讓計算機來判斷每一項指標的數(shù)值，到底有沒有達到要求。③測試完成后，由主機自動產(chǎn)生并上載至服務器存儲，最終納入被測對象的賬目管理。

3.3 就地繼電保護現(xiàn)場檢修

在就地繼電保護裝置運行中，由于缺乏人機接口，只能通過智能管理裝置來實現(xiàn)對其的遙控，這給施工現(xiàn)場的運行與維修帶來了一定的困難，并且牽扯到了更多的問題[3]。要解決上述問題，智能運維終端可以進行數(shù)據(jù)信息的自動化采集和處理，作為信息資料傳遞的基礎載體，根據(jù)實際狀況，開發(fā)App來完成設備的運行、維護和檢修，并將數(shù)據(jù)信息傳送到數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，以推動系統(tǒng)的自動化管理和控制。通過智能運維終端，可以實現(xiàn)自動化檢修、巡視和回路映射，對各項工作進行協(xié)調(diào)，并通過信息網(wǎng)絡技術輔助工作，降低了運營維護的壓力，提升了工作效率，增強了智慧運維的運行可靠性。

3.4 “即插即用”技術

“即插即用”技術是一種行業(yè)標準化技術的概念，它指的是在新的外部設備自動接入系統(tǒng)中，系統(tǒng)在無須人為干預的情況下，自動地識別出配置的改變，它已經(jīng)被廣泛地應用于各個領域，并且使用“即插即用”技術，可以讓整個系統(tǒng)操作起來更加簡單、更加高效。將“即插即用”技術應用到現(xiàn)場繼電器設備中，既有硬件的意義，也有軟件的意義。在硬件層次上，為了實現(xiàn)設備間的相互交換，同一種保護應該有一個統(tǒng)一的、標準化的接口。標準接口不僅在硬件層次上很好地解決了插拔問題，還增加了在野外工作的安全性：使用了技術上的防誤設計，使用了分色條碼和容錯鍵，在野外有效地避免了“誤接線”；接線端子采用密封性設計，可避免“誤碰”事故發(fā)生。

3.5 高防護等級、電磁兼容、熱設計技術

為解決就地化保護在下放到開關場中所要面對的交變電磁環(huán)境和惡劣的戶外氣象環(huán)境，就地化保護使用了一種新的設計，即：堅固耐用的機箱結構、高防護的輸入輸出航插接口，其耐受電磁干擾能力超過1000kV特高壓標準的要求，氣象環(huán)境的適應性滿足IP67級防水，在-40～70℃的極端天氣、高海拔和高濕度天氣環(huán)境下，機械特性滿足沖擊、振動、碰撞試驗國家2級標準的要求等[4]。通過對所開發(fā)的線路保護裝置的試驗，證明了以上要求是完全符合的。

4 繼電保護發(fā)展現(xiàn)狀以及未來發(fā)展

智能電網(wǎng)的出現(xiàn)，改變了繼電保護的傳統(tǒng)運行方式。在技術水平上，隨著現(xiàn)代信息監(jiān)測與保護技術的不斷發(fā)展，繼電保護工作已有了很大的改變。隨著WAMS系統(tǒng)的應用，繼電保護必然會產(chǎn)生巨大的變化，在未來，智能變電站必然會建設一個變電站信息采集中心，并能夠利用系統(tǒng)所收集到的數(shù)據(jù)，對其進行智能化的保護。而且，隨著大規(guī)模的保護體系的出現(xiàn)，各系統(tǒng)之間的聯(lián)系也會越來越緊密，這將是一場革命性的變革。因此，要實現(xiàn)對繼電保護的有效管理，就必須有一個完善的繼電保護管理體系。

5 結束語

總之，變電站繼電保護就地化的實施對于提升電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性具有不可替代的作用，因此，電力行業(yè)的從業(yè)者和研究人員必須緊跟技術發(fā)展趨勢，積極探索和應用新的技術和方法，通過優(yōu)化設計、提高設備的環(huán)境適應能力和電磁兼容性，同時采用先進的“即插即用”技術和自動化測試系統(tǒng)，提高繼電保護的可靠性和維護效率。同時，加強與現(xiàn)代智能技術的融合，確保變電站繼電保護系統(tǒng)的高效運行，促進電力系統(tǒng)向智能化、網(wǎng)絡化的方向發(fā)展。