芻議智能變電站的繼電保護問題

王未來 鄭 明

（蕭山供電局，浙江 杭州311200）

1 智能變電站的繼電保護概述

繼電保護以電力系統(tǒng)運行故障和安全問題為研究對象，探討相應(yīng)的自動化應(yīng)對措施，以保護電網(wǎng)運行的穩(wěn)定和安全。在電網(wǎng)調(diào)度運行中，繼電保護主要是通過觸電繼電器來維護電網(wǎng)的運行，對整個電力系統(tǒng)及其運行元件如母線、輸電線路、變壓器、發(fā)電機等進行保護，因而被稱為繼電保護。其基本任務(wù)是當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，在最短的時間內(nèi)向電網(wǎng)管理員發(fā)出系統(tǒng)故障信號，或者以自動化技術(shù)將故障設(shè)備進行切除，減輕故障設(shè)備對電力系統(tǒng)的進一步損壞和減少對相鄰電網(wǎng)的供電影響。

相對于傳統(tǒng)電網(wǎng)而言，智能電網(wǎng)結(jié)合了數(shù)字、信息等先進技術(shù)，在電網(wǎng)建設(shè)中以環(huán)保、節(jié)能、穩(wěn)定、高效的現(xiàn)代化電網(wǎng)為發(fā)展目標。智能變電站將傳統(tǒng)的電纜替換成了光纜，將原來傳輸?shù)哪M量和開關(guān)量電信號替換成了經(jīng)過數(shù)字編碼的光信號，對變電站的跳閘回路和采樣回路進行實時監(jiān)控，提高了電網(wǎng)運行的安全性和可靠性。隨著智能變電站應(yīng)用范圍的逐漸擴大，其繼電保護問題也日益受到社會的廣泛關(guān)注。智能變電站的繼電保護在傳統(tǒng)繼電保護方法的基礎(chǔ)之上，應(yīng)用了網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和電子式互感器，在保護配置方法上添加了時限的要求，以快速跳閘來保護智能變電站的運行安全。

本文提出了一種智能變電站繼電保護配置方案，將變電站設(shè)備分成過程層和變電站層2個層次，以完成繼電保護的整個工作回路。在過程層中，應(yīng)配備專門的主保護系統(tǒng)。對于采用智能設(shè)備的電力系統(tǒng)，保護設(shè)備應(yīng)安裝在智能設(shè)備內(nèi)部；而對于經(jīng)由較老設(shè)備改造的電力系統(tǒng)，則應(yīng)將測控、保護和合并器等功能設(shè)備安裝在一個統(tǒng)一的匯控柜里，以簡化電力系統(tǒng)的運行，方便維修作業(yè)。

2 過程層的繼電保護

在過程層的繼電保護中，應(yīng)實現(xiàn)快速跳閘的系統(tǒng)性功能，對輸電線路、母線、電抗器、變壓器等設(shè)備進行保護，以減少電網(wǎng)運行的風(fēng)險，保證電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)的安全。對輸電線路、母線和變壓器等進行差動保護，重點把握系統(tǒng)的主保護功能，簡化系統(tǒng)保護的裝置和設(shè)備。一般而言，主保護定值的波動性較小，不會隨著電力系統(tǒng)的實際運行變化而發(fā)生改變，能夠?qū)崿F(xiàn)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。但由于一次設(shè)備的大量運用，繼電保護過程中，開關(guān)設(shè)計必須與硬件分開，保持相對的獨立性，以實現(xiàn)對輸電線路的保護和母線保護。

輸電線路是電力網(wǎng)的重要組成部分，對輸電線路的保護，可以采用縱聯(lián)距離或縱聯(lián)差動作為設(shè)備的主保護，后備的保護安置在集中的保護裝置中。對單斷路器方式主接線，線路保護裝置通過主保護的光纖通信口和對側(cè)線路保護裝置通信，實現(xiàn)對輸電線路的縱聯(lián)保護。對于斷路器的主接線連接方式，可以將電壓串聯(lián)到相關(guān)的開關(guān)數(shù)據(jù)中。根據(jù)縱聯(lián)差動原理進行分析，在保護裝置內(nèi)部不需要考慮線路的電壓量，電壓量的引入只是針對特定的運行環(huán)節(jié)。對電壓量可以進行獨立采樣，將系統(tǒng)的主保護通信接入電流量的采樣中。因此，對于同一條輸電線路，不同的開關(guān)電流可以實現(xiàn)獨立采樣，以主保護的通信口進行調(diào)整，對系統(tǒng)電流進行綜合把握。

在智能變電站中，由多個智能一次設(shè)備的分布式設(shè)計組成了變電站整體系統(tǒng)，在智能一次設(shè)備的保護中，通過設(shè)置間隔斷路器來實現(xiàn)對母線的保護，失靈的母線保護則由系統(tǒng)的集中保護來實現(xiàn)。

變壓器保護裝置過程層采用分布式配置，完成差動保護功能，而后備保護采用集中式安裝。同時，對于低壓側(cè)非用電量的保護應(yīng)單獨安裝，通過光纜將斷路器跳閘直接引入，以跳閘命令將系統(tǒng)運行的數(shù)據(jù)采樣到GOOSE共同的網(wǎng)絡(luò)上。GOOSE網(wǎng)絡(luò)主要用于間隔層IED與過程層智能操作箱之間的信息傳輸以及間隔層IED之間的邏輯閉鎖信息傳輸。在繼電保護中，GOOSE擔負了繼電保護的出口跳閘及其他重要信息的傳遞，對繼電保護有重要作用。

電抗器的保護原理與變壓器相同，都是通過分布式配置實現(xiàn)有效的差動保護，對后備設(shè)備的保護實行集中式安裝。同時，對于非用電量的保護，也實行獨立安裝，以減少電路之間相互的影響作用。

對于智能變電站內(nèi)的母線保護和變壓器保護可看作一個多端的線路保護，同樣采用線路保護的同步采樣解決方案來實現(xiàn)站內(nèi)保護裝置的同步采樣。在采樣過程中，根據(jù)變電站主站采樣時刻進行調(diào)整，確保采樣數(shù)據(jù)的可比性和適用性。為了簡化繼電保護裝置的設(shè)計，采用以下步驟進行：（1）將繼電保護裝置光纖通道的數(shù)據(jù)采樣與數(shù)據(jù)發(fā)送過程分開，以測得二者的延時情況。在傳統(tǒng)的繼電保護裝置設(shè)計中，一般情況時將二者同時中斷；而對于電子式互感器設(shè)備，數(shù)據(jù)發(fā)送是在繼電保護裝置內(nèi)發(fā)生，而數(shù)據(jù)采樣是發(fā)生在繼電保護的采集部分，二者是彼此分離的。（2）根據(jù)電網(wǎng)的運行情況，調(diào)整兩側(cè)數(shù)據(jù)的發(fā)送時刻。以采樣時刻調(diào)整的方法，對兩側(cè)數(shù)據(jù)的發(fā)送中斷實行同步調(diào)整，將發(fā)送數(shù)據(jù)和兩側(cè)的保護裝置時刻調(diào)整到同一時刻。（3）采樣延時和補償發(fā)送時刻。在繼電保護中，以數(shù)據(jù)采樣和數(shù)據(jù)發(fā)送的差值作為保護定值的參考值，通過光纖通道將數(shù)據(jù)發(fā)送到所有的保護設(shè)備中，在對所有差值進行綜合分析的基礎(chǔ)上，對各裝置進行適當?shù)难訒r保護，進行差動保護的計算。

在分布式的保護間通信過程中，可以采用SDH系統(tǒng)，將通信保護設(shè)計成一個完整的通信環(huán)。在同步通信環(huán)的設(shè)計中，有2種設(shè)計模式可供參考：一是將站內(nèi)所有的同步通信作為同步使用的依據(jù)，繼電保護的采樣值可以在以太網(wǎng)上自由傳輸，這降低了系統(tǒng)對通信帶寬的要求，同時，任何裝置都可在以太網(wǎng)上獲取所需數(shù)據(jù)；二是除同步使用功能外，還應(yīng)實現(xiàn)采樣值數(shù)據(jù)的同步傳輸，對母線的最大間隔數(shù)進行分析，以實現(xiàn)在規(guī)定時間內(nèi)完成所有的間隔數(shù)據(jù)交換。同步機制可以固定一個保護為主機，其他保護依次和它完成發(fā)送中斷的同步。

3 變電站層的繼電保護

對變電站層的繼電保護應(yīng)實行雙重化配置，對后備保護實行集中式配置，后備保護系統(tǒng)應(yīng)為變電站的元件提供開關(guān)失靈和后備設(shè)備的保護，還應(yīng)對相鄰范圍內(nèi)的對端母線及相連線路進行保護，根據(jù)后備設(shè)備的電流情況，判斷電網(wǎng)運行的故障和問題，得出相應(yīng)跳閘策略。同時，在全站的所有電壓中實行等級集中配置，以實時調(diào)整技術(shù)，適應(yīng)電網(wǎng)運行的實際情況。再者，可以根據(jù)電網(wǎng)運行的實際情況事先設(shè)定幾套運行方案，對站內(nèi)的電網(wǎng)系統(tǒng)進行分析，選擇最佳運行方案，實現(xiàn)智能變電站的繼電保護。

4 智能變電站繼電保護發(fā)展方向

隨著智能變電站的發(fā)展，其對繼電保護的智能化、信息化要求也越來越高。繼電保護必須根據(jù)電網(wǎng)運行的需要，實行智能化、信息化的保護措施。在繼電保護過程中，應(yīng)充分利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，以高性能的計算機實現(xiàn)繼電保護的智能化系統(tǒng)。再者，繼電保護的數(shù)據(jù)采樣與數(shù)據(jù)發(fā)送要求繼電保護網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)進一步發(fā)展。GOOSE網(wǎng)絡(luò)由于對繼電保護出口跳閘及其他重要信息進行傳遞，對繼電保護有非常重要的作用。另外，光互感器的應(yīng)用對信號傳輸和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化有重要影響，這些都給未來的繼電保護指明了發(fā)展方向。

5 結(jié)語

與傳統(tǒng)變電站相比，智能變電站在技術(shù)方面有很大改進，繼電保護問題成為電網(wǎng)運行的重要問題。本文通過對智能變電站的繼電保護問題進行分析，提出了一種包括過程層和變電站層的分層保護方案。智能變電站的繼電保護在傳統(tǒng)繼電保護方案的基礎(chǔ)上，對輸電線路、母線、變壓器、電抗器等進行統(tǒng)一設(shè)計，簡化了繼電保護的設(shè)備類型。同時提出全站集中保護裝置不按電壓等級分開，全站集中配置，這樣可以實現(xiàn)全站保護的配合。

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