數字化變電站及其繼保技術分析

楊 帆 王艷蘋

（曲靖供電局 繼電保護所，云南 曲靖 655000）

0 引言

南方電網公司智能電網建設的指導思想是實事求是地推進智能電網的建設，以需求引導、整體規劃、有序推進、重點突破為原則，做好頂層設計，構筑一個合理的智能電網發展體系，重點方向是爭取在關鍵領域有所突破，同時開展標準研究，用標準來規范智能電網相關工作，并且有序地推進，同時開展示范先行，在取得經驗以后來階段實施。智能電網的不斷發展將極大地改變傳統電力系統的形態，電子式互感器、數字化變電站技術、廣域測量技術、交直流靈活輸電及控制技術的大量應用，必然對電力系統繼電保護帶來影響。

1 數字化變電站的結構層次

數字化變電站按照一次設備智能化、二次設備網絡化的設計思路參照IEC61850的標準將變電站分為過程層、間隔層和站控層3個部分，其中過程層由模擬量收集終端合并單元和實現開關輸入輸出的智能單元構成；間隔層主要由保護裝置和測控裝置組成;站控層主要包括監控，遠動和故障信息子系統構成[1]。

1）智能變電站的過程層由傳統的一次設備和智能組建柜組成，智能組建柜中有合并單元和智能操作箱兩個裝置。變電站常規互感器的數據合并單元采取就地安裝的原則，通過交流就地采樣電纜傳送模擬信號，并將采樣數據處理后通過IEC61850-9-1、IEC61850-9-2或者IEC60044-8的協議借助光纖通道發送到網絡交換機供需要該模擬量的保護或者測控裝置共享數據。智能操作箱解決了傳統一次設備和數字化網絡的接口問題，作為數字化變電站一次開關設備操作的智能終端，將傳統一次設備和保護測控等裝置通過光纖網絡連接，完成對斷路器、刀閘的分合操作，智能操作箱接收保護和測控裝置通過GOOSE網下發的斷路器或刀閘的分、合及閉鎖命令，然后轉換成相應的繼電器硬接點輸出。

2）在傳統變電站二次系統中保護裝置所需的模擬量信息和設備運行狀態等信息需要通過電纜傳送，動作邏輯需要在多個裝置之間傳遞啟動和閉鎖信號，在各間隔層設備之間，間隔層和過程層設備之間需用大量的電纜連接，使傳統方式下各個保護裝置之間存在較多硬開入連線，導致二次回路接線比較復雜，容易出錯、可靠性不高；而吳山變電站采用支持變電站通信標準IEC61850中GOOSE輸入和輸出功能的保護和測控裝置。間隔層裝置之間通過以太網聯系各間隔層設備，通過網絡共享電流電壓量和開關量信息，借助虛端子完成保護的動作邏輯和相關間隔之間的閉鎖功能，其中電流電壓量和開關量的傳輸分別采用IEC61850規約中的單播采樣值SMV服務和面向通用對象的變電站事件GOOSE服務完成[2]。

3）站控層網絡采用網線連接，間隔層與站控層之間按照制造報文規范MMS(Manufacturing Message Specification)通過網絡進行數據交互，完成對變電站的監視和控制。控制，遙控、遙調等控制功能通過IEC61850的控制相關數據結構實現映射到MMS的讀寫和報告服務中。IEC61850提供多種控制類型，還可以實現遠方修改定值等功能。

2 數字化變電站的優越性

數字化的變電站，其由一次設備的智能化以及二次設備的網絡化進行分層的構建。實現了變電站的電氣設備間信息智能共享，以及相互操作的現代化的時代。與傳統變電站相比，數字化變電站具有以下優勢。

1）變電站保護設備運行更穩定。數字化變電站中，智能化一次設備的數字化傳感器、數字化控制回路代替了原常規繼電保護裝置、測控等裝置的I/O部分，光纜代替電纜避免了集電器等邏輯部件老化、失靈帶來的誤動作，克服了設備在運行過程中的發熱、氧化、切換不可靠等問題。傳統電壓、電流互感器內部絕緣機構復雜，易飽和，準確性受二次負載影響、容易受電磁干擾，以及漏氣、漏油，甚至存在爆炸等問題。變電站數字化后采用光電式互感器，采用法拉第磁光效應（無源型）或者羅斯夫斯基線圈（有源型）從磁場中獲得有關信息，能實現大電流比、無磁飽和、頻率響應范圍寬，精度高，暫態性能好等優點。數字變電站采用了智能終端，將部分保護設備放置在開關端子箱中就地保護，極大減少了電磁干擾[3]。

2）變電站保護設備運行維護更安全方便。數字化變電站能有效避免二次側的電壓回路短路、電流回路開路的惡性事故的發生；電腦程序代替了傳統的保護調試方式，更為快捷、準確。

3）輔助材料大大減少，建設成本大大降低。數字化變電站中有色金屬、橡膠等材料耗用量大大減少，在今后的運行過程中可改進優化電站配置方式，電站監控設備可集成為占地面積非常小的裝置，節約了土地資源。

3 數字化變電站面臨的挑戰

目前，繼電保護裝置的微機化趨勢充分利用了先進的半導體處理器技術：高速的運算能力、完善的存貯能力和各種優化算法，同時采用大規模集成電路和成熟的數據采集、模數轉換、數字濾波和抗干擾等技術，因而系統響應速度、可靠性方面均有顯著的提升。然而，數字化變電站的不斷發展，對繼電保護技術提出了新的挑戰。特別是近年來，由于信息技術和電子技術的發展，以及智能電網的規劃和發展改變了電能傳輸的某些特點，信息化和數字化的特征使智能電網與傳統電力系統產生了本質的差別。

1）利用數字化提高保護性能。互感器傳輸性能的提高和互感器故障的減少使繼電保護不需要再考慮電流互感器飽和、二次回路斷線、二次回路接地等互感器故障問題。電氣量信息傳輸的真實性也為繼電保護裝置性能的提高帶來了便利條件。如何簡化繼電保護的輔助功能，利用數字化傳感器提高繼電保護的整體性能，是未來繼電保護發展需要研究的核心問題。

2）網絡化將改變繼電保護的配置形態。基于IEC61850網絡的數字化變電站改變了傳統繼電保護信息獲取和信號發送的媒介，利用網絡上共享的站內其它相關電氣元件的信息提高主保護的性能，利用共享的控制信號網絡簡化繼電保護配置，是智能電網中繼電保護研究的前沿性問題。網絡化帶來共享信息的同時，也帶來基于網絡信息傳輸的可靠性和安全性問題。與傳統二次電纜的傳輸方式不同，控制信號傳輸網絡的可靠性必須得到保證。數字化變電站條件下繼電保護的可靠性問題及如何進行保護配置保證可靠性是網絡化二次回路的關鍵問題。

3）提高安全自動裝置性能、在線整定技術等都是給未來數字化變電站提出的挑戰，只有有效的解決了這些問題，繼電保護才能更好地得到應用。

［1］高翔，張沛超.數字化變電站主要特征和關鍵技術[J].電網技術，2006，30（23）：67-71.

［2］劉玉春，劉志清，林萃.通信規約在變電站自動化系統中的應用[J].東北電力技術，2004，12：25-28.

［3］徐禮葆，劉寶志，郝燕麗.開放式數字化變電站自動化系統的討論[J].繼電器，2004，32（06）：40-43.