智能變電站繼電保護配置的展望和探討

陶樹文

[摘要]在智能變電站中，繼電保護設備是智能電網的重要組成部分。在滿足靈敏性、速動性、選擇性、可靠性的要求下，將其配置分為過程層、變電站層2層。過程層針對一次設備獨立的配置主保護，把它下放到一次設備附近，和一次設備合為一體。保護的采樣相對獨立，可以不依賴全站統一時鐘進行采樣同步，利用獨立的同步數字體系（SDH）系統，通過乒乓算法進行保護間的數據采樣同步，元件保護采用分布式的配置，利用獨立的通信環進行數據收發，過程層以太網構成冗余；變電站層配置進行集中式后備保護，它所采用的是自適應和在線實時整定技術。

[關鍵詞]智能電網；變電站；電力系統保護；配置；集中保護

[中圖分類號]F407.61 [文獻標識碼]A [文章編號]1672-5158（2013）06-0395-02

隨著現代技術的發展，智能變電站的應用逐漸增多。相對于傳統的變電站，繼電保護引用了許多新技術。與傳統變電站相比，智能變電站的采樣、跳閘把傳統的電纜替換成光纜、把原來傳輸的模擬量和開關量電信號替換成經過數字編碼的光信號，采樣回路和跳閘回路得到了較為可靠的實時監視。筆者將對智能變電站繼電保護配置進行展望和探討，以期為同行提供參考。

一、智能變電站繼電保護配置

在智能變電站繼電保護配置方案中，把變電站設備分為過程層、變電站層獨立配置主保護。這里需要區分的情況是一次設備本身就是智能設備，保護設備安裝在智能設備的內部；如果是由老的設備改裝而成，就要將保護、合并器和測控等功能就近安裝于一次設備附近的匯控柜中，這種做法有利于簡化設備的運行和維護。采樣值和GOOSE都要通過全站統一以太網進行傳輸，全站統一采用IEEE1588對時，分布式保護間的數據同步并不依賴全站統一對時系統。智能變電站繼電保護配置圖如（圖1）：

這種全站分布式配置方案有利于簡化全站保護，使得保護控制等二次設備、被保護的二次設備之間的距離最短，不會發生由于跳閘、采樣等通信鏈路不可靠造成保護功能失效的情況。

二、過程層

過程層繼電保護主要配置是快速跳閘的主保護功能，如變壓器差動、線路縱聯保護和母線差動保護，后備保護功能被轉移到變電站層的集中式保護裝置當中。下面對具體保護來討論保護的實現問題。

1、線路保護

過程層的線路保護配置是以縱聯差動或縱聯距離作為主保護，后備保護放置在集中式保護裝置中。對于單斷路器方式主接線，線路保護裝置主要是通過主保護的光纖通信口和對側線路保護裝置進行通信，從而實現縱聯保護的功能。如（圖2）所示。

從縱聯差動保護原理上來講，保護裝置不需要電壓量的引入，但是對于特定的某些運行方式和特殊的保護原理應引入電壓量。這時，電壓量可以進行獨立采樣，把它接入主保護通信通道，與電流量共同完成同步采樣。如果是同一條線路，2個開關電流也可以獨立采樣，由主保護通信口完成采樣同步調整。

2、變壓器保護、電抗器保護和母線保護

變壓器保護裝置過程層主要采用分布式配置，實現差動保護功能，后備保護采用集中式的安裝。非電量保護要單獨安裝，通過電纜把它引入斷路器跳閘中，與此同時，跳閘命令通過光纜引入采樣、GOOSE的共同網絡上。

電抗器保護和變壓器保護的原理是相同的。

變電站內母線保護裝置是按分布式設計的，每個間隔內的保護單獨實現母線保護的功能，并且只跳本間隔的斷路器。失靈保護則由集中保護完成。

3、采樣同步方法

變電站內的變壓器保護、母線保護可以看成一個多端的線路保護。采用線路保護的同步解決方案可以實現站內保護裝置的同步采樣。

為了簡化設計，采用的是基于乒乓原理的同步技術。乒乓同步技術要求線路兩端保護裝置必須用相同的采樣頻率，獨立的進行采樣，并且要求兩端收發的數據在通道中傳輸的時間必須完全相同。國內采用的基于乒乓原理的同步技術有采樣數據修正法、采樣時刻調整法2種。

為簡化保護裝置設計，把保護裝置的同步分成3個步驟：

（1）把保護裝置向光纖通道的數據發送中斷、數據采樣中斷分開。對于傳統保護的裝置，二者是同一中斷。如果是電子式互感器，數據采樣發生在采集部分，數據發送在保護裝置部分，可以測得兩者的延時。

（2）調整兩側數據發送時刻。可以通過乒乓同步原理，采用采樣時刻調整法，將兩側的數據發送中斷進行同步，最后做到兩側保護裝置發送數據的時刻完全一致。

（3）補償發送時刻、采樣延時。把兩側保護裝置的數據發送時刻進行同步后，可以結合下圖進行分析。在保護中，將保護定值通過光纖通道，發送到所有保護中，各側保護裝置綜合所有的保護定值做相應的延遲，在這個過程中，能夠進行數據同步，進行差動保護的計算（圖3）。

4、分布式保護間通信

分布式保護通信可采用SDH系統，保護的通信設計成1個通信環。以下圖為例，把一側作為3/2主接線，另一側作為單斷路器主接線的線路保護（圖4）。

在這個同步通信環中，主要有兩種設計模式。

第一種模式，站內的同步通信只考慮同步用。在這種情況下，對同步通信的帶寬要求降低。由于保護的采樣值通過以太網傳輸數據，任何一個裝置都可以從網上獲取數據。這種模式是同步冗余設置。

第二種模式，除了完成同步功能外，還要進行采樣值數據的傳輸。對一個母線上的最大間隔數需要進行考慮，在1ms內交換所有間隔數據。這種模式具備了數據傳輸、同步雙重冗余的特性。

同步機制能夠固定一個保護為主機，其他的保護順次和它進行發送中斷的同步。

3、變電站層繼電保護

變電站層配置的是集中式后備保護，全站所有電壓等級進行集中配置，集中式后備保護所采用的技術是自適應、在線實時自整定技術，還具備廣域保護的接口，可以實現廣域保護的功能，即雙重化配置。

后備保護系統可以為本變電站元件提供近后備、開關失靈保護的功能，同時為相鄰的變電站元件提供遠后備保護的功能。因此，每個變電站的保護范圍都分為兩個部分：一個是遠后備保護范圍，主要包括直接出線的對端母線和與對端母線所連的所有線路；另一個是近后備保護范圍，主要包括該變電站內所有母線以及直接出線。

獨立的后備保護系統對本變電站元件的斷路器狀態信息、電壓和電流信息、主保護動作信號進行采集，并對相鄰變電站元件的斷路器狀態信息、故障方向信息和主保護動作信號進行接收。根據實時的信息，判別在遠后備范圍內元件的故障，同時做出最佳的跳閘策略。

此外，結合離線定值整定算法，根據運行方式的不同，可以預先確定幾套定值整定方案。根據實時的電網參數，站內的集中保護裝置確定系統運行在某種運行方式后，同時保護相應切換到預先設定的那一套定值區，這樣可以優化保護動作性能。

對低頻/低壓減載、過負荷聯切、備用自投裝置等自動裝置功能也可以進行集成。

4、結束語

筆者通過分析智能變電站特點，提出這樣的全站保護配置方案：兩層結構一層網絡。將傳統線路、母線保護、變壓器進行統一設計，根據分布式保護的形式把它安裝到智能一次設備中，大大簡化保護類型，簡化了保護運行維護的工作。與此同時，提出全站集中保護裝置不必按照電壓等級分開，全站集中配置，實現全站保護的配合。

參考文獻

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