浙江電網220 kV及以上交流保護十年運行狀況綜述

裘愉濤，凌 光，王 一，柯人觀，陳偉華

（1.國網浙江省電力公司，杭州 310007；2.國網浙江省電力公司紹興供電公司，浙江 紹興 312000；3.國網浙江省電力公司檢修分公司，杭州 311232；4.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；5.國網浙江省電力公司臺州供電公司，浙江 臺州 318000）

綜 述

浙江電網220 kV及以上交流保護十年運行狀況綜述

裘愉濤1，凌 光2，王 一3，柯人觀4，陳偉華5

（1.國網浙江省電力公司，杭州 310007；2.國網浙江省電力公司紹興供電公司，浙江 紹興 312000；3.國網浙江省電力公司檢修分公司，杭州 311232；4.國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014；5.國網浙江省電力公司臺州供電公司，浙江 臺州 318000）

通過分析繼電保護裝備水平、運行水平和缺陷情況，總結了浙江電網最近十年（2007—2016）在繼電保護領域的發展情況。詳細闡述了十年間220 kV及以上繼電保護裝備微機化率、雙重化率、國產化率和光纖化率的發展情況，并對新出現的智能變電站輔助設備進行了統計分析，綜合展示了裝備水平的發展；分析了十年間220 kV及以上主網和發電廠保護的動作情況、一次設備故障情況和保護不正確動作原因；對十年間繼電保護的缺陷類型、原因和部位進行了統計分析；最后，針對浙江電網近十年繼電保護存在的問題及面臨的挑戰，提出了今后發展建議。

浙江電網；繼電保護；智能變電站；運行分析；缺陷分析

0 引言

2007—2016年，浙江電網規模日益擴大，220 kV及以上變電站和線路數量均增長1倍。隨著特高壓交直流工程相繼投產，浙江電網網架結構日趨復雜，目前已形成了以交直流特高壓網架為支撐，500 kV電網為主干，220 kV電網為基礎，110 kV及以下電網為補充的網架結構合理、交直流互備、水火電互濟的電網[1，2]。2016年，浙江的總用電量達到3 873.19億kWh，是2007年的1.76倍，創歷史新高；但需求增長有所放緩，電力供應整體較為寬裕[3]。

繼電保護作為電網安全穩定運行的第一道防線，十年間取得了長足發展。繼電保護裝置微機化率、雙重化率、國產化率和220 kV及以上線路保護光纖化率（以下簡稱“四率”）穩步提升。十年間，浙江電網繼電保護維持在較高的運行水平，整體正確動作率達到99.99%，主網安全自動裝置和故障錄波器動作正確率達到100%。以智能變電站為代表的新技術也取得了長足進步，目前已形成相對穩定成熟的智能變電站工程應用模式[4-6]。截至2016年底，浙江電網共建成投運各電壓等級智能變電站269座，其中220 kV及以上變電站66座。標準化建設和專業管理也不斷加強，十年間發布并落實了以“六統一”為代表的多項技術標準[7-9]，開展了狀態檢修、首檢式驗收和精益化評價等多項專業管理舉措[10-11]，建成了故障信息管理系統和繼電保護定值在線校核系統[12]，繼電保護全過程標準化管理體系和支撐手段日趨完善。然而，隨著特高壓交直流的快速發展，電網特性呈現出諸多新特點，對運行控制提出更高要求，繼電保護也面臨新的挑戰。

以下重點針對2007—2016年浙江電網220 kV及以上繼電保護設備及其運行情況進行分析總結，通過翔實的數據反映十年來繼電保護裝備水平和運行水平的變化，并對繼電保護裝置的缺陷情況進行統計分析，為繼電保護運行、管理和維護水平的提升以及發展方向的決策提供數據支撐和歷史參考。

1 繼電保護裝備水平分析

隨著電網一次設備的增加，繼電保護設備數量快速增長，十年間浙江電網220 kV及以上保護設備數量變化如圖1所示。截至2016年底，浙江電網220 kV及以上系統繼電保護及安全自動裝置、故障錄波裝置共有12 292臺（不含500 kV發電廠及非電量保護），是2007年的1.73倍。同時，繼電保護裝置“四率”也穩步提高，其中微機化率和雙重化率均已達到100%。伴隨著國產化率的持續提高，國內繼電保護市場格局在十年內也發生了顯著變化，國內主流廠家占據了大部分市場份額。另外，智能變電站在這十年中的快速發展，使得合并單元、智能終端等新設備數量也逐年增長。

圖1 2007—2016年浙江電網220 kV及以上繼電保護設備數量

1.1 繼電保護裝置“四率”統計

繼電保護裝置的“四率”是繼電保護裝備水平的綜合體現。浙江電網220 kV及以上電壓等級系統繼電保護裝置微機化率和雙重化率分別于2014年和2015年完成“十二五”目標，達到100%，國產化率已達93.63%，線路保護光纖化率達到82.86%，繼電保護裝備水平得到了持續發展。

（1）微機化率

與傳統的電磁型、集成電路型保護相比，微機保護具有平臺統一、可進行自檢、動作定值整定靈活等諸多優點[13]。十年來220 kV及以上繼電保護裝置微機化率發展情況如圖2所示，2014年后微機化率均保持在100%，較2007年提高了4.48%。其中，線路保護裝置微機化率在2007年已達到100%，變壓器保護和母線保護分別在2013年和2014年實現了微機化率100%，分別比2007年提高7.19%和11.79%。

圖2 2007—2016年浙江電網220 kV及以上繼電保護裝置微機化率

（2）雙重化率

為確保繼電保護的可靠性，220 kV及以上保護裝置均應采用雙重化配置[14]。浙江電網于2015年就實現了220 kV及以上電壓等級系統繼電保護雙重化率100%的目標，比2007年提高11.87%（如圖3所示）。其中，線路保護從2007年開始已實現雙重化率100%，變壓器保護和母線保護分別在2010年和2015年實現了雙重化率100%，分別比2007年提高8.38%和72.5%。

圖3 2007—2016年浙江電網220 kV及以上繼電保護裝置雙重化率

（3）光纖化率

線路縱聯保護通常分為光纖差動保護和高頻保護，均需要借助通道來實現兩側信息的交換，從而實現全線速動。光纖通道相比于高頻通道，具有衰耗低、不受電磁干擾和中間環節少等優點，近年來得到了大規模推廣。目前新建線路保護基本采用光纖通道，現存的高頻保護也正逐步改造成光纖差動保護。十年來浙江電網220 kV及以上線路光纖化率發展情況如圖4所示。截至2016年底，浙江電網220 kV及以上系統線路共有縱聯保護4 159套，保護光纖化率達到82.86%，較2007年提高了41.96%。其中，1 000 kV系統線路保護光纖化率自投運以來一直保持在100%；500 kV和220 kV系統線路保護光纖化率分別為98.72%和80.30%，比2007年分別提高8.22%和41.96%。

圖4 2007—2016年線路保護光纖化率

（4）國產化率

在500 kV超高壓電網建設初期，進口保護裝置起到了重要作用。隨著國產保護裝置的日趨成熟，與進口裝置相比，國產繼電保護裝置的設計理念更貼近我國電網的發展現狀和運行要求，產品性價比及售后服務都占有優勢。2007—2016年浙江電網220 kV及以上保護裝置國產化率發展情況如圖5所示。截至2016年底，共有國產繼電保護裝置10 401臺，國產化率達到了93.63%，比2007年提高19.71%。各類保護的國產化率在十年內均穩步提升，如表1所示。

圖5 2007—2016年繼電保護國產化率

表1 統計年份典型保護裝置國產化率%

1.2 繼電保護設備廠家分布

2007—2016年，在220 kV及以上電壓等級繼電保護市場中，國內外廠家的市場份額都在發生變化，一個典型的特征是國內廠家的市場份額呈整體上升趨勢（如圖6所示）。

圖6 2007—2016年各繼電保護制造廠家市場占有率

近年來，國產保護在電網中得到廣泛應用，并占據主導地位。所有新投運保護裝置均采用國產保護，繼電保護裝置的國產化率逐年穩步提高。截至2016年底，浙江電網220 kV及以上繼電保護裝置中，國產保護總的市場占有率為93.63%。特別是南瑞繼保、北京四方、國電南自這3家制造廠家的市場占有率牢牢占據前三甲，3個廠家的裝置總市場份額達到了80%，圖7所示為2016年國內繼電保護廠家的市場份額。

圖7 2016年國內繼電保護廠家市場份額

1.3 智能變電站輔助設備情況

2007年以來，浙江電網智能變電站經歷了試點建設、總結經驗及全面推廣建設的發展歷程。截至2016年底，浙江共建成智能變電站270座，其中500 kV智能變電站11座，220 kV智能變電站56座，110 kV智能變電站203座。隨著智能變電站的大規模投運，合并單元、智能終端、合并單元智能終端集成裝置（簡稱“合智一體”裝置）、過程層交換機等智能輔助設備數量也成倍增加。截至2016年底，浙江電網220 kV及以上電壓等級智能變電站輔助設備共有4 522臺，是2013年的13.11倍，如圖8所示。

圖8 220 kV及以上智能輔助設備數量

進一步對各電壓等級智能變電站輔助設備進行統計，截至2016年底，浙江電網共有10 959臺智能輔助設備，具體分布如表2所示。由表可知，“合智一體”裝置應用并不多，且主要應用于110 kV及以下電壓等級系統中。這些設備在常規變電站中是沒有的，也在一定程度上增加了智能變電站運維的工作量。

表2 各電壓等級智能輔助設備統計臺

2 繼電保護運行水平分析

2.1 主網保護動作情況分析

繼電保護裝置正確動作率是評價繼電保護裝置運行符合預定功能和動作要求程度的綜合性能指標，也是保證系統穩定運行的重要指標。2007—2016年，浙江電網交流系統220 kV及以上電壓等級各類繼電保護裝置共動作14 415次，不正確動作1次，總體正確動作率為99.99%；2016年，浙江電網交流系統220 kV及以上電壓等級繼電保護裝置正確動作率為100%。

在220 kV及以上系統中，十年內整體動作率最高的是220 kV和1 000 kV，自2007年以來未發生過不正確動作。500 kV十年整體動作率為99.98%，僅在2015年發生1起不正確動作。十年間，220 kV及以上電壓等級系統的線路保護、母線保護、變壓器保護及發電機保護的動作次數累計達到13 327次，占全部保護動作次數的92.45%，四類保護的綜合正確動作率達到99.99%，比上一個十年提高了0.89%。

2.2 故障切除及重合情況分析

在一次設備的故障中，線路因其分布廣、運行環境惡劣導致故障次數較多。據統計，十年內220 kV及以上系統共發生線路故障1 739次，占故障總數的98%以上。線路故障分為單相接地、相間短路、兩相接地、三相短路和同桿雙回線跨線短路等故障，其中單相接地故障較多，占線路故障總數的87.64%，如圖9所示。

電網快速故障切除率，是指電力系統一次設備故障被主保護動作，使設備各相關斷路器快速正確斷開隔離（消除故障）的百分率，這也是評價電網安全穩定運行能力的綜合性指標之一。2007—2016年，浙江電網220 kV及以上系統故障的快速切除率保持在99.90%，比上一個十年提高了1.14%。

圖9 2007—2016年線路故障類型分布

通過重合閘來快速恢復瞬時故障下的再次供電，是提高供電可靠性的有效措施。浙江電網除部分送終端線路采用特殊重合閘方式外，其余220 kV及以上線路均采用單相或三相重合閘方式。2007—2016年浙江電網220 kV及以上單相/三相重合閘正確率保持在100%，比上一個十年提高了0.58%。然而，由于存在重合于永久性故障、單重方式下發生多相故障、斷路器拒合等原因，致使重合閘成功率并非100%，其中重合于永久性故障為主要原因，占所有不成功重合案例的98%。2007—2016年，220 kV及以上線路重合閘成功率為92.3%，如圖10所示。

圖10 2007—2016年線路重合閘成功率

2.3 發電廠保護動作情況分析

2008—2016年（2007年數據缺失），浙江省發電廠保護正確動作率見圖11。浙江省發電廠保護的整體正確動作率為98.93%，平均每年誤動2.44次，對電網運行造成了安全壓力。發電廠的繼電保護可以分為線路保護和發變組/廠用電保護，九年間，220 kV及以上線路保護的整體正確動作率達到99.81%，高于平均動作水平；而發變組/廠用電保護的動作正確率相對較低，整體正確動作率為97.53%，有待進一步提高。

圖11 2008—2016年發電廠保護正確動作率

由圖11可知，除了2013年，其余年份均有不正確動作事件發生。為提高電網的安全運行水平，需對歷年繼電保護不正確動作情況進行分析，圖12給出了發電廠保護不正確動作的原因統計。

圖12 發電廠保護不正確動作原因統計

根據上述統計分析可知，因裝置本身和二次電纜本身絕緣水平而導致的保護不正確動作事件占比接近1/2，因此要進一步嚴把設備入網關，確保產品質量。另一方面，由于安裝、調試和運維檢修的疏忽而導致的事故超過1/3，因而要加強現場安全作業管理，確保工程的安全可靠。此外，由于誤整定也導致了3起不正確動作事件，相關管理部門要吸取教訓，加強整定管理，杜絕此類事件再次發生。

3 繼電保護設備缺陷情況分析

2007—2016年裝置缺陷率保持較低水平，220 kV及以上系統繼電保護設備的平均缺陷率為1.255次/（百臺·年）。雖然制造水平逐年提高，但隨著設備運行年限的增加，缺陷率下降并不明顯。2012—2016年，智能變電站保護及相關設備平均缺陷率為1.901次/（百臺·年），較同期常規站保護設備缺陷率高62.90%。智能變電站技術復雜，對人員技術要求高，現場專業人員短期內難以全面掌握相關技術，智能變電站消缺工作嚴重依賴廠家，導致消缺時間長，存在安全隱患，智能變電站二次設備五年平均消缺時間為22.373 h/次，較同期常規站高23.5%。

3.1 缺陷分布情況

保護缺陷按其嚴重程度可分為危急缺陷、嚴重缺陷及一般缺陷。其中，危急缺陷指保護設備發生了直接威脅裝置安全運行并需立即處理的缺陷，否則隨時可能造成保護誤動等事故，要求24 h內完成消缺；嚴重缺陷指對保護設備有嚴重威脅，暫時尚能堅持運行但需盡快處理的缺陷，要求72 h內完成消缺；一般缺陷指除上述危急、嚴重缺陷以外的設備缺陷，屬于性質一般，情況較輕，對安全運行影響不大的缺陷，要求1個月內完成消缺[15-16]。十年來，浙江省電力公司220 kV及以上電壓等級系統繼電保護設備各類缺陷分布如圖13所示。

圖13 2007—2016年繼電保護設備缺陷分布

不同運行年限繼電保護設備的平均缺陷率也不同。據統計，投運1年的保護設備平均缺陷率較高，投運2～5年的保護設備平均缺陷率呈下降趨勢，運行6～10年的保護設備比較穩定，運行11年以后的保護設備進入缺陷多發期，發生故障的幾率也增加。當前，老舊設備超壽命服役現象日漸突出，特別是近五年來運行年限超過10年的保護設備快速增加，圖14為220 kV及以上老舊保護設備占比情況。由于運行10年以上保護設備的缺陷率會上升，老舊設備改造的任務在未來幾年內將十分艱巨。

3.2 缺陷原因分析

對十年來導致220 kV及以上繼電保護設備缺陷的原因進行統計分析，發現缺陷原因主要包括：制造質量不良、非人為原因、運行維護不良等，如圖15所示。可見，制造質量不良是造成繼電保護設備缺陷的最主要原因，因此要嚴把設備的檢測和入網關。

圖14 運行10年以上保護設備占比情況

圖15 繼電保護缺陷原因分布

按繼電保護系統缺陷發生的部位，可以進一步分為裝置本體缺陷、通道及加工設備缺陷、二次回路及輔助繼電器缺陷、故障錄波缺陷和其他缺陷。浙江電網2007—2016年繼電保護系統各類缺陷分布如圖16所示，可以看出裝置本體、通道加工設備和故障錄波是主要的缺陷部位，據此，可以有針對性地開展消除和預防工作。

圖16 繼電保護缺陷部位占比分布

4 結語

2007—2016年，隨著裝備制造水平的提高和專業管理力度的加強，浙江電網繼電保護的裝備水平和運行水平取得了較大發展，智能變電站技術也取得了長足進步。然而，新的電網特性給繼電保護帶來了新的挑戰，在設備運行維護和新技術探索過程中，也暴露出一些問題，主要表現為：

（1）傳統交流保護難以滿足當前電網新需求。在交直流混聯電網中，交流側的故障易引起直流側的換相失敗，進而導致直流雙極閉鎖，產生較大功率沖擊并影響電網安全穩定。主保護拒動、開關失靈或死區故障，都將造成故障切除時間延長，從而引發直流閉鎖的風險。

（2）智能變電站繼電保護技術有待提升。當前工程應用模式下，繼電保護中間環節增多，降低了保護的速動性；合并單元單一故障容易引發多套保護不正確動作，降低了保護的可靠性。另外，智能變電站的運維檢修難度增大，工程文件的管控也不盡規范。

（3）繼電保護支撐手段不足。整定計算和在線校核智能化水平有待提升；繼電保護設備的狀態評估精益化程度不夠，基礎數據缺乏有效管理和挖掘；繼電保護的在線監視與分析實用化程度不高，信息展示不夠全面，缺乏對調控運行業務的有效支撐。

為使繼電保護更好地適應新電網特征，在未來繼電保護發展規劃中，要以問題為導向，重點研究交直流混聯電網中的繼電保護技術，重點推進智能變電站技術水平和管理水平的提升，重點加強在線監測系統、自動整定和在線校核系統、狀態評估系統等繼電保護支撐平臺的建設，從而提升新形勢下電網的安全穩定和智能化水平。

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Analysis on Relaying Protection and Its Operation Conditions in 220 kV and Above AC System of Zhejiang Power Grid in the Last Ten Years

QIU Yutao1，LING Guang2，WANG Yi3，KE Renguan4，CHEN Weihua5

（1.State Grid Zhejiang Electric Power Company， Hangzhou 310007， China；2.State Grid Shaoxing Power Supply Company， Shaoxing Zhejiang 312000， China；3.State Grid Zhejiang Maintenance Branch Company， Hangzhou 311232， China；4.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute， Hangzhou 310014， China；5.State Grid Taizhou Electric Power Company， Taizhou Zhejiang 318000， China）

This paper summarizes the development of relaying protection in Zhejiang power grid in the last ten years（2007—2016）by analyzing the level of protective relay devices，operation condition and defects.Firstly，the proportion development of micro-computerization， double configuration， homemade production and optical fiber for 220 kV and above protective relay devices in the last ten years is demonstrated.Secondly，auxiliary equipment of the emerging intelligent substation gets counted and analyzed to comprehensively show the development of equipment level.Protection actions of 220 kV and above main grid and power plants，primary equipment fault and causes of incorrect protection actions in the last ten years are analyzed.Types，reasons and locations of relaying protection defects in the last ten years are analyzed.Lastly，the paper gives suggestions on the future development in accordance to the existing problems and challenges in relaying protection of Zhejiang power gird in the last ten years.

Zhejiang power grid； relaying protection； intelligent substation； operation analysis； defect analysis

10.19585/j.zjdl.201709001

1007-1881（2017）09-0001-07

TM774

B

2017-06-30

裘愉濤（1967），男，教授級高工，主要從事電力系統繼電保護專業管理及智能變電站研究工作。

凌 光（1986），男，高級技師，工程師，主要從事電力系統繼電保護設備管理及智能變電站研究工作。（通訊作者）

（本文編輯：方明霞）