智能變電站變壓器差動保護系統可靠性研究

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(廣西大學電氣工程學院，廣西 南寧 541004)

智能變電站變壓器差動保護系統可靠性研究

王政輝，譚建成

(廣西大學電氣工程學院，廣西 南寧 541004)

研究基于電子式互感器的變壓器差動保護過程層網絡的組網方案及典型結構，綜合分析采用合并單元、智能終端、多合一裝置、直采直跳、網采網跳、直采網跳等變壓器差動保護方案的可靠性及技術經濟指標。計算結果表明采用多合一裝置及直采直跳的變壓器差動保護系統具有簡單可靠性價比高的特點。

智能變電站,變壓器保護,可靠性

1 引言

目前，我國智能電網已進入全面建設階段，在智能電網快速建設的過程中，電網的安全穩定是智能電網的首要準則。變壓器保護是保障電網安全的關鍵之一。通信網絡被引入變電站過程層，并成為二次設備數據傳輸和信息交換的橋梁[1-2]。在基于IEC61850標準的智能變電站中，保護系統采用過程總線通信，保護功能的實現很大程度上取決于通信網絡的可靠性。由于通信網絡的性能問題而導致繼電保護的誤動、拒動是電力系統無法接受的。因此，合理地設計變壓器保護系統的體系結構，不僅可以確保各種保護控制功能的實現，對整個變電站的安全穩定運行也具有重要意義。

冗余設計是提高數字化變電站體系結構可靠性的關鍵。近年已有學者提出了一些數字化變電站的典型冗余結構[3-4]，但主要是針對單個間隔內的保護系統進行網絡冗余配置，并沒有考慮到合并單元或者智能終端冗余過多后所帶來的經濟成本。因此，已有相關學者對合并單元與智能終端實現一體化方案進行了相關研究[5-6]，并應用于智能變電站。該裝置應用于智能變電站后不僅對系統的可靠性還是經濟性都具有很大的優勢。

鑒于上述分析，安全可靠的智能變電站對智能電網的發展至關重要。過程層涉及變電站一次設備的數據傳輸和設備的實時控制，如數據采集和保護跳閘等，過程層網絡以及一體化裝置的使用在很大程度上決定了變電站的穩定性和可靠性。本文的重點就是對變壓器保護系統不經過過程層以及應用多合一裝置的構建方案進行討論。

2 變壓器差動保護及智能化

數字型變壓器差動保護在能量守恒的原則下，按基爾霍夫電流原理構建，通過軟件對測量電流進行幅值及角度補償，從而在正常運行及區外故障時，流入差動繼電器中的電流之和小于動作閾值，差動保護可靠不動作。

圖1 變壓器區外短路

圖2 變壓器區內短路

此外，變壓器出口區外三相金屬短路故障時，可產生很大短路電流，可導致故障側電流互感器飽和，輸出電流嚴重畸變，而非故障側電流較小，電流互感器輸出無畸變，由此形成的不平衡電流，可能引起差動保護誤動。雙比例制動繼電器的制動特性引入雙斜率制動機制，當動作電流較小時，采用較小斜率以確保保護的靈敏性。當動作電流較大時，比如大于額定電流的兩倍時，采用較大斜率，適量增大制動電流，防止變壓器區外故障時差動保護誤動作。它的動作特性曲線如圖3所示。

圖3 雙斜率繼電器制動特性

隨著智能電網的發展，特別是在電子式互感器技術、智能開關技術、網絡通信技術的進步及IEC61850標準推廣應用，智能變電站的建設將朝著全站信息數字化、通信平臺網絡化、信息交互標準化的方向發展。如今隨著電子式智能互感器及智能開關設備的出現，互感器合并單元輸出的是數字信號，一根光纖代替了數根電纜直接通過以太網送給變壓器保護裝置，無電磁兼容問題，測量精度高，可靠性好；智能斷路器的智能終端經兩條光纖接至以太網與變壓器保護裝置相聯，如圖4所示。在過程層設備采用了大量的復雜新技術，還增加了許多設備，如合并單元與智能終端，但要求實時性、可靠性極高，對繼電保護設備的性能產生重大的影響[7]，其二次系統的可靠性引起了關注。

圖4 智能變電站中變壓器保護位置框圖

3 智能變壓器保護系統

3.1 過程總線冗余結構

過程總線是變電站自動化系統最為重要的網絡系統，通常采用冗余配置以確保其可靠性。一般的網絡冗余方案可以是星形、環形等基本機構并聯組合，目前IEC61850-90-4推薦了雙網并行冗余(PRP)和高可用性無縫環(HSR)這兩種可實現網絡單點故障的無擾恢復。

根據IEC61850協議，建立的過程總線PRP、HSR和RSTP冗余模型分別如圖5～8所示，雙網并行冗余采用兩個獨立的局域網傳輸數據。這兩個獨立的局域網可采用不同結構，如A網采用星形結構，B網采用樹形結構。

PRP網絡的冗余節點(DANP)主要由兩個網絡適配器和一個鏈路冗余實體構成，鏈路冗余實體用于聯系上層應用與底層網絡，DANP將一份數據通過兩個窗口發送出去，接收節點會收到兩份相同的數據，但只有一份數據會提交給上層應用。

圖5 基于PRP協議的網絡保護系統

如圖6所示，HSR可采用單環結構，亦可采用多環結構，多環結構由單環結構通過QuadBox級聯。與RSTP不同的是，當網絡出現單點故障時，網絡系統不會受到任何干擾，而RSTP需要一定的時間重新進行網絡重構。在RSTP實驗發現，鏈路故障切換時間為30～104ms，恢復時間為4～16ms，在交換機故障條件下，故障切換時間為61～132ms,恢復時間為12～20ms。由此看出，RSTP協議尚不能滿足保護系統對通信故障的修復時間要求，況且其故障修復時間會隨著網絡規模的增大而增大，在實際工程中，不宜采用復雜的網絡結構。HSR節點(DANH)除了發送自己數據外，還會為其它節點轉發數據。對于點對點通信，兩份數據分別從兩個方向傳輸到目標節點，其路由總和為一個環網；而對于點對多點的多播通信時，兩份數據都需要經歷整個網絡，其路由總和為2個網絡。但HSR的節點過多時，會影響報文傳輸的實時性，對系統的可靠性會產生影響。

圖6 基于HSR協議的網絡保護系統

圖7 基于RSTP協議的網絡保護系統

3.2 變壓器保護系統組網方式

(1)直采網跳

智能變電站采用電子式互感器，其輸出的數字量采樣信號經過合并單元數據同步之后供保護裝置使用。SV可采用組網模式[8]，也可采用點對點直采模式。當SV采用直采模式傳輸時，合并單元輸出的數字量采樣值直接發送至保護裝置，采樣同步在間隔層完成，而合并單元需要將前端的采樣延時標記在數字采樣值報文中。保護裝置的跳閘信息通過站控層網絡傳輸到智能終端控制斷路器跳閘。直采直跳變壓器差動保護系統模型如圖8所示。圖中，MU1，MU2為合并單元，IT1，IT2為智能終端，Relay1，Relay2為保護裝置。此外，圖9中的Switch1和Switch2為網絡交換機，圖10中的MU+IT為合并單元與智能終端一體化裝置。

(2)網采網跳

過程層網絡的另一種組網方式是網采網跳，即SV與GOOSE共網傳輸的“網采網跳”方式。這種組網方式雖然減少了間隔之間接線的復雜性，但由于來自合并單元的SV信息量比較大，其對過程層網絡設備和傳輸介質的性能的要求非常高，變壓器差動保護采樣此種組網方式如圖9所示。網采、網跳均是要依賴交換機的接入，因此，交換機的可靠性及報文傳輸的準確性將會影響到變壓器保護的可靠性。

圖9 網采網跳變壓器差動保護系統模型

(3)直采直跳

在早期的智能變電站二次回路設計中，曾經廣泛基于IEC61850-9-2標準的組網方案，要求每個間隔配置一臺間隔交換機，站控層設置主干網交換機。間隔層交換機和過程層交換機之間傳輸 GOOSE跳閘信息、聯閉鎖信號、失靈啟動開入、開關狀態信息。因此，保護之間的通信可靠性和實時性嚴重依賴于交換機，其可靠性受到挑戰。

由于交換機的引入而帶來的諸如網絡延時不穩定、對交換機的依賴性強、對同步信號丟失后可能造成變壓器各側的采樣不同步而產生差流等缺點。針對這些缺點，直采直跳模式就簡單可靠多了。直接采樣是指智能電子設備間不經過以太網交換機而是以點對點光纖直聯方式進行采樣值傳輸，直接跳閘是指智能電子設備間不經過以太網交換機而以點對點光纖直聯方式進行跳合閘信號的傳輸。

本組網方式采用合并單元與智能終端多合一裝置，其直采直跳的變壓器差動保護系統模型如圖10所示。

圖10 直采直跳變壓器差動保護系統模型

4 智能變壓器保護系統可靠性模型

平均故障時間(MTTF)是描述不可修復產品的一個重要可靠性指標，它的計算方法是N個不可修產品在相同條件下進行測驗，測得壽命數據分別為t1,t2,t3,…,tn，那么平均故障時間為:

(1)

若壽命是連續型隨機變量，則平均故障時間為:

(2)

平均故障間隔時間(MTBF)是用于描述可修產品的一個重要可靠性指標。它的計算方法為：一個可修產品在運行中發生N次故障，每次故障修復后又如新的一樣繼續投入工作，工作時間分別為t1,t2,t3,…,tn，則平均故障間隔時間為:

(3)

對于壽命是連續型隨機變量，則平均故障間隔時間可用式(4)表示:

(4)

平均故障修復時間(MTTR)是用于描述可修產品的一個重要可靠性指標，是指產品從故障發現到故障修復之間的這段時間。對于一個簡單的可維護的元件，它的故障修復時間滿足式(5)關系:

TMTBF=TMTTF+TMTTR

(5)

4.1 直采網跳變壓器差動保護系統可靠性計算

變壓器差動保護是變壓器的主保護，是根據基爾霍夫電流原理構建的，主要用來保護雙繞組或三繞組變壓器繞組內部及其引出線上發生的各種相間短路故障，同時也可以保護變壓器單相匝間短路故障。隨著智能電網的發展，特別是在電子式智能互感器技術、智能開關技術、網絡通信技術的進步以及IEC61850標準的推廣，智能變電站的建設正朝著全站信息數字化、通信平臺網絡化、信息交互標準化的方向發展。為了確保跳閘信息的實時性，提高保護可靠性，智能變電站中變壓器保護系統于過程層中采用“直采網跳”或“直采直跳”等方式。

直接采樣是指智能電子設備間不經過交換機而是以點對點連接的方式直接進行數值傳輸，直接跳閘則是指智能電子設備間不需經過交換機而以點對點連接的方式直接進行跳合閘信號的傳輸；網絡采樣是指智能電子設備間經過交換機的方式進行采樣值傳輸共享，而網絡跳閘則是指智能電子設備間經過交換機的方式進行跳合閘信號的傳輸。

根據智能變電站變壓器保護配置原則，220kV及以上變壓器電量保護按雙重化配置，每套保護包含完整的主后備保護功能，圖11所示為直采直跳變壓器差動保護系統模型的可靠性框圖。圖中，N1，N2，N5，N6為電纜，N3，N4為光纜，SW1，SW2為網絡交換機，R1，R2為保護裝置。值得說明的是，表達式中出現的對應符號則代表相應裝置的失效率。

假定合并單元與電流互感器之間經6根電纜相聯采集三相電流，通過共地4根電纜與電壓互感器相聯采集三相電壓；智能終端通過共地4根電纜與斷路器三相跳閘線圈連接。

任意一根電纜失效，將導致保護系統的不可用。設N為合并單元與其相對應的電流電壓互感器之間的電纜總數(6+4 =10)，λn表示一根電纜的失效率，在可靠性邏輯框圖中，這些電纜表征為串聯處理模式。

RN1=RN2=(1-λn)10

(6)

RN3=RN4=(1-λn)4

(7)

RN5=RN6=(1-λn)4

(8)

該模式的優點是結構清晰；缺點是交換機的引入使結構更為復雜，而且會降低系統的可靠性。

圖11 直采網跳變壓器差動保護系統可靠性框圖

由圖11可靠性框圖計算，假設合并單元MU1、MU2具有相同的可靠性，繼電器R1與R2、智能終端IT1與IT2分別具有相同的可靠性，則變壓器差動保護系統可靠性計算如下：

RS=1-[1-(1-N1)·(1-MU)·(1-SW)·

(1-R)·(1-IT)·(1-N3)]2

(9)

計算結果如表2所示。

為了更好地分析系統的可靠性，根據表1引用的元件參數，相關系統的可靠性計算如下：

表2數據表明：三種交換機的冗余方式均能有效地提高變壓器差動保護的可靠性，隨著平均故障修復時間的減小，系統的可靠性逐漸增高。

4.2 直采直跳變壓器差動保護系統可靠性計算

在過程層中，網絡結構采用GOOSE和SV共同組網，直采直跳相互獨立，合并單元與智能終端一體化，圖5中的MU+IT為合并單元與智能終端多合一裝置，用IN表示其失效率。多合一裝置不僅節約了裝置的物理空間，而且便于網絡接線。

表1 元件可靠性數據

表2 直采網跳模式下變壓器差動保護系統可靠性

圖10所示模型是在原有的基礎上去掉多合一裝置與保護裝置之間的交換機。如圖12所示為直采直跳變壓器差動保護系統的可靠性框圖，相關的可靠性計算如下：

圖12 直采直跳變壓器差動保護系統可靠性框圖

RS=1-[1-(1-N1)·(1-N3)·(1-IN)2·

(1-R)·(1-N5)]2

(10)

表3的數據可知，采用一體化裝置、保護裝置與一體化裝置直連，可有效提高系統的可靠性。并且，此方案在雙重保護失效的情況下，仍能通過HMI控制斷路器跳閘，進一步提高系統的可靠性。

4.3 網采網跳變壓器差動保護系統可靠性計算

網采網跳的變壓器保護系統可靠性框圖如圖13所示，相關可靠性計算如下：

圖13 網采網跳變壓器差動保護系統可靠性框圖

RS=1-[1-(1-N1)·(1-N3).(1-MU)2·

(1-SW)2·(1-R)·(1-IT)·(1-N5)]2

(11)

從表2～表4的數據可以看出，采用“直采直跳”的組網方式以及多合一裝置的變壓器保護系統，它的可靠性要高于其它兩種組網方式。并且這種方式少用了諸多交換機，這對降低智能變電站的建設成本起到顯著的效果。同時，若平均故障修復時間為72小時的情況下，采用直采直跳或直采網跳模式下的保護系統的可靠性均達到可靠性要求，而網采網跳模式下的變壓器保護系統的可靠性為99.986%，達不到可靠性要求。因此，過程層合并單元采樣中采用直采模式對系統的可靠性較為有利。

但直采網跳模式仍具有其優勢，如能增加系統靈活性。假如智能變電站的智能設備經過多年運行，元件性能趨于穩定完善，且現場備有元件零部件，在24小時內完成故障元件的替換工作，計算用參數如表5所示。

表5 元件可靠性數據

表6 保護系統可靠度

從表6計算結果可以看出，備件的使用、智能元件可用度的提高，元件的故障修復時間縮短，智能變電站變壓器差動保護系統在三種模式下均達到了可靠性要求，但采用直采直跳模式下的可靠性最高。雖然直采網跳及網采網跳模式下的可靠度均達到99.999%以上，但直采直跳模式的保護系統無論在可靠性方面還是在經濟性方面均較符合智能變電站的發展要求。

綜合以上分析，無論是元件穩定度是否完善，有無備件情況下，采用直采直跳模式的變壓器保護系統在三種模式中的可靠度最高。且由于減少使用交換機，其經濟性較好。此外，若在元件穩定度趨于完善且有備件的情況下，若考慮系統的靈活性，則可適當使用直采網跳模式。

5 結論

本文從可靠性方面對智能變電站中過程層的“直采網跳”、“網采網跳”以及“直采直跳”三種組網方式的變壓器保護系統進行比較，研究結果表明所“直采直跳”方案要優于其他兩種組網方案，對智能變電站的變壓器保護系統的結構設計具有一定的參考價值。

變壓器保護系統的發展過程是一個體系結構逐漸優化、原有功能不斷優化重組、性能不斷更新的過程。如何面對未來智能變電站的發展，設計一個實時、可靠而又具有良好發展性的結構是一個值得關注和研究的問題。

[1] Martin Schumacher,Clemens Hoga,Joachim Schmid.Get on the digital bus to substation automation[J].IEEE Power & Energy Magazine,2007,5(3):51-56.

[2] Hosenlopp L.Engineering perspectives on IEC61850[J].IEEE Power & Energy Magazine,2007,5(3):45-50.

[3] Lars Anderson,Klaus P Brand,Christoph Brunner,etal.Reliability investigations for SA communication architectures based on IEC 61850[C].Proceedings of IEEE Power Tech Conference,St.Petersburg,Russia,2005:1-8.

[4] 張沛超,高翔.全數字化保護系統的可靠性及元件重要度分析[J].中國電機工程學報,2008,28(1):77-82.

[5] 劉曦，朱繼紅.關于合并單元和智能終端應用模式的探討[J].浙江電力，2011,3:15-18.

[6] 閆志輝,周水斌,鄭拓夫.新一代智能站合并單元智能終端集成裝置研究[J].電力系統保護與控制，2014，14(42)：117-121.

[7] 易永輝，王雷濤，陶永健.智能變電站過程層應用技術研究[J].電力系統保護與控制，2010，38(21)：1-5.

[8] 李寶偉，文明浩，李寶潭，等.新一代智能變電站SV直采和GOOSE共口傳輸方案研究[J].電力系統保護與控制,2014,42(1):96-101.

[9] 王曉晨，黃繼東.基于直采直跳模式的智能變電站的母線保護應用研究[J].電力系統保護與控制,2011(19).

ReliabilityStudyonDifferentialProtectionSystemofIntelligentSubstationTransformer

WANGZheng-hui,TANJian-cheng

(Electrical Engineering Academy of Guangxi University,Guangxi Nanning 541004,China)

This paper investigates the process bus architecture design for transformer differential protection schemes where electronic type current and voltage transformers are employed.Three typical network topology systems are analyzed and the reliability associated are calculated:(1)merging units(MUs)are directly connected to relays while intelligent terminal units(ITs)are wired to the process bus(2)MUs and ITS are both connected to the process bus(3)Integrated MU and IT devices directly connected to process bus.Reliability results show that the MU and IT integrated approach is of higher reliability and cost effective.

intelligent substation;transformer protection;reliability

1004-289X(2017)03-0016-06

TM63

B

2016-03-09

王政輝(1990-)，男，碩士研究生，研究方向為智能變電站及可靠性；

譚建成(1963-)，女，教授，博士生導師，研究方向為電力系統運行規劃、繼電保護以及基于IEC61850的變電站自動化系統等。