智能變電站繼電保護系統可靠性分析

熊 迪

（中油電能供電公司，黑龍江 大慶 163000）

0 引 言

由于電力系統建設的不斷完善，供電網絡的規模和電壓等級不斷提高，所以對電力系統的安全性、可靠性提出了更高要求。電力行業為人們提供高質量、安全和經濟的電能是當前首要解決的問題，智能電網建設是國家提出的戰略布局，智能變電站是把通信網絡技術和控制技術進行結合的產物，二次系統在信息傳輸模式上產生了很大的轉變，實現了對變電站運行信息進行采集、測量、保護及控制等功能，可以與電網自動化進行結合，為實現在線分析決策和智能調整提供依據。

1 智能化變電站繼電保護系統構成

傳統的變電站繼電保護系統是站控層、間隔層兩個層次的框架。隨著智能斷路器、電子式互感裝置技術的不斷成熟，智能變電站繼電保護系統發展為站控層、間隔層及過程層三個層次的框架。運行數據信息的采集利用電子互感器替代了電磁式互感器，把數據信息通過合并單元處理，并采用特定的數據格式把信號通過網絡系統送到繼電保護中。保護動作控制單元中，智能終端主要用于接收測量控制裝置及保護裝置生成的跳合閘信號來驅動斷路器動作，再把斷路器跳合閘運行信息回饋給繼電保護裝置[1]。

1.1 電子式互感器

傳統變電站互感器裝置采用電磁結構方式，隨著光電子技術的發展進步，數字化電氣測量裝置不斷應用到變電站。電子互感器替代了電磁互感器，該互感器會根據是否應用傳感頭來決定電源，可分為有源和無源兩個種類，可以克服傳統互感器在使用過程中存在的問題，沒有磁飽和現象，從而提高對故障測量的準確程度，使保護裝置可以準確地動作，可以保護電力系統的安全運行。光纜取代了原來的電纜，絕緣方式比較簡單。此外，電子互感器占用的體積較小，重量較輕，可以輸出數字信號，使電站的二次系統實現集中控制，為實現變電站的智能化創造條件，滿足了電氣計量和智能化發展的要求。不需要采用油質進行絕緣，提高了使用的安全性，避免出現火災和爆炸事故。

1.2 合并單元

合并單元的主要作用是把電子互感器傳輸過來的數據信息進行組合，采用一致的時間標簽和指定的數據傳輸格式把采集到的數據信息發送到保護控制裝置，是過程層級數據傳輸的重要元器件。合并單元與電子互感器可以實現很好的配合，是過程層關鍵的電氣元件，也是智能變電站重要的環節，并防止互感器和繼電保護裝置相互間產生復雜的接線，進一步減少了建設成本，可以實現二次設備的數據共享。

1.3 交換機

智能變電站應用交換機建立網絡平臺來實現數據信息交換，取代了傳統變電站利用電纜進行數據傳輸的方式。交換機是通信網絡中重要的設備。網絡交換技術是數據鏈路層級的信息技術，實現數據信息幀的轉發。傳輸數據信息時，交換機可以形成可靠的數據渠道，控制網絡數據的流量，從而保證數據幀可以實現快速交互，并通過交換地址表使信息在局域網中實現傳輸。生成樹協議的應用，有效解決了交換機不形成環路的問題，防止出現廣播風暴，使交換機相互間產生冗余鏈路，有效提升了智能電站穩定性和安全性。

1.4 智能終端

電子式互感器技術的成熟和應用，再結合計算機控制技術，可以實現對變電站斷路器運行溫度、機構動作情況等的監測；通過對運行數據的采集和處理，可以準確地識別出斷路的運行狀態；科學安排檢修時間，可以做到設備的狀態檢修，取代了原有的定期檢查和預防性試驗。智能終端是變電站一次設備的智能控制組件，可以接收和處理繼電保護裝置傳輸的跳合閘控制命令，采用斷路器裝置進行開斷。斷路器裝置上的運行信息可以輸送到監測裝置或站控層，工程技術人員采用遠程方式了解斷路器的實時狀態。

2 智能變電站繼電保護系統可靠性分析

為分析智能變電站繼電保護系統可靠性，需要組建可靠性數學模型。組建模型的方法很多，蒙特卡羅模擬比較常見，主要是采用計算機實現控制元件的隨機選用，可以對繼電保護系統進行抽樣檢測，從而對失效的概率進行統計分析，然后再通過系統實現對可靠性的計算。該種建模方式并不適用于所有的智能變電站，特別電氣元件復雜的電站系統。馬爾柯夫模型用于復雜電站系統，會使模型變得更為繁雜，無法很好地解決問題。可靠性圖框法可以實現復雜智能電站系統的數學模型建立，模型結構雖然簡單，但可以實現對變電站系統電氣元件相互邏輯關系的劃分，計算較簡單，結合智能電站過程層以及GOOSE報文結構，組建起繼電保護可靠性模型。

3 智能電站繼電保護系統可靠性計算

智能變電站采用雙重保護系統，兩個系統之間是相互獨立的，不存在任何聯系，并配備雙網并行冗余通信協議，從而保證SV采樣數據信息以及GOOSE保護跳合閘保護信號可以實現在電站過程層的無損傳輸。兩套配置方式使繼電保護裝置可以滿足冗余設計要求，從而更好地保護繼電系統的可靠性。主變壓器智能保護終端、合并單元采用組網方式實現連接，從而對GOOSE雙網進行很好地保護。該通信網絡可以實現對變電站系統開關量的采集以及發出傳輸跳閘保護命令，采用IEC標準通信協議實現SV網絡對采集數據信息的傳送[2]。

為使智能變電站可以在應用層面實現智能化，主變壓器繼電保護應用CPU控制器實現相關的控制功能，測量和采樣可當作繼電保護啟動和識別的依據，從而更好地提升繼電保護系統的可靠性。主變壓器的保護可靠性，可利用最小路集和最小割集不交化控制算法，把每個電氣元件正常工作概率引入，從而獲取主變器可靠性函數為其中，P是it變電站智能控制終端正常條件下概率，Pem則為網絡通信介質正常條件下概率，Psm是交換機設置正常工作概率，Ppr是繼電保護在正常條件下達到的概率，Pmu是合并單元在正常工作條件下的概率。把各種電氣元件的故障率引入，t取值為50年，從而得到主變壓器保護可靠度為09.999 999 911。為了對最小路徑集法進行科學合理地驗證，可以對可靠性函數準確性進行驗證，對多個繼電保護可靠性進行串聯簡化，將其轉變為公式進行計算。220 kV供電線路需要多個繼電保護單元，系統的結構型式比較復雜，一些線路SV網絡為冗余結構方式，需要應用4臺SV數據交換機，但是110 kV供電線路只采用了2臺SV數據交換機，可以看出前者具有更好的可靠性。

4 提高智能變電站繼電保護系統可靠性策略

智能變電站母線保護是斷電保護系統的關鍵環節，母線裝置的可靠性會對智能變電站的正常運行帶來影響。為提高智能變電站保護系統的可靠性，需要使保護系統具備合理的冗余結構。冗余性會受保護裝置和通信網絡的冗余度的影響。對于物理層次，對控制網絡拓撲結構實現靈活組網，可以發揮出特有的優勢；采用雙以太網并行的保護技術，可以使其具備的冗余優勢得到更好地體現。智能變電站通信網絡拓撲結構可以采取多種型式，科學合理地選用結構型式可以更好地提高冗余度。

冗余裝置是提升繼電保護系統的關鍵措施，任何型式的變電站都離不開冗余設計。可以利用兩套繼電保護系統，并設計終端保護設置、數據交換機及合并單元，以提高系統的保護性能。

4.1 變壓器繼電保護配置

電力系統供電電壓是設定好的，如果運行電壓值出現波動，會使配電系統正常運行受到影響。智能變電站控制運行電壓時，需要采用主變壓器來完成。變壓器是變電站重要的電力設施，電壓的控制采用分布配置的辦法來實現，從而起到對變壓器的保護，可以采用差動斷電保護的措施。保護變壓器時，可以采用集中配置的辦法，保證繼電保護安裝可以獨立完成，實現對非電量的繼電保護功能。斷路器和電纜連接完成后，可以把繼電保護的性能充分發揮，變壓器的可靠性得以顯著提升。

4.2 可視化技術的運用

為提高智能變電站繼電保護可靠性，需要對故障實現有效處理。雖然信息技術得到了巨大進步，但是很多繼電保護裝置的運行故障監測和處理還采用表格和數據方式。智能變電站引入可視化技術對繼電保護裝置進行監控是十分必要的，可以實時對繼電保護裝置運行情況，實現故障預警和運行數據采集。智能變電站運行時可能由于數據信息傳輸問題而引發故障，所以需要對通信系統錯誤信息進行全面、系統地排查，以保護繼電保護裝置。繼電保護裝置動作時，生成的中間節點文件和故障波形相符。繼電保護裝置產生運行故障時，需要對中間節點文件形成的數據信息進行準確采集，以全面分析故障，從而確定故障原因。為工程技術人員提供準確的排查記錄信息，針對故障情況制定切實可行解決措施。

5 結 論

為提高智能變電站繼電保護可靠性，需要工作人員對繼電保護系統進行深入了解，結合變電站的實際情況，制定提升可靠性的措施。