110 kV智能變電站繼電保護研究

張 鵬

（山西煤炭進出口集團煤炭銷售分公司，山西長治 046000）

0 引言

智能變電站在運行過程中發生異常情況是不可避免的，且由于電力系統是由多個元器件經復雜規則整合組成的，一旦某個元器件出現故障，將影響到整個電力系統的運行。采用繼電保護可以在某元器件發生故障時快速切斷故障器件，使故障對電力系統的影響大幅度降低。因此繼電保護對智能變電站中最為重要的一環。

國外的繼電保護研究開始于20世紀70年代，以美國、德國、日本為首的國家在繼電保護領域大有建樹，如德國西門子公司早在20世紀80年代投入了第一套變電站自動化系統，隨后相繼研發了ABB、GE的產品[1]。1984年，原華北電力學院研制出輸電線微機保護裝置，為國內的繼電保護提供了新的思路[2]。繼電保護設備的正常運轉關系著智能變電站的穩定運行，因此確保繼電保護技術的可靠性和有效性是關鍵。

1 智能變電站繼電保護基本要求

將繼電保護應用在智能變電站中，不僅僅滿足在裝備配置上和電力系統中基本的條件，更需要使得智能變電站和電網的運行更加高效、靈活、智能。因此對繼電保護有以下幾點基本要求。

（1）根據不同設備故障特征提取量配置不同的繼電保護。智能變電站的“智能”很大一部分體現在：實時監測不同設備的運轉情況，采集當前設備數據，分析當前設備的狀態是否良好，當設備發生意外時，也可以根據采集得到的數據判斷其故障類型。因此對故障特征量的提取和分析就顯得格外重要。不同的設備的特征提取量類型是存在差異的，目前最為常見的特征量類型有電流、電壓。因此需要根據不同特征量配置相應的繼電保護類型。

（2）根據不同設備的電壓等級以及設備的重要程度配置不同的繼電保護。在智能變電站系統中，不同的電壓等級的設備配置的繼電保護等級也是不同的。電壓等級高的設備在發生故障時對變電站造成的危害更多、損失更大。因此需要配置靈敏度更高、反應速度更快、動作時間更短的繼電保護。在變電站中，電壓等級超過110 kV的設備需要配置兩套保護裝備，同時必須符合雙重化標準。

（3）二次回路的簡化。二次回路雖然并非是繼電保護系統中的主要保護對象，但它對電力系統安全生產起著十分關鍵的作用。二次回路如果過于復雜，可能影響到繼電保護裝置的性能，導致繼電保護裝置無法實時、準確地監測保護對象，當發生故障時，無法快速動作或者誤動作等。因此，在不影響變電站安全穩定運行的條件下，應盡量簡化二次回路。

（4）交叉保護。變電站各個設備之間的繼電保護可能會出現死區問題，因此要合理分配電流互感器繞組分配，交叉保護相鄰兩設備，避免出現保護死區問題[3]。

2 智能變電站繼電保護配置方案

2.1 110 kV及以下電壓等級線路保護配置

對于110 kV及以下電壓等級的變電站，通常是主保護和后備保護相結合的配置形式，一般情況下，主保護為雙套配置，還需保證線路保護和MU配置相匹配。智能終端處只需要一套裝置，但要保證使用單獨網絡將終端與兩主變保護連接。在該配置方案中，采樣信號為本間隔MU母線電壓。為了防止出現網絡間隔而導致延時，所以在系統采樣時，將通過間隔保護對電壓、電流交叉組合。但是在線路保護中出現多個間隔情況時，會限制母線MU的輸入和輸出。因此使用SV網絡采集電壓信號，既可以降低網絡延時，而且也節約了網絡內部大量的輸入輸出口，是最佳選擇[4]。圖1所示為110 kV線路保護配置方案。

圖2所示為35 kV線路保護配置方案。由圖可知，使用保護測控一體化裝置對35 kV及以下的電壓等級的線路是適合的。當一次設備的安裝方式是開關柜方式，那么保護測控一體化裝置應該放置于柜內。

圖1 110 kV線路保護配置方案

圖2 35 kV線路保護配置方案

2.2 主變配置

與線路保護類似，主變保護配置方案也是隨著電壓等級的不同而配置，低電壓等級時單套配置，高電壓等級則用雙套配置。通常保護變壓器的方法有直采直接方式時斷路器動作、GOOSE網絡變壓器保護母聯、啟動失靈、分段斷路器和閉鎖自投等；通過GOOSE網絡，可以對失靈的保護跳閘指令進行接收，分為以下兩種方案[4]。

（1）單套主變保護配置

因為具備高可靠性和快響應的特點，因此變壓器保護可以分為兩個部分：第一部分為主保護，使用差動保護，同時考慮到對速率要求比較高，所以變壓器各電壓等級側智能終端和合并單元的連接方式采用光纖；第二部分為后備保護，保護裝置采用各電壓等級側后備保護合一裝置，與主保護類似，使用光纖將各電壓等級側的智能終端和MU相連接。

圖3所示為低電壓等級主變保護的單套配置方案。由圖可知，由光纖搭建的網絡具備了穩定性高，靈敏度高的特點，同時，選擇直采直跳的方式，不經過以太交換機，而是點對點式進行采樣信號和跳閘信號的采集和傳輸，實現了主變保護器繼電保護同步采樣和快速響應的要求。MU接入方式為現場一次配置，且使用硬接線方式將智能終端和開關相連接。在低電壓等級側，采用MU和智能終端一體化配置；在高電壓等級側需要獨立的MU配置。主變保護的后備保護的主要保護對象是在母聯以及分段開關，因此也可以作為變電站母線保護的后備保護。直接采樣直接跳閘的方式優點為縮小空間，減少多余的硬件配置[5]。對于低壓側采用網絡跳閘的方式可以避免GOOSE網絡造成網絡冗余的麻煩。主變保護的動作命令通過GOOSE網絡傳輸，中低壓側的分段母聯通過光纖連接。

圖3 主變保護的單套配置方案圖

圖4 雙重主變保護配置方案示意圖

（2）雙重化主變保護配置

當接線方式為雙母線接線形式時，不同電壓等級側的智能終、合并單元采用雙配套裝置，即雙重化保護保護配置。為了實現非電量保護從而實現非電量時延，采用直接電纜跳閘的方式[6]。圖4所示為雙重主變保護配置方案，為了使每套裝置都實現主保護和后備保護、各電壓等級側配置符合雙重化標準，所以配置了雙重化標準的變壓器。與單套配置保護類似，對主單元和子單元進行分布式保護，利用斷路器通過直接采樣直接跳閘的方式實現主變保護，通過GOOSE網絡對故障指令進行快速傳輸，傳達至過程層。

目前，智能終端、非電量保護和主變本體測控單元的整合方案如圖5所示。將智能終端、非電量保護和主編本體測控單元整理后放置于戶外變電柜中，非電量保護采用硬接線直條的方式，用光纖連接方式構成GOOSE網絡實現信息在過程層和間隔層之間的傳輸[7]。

圖5 智能終端、非電量保護和主變本體測控單元的整合方案

2.3 母線保護配置

相關技術規范中寫到：母線保護配置方案需用光纖連接，且直接采樣直接跳閘的保護配置方式[8]。圖6所示為單套母線保護配置方案。根據母線保護的配置可以得出相應保護裝置的工作方式：（1）具有發送GOOSE命令的功能；（2）MU通過GOOSE傳輸信息至間隔層；（3）接收各間隔采樣信息。

圖6 單套母線保護配置方案

3 結束語

本文研究了智能變電站繼電保護的配置方案。闡述了線路保護、變壓器保護和母線保護的要求，然后從這三部分的配置方案對智能變電站進行了研究，取得了相應的成果，但在一些細節上仍需要更深入的研究。隨著繼電技術的快速發展以及信息傳輸技術的不斷進步，這些技術將會更加深入地運用到智能變電站的建設和改造中，變電站保護系統將會更加可靠、高效。