智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析

楊曉昕

（廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

1 智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性的重要意義

電器元件在單位時(shí)間內(nèi)、特定的環(huán)境下完成規(guī)定功率，并且不發(fā)生任何故障，這就能夠代表這個(gè)元件的可靠性。電網(wǎng)的智能化建設(shè)過程中變電站是最為關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)，繼電保護(hù)系統(tǒng)的智能化程度以及運(yùn)行穩(wěn)定性對(duì)于變電站運(yùn)行的穩(wěn)定程度產(chǎn)生直接的影響[1]。變電站的智能化實(shí)現(xiàn)一般通過兩個(gè)途徑，信息及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的方式，其中有很多的電子元件及智能設(shè)備，并且所有的元件及設(shè)備都必須安全、穩(wěn)定、可靠。變電站運(yùn)行的客觀條件、數(shù)據(jù)及環(huán)境因素發(fā)生一定的變化都會(huì)影響整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行，繼電保護(hù)系統(tǒng)會(huì)在故障發(fā)生的第一時(shí)間發(fā)揮其隔離的作用，讓整個(gè)系統(tǒng)規(guī)避電壓、電流帶來的危害，提升整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。所以，繼電保護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定性直接關(guān)系到整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行，必須著力于提升其可靠性。

2 智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)

從實(shí)用功能的角度出發(fā)，可以將智能變電站分成三個(gè)層面，分別是：間隔、過程以及站控層。間隔層利用計(jì)量、測(cè)控、保護(hù)等一些列設(shè)備對(duì)本間隔一次設(shè)備進(jìn)行相關(guān)操作，全面的收集信號(hào)并把相關(guān)信息傳輸?shù)秸究貙樱贿^程層實(shí)際上是數(shù)字化接口，對(duì)接一次設(shè)備，其中包含很多設(shè)備，例如智能終端、合并單元等；站控層的主要功能是建立與遠(yuǎn)端控制中心的聯(lián)系，控制全站一二次設(shè)備。“直采直跳”是當(dāng)前我國的智能變電站中使用范圍比較廣泛的一種繼電保護(hù)模式[3]。繼電保護(hù)模式一般可以分為三種，分別是直采直跳變壓器、母線、線路（如圖1-3）。其中傳輸采集信號(hào)采用的都是光纜，只有智能終端和斷路器間不是，其采用的是控制電纜。

3 智能電站繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性計(jì)算

保護(hù)智能變電站的有兩個(gè)系統(tǒng)，他們之間不具有關(guān)聯(lián)性，互相獨(dú)立，冗余通信協(xié)議在兩個(gè)系統(tǒng)上都有配備，過程層能夠進(jìn)行GOOSE 保護(hù)跳合閘保護(hù)信號(hào)以及SV采樣數(shù)據(jù)信息的傳輸，并不發(fā)生任何的信號(hào)丟失，很大程度上提升了繼電系統(tǒng)的可靠程度。為了達(dá)到保護(hù)GOOSE雙網(wǎng)的目的，連接主變壓器智能保護(hù)終端、合并單元使用的是組網(wǎng)的形式。這樣的一種方式不但能夠采集變電站系統(tǒng)的開關(guān)量，還能夠完成跳閘保護(hù)命令的傳出以及傳輸，SV 網(wǎng)絡(luò)傳送采集數(shù)據(jù)信息是通過IEC 標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議來完成的。

圖1 智能變電站直采直跳變壓器保護(hù)系統(tǒng)

圖2 智能變電站直采直跳母線保護(hù)系統(tǒng)

圖3 智能變電站直采直跳線路保護(hù)系統(tǒng)

通過CPU 控制器等設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)于主變壓器等元件的智能化保護(hù)，這樣做不但能夠增強(qiáng)系統(tǒng)安全性，還能夠提升變電站的智能化程度。繼電保護(hù)器以采樣及測(cè)量作為自己識(shí)別和啟動(dòng)的提示，這樣繼電保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性就能夠得到大幅度的提升。通過最小割集和最小路集的不交化控制算法中加入所有電氣元件正常工作概率數(shù)據(jù)參數(shù)，進(jìn)一步進(jìn)行計(jì)算得到R 主變（t=16P3itP7emP2smP2muP－pr）的可靠性函數(shù)。

函數(shù)里面的Pit 代表變電站智能控制終端概率，Pem代表網(wǎng)絡(luò)通信介質(zhì)概率，Psm 代表交換機(jī)設(shè)置概率，Ppr代表繼電保護(hù)概率，Pmu 代表合并單元概率。所有概率相關(guān)數(shù)據(jù)均為正常工作條件下的數(shù)據(jù)，將所有的電氣元件故障率代入函數(shù)中，取t 值為50 年，經(jīng)過相應(yīng)的計(jì)算得出主變壓器具有09.999 999 911 的保護(hù)可靠度。

驗(yàn)證了可靠性函數(shù)的準(zhǔn)確性也就間接的驗(yàn)證了最小路徑集法是否合理、是否科學(xué)，將所有可靠性簡(jiǎn)化串聯(lián)在一起，并代入式中進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。220kV 的供電線路所需繼電保護(hù)單元較多，整個(gè)體系的結(jié)構(gòu)也龐大且繁雜，部分線路由于其為冗余結(jié)構(gòu)的SV 網(wǎng)絡(luò)的原因，所需的SV 數(shù)據(jù)交換機(jī)數(shù)量達(dá)到4 臺(tái)，而110kV 線路使用的只有2臺(tái)，從這一點(diǎn)上可以看出220kV 供電線路的可靠性更強(qiáng)。

4 提高智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性策略

4.1 提高硬件系統(tǒng)可靠性措施

4.1.1 改用雙A/D 系統(tǒng)加入合并單元

合并單元是整個(gè)系統(tǒng)中比較重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，主要的任務(wù)是采集相關(guān)信息。它的實(shí)際應(yīng)用情況對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)造成的影響遠(yuǎn)大于別的元件。在相關(guān)的智能化進(jìn)程中，一個(gè)合并單元MU 以及電子式互感器就能夠完成所有信息的收集過程，為了增強(qiáng)這些手機(jī)信心的可靠程度，所有的采樣合并單元都應(yīng)該加入兩個(gè)A/D 系統(tǒng)，這樣單個(gè)合并單元就能夠產(chǎn)生兩個(gè)采樣值，讓合并單元擁有更為穩(wěn)定、準(zhǔn)確的采樣值輸出效率，不會(huì)發(fā)生采樣信息的錯(cuò)誤，也就規(guī)避了因此產(chǎn)生的保護(hù)失敗問題，很大程度上提升繼保系統(tǒng)的可靠程度[4]。

4.1.2 提高交換機(jī)冗余度

在特定位置的交換機(jī)對(duì)于繼電保護(hù)系統(tǒng)起到?jīng)Q定性的作用，是整個(gè)系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，一旦發(fā)生失效則會(huì)產(chǎn)生巨大的影響。交換機(jī)一般來說具有查詢錯(cuò)誤、物理編碼等作用，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的可靠性影響非常大，一旦交換機(jī)發(fā)生故障，就會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。為了預(yù)防這種現(xiàn)象的發(fā)生，所有的交換機(jī)都必須用雙重化的配置，發(fā)生故障有一定的解決方案，一個(gè)交換機(jī)發(fā)生故障立刻由另一個(gè)頂上，這樣整個(gè)環(huán)節(jié)不至于中斷，系統(tǒng)安全性大幅度提升[5]。

4.1.3 提升光纜線路的可靠性

現(xiàn)階段的電信號(hào)傳輸方式有了質(zhì)的飛躍，傳統(tǒng)的電纜線路逐漸被現(xiàn)在的光纜所取代，光纜有很多優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)也比較明顯，其較差的魯棒性導(dǎo)致其比較容易發(fā)生折損，影響信號(hào)傳輸效果。所以，在施工的過程中要降低光纜的彎曲度，降低由于折損造成的信號(hào)丟失，另外要注意光纜設(shè)施的保護(hù)保養(yǎng)以及清潔工作，將阻燃的樹脂槽盒添加在光纜的支架上，這樣能夠大幅度的提升光纜傳輸?shù)姆€(wěn)定性及實(shí)際性能。

4.1.4 盡可能采取“直采直跳”技術(shù)

整個(gè)系統(tǒng)中如果交換機(jī)頻繁出現(xiàn)會(huì)增加延時(shí)現(xiàn)象的時(shí)間長度，一旦出現(xiàn)問題，斷路器無法及時(shí)阻斷系統(tǒng)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。為了降低交換機(jī)的使用水平，讓系統(tǒng)中的采樣、跳閘等操作能夠快速、穩(wěn)定的運(yùn)行，繼電保護(hù)系統(tǒng)在Q/GDW441-2010《智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范》中有如下規(guī)定：必須優(yōu)先選擇“直采直跳”技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)不再通過交換機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)交流，對(duì)繼保系統(tǒng)的運(yùn)行安全穩(wěn)定幫助很大。圖4 展示了其詳細(xì)的結(jié)構(gòu)信息。

圖4 “直采直跳”技術(shù)

4.1.5 采取接地方案增強(qiáng)繼保系統(tǒng)的可靠性

繼電保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)存在一個(gè)等電位體，由每一個(gè)裝置的電纜接地線、零線和金屬屏蔽層連接在一起，其主要功能是降低系統(tǒng)中各裝置元件之間的電壓差，電荷通過接地被釋放，保護(hù)裝置進(jìn)一步提高可靠性。

4.1.6 使用防塵、除濕等措施提高智能終端的可靠性

智能終端與斷路器連在一起，通常被安裝在系統(tǒng)的高壓側(cè)，其在不同工作環(huán)境中都能夠穩(wěn)定工作。因此，需要監(jiān)控智能終端的一些指標(biāo)，主要包括溫度、濕度、灰塵等，這項(xiàng)工作需要匯控柜來完成，如此可確保智能終端保持良好狀態(tài)，進(jìn)而使設(shè)備的可靠性進(jìn)一步獲得提升。

4.2 提高軟件系統(tǒng)可靠性措施

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，繼電保護(hù)系統(tǒng)逐漸開始依賴網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，只有繼電保護(hù)系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)的可靠性不斷提高，其運(yùn)行才能夠一直保持穩(wěn)定。針對(duì)如何提高軟件系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)而提高繼電保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，提出一些建議如下[4]。

4.2.1 使用插值算法代替時(shí)鐘源

所有的智能電子裝置都需要同步對(duì)時(shí)，對(duì)時(shí)的信息流都是由同步時(shí)鐘源發(fā)出的，傳輸過程是通過光纖完成的，也就是說，所有的智能電子裝置想要正常工作，必須擁有一個(gè)準(zhǔn)確的時(shí)間信息。采樣的過程假如利用相同時(shí)間間隔的插值算法完成，計(jì)算的過程也根據(jù)固定的延時(shí)系統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)，收集數(shù)據(jù)的過程都是統(tǒng)一進(jìn)行的，在一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，通過這樣的操作讓所有電子式互感器在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)完成采樣，就能夠規(guī)避時(shí)間不準(zhǔn)確帶來的一系列麻煩，提升繼電保護(hù)裝置的安全性。

4.2.2 采取軟件積分增強(qiáng)SV 報(bào)文信息的可靠性

通過電子式互感器進(jìn)行信號(hào)采集后將信息發(fā)送到繼電保護(hù)系統(tǒng)為SV 報(bào)文，SV 報(bào)文經(jīng)常使用羅氏線圈（又被稱為羅戈夫斯基線圈、Rogowski 線圈）進(jìn)行信息輸出，數(shù)據(jù)采集需要經(jīng)過積分過程。積分過程一般包括兩個(gè)方面：一方面是軟件積分，主要依靠合并單元；另一方面是硬件積分，主要在數(shù)據(jù)采集器中通過電阻、運(yùn)算放大器等元件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。二者相比，軟件積分在精度方面更具優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也能夠使數(shù)據(jù)采集器減少功率損耗，因此，SV 報(bào)文可靠性的提高可采取軟件積分的方法，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性的整體提升。

4.2.3 增加GOOSE 報(bào)文過程的功能機(jī)制

智能終端與保護(hù)裝置之間的報(bào)文過程為GOOSE 報(bào)文，主要包括閉鎖信息、斷路器跳鬧信號(hào)、斷路器狀態(tài)及重合閘命令等經(jīng)網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)進(jìn)行傳輸?shù)囊幌盗袛?shù)字信號(hào)，要確保報(bào)文可靠性，應(yīng)增加一些功能機(jī)制，例如接收?qǐng)?bào)文信息的插件要對(duì)組播地址是否正確進(jìn)行判斷，同時(shí)要對(duì)GOOSE 報(bào)文中的APPID 等傳輸數(shù)據(jù)的正確性進(jìn)行鑒定，如此才能使斷路器動(dòng)作保持正確。若經(jīng)過一段時(shí)間，系統(tǒng)一直未收到GOOSE 報(bào)文，則會(huì)有報(bào)警信息出現(xiàn)，操作人員通過警報(bào)信息便得知報(bào)文過程發(fā)生狀況。

5 結(jié)束語

綜上所述，對(duì)于電網(wǎng)系統(tǒng)而言，為確保其穩(wěn)定安全運(yùn)行，繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性顯得尤為重要，許多因素決定著智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成。所以，在電力行業(yè)中，要采取相應(yīng)的手段來保證繼電保護(hù)系統(tǒng)的持續(xù)可靠，這一直都是一項(xiàng)工作重點(diǎn)。本文主要從兩個(gè)方面來探討如何開展工作，一方面由光纜線路、交換機(jī)、合并單元等幾個(gè)硬件結(jié)構(gòu)著手，另一方面軟件分別從三種判別機(jī)制、信息流生成等方面深入分析，希望通過上述措施的闡述，為智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)能夠進(jìn)一步提高可靠性提供參考。