智能變電站站域后備保護(hù)原理及實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究

于芳

（中工武大設(shè)計研究有限公司，武漢 430070）

1 引言

伴隨我國科技的不斷發(fā)展以及經(jīng)濟(jì)水平的持續(xù)提升，智能變電站已在我國電力行業(yè)發(fā)展之中發(fā)揮著越來越重要的作用，并且成為智能電力形成及發(fā)展的一個標(biāo)志和趨勢。而隨著新時代的到來，電力行業(yè)的發(fā)展要求也不斷提高，需要智能電站能夠適應(yīng)這一要求，更好地發(fā)揮其作用。但從當(dāng)前來看，供電站依然存在一些隱性故障，使工作人員難以發(fā)現(xiàn)。為了將這些故障問題及時發(fā)現(xiàn)、處理和解決，必須依托當(dāng)前先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)手段來提升故障處理及解決的效率，智能變電站站域后備保護(hù)便能夠有效幫助工作人員發(fā)現(xiàn)故障、處理和解決故障，能夠保證智能變電站對電壓進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，從而保證供電的穩(wěn)定性，并促進(jìn)電力行業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展。

2 智能變電站站域后備保護(hù)概述

2.1 智能變電站的概述

從當(dāng)前乃至今后變電站的發(fā)展趨勢來看，智能變電站屬于主流發(fā)展趨勢，智能變電站能夠采用集成化、先進(jìn)可靠及低碳環(huán)保的智能化設(shè)備，通過計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)以及數(shù)字化技術(shù)等一系列先進(jìn)的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)信息的收集、測量及計量、控制以及檢測等多功能的自動化，并且還能夠支持自動控制、互動協(xié)調(diào)、實(shí)時決策分析以及智能協(xié)調(diào)等諸多功能的智能化變電站。智能變電站集聚了諸多先進(jìn)技術(shù)成果，具有信息數(shù)字化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化、通信平臺的網(wǎng)絡(luò)化，以及高級應(yīng)用的互動性等突出特征，在當(dāng)前電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用【1~3】。

2.2 站域后備保護(hù)的概念及原理

現(xiàn)階段，關(guān)于站域后備保護(hù)并無確切的定義，通常而言，智能變電站站域后備保護(hù)的構(gòu)建是以智能變電站開關(guān)量、非電量和模擬量方面相關(guān)的數(shù)據(jù)信息為條件進(jìn)行構(gòu)建的，能夠?qū)ψ冸娬鞠到y(tǒng)和變電站設(shè)備之中出現(xiàn)的故障實(shí)施快速、準(zhǔn)確、可靠的定位，并且還能夠?qū)收线M(jìn)行有效切除，從而實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)的一種方式。

電流差動原理在具體的應(yīng)用范圍方面存在差異，在此基礎(chǔ)上可對整體站域后備保護(hù)區(qū)域進(jìn)行劃分，具體可分為站內(nèi)差動區(qū)域、邊界差動區(qū)域、搜索差動區(qū)域以及元件差動區(qū)域，在這4 個差動區(qū)域之中，搜索差動區(qū)域的范圍在進(jìn)行定位故障的過程中會出現(xiàn)一些變化，而其他3 個差動區(qū)域則相對比較穩(wěn)定，一般情況下并不會出現(xiàn)變化。經(jīng)研究可以發(fā)現(xiàn)，在劃分的4 個差動區(qū)域中，其特點(diǎn)如下：

1）無論智能變電站站域后備保護(hù)區(qū)域之中出現(xiàn)的故障問題為何，邊界差動區(qū)域一直會出現(xiàn)差電流，如果在正常運(yùn)行狀態(tài)下，或者是在保護(hù)范圍之外發(fā)生故障的情況下，邊界差動區(qū)域便不存在差電流，這說明在判斷啟動過程中，可以依據(jù)邊界差動區(qū)域存在差電流與否來進(jìn)行判斷【4】。

2）當(dāng)變電站發(fā)生故障問題的情況下，變電站的站內(nèi)差動區(qū)域?qū)⒉淮嬖诓铍娏鳎吔绮顒訁^(qū)域可能會存在差電流，所以，在進(jìn)行故障分析過程中，可以將其作為故障問題判斷的重要依據(jù)。

3）在搜索差動區(qū)域之中，若含有故障元件，則會存在差電流；若各項元件正常，則將不會存在差電流，因此，可以將此項作為故障元件是否存在的判斷依據(jù)。

3 智能變電站站域后備保護(hù)的功能及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)

3.1 智能變電站站域后備保護(hù)的功能分析

因智能變電站主要是采用IEC 61850 規(guī)約通信，其全站可以全面、簡單地實(shí)現(xiàn)信息資源共享。在智能變電站之中，站域后備保護(hù)會對全站之中全部間隔電流、電壓、斷路器以及刀閘位置等諸多實(shí)時信息進(jìn)行搜集，從而能夠?yàn)橹悄茏冸娬救舅械囊淮卧O(shè)備實(shí)施近后備保護(hù)，并且這種保護(hù)可集中實(shí)現(xiàn)，也就是說，能夠?qū)δ嘎?lián)后備、斷路器故障后備、線路近后備、母線后備以及主變后備等實(shí)施有效的保護(hù)。這些后備保護(hù)功能具體體現(xiàn)為單個獨(dú)立功能模塊，并且各功能模塊之間可以將站域后備保護(hù)整體邏輯作為依據(jù)來實(shí)現(xiàn)相互配合，這種相互配合的關(guān)系類似于傳統(tǒng)繼電保護(hù)。但是，站域后備保護(hù)與就地保護(hù)之間不存在定值以及功能方面的相互配合關(guān)系。

3.2 智能變電站站域后備保護(hù)的優(yōu)勢分析

因智能變電站可實(shí)現(xiàn)全站范圍內(nèi)的信息共享，所以，站域后備保護(hù)能夠在過程層網(wǎng)絡(luò)之中有效地搜集全面間隔電流、電壓、斷路器以及刀閘位置等諸多實(shí)時信息，從而使繼電保護(hù)當(dāng)前存在的原理和算法能夠更加有效地得到改進(jìn)，并且還會對當(dāng)前存在的站域后備保護(hù)功能更好地進(jìn)行補(bǔ)充，從而使同桿雙回線保護(hù)出現(xiàn)的各方面難題得到合理有效的解決，并且還能夠有效判別并聯(lián)電抗器線路出現(xiàn)的故障【5】。

3.3 智能變電站站域后備保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)技術(shù)

3.3.1 硬件配置

每套站域后備保護(hù)均是由故障位置判斷功能模塊、數(shù)據(jù)搜集計算功能模塊以及跳閘保護(hù)決策功能模塊構(gòu)成的。根據(jù)站域后備保護(hù)硬件配置結(jié)構(gòu)，各模塊的主要功能如下：

1）數(shù)據(jù)搜集計算功能模塊：該模塊是依據(jù)國際電工委員會IEC 61850 規(guī)約，自智能變電站統(tǒng)一的過程層結(jié)構(gòu)上對所需要保護(hù)的電壓以及電流電氣量數(shù)據(jù)進(jìn)行搜集和計算，同時對全站內(nèi)部每個斷路器的工作狀態(tài)信息進(jìn)行全面的搜集和計算。

2）故障位置判斷功能模塊：該模塊主要是通過智能變電站元件故障的距離信息和方向信息，來對每一個元件故障距離信息以及方向信息進(jìn)行計算，并將故障判別的算法進(jìn)行執(zhí)行，從而使故障的實(shí)際位置得以準(zhǔn)確確定。

3）跳閘保護(hù)決策功能模塊：站域后備保護(hù)主要集成了變壓器保護(hù)、斷路器故障保護(hù)、母差保護(hù)、線路保護(hù)以及低壓低頻減載等一系列功能，并以就地電氣量作為依據(jù)來對相關(guān)保護(hù)邏輯的判別進(jìn)行完成，同時，還將判別所得結(jié)果通過GOOSE 這一方式通過統(tǒng)一過程層接口，將跳閘保護(hù)決策發(fā)送至對應(yīng)的間隔智能終端上，從而進(jìn)一步對故障進(jìn)行解決。

因站域后備保護(hù)屬于一種集成化結(jié)構(gòu)，所以，為了使站域后備保護(hù)功能發(fā)揮的可靠性得到提升，在220kV 及其以上的智能變電站站域后備保護(hù)應(yīng)該采用冗余配置，從而使站域后備保護(hù)的功能得到全面發(fā)揮。

3.3.2 軟件設(shè)計

在對智能變電站站域后備保護(hù)配置系統(tǒng)的整體軟件架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計的過程中，其整體軟件架構(gòu)的構(gòu)成應(yīng)該包括操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件、支持包等方面的設(shè)計。而在智能變電站站域后備保護(hù)配置系統(tǒng)之中，硬件驅(qū)動程度能夠?qū)τ布拇嫫?、外部存儲器以及定時器進(jìn)行直接訪問。在對整體軟件架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計過程中，多任務(wù)的實(shí)時操作系統(tǒng)一般會處于硬件配置與應(yīng)用軟件中間，在多任務(wù)實(shí)時操作系統(tǒng)上層通常為應(yīng)用軟件，而應(yīng)用軟件則主要是通過程序訪問接口函數(shù)來為其提供服務(wù)的。而多任務(wù)實(shí)時操作系統(tǒng)的主要任務(wù)則是進(jìn)行內(nèi)存管理、任務(wù)管理以及調(diào)度等系統(tǒng)任務(wù)，并且還能夠構(gòu)建文件系統(tǒng)，同時，還能夠?qū)⒅悄茏冸娬菊居蚝髠浔Ｗo(hù)配置系統(tǒng)信息模型的相關(guān)文件進(jìn)行存儲。

基于電流差動原理構(gòu)建的智能變電站站域后備保護(hù)，在實(shí)現(xiàn)硬件配置和軟件設(shè)計的條件下，還應(yīng)該完成通信系統(tǒng)設(shè)計工作。在這一通信系統(tǒng)之中，其架構(gòu)主要包括2 大部分，即：輸電線路對端智能變電站采樣值通信網(wǎng)絡(luò)和智能變電站內(nèi)部過程層通信網(wǎng)絡(luò)?？赏ㄟ^IEC 61850 規(guī)約來構(gòu)建智能變電站內(nèi)部過程層通信網(wǎng)絡(luò)，而輸電線路對端智能變電站采樣值通信網(wǎng)絡(luò)則可以通過IG 以太網(wǎng)交換機(jī)來進(jìn)行構(gòu)建。完善數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，能夠?qū)χ悄茏冸娬菊居蚝髠浔Ｗo(hù)功能的實(shí)現(xiàn)提供有效保證，是整體系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。

4 結(jié)語

相比于傳統(tǒng)保護(hù)裝置，智能變電站站域保護(hù)能夠采用一整套完備的裝置來對原來若干套獨(dú)立裝置功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，這便使保護(hù)裝置所耗用的成本極大地得到降低。同時，這一保護(hù)系統(tǒng)還通過光纖直連的方式完成數(shù)據(jù)采集，通過網(wǎng)絡(luò)出口來實(shí)現(xiàn)跳閘保護(hù)，這樣既可以對線纜排布進(jìn)行減少，又能夠保證接線操作更加便捷，從而使安裝效率得到全面提升。此外，在方向比較原理的基礎(chǔ)上，站域后備保護(hù)在流程方面更加簡明扼要，在方案算法方面也更為簡單，使傳統(tǒng)后備保護(hù)方面存在的問題與缺陷得以有效避免，能夠?qū)θ痉秶鷥?nèi)出現(xiàn)的元件故障準(zhǔn)確、快速地進(jìn)行定位，具有較高的效率。