智能變電站繼電保護系統電子式電壓互感器優化研究

江匯 黃觀雄

廣東電網有限責任公司陽江供電局 廣東 陽江 529500

引言

隨著國家經濟技術的發展、工業生產規模的不斷擴大、城鄉居民生活水平的不斷提升，我國電力網絡也相應進入了飛速發展階段，電網容量在日趨擴充，電網架構變得更加龐大、復雜[1-2]。電力行業作為國家工業發展的能源基石，其蓬勃發展一方面對社會發展起到正面積極的促進作用，但另一方面，也給電力系統的運行和維護帶來了巨大的挑戰。如何保證電力系統的穩定性。持續性，減少故障及事故發生的頻率是目前電力企業、院校及相關研究人員、從業人員所面臨的重大難題[3]。

變電站作為電力系統中對電壓和電流進行變換，接受電能及分配電能的場所，是整個電力系統中最為關鍵的樞紐，其安全性直接影響到電力系統的穩定運行，在新技術不斷發展和創新的時代，傳統變電站通過大規模引入自動化設備，促進電網控制的自動化、數字化、智能化，已經開始逐漸向智能電站轉變[4-5]。而傳統電站的繼電保護系統已無法完全適應智能電站的日常運行需求，在此背景下，本文研究了智能變電站繼電保護系統的特征，針對智能變電站繼電保護系統中的關鍵設備—電子互感器進行了優化設計。本文提出的優化方案不僅能滿足智能變電站繼電保護系統的日常運行需求，更提升了電子式電壓互感器的抗干擾能力，對智能變電站的安全、穩定運行具有重要意義。

1 研究現狀

文獻[6]從智能變電站保護二次回路設計、實施、測試三方面進行了研究，闡明了繼電保護二次回路設計要點、實施要點和全面測試方案。文章的主要貢獻在于：通過引進全新的檢修機制，說明了智能變電站保護二級回路需要注意的是想及處置措施，為今后的智能設備檢修提供了實踐經驗；對二次回路可視化實現方式進行了優化改進，解決可智能二次回路難以直觀展現的問題；實現了光纖鏈路通訊狀態的實時監控。

文獻[7]分析了智能變電站的檢修原則，提出了一種繼電保護裝置缺陷模型，并以此為基礎開發出一種基于缺陷概率預測的繼電保護系統檢修策略研究方法，通過分析每個繼保裝置的實際狀態，綜合修正缺陷率曲線，包括個體缺陷修正、家族性缺陷修正、檢修等效役齡修正和健康狀態等效役齡，準確顯示了繼保裝置缺陷率分布特點，對繼電保護裝置的科學檢修起到了促進作用，保證了繼電保護的正確動作。

文獻[8]詳細研究了繼電保護設備的運行數據，通過分析故障設備、老化設備、退役設備的各項工作參數，提出了一種繼電保護風險評估系統，該系統可以結合設備的運行環境，建立設備評估模型，最終給出設備當前的運行風險，在此基礎上，電力公司可針對性的制定設備檢修策略，提前做好應對繼電保護系統失效風險的準備計劃。

2 繼電保護裝置硬件結構

2.1 傳統繼電保護系統結構

傳統的繼電保護裝置硬件結構如圖1所示，系統通過電磁式互感器采集電壓、電流模擬量，在數據采集模塊將模擬量轉換為數字量后，邏輯處理模塊接收數字量信息并進行邏輯判斷，之后執行相應保護動作，繼電保護系統內部通信由總線實現。

圖1 傳統繼電保護裝置硬件結構

2.2 智能變電站繼電保護系統結構

智能變電站采用的是“三層兩網”的結構模式，站內裝置分別布置在過程層、間隔層與站控層，每層裝置經過過程層網和站控層網進行通信與數據傳輸。智能變電站與傳統電站的主要區別在于：設備智能化、保護算法智能化和全站統一的數據通信平臺。

智能變電站繼電保護系統的結構如圖2所示，它與傳統繼電保護系統的重要區別在于，智能變電站繼電保護裝置采用電子互感器作為信號采集裝置，信號通過光纖傳輸而不是總線，因此繼電保護裝置不再需要進行數模轉換，二是直接將數字量信號傳遞給CPU，由控制芯片進行相應的保護運算并發出動作指令。

圖2 智能變電站繼電保護裝置硬件結構

3 電子式電壓互感器優化方案

3.1 智能變電站繼電保護裝置工作原理

智能變電站繼電保護系統的繼電保護系統的工作原理是：核心CPU內存有繼電保護運行算法，當采樣數據由電子互感器傳遞到計算單元內后，芯片將進行包括有功功率、無功功率、功率因數、電網頻率等電氣指標在內的數值并與整定值進行比較，以此判斷站內是否發生電氣故障，同時保護動作信息將通過以太網傳輸到站控層，由上位機對動作信息進行存儲并發出報警和跳閘執行，以此保護站內電氣設施。

3.2 電子式電壓互感器基本原理

智能變電站區別于傳統變電站的一個重要特征就是智能電站的站內電氣數據主要由電子式互感器負責采集。電子式電壓互感器主要分為兩類，一是光學電壓互感器（OVT），另一類是分壓型電子式電壓互感器（EVT）。其中，EVT又可以分為電阻型和電容型兩種，電阻型因電阻功率的限制，一般適合用于中壓或者低壓配電網絡，而本文的重點研究對象則是電容型電子式電壓互感器。

電容型電子式電壓互感器利用電容分壓的原理實現電壓變換，其原理如圖3所示。

圖中U1為待測電壓，UC1、UC2分別為分壓電容C1、C2兩端的電壓，在理想情況下，電容分壓器的待測電壓和輸出電壓之間存在著一定的比例關系，比值大小與分壓電容C1、C2的電容值相關。

在實際應用中，電容型電子式電壓互感器的整體電路如圖4所示，其中C為積分電容，Rf為積分反饋電阻。

圖3 電容分壓原理

圖4 電容型電子式電壓互感器電路結構

其整體等效傳遞函數為：

3.3 電子式電壓互感器改進方案

本文所提出的電容型電子式電壓互感器的改進方案如圖5所示，其中，U1為高壓母線或高壓輸電線路待測電壓，CH為高壓電容器，二極管V1和V2共同組成保護電路，虛線框1和虛線框2內分別為積分變換電路和反相電路。

圖5 改進電容型電子式電壓互感器電路結構

該改進電容型電子式電壓互感器在電路結構上與傳統的電容型電子式電壓互感器類似，結構較為簡單，但其傳感機理采用的是電流信號傳輸原理，電壓互感器直接采集高壓電容電流信號并傳遞給積分變換電路和反相電路，構成了電流低阻回路，區別于傳統的電容型電子式電壓互感器，改進方案不存在傳輸引線壓降，因此在同樣的干擾下，本改進方案采用的電流傳輸比傳統方案的電壓傳輸具有更強的抗干擾能力和工作穩定性，受電磁干擾的影響小得多，這給電子式電壓互感器的測量精度提升提供了有利條件。

4 結束語

本文分析了傳統繼電保護系統結構和智能變電站繼電保護系統結構，針對智能變電站內連接電力系統一次與二次的重要設備—電子式電壓互感器提出了一種優化改進方案，該方案針對傳統的電容型電子式電壓互感器面臨的小分壓信號傳輸易受外界電磁干擾的問題，采用電流信號傳輸方式，具備體積小、結構簡單、抗干擾能力強等優勢，為智能變電站繼電保護系統的可靠運行提供了有利條件。