基于貝瑞隆模型的智能化變電站線(xiàn)路保護(hù)系統(tǒng)

康丹

（兗州煤業(yè)股份有限公司興隆莊煤礦，山東濟(jì)寧 272100）

在智能電網(wǎng)高速發(fā)展的背景下，智能化變電站成為其高速發(fā)展的產(chǎn)物，智能化變電站中的傳感器數(shù)據(jù)在線(xiàn)路保護(hù)系統(tǒng)的處理下，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息的全站共享，有效保證了電網(wǎng)的正常運(yùn)行。但在電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中，電網(wǎng)中的輸電線(xiàn)路保護(hù)裝置由于老化、檢修不及時(shí)等原因可能導(dǎo)致智能化變電站線(xiàn)路出現(xiàn)故障，使輸送容量與電能負(fù)荷不斷增加，因此需要設(shè)計(jì)線(xiàn)路保護(hù)系統(tǒng)，加強(qiáng)對(duì)智能化變電站線(xiàn)路的保護(hù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保護(hù)[1]。

為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，專(zhuān)家學(xué)者展開(kāi)了相關(guān)的研究。有學(xué)者設(shè)計(jì)了基于威布爾分布函數(shù)的智能化變電站線(xiàn)路保護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用威布爾函數(shù)對(duì)變電站線(xiàn)路的異常情況進(jìn)行分析和診斷，又從風(fēng)險(xiǎn)傳遞方面對(duì)環(huán)境、電網(wǎng)系統(tǒng)、線(xiàn)路故障頻率等因素進(jìn)行了分析和研究，通過(guò)建立線(xiàn)路保護(hù)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)智能化變電站線(xiàn)路的保護(hù)。但是，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，導(dǎo)致運(yùn)行可靠性較差[2]。還有學(xué)者設(shè)計(jì)了基于Markov模型的智能化變電站線(xiàn)路保護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件與軟件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)故障線(xiàn)路數(shù)據(jù)的采集和處理，但該系統(tǒng)沒(méi)有對(duì)變電站線(xiàn)路的狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)的監(jiān)控，導(dǎo)致該系統(tǒng)不能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到智能化變電站線(xiàn)路中出現(xiàn)的故障[3]。

為了解決以上問(wèn)題，文中設(shè)計(jì)了基于貝瑞隆模型的智能化變電站線(xiàn)路保護(hù)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)的硬件與軟件環(huán)境，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的性能。

1 硬件設(shè)計(jì)

硬件通過(guò)電源模塊傳輸電源來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，利用采集模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)信息處理，完成數(shù)據(jù)控制。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊可以為智能化變電站線(xiàn)路保護(hù)系統(tǒng)提供120 V 的電壓，根據(jù)系統(tǒng)中設(shè)備對(duì)電壓的需求，文中設(shè)計(jì)的電源模塊采用變壓器將120 V 電壓轉(zhuǎn)換成其他設(shè)備需要的工作電壓，來(lái)保證設(shè)計(jì)的智能化變電站保護(hù)系統(tǒng)可以正常、穩(wěn)定運(yùn)行。電源模塊提供的電流為6 A，為了滿(mǎn)足系統(tǒng)中其他設(shè)備的工作需要，電源模塊中采用電壓互感器、電流互感器來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)換[4-5]。電源電路圖如圖2 所示。

圖2 電源電路圖

1.2 采集模塊設(shè)計(jì)

采集模塊主要負(fù)責(zé)采集智能化變電站線(xiàn)路中的電壓、電流等故障數(shù)據(jù)。采集模塊的核心設(shè)備為采集器，該款采集器為三星公司生產(chǎn)的SD8374 型采集器。其功耗較低、采集性能較好，采樣頻率最高可達(dá)200 kHz。當(dāng)變電站線(xiàn)路中的電壓與電流流入模擬多路開(kāi)關(guān)后，模擬多路開(kāi)關(guān)將電壓、電流信號(hào)傳輸?shù)紸/D 轉(zhuǎn)換器內(nèi)，A/D 轉(zhuǎn)換器對(duì)其進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后將信號(hào)傳輸?shù)讲杉K，采集模塊結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 采集模塊結(jié)構(gòu)

由采集模塊的核心設(shè)備采集器對(duì)變電站線(xiàn)路數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，采集模塊中的模擬多路開(kāi)關(guān)為T(mén)I 公司的單8 通道開(kāi)關(guān)。A/D 轉(zhuǎn)換器具有CMOS 結(jié)構(gòu)，為32位轉(zhuǎn)換器，另外，采集模塊內(nèi)部設(shè)有16 位的采樣保持器，可以對(duì)采集的線(xiàn)路數(shù)據(jù)信號(hào)實(shí)現(xiàn)采樣、保持，在采集模塊的外部設(shè)有串行接口與并行通信接口，以方便變電站線(xiàn)路數(shù)據(jù)的傳輸[6]。

1.3 處理模塊設(shè)計(jì)

處理模塊主要負(fù)責(zé)處理智能化變電站線(xiàn)路中的數(shù)據(jù)，其核心設(shè)備為微處理器，該款微處理器為T(mén)D 公司生產(chǎn)的TI8362 型微處理器，其數(shù)據(jù)處理速度較快，外部晶振為40 MHz，指令周期為50 ms，數(shù)據(jù)處理速率最高可達(dá)250 kbit/s。在微處理器的內(nèi)部設(shè)有數(shù)據(jù)RAM，可臨時(shí)存儲(chǔ)20 kB 的智能化變電站線(xiàn)路數(shù)據(jù)，RAM 為32位。采集模塊中的采集器采集完變電站線(xiàn)路數(shù)據(jù)后，經(jīng)由模擬多路開(kāi)關(guān)與A/D 轉(zhuǎn)換器傳輸至處理模塊內(nèi)，在傳輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生8 個(gè)同步脈沖，經(jīng)過(guò)高低電平的轉(zhuǎn)換后傳輸至微處理器中，微處理器對(duì)智能化變電站線(xiàn)路數(shù)據(jù)的處理，可以提高變電站數(shù)據(jù)的可靠性[7-9]。處理模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 處理模塊結(jié)構(gòu)圖

1.4 控制模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)控制模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)處理完的變電站線(xiàn)路數(shù)據(jù)進(jìn)行控制。控制模塊的核心設(shè)備為主控制器，其是由三星公司生產(chǎn)的SGM834H 型控制器，該款控制器為16 位，在線(xiàn)路保護(hù)系統(tǒng)中采用嵌入式的方式來(lái)安裝，在控制器的內(nèi)部設(shè)有定時(shí)器與時(shí)鐘，定時(shí)器與時(shí)鐘共同參與控制芯片的工作[10-12]。控制模塊結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 控制模塊結(jié)構(gòu)

控制器的外部設(shè)有多個(gè)I/O 端口，用來(lái)傳輸智能化變電站線(xiàn)路數(shù)據(jù)。控制器的功耗較低、控制性能較好，處理線(xiàn)路數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)速度為1.0 MIPS/MHz，可緩存10 kB 的線(xiàn)路數(shù)據(jù)，該款控制器與其他普通控制器的不同之處在于，不但可以對(duì)變電站線(xiàn)路數(shù)據(jù)進(jìn)行控制還可存儲(chǔ)線(xiàn)路數(shù)據(jù)。控制器接收線(xiàn)路數(shù)據(jù)并對(duì)線(xiàn)路數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，去除無(wú)效數(shù)據(jù)，留下有效數(shù)據(jù)，然后將有效數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖Ｗo(hù)系統(tǒng)中，以此完成智能化變電站線(xiàn)路數(shù)據(jù)的控制[13]。

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)軟件流程

首先，對(duì)智能化變電站線(xiàn)路進(jìn)行分層保護(hù)。為了對(duì)智能化變電站線(xiàn)路進(jìn)行有效的保護(hù)，需要將變電站線(xiàn)路與變壓器間隔開(kāi)，并統(tǒng)一將它們安裝在保護(hù)層。開(kāi)啟采集器采集變電站線(xiàn)路數(shù)據(jù)后，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)智能化變電站母線(xiàn)的保護(hù)，將變電站母線(xiàn)設(shè)置在過(guò)程層，將智能化變電站中的交換機(jī)設(shè)置在間隔層，采用分體運(yùn)輸?shù)哪Ｊ綄?duì)智能化變電站進(jìn)行裝配式設(shè)計(jì)，形成預(yù)制艙全智能化變電站。采用模塊化的設(shè)計(jì)思路對(duì)變電站進(jìn)行母線(xiàn)改造，交換機(jī)中的線(xiàn)路可通過(guò)過(guò)程層與保護(hù)層實(shí)現(xiàn)交互[14-16]。

然后，對(duì)智能化變電站線(xiàn)路進(jìn)行過(guò)流電限制。在對(duì)智能化變電站線(xiàn)路實(shí)現(xiàn)分層保護(hù)后，針對(duì)線(xiàn)路中的電流過(guò)載現(xiàn)象進(jìn)行處理，變電站線(xiàn)路由于接地故障而導(dǎo)致電流超負(fù)荷，變電站中的變壓器出現(xiàn)跳閘現(xiàn)象，這是由于過(guò)載電流與其他電流的差距較大，因此為了保護(hù)變電站線(xiàn)路與變壓器，需要準(zhǔn)確測(cè)量出流經(jīng)變電站線(xiàn)路電流的大小，一旦出現(xiàn)過(guò)載電流，需要及時(shí)對(duì)其進(jìn)行限制。完成限制后，采用貝瑞隆模型對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

最后，進(jìn)行就地化間隔保護(hù)。為了保證智能化變電站線(xiàn)路的穩(wěn)定性與可靠性，在智能化變電站中安裝繼電保護(hù)設(shè)備，安裝完成后鋪設(shè)一體化線(xiàn)路，這樣可以提升繼電保護(hù)設(shè)備對(duì)線(xiàn)路故障響應(yīng)的靈敏性，降低變電站故障發(fā)生的概率。

3 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)際工作性能，將基于Markov 模型的智能化變電站線(xiàn)路保護(hù)系統(tǒng)與所設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下：變電站中繼電保護(hù)設(shè)備的故障率為0.006 7，額定工作電壓為120 V，交換機(jī)的故障率為0.04。

首先針對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)與基于Markov 模型的智能化變電站線(xiàn)路保護(hù)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在智能化變電站線(xiàn)路保護(hù)系統(tǒng)中，由于線(xiàn)路檢修時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或發(fā)生雷電等意外狀況時(shí)，導(dǎo)致智能化變電站輸電線(xiàn)路出現(xiàn)直采直跳、直采網(wǎng)跳、網(wǎng)采網(wǎng)跳跳閘現(xiàn)象。跳閘現(xiàn)象發(fā)生后，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)與基于Markov 模型的智能化變電站線(xiàn)路保護(hù)系統(tǒng)對(duì)故障進(jìn)行了響應(yīng)與保護(hù)，在不同的故障模式下，兩種保護(hù)系統(tǒng)的可靠性對(duì)比結(jié)果如圖7-9 所示。

圖7 直采直跳模式下線(xiàn)路保護(hù)系統(tǒng)可靠性曲線(xiàn)

圖8 直采網(wǎng)跳模式下線(xiàn)路保護(hù)系統(tǒng)可靠性曲線(xiàn)

圖9 網(wǎng)采網(wǎng)跳模式下線(xiàn)路保護(hù)系統(tǒng)可靠性曲線(xiàn)

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知，當(dāng)智能化變電站線(xiàn)路出現(xiàn)以上跳閘現(xiàn)象時(shí)，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)與基于Markov模型的智能化變電站線(xiàn)路保護(hù)系統(tǒng)的可靠性均隨著時(shí)間的推移而逐漸下降，這符合智能化變電站線(xiàn)路保護(hù)系統(tǒng)的變化規(guī)律。并且由圖可知，在3 種跳閘現(xiàn)象變化曲線(xiàn)中，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可靠性在任意一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上均高于基于Markov 模型的智能化變電站線(xiàn)路保護(hù)系統(tǒng)，并且所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可靠性的下降趨勢(shì)與基于Markov 模型的智能化變電站線(xiàn)路保護(hù)系統(tǒng)相比較為緩慢，這是由于所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的變電站線(xiàn)路進(jìn)行了及時(shí)的檢修。并且所設(shè)計(jì)的線(xiàn)路保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)設(shè)備種類(lèi)與數(shù)量較多，在跳閘現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的采集、處理、控制設(shè)備及時(shí)對(duì)智能化變電站線(xiàn)路數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集、處理、分析與控制，采用繼電器保護(hù)設(shè)備迅速對(duì)智能化變電站線(xiàn)路進(jìn)行了保護(hù)。

接下來(lái)針對(duì)直采直跳、直采網(wǎng)跳、網(wǎng)采網(wǎng)跳模式下，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)與基于Markov 模型的智能化變電站線(xiàn)路保護(hù)系統(tǒng)的故障響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。兩種系統(tǒng)每種模式下的平均故障響應(yīng)耗時(shí)對(duì)比結(jié)果如圖10 所示。

圖10 故障響應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)只發(fā)生直采直跳一種故障時(shí)，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)故障作出響應(yīng)的耗時(shí)較短，而基于Markov 模型的智能化變電站線(xiàn)路保護(hù)系統(tǒng)對(duì)故障響應(yīng)的時(shí)間長(zhǎng)于所設(shè)計(jì)系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)生網(wǎng)采網(wǎng)跳故障時(shí)，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)故障響應(yīng)的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于基于Markov 模型的智能化變電站線(xiàn)路保護(hù)系統(tǒng)。由此說(shuō)明所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的故障響應(yīng)時(shí)間較短，可以在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)故障作出響應(yīng)，及時(shí)進(jìn)行報(bào)警。

4 結(jié)束語(yǔ)

此次設(shè)計(jì)的基于貝瑞隆模型的智能化變電站線(xiàn)路保護(hù)系統(tǒng)優(yōu)于基于Markov 模型的智能化變電站線(xiàn)路保護(hù)系統(tǒng)，說(shuō)明所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可靠性較高，可對(duì)智能化變電站的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行感知、預(yù)警，并實(shí)現(xiàn)了繼電保護(hù)設(shè)備的智能檢測(cè)。