數字化變電站繼電保護技術研究

丘雪嬌

摘 要：智能電網下數字化變電站的不斷增多，不僅改變了我國電網的格局，也給數字化平臺下繼電保護技術的研究帶來了新的機遇和挑戰。與傳統的繼電保護設備相比，新型數字化裝置具有更強的互操作性，實現了硬件配置模塊化、通信功能網絡化、裝置性能簡單化、裝置軟件元件化。文章結合工作實踐，簡介了數字化變電站及其構成，并重點討論了數字化環境下的繼電保護技術，與廣大同行共享和交流。

關鍵詞：數字化；變電站；繼電保護；技術研究

中圖分類號：TM63 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）23-0089-02

隨著我國電網朝著智能化、自動化、自愈化方向發展，在智能電網發展的浪潮推動下，數字化變電站在我國不斷興起。并帶動了電網繼電保護領域技術的不斷革新，光電轉換技術、網絡通訊技術、微電網技術、智能開關技術迅速發展。

1 數字化變電站及其構成

數字化變電站是伴隨智能電網建設而出現的一個概念，是與傳統變電站相對而言的。數字化變電站在信息采集、傳輸、處理、輸出過程中，能夠實現全部數字化，其基本特征為設備智能化、通信網絡化、模型和通信協議統一化、運行管理自動化。

隨著國家大力投入智能電網建設，數字化變電站在我國如雨后春筍般出現。以福建省為例，自2009年，第一座福建先農220 kV數字化變電站開工建設以來，截止2013年，福建已經建成了12座數字化變電站，涵蓋110～500 kV各個電壓等級。

與傳統的變電站相比，數字化變電站具有明顯的優勢，更加適用于智能電網的發展。數字化變電站基于IEC 61850標準，具有以下特點和優勢：

①采用IEC 61850國際標準通信協議，電網內設備能夠共享統一的信息平臺，從而簡化了信息傳輸通道，提高了信號傳輸的可靠性和兼容性，提升了設備間的互操作性。

②大量使用非常規電流/電壓互感器和智能開關設備，如光電互感器和電子式互感器、智能斷路器等，實現了模擬量采樣的數字化、一次設備的智能化，從而提升了采樣的精度，降低了變電站整體設計、建設和運行的成本。

③大量使用光纜取代電纜，進一步提高自動化和管理水平，傳統的電纜采用電信號傳輸，二次回路接線完成后，需要進行繁瑣的查線工作，而非常規互感器的使用，使得數據的傳輸具有標記和自糾正功能，數據傳輸更加便捷，不僅降低了接線難度和工作量，而且避免電纜帶來的電磁兼容、傳輸過電壓和兩點接地等問題，減少了變電站生命周期成本。

如圖1為傳統變電站與數字化變電站站結構圖的對比。

與傳統變電站相比較，同樣分為站控層、間隔層和過程層，數字化變電站的差異主要體現在過程層的實現技術上，由圖1可見，數字化變電站的過程層使用電子式互感器代替了傳統互感器，智能一次設備代替了傳統一次設備，并增加了智能斷路器MU單元，且設備之間使用光纜通信。

2 數字化變電站的繼電保護技術研究

數字化變電站的技術革新集中體現在一次設備的智能化和二次設備的網絡化，變電站的繼電保護技術也發生了巨大的變化，集中體現在以下幾個方面。

2.1 硬件配置模塊化

與傳統的繼電保護保護裝置相比，數字化保護的硬件性能大大簡化。傳統的微機保護集狀態信號采集、模擬量采樣和測量、保護邏輯處理、出口跳閘功能于一體，因而，裝置硬件包括電源模塊、CPU模塊、交流采樣模塊、開入開出模塊以及裝置箱體等，基于保護設備的類型、特性、保護范圍不同，所需要進行的硬件配置和板卡數量也不同，難以實現數據采集和處理的模塊化。

由于數字化保護采用了電子式或光電互感器來代替常規的CT和PT，所以不再需要模擬量輸入、采樣保持、A/D轉換等環節，保護配置更加簡單。由新型互感器和合并單元來實現傳統保護裝置的數據采集和處理功能，智能操作箱來完成相應的跳合閘功能，因而，數字化保護僅需要電源模塊和CPU模塊以及裝置箱體，即可完成保護功能，且在統一的硬件平臺下，能夠實現高度的標準化和模塊化，有利于裝置設計成本的降低，也簡化了數字化變電站的維護工作量。

2.2 通信功能網絡化

此外，數字化保護在通信方面具有比傳統保護更強大的功能，基于數字化變電站全站統一的數據平臺和GOOSE通信技術，數字化保護使用合并單元，具有更強的實時性和共享性。過程層的智能操作機構和合并單元采集的數據，可以實現全站所有設備共享，極大的提升了數據傳輸和處理的效率。例如，對于間隔配置較多的變電站母線保護，傳統保護需要配置和增加CT/PT來完成數據采集，而數字化母線保護只需要接收由過程層傳送的采樣數據和開關量信息，并通過GOOSE網絡發送到相關處理單元，經CPU處理后，即可實現相應的告警、跳閘等功能。

隨著裝置通信網絡化的實現，以及通訊技術的提升，應用于更大規模變電站保護的站域保護和網絡化保護也得到進一步發展，充分利用通信網絡化的優勢，結合網絡化和數字化的研究成果，形成全站數據有機統一和實時共享，進行智能化分析和狀態輸出。

2.3 裝置性能簡單化

數字化保護的裝置性能也比傳統保護得到極大的擴充，傳統繼電保護設備的測量、錄波、開關狀態監視等功能的實現更加簡單，都可以在數字化保護的內部實現。基于新型互感器的使用，使得傳統保護面對的電流互感器飽和、傳變特性變差、互感器斷線等問題不再存在，保護裝置不再需要針對斷線和飽和設置相應的閉鎖邏輯，不僅省略了保護內部程序處理，現場也無需對這些邏輯再進行校驗，有利于保護原理的改善和新判據的研究。

2.4 裝置軟件元件化

數字化保護裝置軟件元件化的優勢在中低壓領域體現尤為明顯，高壓保護準入門檻較高，繼電保護技術相對成熟，而中低壓領域的繼電保護產品往往具有較多的工程需求變化，且設備制造廠家相對較多，經常需要進行頻繁的程序修改，對傳統保護來說，程序的升級和維護的過程難免帶來風險，由于程序的不同模塊可能由不同人員來研究，難以進行有效的統一管理，且程序每次升級后要重新進行封裝，所以，每次程序的更改或升級也給裝置的可靠性帶來影響。

在數字化環境下，可以進行軟件的元件化處理，通過高級語言，將保護功能進行合理封裝，形成眾多的模塊黑匣子，再組成保護功能元件庫，通過開放的標準元件庫的提取和組裝，既有利于提升裝置對現場的適應能力，降低了新產品開發和升級中更換程序可能帶來的不確定因素，也有利于設備的互操作性實現，在較為統一的軟件平臺下，與其他廠家的設備增強兼容性和互操作性。

此外，隨著電網技術的發展，更多新型的繼電保護技術，如數字化變電站繼電保護測試儀、全數字變電站動態仿真系統、先進的自動控制、狀態預測、神經網絡和人工智能等，篇幅所限，在此不再贅述。

3 結 語

智能電網的發展為數字化變電站提供了廣闊的應用空間，帶來了繼電保護裝置外部環境的變革，電網的繼電保護技術必將由“保護裝置”時代向“保護系統”時代轉變，一次與二次設備逐漸融合，新的發展形勢下，如何有效提升繼電保護的動作性能，實現保護技術的飛躍，是廣大電網繼電保護工作人員面臨的新命題和新挑戰。

參考文獻：

[1] 李仲青，周澤昕，黃毅，等.數字化變電站繼電保護適應性研究[J].電網技術，2011，（5）.

[3] 劉成君，張愷凱.數字化變電站及其對繼電保護的影響[J].電工電氣，2010，（4）.