數字化變電站繼電保護新技術

匡華 孫志祥

云南電網公司曲靖供電局 655000

數字化使得變電站有了較大的改變，無論是變電站的結構還是功能，最大變化的是由電子式互感器、合并單元以及智能斷路器控制器等設備代替了原來由微機保護設備完成的功能。而繼電保護作為數字化變電站發展的重要部分，其功能和技術的改進對變電站的發展以及整個電力系統的發展都起著至關重要的作用。所以對在數字化變電站發展下繼電保護技術的研究，能夠使電力系統在日常運行中保證電力系統的安全穩定運行，避免重大事故的發生和擴大。

1 數字化繼電保護的技術特征

1)單元保護：對變電站中的單個設備、線路的保護。包括發動機的內部短路保護、變壓器保護、交流電路的保護直流線路保護。

2)廣域保護：通過高速實時的信息通信，將多點多類型信息接入繼電保護系統，從而顯著提升了整個變電站繼電保護的動作性能。

3)設備檢測狀態化：在數字化變電站中，由于設備狀態的特征量采集上沒有盲點，因此可以實現繼電保護裝置的狀態檢測，對于存在故障隱患的設備還可以組織各類專家進行網上遠程診斷，有效提高設備的可用率。

4)設備操作智能化：計算機技術、廣域測量技術以及非常規互感器等技術的運用，使得在繼電保護過程中斷路器設備可以不依賴于變電站的控制系統，獨立執行其功能；各設備運行狀態數據可獨立采集；設備可以實現對一、二次設備檢測和監視的連續化等。

5)該種數字化繼電保護裝置包括：光接收單元、開入單元、中央處理單元、出口單元、人機接口和通信接口等部分, 如圖1所示。同時，繼電保護裝置采用的數據取自電子式互感器。

圖1 數字化變電站繼電保護裝置硬件框圖

2 數字化繼電保護技術分析

2.1 數字化變電站的結構組成

數字化變電站在邏輯結構上主要分為 3 個層次：變電站層、間隔層、過程層。每個層次內部和層次之間采用高速網絡通信，其關系機構如圖2所示。

變電站層：包括主機、五防主機、操作員站、遠動裝置等設備。其任務是搜集數據、信息入庫、信息傳送以及信息轉送。

間隔層：包括各種自動化裝置、保護裝置、安全自動裝置等設備。其任務是信息匯總、功能實現、操作判別以及網絡通信。

過程層：包括智能一次設備、智能終端等。其任務是氣量采集、設備在線狀態監測與統計、命令的執行、操作控制的執行與驅動。

2.2 技術分析

本技術用數字化變電站最新技術成果，變電站繼電保護裝置按照“三層結構、二級網絡”實現變電站繼電保護的自動化、信息化以及互動化，通過分層分布式來實現數字化變電站內智能電氣設備間的繼電保護。

1)變電站層系統采用SNTP網絡對時，間隔層與過程層設備采用B碼對時。

2)變電站層與過程層之間獨立組網，而同時站控層采用雙星型100M電以太網，各小室間采用交換機通過光纖進行級聯；過程層采用單星型100M光以太網傳輸GOOSE信息，實現信息傳輸的獨立性。

3)在不同邏輯層次采用不同的協議標準，有效保證各層設備的效率運行：站控層與間隔層保護測控等設備采用IEC61850-8-1 通信協議；間隔層與過程層合并單元通訊規約采用IEC61850-9-2通信協議，智能終端采用GOOSE通信協議。

4)測控裝置的邏輯互鎖信息、開出信息、斷路器機構的位置、保護間的閉鎖、啟動失靈以及告警信息等均通過GOOSE 網絡進行傳輸；保護裝置的跳合閘 GOOSE 信號采用光纖點對點方式直接接入就地智能終端。

5)過程層網絡實現測控、電度、錄波的采樣，保護與合并單元均采用光纖點對點方式直接連接。

6)電纜直接跳閘實現變壓器的非電量保護。

將數字量輸出的電子式互感器運用于變電站戶外GIS、主變進線及母線 PT，并配置數字化電度表；不同千伏線路之間隔采用模擬小信號輸出的電壓電流一體化互感器，配置支持模擬不同信號接入的電度表，與保護裝置一體化安裝于開關柜內；不同千伏母線配置數字量輸出的電子式電壓互感器。具體結構圖如圖3所示。

圖2 變電站自動化結構功能

2.3 在線監測技術

在線監測、故障診斷、實施維修整個一系列過程構成了繼電保護設備狀態檢修工作的內涵。因此，本技術將一次設備監測數據信息直接上傳至在線監測后臺監控服務器，實現統一監測。

GIS 狀態檢測：采用局放帶電監測實現其狀態檢測功能。

變壓器狀態監測：采用油色譜在線監測方式，通過變壓器油中故障氣體的含量變化確定變壓器運行情況。

設備可視化：將設備的運行工況信息、自檢診斷信息等通過標準協議，傳送至變電站監控系統進行可視化展示，為電力系統實現基于狀態監測的設備全壽命周期綜合優化管理提供一手的基礎數據支持。

2.4 智能化技術

智能決策技術：根據告警信號的重要性對各種告警進行分類處理、判斷以及專家推理，已達到及時有效地對告警進行決策處理保證電網的安全穩定運行。

故障分析技術：在事故出現之后及時對包括保護裝置、事件順序記錄信號、故障錄波、相量測量等數據進行挖掘、綜合分析，及時準確地得到故障分析結果，并對故障信息進行有效管理。

數字化繼電保護測試儀：適用于數字化變電站間隔層保護測控裝置的研發測試、基于IEC61850標準、工廠調試和現場檢驗的測試設備。是數字化變電站繼電保護技術的重要組成部分之一，為智能化下變電站的繼電保護起著重要的作用。

圖3 數字化變電站繼電保護結構示意圖

3 新技術對繼電保護性能的改進

1)繼電保護裝置采用電子式互感器采集數據，采樣保持、無模擬量輸入、A/D 轉換等插件，大大簡化了硬件結構。

2)采用統一的數據平臺，為數據信息的實時共享提供了可能性。此外，保護裝置的功能得到大大擴充，比如錄波、測量、開關狀態監視等功能都可以通過內部進行實現。

3)電子式互感器的線性度、動態范圍大的特點被得到了有效的運用，在很大程度上改善了之前繼電保護上的缺陷和問題。

4)基于過程層的分布式母線保護，取消了保護出口繼電器以及母差保護中的復壓閉鎖元件, 在一定程度上簡化了母差保護邏輯，使得每個間隔內的保護都能夠獨立完成母線保護的功能，只跳本間隔的斷路器。失靈保護由集中保護完成。

5)數字化的變壓器保護，利用電子式電流互感器的高保真傳變直流以及高頻分量的特性，分析出正確區分勵磁涌流與故障電流的新判據，由此可以有效防止變壓器差動保護出現誤動。

6)輸電線路數字化保護，使得電子式電流互感器不存在飽和現象，基本上解決了縱差保護誤動的問題。同時對于線路的距離保護，采樣值來自電子式互感器，消除了電流傳變過程中引入的誤差，從根本上改善了其動作性能，所以不存在鐵芯磁飽和問題，保護的選項元件、啟動元件以及距離阻抗元件的性能都可以得到很大的提升，動作準確率的提高也得到了有效的保證。

數字化、智能化是我國電力系統發展的主要方向，也是我國電力系統實現可持續發展的重要契機，發展數字化下的繼電保護技術更是一項需要投入諸多精力的研究，這樣才能使變電站的運行更為可靠，用電更為安全。

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