淺談數字化變電站繼電保護裝置的優化配置

李霞

摘 要：電氣智能化技術的迅猛發展，電子式互感器、智能開關等新型元器件在變電站中得到了逐步推廣應用，各種新型網絡通信技術也日漸發展成熟，IEC61850標準的發布與應用統一了變電站內的通信協議，奠定了數字化變電站內部實現交互操作和通信功能的基礎，從而大大的推廣了數字化變電站技術的使用。文章從測量精度、電力系統運行可靠性和設備間互操作等方面闡述了數字化變電站相對傳統變電站具有的優勢，簡要介紹了傳統變電站和數字化繼電保護在結構特點和組成方面的差異以及數字化變電站對繼電保護技術的影響，最后點明數字化變電站在信息傳輸安全方面還需進一步完善。

關鍵詞：變電站；數字化；繼電保護；測量精度；電子式互感器

中圖分類號：TM774 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）14-0068-02

1 數字化變電站相對傳統變電站具有的優勢

1.1 測量精度方面

數字化變電站相對傳統變電站在測量精度方面有了巨大的提高。這是因為數字化變電站中使用的互感器采用了新型電子式互感器來代替電磁式互感器，一次和二次設備間通過光纖取代傳統金屬電纜傳輸數字編碼方式的電壓電流狀態量和控制命令等信息。光導纖維抗外界電磁干擾能力強，數字信號在傳輸過程中不會引入誤差，從而提高了變電站保護、測量和計量等系統的精度。而傳統變電站互感器輸出的模擬信號利用金屬電纜傳輸，傳輸過程會產生誤差，系統精度很難提高。同時，數字化變電站通信系統傳輸的數字編碼信號中除了狀態量、采樣值、控制命令等有效信息外還添加了傳輸信息對應的校驗碼和通道自檢信號，這些措施保證了信號和通信系統的正確性。光電互感器也可以進行自我檢查，當檢測到通信故障或互感器故障時，二次設備會感測到不到正確的校驗碼數據，從而判斷出互感器異常并報警，提高了信號傳輸可靠性。

1.2 提高電力系統的安全可靠性

數字化變電站一、二次設備之間信號傳輸使用光纖， 實現了一、二次側電氣設備間的電氣隔離，從根本上解決了傳輸信道的抗干擾問題，光纖也避免了傳統電纜避免不了的電磁干擾和傳輸過電壓問題，也避免了設備二次側發生兩點接地的可能性。傳統變電站通過金屬電纜傳輸模擬電壓、電流信號，使用的金屬電纜容易受外界電磁干擾，還會傳導一次側傳輸的過電壓，這些都可能引起設備不正常運行，此外金屬傳輸電纜較長的情況下由于對地分布電容的影響，還可能會造成保護誤動、拒動問題。采用光電互感器不存在傳統電磁式電壓互感器二次側短路或電流互感器二次側開路引入的危險；解決了絕緣油或絕緣氣體絕緣強度下降帶來的問題，提高了系統的安全可靠性。另外，數字化變電站的設備間通信采用計算機通信技術，一條信號傳輸信道可傳輸多個上級設備傳輸的信號，合并單元的存在使得端子排的使用大幅減少，簡化了二次設備間接線復雜度，使得信號傳輸電纜的使用量大大降低。

1.3 解決設備間的互操作問題

數字化變電站按照國際電工委員會頒布的IEC 61850標準規范按統一的通信協議建立設備間的信息交互模型和通信接口，使得設備間無縫通信連接成為可能。傳統變電站中設備由于沒有統一通信協議保障導致不同生產廠家的二次設備間不能完全可靠完成互操作，需要設置通信接口裝置和規約轉換器等設備，增加了系統結構的復雜度，給系統的設計、調試、維護增加了難度，通信系統的性能也較低。

2 數字化變電站保護裝置的結構特點

2.1 數字化變電站保護裝置與傳統變電站保護裝置硬件

的區別

微機保護裝置在傳統型變電站中普遍應用，該裝置主要由微處理器為核心的數字電路構成。還含有模擬量采集單元、CPU、開關量輸入/輸出接口、人機對話接口和通信接口等部分，傳統危機保護裝置硬件結構如圖1所示。然而數字化變電站繼電保護裝置利用的數據信號來自電子式互感器（EPT，ECT），通過光纖傳輸采樣信號，與傳統的微機繼電保護裝置硬件結構形式存在差異。數字化變電站繼電保護裝置通常包括光接收單元、開入量接受單元、CPU、出口單元、人機對話接口和通信接口等，如圖2所示。

2.2 數字化變電站保護配置方案

常規的數字化變電站繼電保護配置方案和傳統變電站采用常規互感器時的保護配置方案一致，都是按照保護對象進行配置，保護邏輯原理并沒有發生改變，保留原有非數字化保護的邏輯，如主變壓器保護、母線保護、線路電流三段保護等，只是將原來保護裝置的模擬量輸入元件替換為新的數據采集光纖的通信接口，原有輸入輸出I/O接口替換為新的GOOSE 結構下光纖通信接口，原本由中央處理器進行處理的模擬量也交給通信接口來進行處理。這種常規的數字化變電站保護配置方案的保護對象具體，已經具有豐富的運行經驗，可以很好地幫助傳統保護向數字化保護的過渡，但這種保護方案網絡拓撲結構相對復雜，數字化變電站的優勢沒能充分發揮。如圖3所示：

3 數字化變電站對繼電保護技術的影響

數字化變電站將站內設備分歸為過程層、間隔層和變電站層，位于過程層的電子式互感器、合并單元、智能斷路器及智能控制器等設備代替微機保護設備的工作，例如狀態量的交換、采集信號等功能。將原來統一由微機保護完成的測量、控制、保護和數據通信等功能拆分為兩部分完成，采集數據及斷路器的控制等功能交給過程層中的設備完成，原來位于間隔層的微機保護裝置在數字化變電站中只完成數據的計算、邏輯處理和數據通信等任務。

3.1 繼電保護功能網絡化

合并單元設備是電子式電流、電壓互感器（ECT，EPT）的應用所必須的，它的存在使得過程層中數據的數字化和交互傳輸成為可能。繼電保護裝置擁有了數據共享功能，就能實現集成多種類型保護功能，進一步提高了數字化變電站的綜合自動化能力。例如數字化變電站中具有網絡通信處理功能的母線單元，它能接收過程層設備傳輸的開關量信號并進行處理，處理結果通過GOOSE網絡架構傳送至對應的下級處理模塊，下級處理模塊按照需要執行相關動作實現保護，減少了互感器的需求，充分利用了網絡架構的優勢，使保護功能網絡化。

3.2 繼電保護的可靠性得以提高

IEC 61850標準規范的使用，使得數字化變電站中一次和二次設備間信號傳輸電纜的使用大大減少，將傳統繼保的相應功能拆分，使保護具有網絡化特點。采集的數據信號為數字量，不需要再進行數模轉換，消除了數模轉換可能帶來的錯誤。進一步整合在線監測、自檢等模塊后，繼電保護裝置的運行可以更為穩定。另外，由于數字化變電站光纜的利用，代替了大量使用的金屬電纜，大幅度減少了系統中元件的復雜性，實現了真正的去冗余。

3.3 繼電保護技術面臨的新問題

數字化變電站內采取對等（P2P）通信網絡架構模式后，傳輸信息的安全性問題就變得十分重要。所有IED設備在LAN上交互信息，意味著每個IED設備都具有對其他IED設備進行信息交互的能力，因此，一旦某個IED設備受到惡意破壞攻擊時，在數字化變電站缺乏信息有效安全防護的情況下有可能給整個變電站自動化系統安全運行帶來嚴重影響。

4 結 語

目前，數字化變電站的建設沒有統一的標準要求，數字化變電站的常規繼電保護配置沿用運行檢驗豐富的保護邏輯原理，即分散單獨保護，有利于傳統變電站繼電保護向數字化變電站的過渡，但沒有充分發揮數字化變電站設備無縫通信的優勢。未來可以采用系統化的繼保配置方案，保護對象面向多個元件，使得每套繼電保護裝置可以完成主變保護，母線保護，出線保護等保護功能，減少變電站設備數量，充分利用網絡結構和信息共享功能。

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