110kV及以下電壓等級智能變電站系統的過電壓防護研究

溫立清　韓小勇

摘 要：防護工作在各地變電站中非常重要，當前110kV及以下電壓等級智能變電站影響范圍大，防護水平也有待提升。基于此，文章以110kV及以下電壓等級智能變電站系統的過電壓類型以及原因作為切入點，給予簡述，并以此為基礎，論述過電壓防護措施，給出防護系統化、防護智能化等建議，最后以模擬實驗方式對相關理論作系統論證，以期通過分析為后續具體工作提供必要參考。

關鍵詞：智能變電站；過電壓；降維訓練；防護系統化

中圖分類號：TM63 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）32-0112-02

Abstract： Protection work is very important in various substations. The current 110kV and below voltage level intelligent substation has a wide range of influence， and the level of protection also needs to be improved. Based on this， the paper takes the overvoltage type and reason of 110kV and below voltage level intelligent substation system as the breakthrough point， gives the brief introduction. Then， taking this as the foundation， it discusses the over-voltage protection measure， and gives the protection systematization， the protection intelligence and so on the suggestion. Finally， the simulation experiment is used to make a systematic demonstration of the relevant theory， in order to provide the necessary reference for the follow-up specific work through the analysis.

Keywords： intelligent substation； overvoltage； dimensionality reduction training； protection systematization

前言

過電壓（over voltage）是指工頻下交流電壓均方根值升高，超過額定值的10%，并且持續時間大于1分鐘的長時間電壓變動現象，是負荷投切的瞬間的結果，正常使用時在感性或容性負載接通或斷開情況下發生。我國各地110kV及以下電壓等級智能變電站的建設工程較多，這也對防護工作提出了較高要求，針對過電壓類型以及原因展開分析，并探討防護措施，具有較為突出的現實意義。

1 110kV及以下電壓等級智能變電站系統的過電壓類型以及原因

1.1 變電站系統的過電壓類型

就110kV及以下電壓等級智能變電站系統而言，其過電壓類型可大致分為兩種，即外部過電壓和內部過電壓。外部過電壓的發生率較低，也被稱為大氣過電壓、雷電過電壓，在變電站的工作中，直擊雷和感應雷均有可能造成過電壓，此時變電站可看做一個整體性的導體，雷電經變電站的避雷系統被導入地下[1]。外部過電壓往往具有脈沖特點，持續時間較短。內部過電壓也稱為工頻電壓升高，包括空載長線電容效應、不對稱短路接地、甩負荷過電壓、空載線路合閘和重合閘過電壓、切除空載線路過電壓、線性諧振過電壓、參量諧振過電壓等。內部過電壓發生原因復雜，且發生率較外部過電壓更高[2]。

1.2 變電站系統的過電壓原因

110kV及以下電壓等級智能變電站系統過電壓發生原因可歸納為電路狀態和電磁狀態的突然變化兩個方面。電磁狀態的異常發生率相對較小，一般智能變電站周圍的電磁場是穩定的，不會出現強大磁場影響變電站電壓，但在雷電等強對流氣象條件下、設備損壞的情況下，變電站周圍磁場強度改變，有一定幾率出現過電壓問題。電路狀態的異常，是電力系統過電壓發生的主要因素，如系統中性點不接地系統發生單相接地故障時，可能導致接地電弧間歇重燃，進而出現過電壓。在此過程中，即便較小的電弧電流，如果未能熄滅，也會導致電壓的異常，較大的電容性電流，如果其強度超過10A，會導致電磁振動，出現過電壓[3]。

此外，一些隨機事件也可能導致過電壓，如參數設定不合理、電阻系統/防雷系統異常等，均需要給予有效防護。

2 110kV及以下電壓等級智能變電站系統的過電壓防護措施

2.1 防護系統化

防護系統化，是指在110kV及以下電壓等級智能變電站系統中，構建帶有整體價值的防護體系，將各個環節納入統一的系統下，保證所有危險環節得到處理和應對。如外部過電壓和內部過電壓都面臨電荷富集的影響，該影響主要破壞電磁環境，導致變電站周邊電磁場的異常變化。在防護工作開展的過程中，需要建立涵蓋兩個方面的防護系統，建立可以獨立工作的兩套導電系統，一套用于外部過電壓的防護，另一套應對可能出現的內過電壓。當外部電荷持續聚集時，通過外部防護系統將其導入地下，消除電磁變動出現的可能。當內部存在單相接地故障時，則有內部防護系統進行處理。以統一的管理系統指導具體作業，該防護系統需要借助智能化和防護監控兩條舉措具體實現。

2.2 防護智能化

防護系統化的關鍵，是工作的智能化。擬應用降維訓練的方式進行大規模機器訓練，將訓練結果代入到智能設備中，用于防護系統的感知和危險處理。思路上看，智能設備可根據系統默認程序判別變電站系統的異常，如內部過電壓，并在過電壓發生后給予記錄和處理，降低地破壞作用，整個工程是自動化、無人化的。要求在實際工作中，收集2000個以上的變電站工作樣本，每個樣本都涵蓋脈沖、電壓值、電流值、電阻值等不同維度。應用K近鄰算法進行大規模高效率機器訓練，每一個維度設置一個訓練定義域，該定義域涵蓋變電站工作的一個單獨維度，以該維度的最大值/最小值作為訓練邊界。在正常工作狀態下，變電站輸出電流始終處于一個范圍內，在額定值上下波動，以A表達電流值（標準值），則變電站輸出電流將呈現為一個數列：

A=[……A-3；A-2；A-1；A；A+1；A+2；A+3……]

該數列內的最大值/最小值，即為定義域的邊界值。每一個標準值，都作為一個K點，投入樣本作單一維度的機器訓練。與電流的變化相同，電阻的變化也必然呈現為一個數列形式，以Ω表達電阻，該數列為：

Ω=[……Ω-3；Ω-2；Ω-1；Ω；Ω+1；Ω+2；Ω+3……]

以相同的方式完成電阻定義域內的機器訓練，逐一完成變電站所有項目的降維訓練。在智能設備工作的過程中，任一維度數值超過最大值/最小值，系統均可判定其異常，進行警報和處理，這需要借助監控和應急措施實現。

2.3 防護監控與應急處理

防護監控擬采用分布監測、統一管理基本原則，應急工作則以智能設備的默認程序為基礎，自動化進行。分布監測是指在智能變電站工作的各個關鍵區域，均設置1個智能工作設備，了解該區域的工作情況，并以5s（或其他時間間隔）為間隔，通過傳感器感知該區域工作信息，傳輸給單片機進行信息讀取和對應維度的匹配識別。如變壓器位置的電壓波動，以傳感器感知后，立即傳輸給單片機，如果變壓器電壓穩定，不予處理；如果變壓器電壓異常，且超過定義域內的極值（最大值/最小值），單片機通過匹配分析發現該問題，可通過有線通信方式將其傳輸至管理人員處。如果變壓器過電壓問題嚴重，則由智能設備啟動應急方案，進行斷電處理，保證變電站不會因為嚴重的過電壓出現事故。

2.4 模擬實驗

選取某地110kV智能變電站作為對象，收集其參數建立計算機模型，通過參數調整法進行實驗，觀察系統能否準確識別過電壓問題、識別時間以及處理時間。實驗進行120次，調整電壓參數進行模擬，結果如表1所示。

從實驗結果來看，當以常規電壓進行實驗時，系統可以識別其狀態為“正常”，不發生其他動作；當出現過電壓問題時，各處智能設備能夠精準識別問題，識別時間平均為2.7s，重大問題的處理時間為2.2s，這表明，上述方案可以有效保證智能變電站系統免受過電壓影響。

3 結束語

綜上，110kV及以下電壓等級智能變電站系統可能受到過電壓影響，導致工作異常甚至安全問題，優化防護十分必要。目前來看，相關智能變電站系統過電壓包括外部過電壓和內部過電壓兩大類，原因包括電路狀態、電磁狀態的突然變化以及隨機因素的影響。防護方面，強調系統化、智能化，同時還應做好監控與應急處理，模擬實驗證明了理論價值，可以作為參考，應用于后續具體工作中。

參考文獻：

[1]徐勝，劉潯，時維經.基于EMTP的500kV變電站典型過電壓辨識研究[J].水電能源科學，2018，36（04）：199-203.

[2]曾文龍，李乾坤，齊向東.變電站一次設備過電壓對其二次回路影響及其防范措施研究[J].電子測試，2018（Z1）：81-82+42.

[3]劉芳，李盛偉，徐兵，等.XLPE電纜參數對天津某220kV GIS變電站雷電過電壓的影響研究[J].電氣應用，2017，36（12）：26-29.