智能變電站變壓器保護系統可靠性研究

王 寧 劉 夏

1.特變電工沈陽變壓器集團有限公司，遼寧沈陽 110144；2.中車建設工程有限公司，遼寧沈陽 110020

1 當前智能變電站情況介紹

智能變電站，就是通過利用現代化、具有集成特點以及環保性能的智能設備，將通信平臺網絡化、全站信息數字化以及信息共享標準化作為變電站運行的基本要求，可以無需依靠人力實現信息采集、測量、控制、保護、計量以及檢測等功用。另外，智能變電站同時也具備支持電網實時自動控制、智能調節以及在線分析決策等多項功能。

變電站在電力系統當中起到的作用就是充分實現個支線路的總體連接，并對于電力傳輸系統進行相應的轉換以及分配。除此之外，電力系統運行的過程中，變電站同時也是其中的一個關鍵節點，可以充分保障電網的運行安全，確保電網運行的穩定性。經過一段時間的應用和發展，目前我國的智能變電站已經成為了電力系統中必不可少的一個部分，其功能性逐漸完善，變電站所傳遞的信息也逐漸朝著現代化、智能化以及數字化的方向發展。與此同時，通信平臺也逐漸與計算機網絡技術相融合，一定程度上實現了智能變電站內部工作運行一體化的作用。

2 變壓器保護系統模型分析

2.1 傳統變壓器保護模型

在傳統的變電站保護系統模型當中，互感器與一次設備皆通過電纜與變壓器保護系統、線路保護系統以及測控系統相連接。然而，連接的過程僅依靠單段電纜是難以實現的，連接電纜的數量多意味著連接所需要的接口更多，接線難度加大，且極其容易受到電磁干擾的影響?？傮w來說，傳統變壓器保護系統與系統的可靠性內涵存在著一定的差異。傳統保護系統模型如圖1所示。

圖1 傳統保護系統模型

2.2 智能變電站變壓器保護系統模型

可以將智能變電站變壓器保護系統中的保護裝置細分為主后備保護一體化變壓器保護裝置雙重化配置以及主、后備分離的單重配置兩個類型。在前者中，變壓器的高壓側以及低壓側通常分別采用單獨的智能終端來實現合并單元的雙重化。這樣的配置的優勢性在于可以同時實現主、后備兩個部分的保護功能，相對來說具有較高的可靠性。而缺陷則在于配置運行與維護的成本明顯增加，為變電站帶來了更多的經濟壓力，并且提高了過程層網絡的復雜性，因而，仍然有待完善。在主、后備分離的單重配置中，高壓側以及低壓側各分配一臺后備保護裝置，其中，對于高壓側的過程層需要配置一臺智能化的主保護以及后備保護合并單元，對于低壓側的過程層需要配置一臺與高壓層類似的合并單元，值得注意的是，該合并單元與智能終端同樣采取智能終端一體化的應用方法。相對于前一種配置方案而言，后者所需的保護裝置更多，且過程層網絡涉及較多內容，更為繁復錯雜，雖具有一定的可靠性，但同樣存在著不完善的地方。智能變電站變壓器保護模型如圖2所示。

圖2 智能變電站變壓器保護模型

3 變壓器保護系統可靠性研究

3.1 直采網跳模式變壓器保護系統可靠性分析

在直采網跳變壓器差動保護系統模型當中，最大的問題就在于合并單元與互感器之間的連接雖然運用了多根電纜，即便其中一根出現故障，整個保護系統都難以發揮效用。假設在直往直跳模式中，同類的原件可靠性相同，且無需考慮元件間的共同作用，可以發現，采取交換機的冗余方式可以明顯提升變壓器差動保護的可靠性，并且，故障修復時間與系統可靠性呈反比存在。

3.2 網采網跳模式的變壓器系統可靠性分析

在網采網跳變壓器差動保護模型中，合并單元與電流互感器之間經由多根電纜連接，且電纜與電壓互感器的連接主要是用于采集三相電壓，智能終端中的電纜則與斷路器跳閘線圈相連。相對于直采網跳模式來說，網采網跳模式的誤差稍有降低。

3.3 直采直跳模式的變壓器保護系統分析

就當前情況來看，很多時候，人們所提及的智能終端一體化裝置實際上就是將兩個或兩個以上的裝置聯合運用，雖然功能和效果更為強大，但從本質上看功能卻并未有所整合。通過對比，可以確定，直采直跳組網模式是三種組網模式中可靠性最高的一種，并且無需過多的利用交換機，一定程度上節約了智能變電站的構建成本，更具應用價值。

3.4 交換機組網方式以及三類組網模式對比

容易對變壓器保護系統可靠性研究造成影響的因素眾多，主要涉及總線性能以及組網關系等內容。

通常情況下，智能變電站會采用雙母接線和現代化的一次設備，依靠電子式互感器來獲取數字量信息，然后再傳遞給合并單元，統一傳遞到保護裝置當中，最后再充分利用智能終端來實現對于開關設備的控制。我們可以將智能變電站細分為過程層、間隔層以及站控層三層。具體來說，過程層涉及開關、斷路器、變壓器等設備，其運行涉及到多個環節的工作，因此，在研究其可靠性時，需要充分考慮到傳輸介質以及元件等內容。

在智能變電站變壓器保護系統當中，想要充分確保網絡的可靠性，不僅需要確保網絡的冗余度，同時也需要充分考慮到報文延時對于系統造成的影響。

通過對交換機中各組網方式進行分析，可以發現，總線形結構雖然總體結構較為單一簡單，但其不會留存過多的冗余度，其缺陷就在于通信延時較長，總體來看可靠性較弱。星形結構雖然有效彌補了總線形結構的延時缺陷，但其缺點在于對于交換機的要求較高，普通的交換機很難滿足星形結構的需求。環形結構的優勢在于其冗余度更強，缺陷在于結構較為繁雜，且與總線形結構一樣，存在著通信延時較長的問題。對比來說，環形和星形網絡的弊端更少，雖然存在一定的缺陷，但可靠性相對更強。

另外，在智能變電站當中時常會采用“三層兩網”結構。其中，在直采網跳模式下，一旦合并單元與互感器之間所連接的電纜出現互相，整個保護系統都會失去其作用。在網采網跳模式下，合并單元與電流互感器之間的連接主要被用于采集三相電流。直采直跳模式實現合并導員以及智能終端的一體化。對比網采網跳、直采網跳變壓器保護系統方案以及直采直跳變壓器保護系統方案，直采直跳的可靠性更高，且報文傳輸可以直接進行，省去了交換機設備的應用所消耗的時間，不會對跳閘速動性造成過多的影響，總體來說，可靠性較高。同時，合并單元與智能終端的融合有效節約了設備的占地面積，且無需受到布線繁雜、元件穩定情況等外界因素的影響。值得一提的是，直采直跳變壓器保護系統方案省去了交換機轉換報文的時間，更具時效性、靈活性和經濟性。

4 結語

綜上所述，隨著智能變電站應用水平的逐漸發展進步，智能變電站的結構和功能得到了顯著的完善。但就目前情況來看，智能變電站變壓器保護系統仍然會受到多種外界因素的影響，在未來的發展過程中，仍然需要進行更為深入的探討研究。