數字化變電站繼電保護及自動化系統設計

【摘 要】我國作為一個工業大國，人們生活生產的各方面都離不開電力資源，由于經濟的發展，人們的需求也在不斷增加，所以變電站的改革就十分必要。變電站的數字化發展模式已經成為必然趨勢，這其中就包括繼電保護系統的智能化，繼電保護系統直接關系著整個變電站的穩定運行，因此分析研究數字化變電站繼電保護系統的可靠性與穩定性就具有十分重要的意義。

【關鍵詞】數字化變電站；繼電保護；自動化系統；設計

引言

在配電網絡中，變電站是直接連通用戶和電力系統網絡的重要單元，對變電站的實時監測有利于實現對電能質量的實時控制，提高用電設備的運行效率。我國現行中低壓配電網變電站主要以220/110/10 kV電壓等級為主，變電站不但能夠保障電能質量，并且還具備較高的經濟性，因此運用廣泛。

1繼電保護的基本原理

繼電保護裝置的功能一般要根據電力系統發生故障前后的電氣物理量的變化來通過相應的原理實現。在實際的電力系統運行過程中，電力系統發生故障后，其前后電氣物理量的變化有———電流增大、電壓降低、測量阻抗發生變化以及電流和電壓之間的相位角發生改變等。根據這些變化，繼電保護裝置會構成各種原理的繼電保護，如母線繼電保護、變壓器繼電保護、發電機繼電保護等。

2數字化變電站繼電保護

2.1接線系統設計

電力系統的正常運行是安全生產的重要條件，線纜必須布局合理，可以保證設備的正常用電需求，同時，滿足生產的靈活性和經濟性要求，供電系統的主接線方案主要包括：單母線、單母線分段、橋型接法。結合生產負荷，某煤礦的35 kV供電系統的母線接線方式選擇為單母線接線方案。該母線接線方案的優點如下。（1）在母線上通過一組斷路器的配合使用，將單母線分成兩段，同時按照平均分配的原則，將變電站的負荷分成兩個部分，分別接在兩個母線上，當煤礦中的某一個用電設備出現故障或者發生停電故障時，可以將改路中的重要負荷切換到另一路母線上，減小對煤礦生產的影響，保證重要負荷的持續供電，從而提高系統的供電可靠性。（2）在需要檢修時，可以將兩路負荷相互到彼此的母線上，方便檢修，增加靈活性。（3）設備簡單，運維成本低，出現故障時，自動切換負荷。

2.2提高系統冗余性

提高系統冗余性可以維護繼電保護系統的可靠性和安全性，具體的措施為：利用以太網交換機的數據鏈的路層技術對變電站實時監控；在三個基礎網絡的基礎上形成網絡架構的需求，其中，總線結構利用交換機進行數據信息的傳送，有減少接線的作用，但是冗余度比較差，所以在使用中，可以通過延長時間增加敏感度，提高冗余性；環形結構環路上的任何點都可以提供冗余，如果和以太網的交換機進行有機結合就可以形成樹協議，也可以提高繼電系統的冗余度，同時還可以在一定的時間范圍內實現對網絡重構的控制，但是環形結構使用時需要的收斂時間比較長，完成任務的速度比較慢，還會對系統重構產生影響；星型結構的等待時間比較短，所以適用于比較高的場合，不存在冗余度，其缺點是一旦主交換機的過程中有了故障，就會對信息傳送產生影響，可靠性相比下來就比較低，所以并不適合進一步推廣普及。想要提高變電站繼電保護系統的可靠性，就要提高系統冗余性，所以選擇繼電保護系統的網絡構架就要注意結合實際情況，并對比不同架構的優缺點，進而選擇出合適的架構。此外，由于環形結構自身的可靠性比較強，所以可以把環形結構應用于母線的保護裝置中，以增強繼電保護系統的可靠性與穩定性。環形結構對母線的保護的可靠性高，可以滿足繼電保護系統對可靠性的要求，且對元件的損害比較小，所以更可以提高繼電保護系統的可靠性與穩定性。

2.3電子式互感器

電子式互感器是一種將正比于被測量的電壓、電流等傳輸給測量儀器的裝置。與傳統互感器相比，它的絕緣結構更為簡單，且沒有采用油這類易燃液體進行絕緣，因此能夠從根本上避免火災、爆炸等危險，提高整個繼電保護系統的安全性。另外，電子式互感器所采用的連接線纜為光纜，而非傳統的電纜，這種改變也直接避免了互感器在運行過程中出現電磁飽和現象，有利于提高測量的準確性。

2.4做好繼電保護裝置版本及軟壓板的校對工作

在優化改進數字化變電站繼電保護的過程中，應做好繼電保護裝置版本的校對工作，以確保設備的硬件和軟件版本是否為國家電網系統檢測的版本，如若不是，則應及時上報更改。此外，還應加強機電保護裝置軟壓板的校對工作。在智能變電站中，除了置檢修狀態這一功能使用硬壓板外，其他的都應改為軟壓板形式，并增加SV接收軟壓板。在此之前，應認真核對軟壓板的正確性，從而實現繼電保護裝置的穩定運行。

2.5電容器保護

在生產、生活中，會使用到很多感性設備。此時，為了保證數字化變電站供電電能的功率因數在正常范圍內，需要配備實地電容器，消耗供電系統中無功功率，調節供電系統的功率因數。當電力系統中的電容器發生故障時，會嚴重影響電力系統中的功率因數，破壞系統的穩定性，針對電容器的外部故障，制定以下保護方案：采用電流速斷保護，微機采集兩相電流信息構建不完全星形接法。

K k：可靠系數；I ec：短路電流整定值；K n：電流互感器變比。動作時限取1.5 s，靈敏度校檢計算如下：

3自動化系統設計

3.1變電站系統結構

數字化變電站自動化系統結構主要包括三個方面組成：站控層、間隔層、過程層。站控層是變電站自動化的最頂層，包含了服務器、監測界面等部分，可以向操作機構發出指令，監測整個配電網絡的運行狀態。采用IEC61850以太網組成站控層網絡。監控主機連接了通信監控機、通信交換機、通信網絡等各類節點；在變電站的間隔層，中低壓線路負荷涉及安全生產，應配置綜合測控單元實時監控，擬配置深瑞公司智能儀表EPM5500P。采集模擬量、狀態量、告警量，并發出控制操作狀態，EPM5500智能儀表I/O組態靈活，支持ICE61850協議；在過程層的單元配置中，通過許繼公司BDH-806合并單元，合并和處理常規電流、電壓互感器的信號，通過IEC16850協議，將數據轉化為以太網數據，并通過ML2400網絡交換機與間隔層網絡通信。通過站控層、間隔層、過程層三個層面網絡結構的合理配置，使檢測信息在網絡中高速傳輸，實現變電站的自動化。

3.2狀態檢測技術

在數字化變電站設計中應用狀態檢測技術，能夠將以往的定期檢修逐漸轉為維護檢修，將目前的定期檢修制度加以優化和改革，有效節約人力物力等資源。利用狀態檢測技術對設備進行故障檢測，能夠有效降低故障維修使用的時間，保障設備快速恢復正常運行狀態，同時通過該技術還能及時檢測到設備異常以及缺陷等早期信號，為設備正常、可靠的運行提供重要支持和保障。當前變電站很多設備上都已經應用了狀態檢測技術，未來也有重要的應用發展空間。

3.3數字化網絡選型功能

在變電站自動化系統中，若想發揮其數字化功能，需在功能模塊構建過程中融合數據庫技術，對變電站設備、系統的運行數據進行儲存、記錄，對運行數據進行分析。數據庫技術應用比較有限，在系統運行過程中需要人員手動輸入對比數據、維修數據等，當系統中的感應器能夠對參數進行辨別時，其通過與數據庫之間的數據對比，觀察其是否超出了數據庫的額定范圍，并對設備、系統的故障情況進行分析、判斷，并對其故障的原因進行分析。在變電站設備運行過程中，若出現電磁波干擾現象，則需要借助數字化功能，對數字信號進行傳輸，將信號傳輸至控制系統之中，并借助系統的自動化處理功能，對設備發送控制指令，對其進行科學調控。在此過程中，需要重視網絡選型的科學性，以上功能均是借助網絡選型功能實現，科學的網絡選型不僅能夠增加信號的傳輸效率，還能保障系統、設備信號傳輸的穩定性。為了對其進行科學優化，在變電站自動化系統數字化應用過程中，需要在設計階段采取科學的優化策略，在系統設計階段，對通信插件質量進行科學控制，提高整體系統的兼容性，使其能夠在與科學網絡選型的共同作用下，優化自動化系統的控制功能。

3.4數據通信功能

這一功能包括現場級通信和遠方通信，由于數字化變電站的場景不同于普通環境，站內的電磁環境比較復雜，對通信設備及計算機等會產生較強的電磁干擾。通過選擇合適的通信設備和介質并采取適當防范措施，來保障通信的正常進行，避免造成傳輸錯誤或誤動作。例如，選用光纖通信、組建雙機雙網系統、增加電磁屏蔽罩、采用光耦器件、與高壓電纜保持充足的距離等等都屬于針對變電站環境下的特殊考慮。

3.5系統維護可視化

通過將常規變電站電纜回路大量地轉換成虛擬回路，達到簡化了二次回路設計的目的。但是因虛擬回路缺乏直觀的展示方式，導致運維人員無法掌握電站的物理鏈路、二次虛回路以及裝置間的關聯關系。因此，為了簡化運行、維護流程，降低虛端子關聯的復雜程度，減少虛端子和裝置數量，對實現數字化電站設備科學的整合和集成有重要的意義。

結語

數字化變電站是智能電網系統建設過程中的重要組成部分，繼電保護技術是智能變電站中的核心技術，對數字化變電站的安全、穩定運行有著至關重要的作用，在新形勢下，相關人員應積極面對當前數字化變電站繼電保護實際運行過程中的問題，并積極采取相應的措施進行優化改進，從而有效保證設備和工作人員的安全，并為數字化變電廠的安全、穩定運行提供保障。

參考文獻：

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作者簡介：

張俊亮（1983-），男，壯族，籍貫：廣西南寧市人，本科，工程師，主要從事電力行業設計工作。

（作者單位：廣西百源建設工程設計咨詢有限公司）