110 kV智能變電站繼電保護的設計與應用研究

孔德明

(晉城宏圣建筑工程有限公司，山西 晉城 048006)

0 引言

智能變電站具有有效進行能量平衡轉變、分布式控制以及用戶交互式體驗等功能，因其具有智能、高效、節能、環保等特點而逐步得到廣泛應用。繼電保護系統是110 kV智能變電站的重要組成部分，在變電站相關電氣設施發生故障或是運行狀態不正常的情況下，繼電保護系統能夠針對這些問題的發生做出快速反應，保障其他無故障電氣設施的正常運轉，并控制斷路器切斷有故障的電氣設施，將電氣設施的故障影響范圍降到最低程度，從而有效地保證智能變電站的安全高效運行。因此，對110 kV智能變電站繼電保護系統進行合理設計具有重要的研究意義和實用價值。

1 繼電保護系統設計原則

1.1 繼電保護系統整體功能要求

繼電保護系統必須與110 kV智能變電站主接線及整體電網架構相適宜配套，因此在對繼電保護系統進行設計時必須遵循以下原則：

(1) 基于電氣設施故障特點配置繼電保護系統。根據110 kV智能變電站的網絡化特征，繼電保護系統也必須具備這一特點，能夠實時采集電氣設施的相關數據并對其運行狀態進行監控，再根據所搜集的數據和監控的運行狀態來判斷所發生故障的電氣設施及其位置，進而對故障情況進行迅速處置。

(2) 基于繼電保護對象的電壓和重要等級進行設計。針對智能變電站中電壓等級在110 kV以上的線路，需要繼電保護系統同時具有主保護和備用保護相結合的功能。通過主保護設備可實現無延時跳閘，對故障部分迅速切斷，由繼電保護系統對電壓等級較低的線路實現后備保護功能。除此之外，當所發生故障部分的繼電保護裝置不能正常運行時，其相鄰的繼電保護裝置可實現延時跳閘，對該故障部分進行切斷。

(3) 基于變電站的正常運行需求簡化系統二次回路。繼電保護裝置和二次系統是整個繼電保護系統的重要組成部分，二次回路具有保證繼電保護裝置正確進行保護動作的功能，同變電站安全生產息息相關。若繼電保護系統的二次回路十分復雜，則繼電保護裝置將不能夠及時對故障部分進行檢測并作出相應保護，因此在滿足變電站正常運行需求的基礎上，盡量簡化系統二次回路的接線。

(4) 避免相鄰電氣設施保護出現死區。需要通過合理配置電流互感器繞組和繼電保護裝置等手段，以避免變電站中相鄰電氣設施繼電保護死區情況的發生。

1.2 繼電保護系統輸電線路要求

變電站輸電線路通常要翻山越嶺穿越各種不同的復雜環境，輸電線路也是最易發生故障的部分。根據輸電線路故障原因，可將輸電線路故障劃分成單相接地、兩相接地、三相故障和相間故障等4種不同類型，不同電壓等級變電站的輸電線路對于繼電保護的要求也不盡相同。在變電站的電壓等級小于等于35 kV情況下，輸電線路的形式為不接地，對于輸電線路的保護可以采用階段過流保護形式。在智能變電站的電壓等級為110 kV的情況下，對于輸電線路的保護必須采用階段相間結合接地距離的保護形式或者階段相過流結合零序保護的形式。

1.3 繼電保護系統變壓器要求

變電站中最核心的設施是變壓器，若變壓器發生故障則變電站的電力系統將無法運轉。針對變壓器的特點，其保護裝置必須具備高靈敏、快響應以及安全性好、可靠性高等特點。變壓器繼電保護包括主保護和后備保護兩個部分，其中主保護必須具備差動、電流速斷的保護功能，而后備保護必須具備過壓、過流、過負荷、零序電流和非電量的保護功能。

1.4 繼電保護系統母線要求

變電站的母線和母線絕緣子因安裝年久絕緣老化、污穢嚴重，加之雷擊、人為等因素，都會引起變電站母線發生故障。若變電站母線出現故障，則位于母線的各元件都將無法正常工作，進而影響整個變電站電力系統的穩定運行。一般變電站母線的繼電保護需要布置在電壓等級較高一側，可以通過電壓等級較低母線的供電元件保護裝置來實現其故障保護功能。變電站電壓等級較高的母線專用保護必須具備差動、母聯過流、斷路器失效等保護功能。

2 繼電保護系統設計方案

2.1 GOOSE通信網絡總體方案

GOOSE(Generic Object Oriented Substation Event，面向通用對象的變電站事件)通信網絡，可以針對變電站中的電氣設施實現P2P通信功能。與傳統機電設施硬電纜線連接的方式相比較，GOOSE通信網絡能夠實現開關、閉鎖以及跳閘動作等相關數據信息的實時傳輸，因此具有更好的快速智能性、安全可靠性和實時高效性。變電站中的智能設備能夠利用搭建的以太網接收和傳輸數據、實時互動，而通過GOOSE通信網絡可以實現間隔層與間隔層、以及間隔層與過程層的通信功能。

2.2 繼電保護系統方案及配置

根據設計原則，圍繞線路、變壓器和母線進行繼電系統總體方案設計，主要包括以下三個方面的內容：①根據智能變電站特點進行模塊化設計；②采用站控層、間隔層和過程層三層結構布置；③除主變電量保護之外，其余保護均采用單套配置保護設計方案。圖1為110 kV智能變電站繼電保護系統方案及配置圖。

圖1 110 kV智能變電站繼電保護系統方案及配置圖

如圖1所示，110 kV智能變電站繼電保護系統包括以下三個層級：

(1) 站控層。遠動工作站主機采用單套配置，內置MODEM，并配備3個站控層通訊以太網接口和相應的遠動系統軟件。站控層采用MMS和GOOSE通訊網絡，網速100 Mb/s，單星型結構。操作人員可以通過后臺主機和遠動工作站采集運行數據、進行遠程監測、故障分析以及程序化操作。

(2) 間隔層。通過間隔層可以實現站控層和過程層之間數據的傳輸交互，若站控層因故障不能對相關設備下發指令時，間隔層可以獨自完成對間隔層相關設備就地控制的功能。并且間隔層還可以對其他間隔單元的非保護采樣以及跳閘數據信息進行傳輸。

(3) 過程層。變電站相關的電氣設備及傳感器都在過程層中，通過過程層可對一次設備進行測控，實現一次設備的數字化和智能化，主要有采樣電氣量數據、執行間隔層指令等功能。過程層的保護功能是通過直接采樣和直接跳閘來實現的，采樣信號、跳閘信號可以利用P2P的通訊方式在過程層智能終端之間進行互相傳輸。

一次設備主要包括主變壓器110 kV氣體絕緣金屬封閉開關設備、主變壓器110 kV開關柜、110 kV線路氣體絕緣金屬封閉開關設備、75 kV間隔開關和10 kV間隔開關。

3 繼電保護系統各線路方案

某110 kV智能變電站采用110 kV單母分段接線、35 kV單母分段接線和10 kV單母分段接線的方式，配備2臺主變壓器，并且留有1臺主變壓器安裝位置。110 kV高壓側進線間隔布置2回路，并且留有2回路進線間隔安裝位置。35 kV中壓側出線布置4回路，并且留有4回路間隔安裝位置。10 kV低壓側出線布置12回路，并且留有13回路間隔安裝位置，配備有電容器、2組接地變壓器和1個分段斷路器。

3.1 110 kV高壓側線路保護

110 kV高壓側線路保護綜合了數據采集、故障監測、保護跳閘等速動保護功能，并且各條線路都具有獨自一面屏。此外，將具備單相、三相、綜合和特殊重合閘保護功能的裝置也安裝到110 kV高壓側線路中。保護設備利用SV網絡進行數據采集工作，并且數據信息可實現點對點傳輸功能；利用GOOSE通信網絡可實現跨間隔信息傳輸，在各條回路都配備1臺合并單元并具有智能終端的綜合保護設備，將其安裝在本間隔所配置的就地智能控制柜中。圖2為智能變電站110 kV高壓側線路保護設計示意圖。

圖2 智能變電站110 kV高壓側線路保護設計示意圖

3.2 35 kV中壓側和10 kV低壓側線路保護

35 kV中壓側和10 kV低壓側線路保護安裝集成了保護功能、測控功能、計量功能、錄波功能的綜合保護設備，能夠完成故障監測、選相速動保護以及重合閘、三段過流、小電流接地保護等工作。保護設備利用SV網絡進行數據采集工作，利用GOOSE通信網絡可實現跨間隔信息傳輸。35 kV中壓側和10 kV低壓側保護設計與110 kV高壓側線路保護設計相同。

3.3 故障錄波與分析處理綜合系統

該系統由故障錄波單元、數據記錄單元、MMS網報文單元和分析處理主機構成，利用過程層通信網絡系統實現SV網絡采集數據和GOOSE網絡采集數據的傳遞，采用單獨組網的形式，配備采樣數據接口以實現采樣數據錄波傳輸功能。

4 結語

隨著科技進步和智能化技術的日臻完善，智能變電站也逐步發展并因其經濟技術優勢而得到廣泛應用。繼電保護系統是110 kV智能變電站的重要組成部分，關系到智能變電站能否正常運行。根據110 kV智能變電站具體特點進行繼電保護系統的設計，對于智能變電站實現安全高效運行具有重要的研究意義和實用價值。