智能變電站繼電保護裝置的改進設計

程衛綱

(山西焦煤 西山煤電 杜兒坪煤礦 機電科，山西 太原 030022)

0 引言

電力工業是我國能源產業的核心，當前各國為解決能源安全和環境保護的問題，大力發展智能電網。變電站作為智能電網的基礎，是實現電能傳輸、分配的關鍵系統[1]。而且，電網的各種關鍵設備均置于變電站內，可見變電站的可靠性很大程度上決定了電網運行的安全性。因此，對與智能電網相對應的智能變電站提出了更高的要求和挑戰。為提升智能變電站的可靠性，本文對其涉及到的繼電保護技術和保護裝置進行了優化設計。

1 智能變電站

智能變電站是以智能設備為基礎，采用數字化、標準化和網絡化的通信要求，實現對電網信息的采集、控制、計量以及保護等功能。此外，基于智能變電站還能夠實現對電網的實時自動控制、在線分析決策等功能，還具備與相鄰變電站實現互動的功能[2]。

1.1 智能變電站組成

智能變電站的智能化功能主要體現在站內一次設備的智能化，主要包括變電站自動化系統和輔助信息集成化系統。簡單地說，智能變電站主要由三部分組成，分別為過程層、間隔層和站控層，如圖1所示。

過程層主要為一次設備及其智能電子裝置，根據其功能的不同可分為電氣量檢測、設備狀態監測、操作命令的執行。間隔層主要為二次設備，主要以測控裝置和繼電保護裝置為主，其主要功能是實現對一次設備的保護。站控層主要包括通信系統和監控系統等，其主要功能是對整個智能變電站進行信息管理、數據采集以及運行監視等[3]。

1.2 繼電保護

當變電站在運行中由于電氣故障和線路問題對電網安全運行造成威脅，此時繼電保護裝置可在第一時間發出報警信息，并對控制斷路器動作實現掉閘，從而確保事故降至最低。

圖1 智能變電站組成

按照繼電保護裝置的應用可將其分為三大類，分別為主保護、差動保護和母聯保護。繼電保護裝置的原理框圖如圖2所示。

圖2 繼電保護裝置原理框圖

如圖2所示，繼電保護裝置將測量部分采集到的數據與整定值進行對比，從而得出邏輯控制指令，進而實現對繼電保護裝置動作的控制。在繼電保護裝置動作的同時，系統會發出對應的報警信號。

2 繼電保護裝置的現狀與改進

2.1 繼電保護裝置現狀

經對當前智能變電站繼電保護裝置在實際應用中常見的問題進行綜合分析，可總結為以下幾點：

(1) 當主變電站在超負荷狀態下運行時，主變電站后備過流保護出現誤保護動作。

(2) 當繼電保護裝置在低壓側母線發生故障時，其對應的高后備過流保護功能存在啟動延時或不啟動的問題。

(3) 當繼電保護裝置出現CT斷線的故障時，與其相對應的被保護電氣元件也出現故障，從而使得繼電保護功能失效。

(4) 當進線負荷電流的一次值較小時，導致備自投裝置出現PT斷線的事故發生，從而導致備自投功能的誤動作。

2.2 繼電保護裝置的改進

2.2.1 復壓閉鎖判據的優化

目前，繼電保護裝置所采用的過流保護邏輯為復合電壓閉鎖方向過流保護，當繼電保護裝置的主變低后備保護裝置在低壓側開關閉合時，其對應的過流保護經復壓閉鎖。因此，當繼電保護裝置的低壓側開關未閉合時，其對應的過流保護也不會閉鎖，從而導致繼電保護為純過流保護，導致過流保護功能的誤動作[4]。

由于變電站低壓側開關處于未閉合的狀態，從而使得繼電保護裝置中僅有高壓側作為復壓開入。因此，當低壓側的母線出現故障時，導致高后備過流保護功能的失效。針對主變電站后備保護裝置的誤動作和效果問題，需將繼電保護裝置中復壓閉鎖的判定依據進行優化。綜合分析，在繼電保護裝置的開關位置加入復壓閉鎖的判據，從而能夠避免由于開關閉合信號的誤傳導致保護裝置的誤動作或者失效。

2.2.2 CT斷線故障閉鎖保護裝置的優化

針對CT斷線故障時繼電保護裝置的被保護電氣元器件出現故障，從而導致繼電保護裝置失效的問題，通過研究繼電保護裝置失效的原因，針對CT斷線的故障，對故障信息分析后采用軟壓板控制，從而保證作業人員能夠根據電網的實時需求完成對整定計算結果的取舍，從而做出正確的動作指令[5]。

2.2.3 進線負荷電流的優化

目前，繼電保護裝置進線負荷電流的設定值為0.2 A，常由于進線負荷電流過小導致繼電保護裝置的PT出現斷線故障，進而導致備自投的誤動作。因此，進線負荷電流值應根據電網的實際情況、變電站的負荷以及CT的變比進行優化。為進一步提高繼電保護裝置的可靠性，將進線負荷電流設定為其采樣電流值的固定倍數。

3 繼電保護裝置優化效果驗證

采用上述方案對繼電保護裝置進行優化后，采用數字化的電壓互感器和電流互感器將大電流和大電壓轉換為數字信號和低電平信號。此外，通過以太網通

信實現對智能變電站的數據采集和數據傳輸，實現對智能斷路器的控制。優化后的繼電保護裝置應用效果主要體現為以下幾點：

(1) 優化后的繼電保護裝置能夠實現對智能變電站一次設備和二次設備的隔離；在一定程度上提升了對變電站數據的動態測量范圍和采集精度，為智能變電站的信息自動化控制奠定基礎。此外，為二次設備提供了數字化應用接口。

(2) 優化后的繼電保護裝置具有更強的實時性和可靠性。

繼電保護裝置優化前后變電站的運行效果如表1所示。

表1 繼電保護裝置優化前后變電站運行效果對比

4 總結

智能變電站是電網系統變電站的發展趨勢，在實際應用中智能變電站由于繼電保護裝置設計不合理導致其經常發生誤動作或者失效。因此，需對繼電保護裝置進行改進設計，以提升保護裝置的可靠性，進而確保電網運行的穩定性。經對繼電保護裝置優化設計后，其誤動作次數、失效次數均降為0次，報警正確率、動作正確率和主網電壓合格率均為100%。即，優化后的繼電保護裝置能夠極大地提升變電站運行的可靠性，繼而確保電網供電的合格率為100%。