智能變電站繼電保護研究文獻綜述及對壓差監(jiān)控方案的初步設想

顧文馨 范佳辰

【摘要】 長期以來，眾多研究者致力于研究如何將機電保護器應用于智能變電站中，竭力為智能變電站發(fā)展提供可靠保障。基于此，本文通過查閱相關資料，就近年來智能變電站繼電保護相關研究成果進行理論綜述，并對可能的改進方案與其可供實驗測試模型進行初步設想。

【關鍵詞】 智能變電站;繼電保護;電網系統(tǒng);綜述

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2021.01.023

Abstract： For a long time， many researchers have devoted themselves to the study of how to apply electromechanical protectors to intelligent substation，and strive to provide reliable guarantee for the development of intelligent substation. Based on this，this paper reviews the related research results of relay protection in Smart Substation in recent years by consulting the relevant data，and makes a preliminary assumption on the possible improvement scheme and its available experimental test model.

Key words： intelligent substation;relay protection;power grid system;overview

1 目前國內外相關技術發(fā)展概況

相對于常規(guī)變電站，智能變電站能夠完成范圍更廣，層次更深，結構更加復雜的信息收集和信息處理，同時由于使用了光纖及高集成化的電子元器件，使其兼有更為優(yōu)秀的、當前工業(yè)生產發(fā)展十分重視的環(huán)保效益。智能變電站內，站與站之間，站與大部分用戶之前的可交互性更強，這使電網運行更為安全可靠。而其中，繼電保護是保證智能變電站運行穩(wěn)定的相當重要的一個方面，因此，對其進行探究是有建設性意義的。經對以前的文獻及資料查證與整理，下文對其目前的發(fā)展狀況進行一些概述。

IEC 61850通信協(xié)議在2004年頒布后，人們就對這個協(xié)議的變電站建設進行了探索。現(xiàn)如今，以西門子為代表的西方電力設備企業(yè)已經研發(fā)出了比較完善的智能變電站設備，然后還把這些設備應用到了具體的工程建設項目中，很多研究者也針對智能變電站機電保護展開了一系列的研究。Crossley P A等人（2016）在其研究中就現(xiàn)階段智能變電站兩種主流配置方案進行了研究，剖析了系統(tǒng)保護配置方案以及常規(guī)保護配置方案的構成，針對它們的優(yōu)點和缺點進行了深入的比較和研究。Premaratne U K和Samarabandu J等人（2017）結合其所要研究的110千瓦變電站電力負荷相關資料，在相關指標下，就110千瓦變電站機電保護配置進行了全面布局，具體對其主接線設計以及短路電流計算進行了詳細的說明。國內方面，浮明軍等人（2015）就智能變電站機電保護裝置自動測試裝置的一些核心技術進行了相關的探索，對外接口特點以及測試具體方法進行了大量研討，開發(fā)出了全自動測試系統(tǒng)軟件，測試方法得以優(yōu)化，測試的效率也逐步提高，很大程度上確保了產品的優(yōu)質化，對智能變電站調試，驗收環(huán)節(jié)具備很強的參考價值和理論意義。趙煒等人（2019）針對智能變電站及其繼電保護的相關特征，探索了智能變電站繼電保護以及自動化裝置，該裝置對變電站安全運行以及運行質量有很大的幫助，給供電系統(tǒng)健康發(fā)展奠定了理論基礎。李官宇[8]等人（2017）結合數(shù)字化變電站繼電保護技術的相關理論進行了分析，包括其原理及特征等，然后就數(shù)字化變電站機電保護技術的實踐應用進行了探討。

目前，學術界對于壓板狀態(tài)在線檢測的研究主要有以下的兩種。一種是任俊杰，蔣嵐等人研究的把圖像識別方法作為壓板狀態(tài)在線檢測的方法，它是要在機電保護室安裝一定量的攝像頭，攝像頭的角度也要進行合理校對，確保所有保護屏都能夠顧及到。然后把保護屏上的壓板狀態(tài)進行實時拍攝，并同步到上位機上，這時候上微機的數(shù)據(jù)庫里留有之前保存好的保護壓板正確投退的狀態(tài)信息，接著利用圖像識別技術把上傳的壓板投退狀態(tài)和數(shù)據(jù)庫中預存的壓板透退狀態(tài)進行比對，以此來實現(xiàn)在線檢測的目標。另一種是夏志宏（2019）在其研究中指出的一種檢測重動繼電器觸點狀態(tài)的方法，這種方法必須要把保護應壓板進行統(tǒng)一投入，然后將重動繼電器的常開關和壓板回路進行連接，利用RTU控制重動繼電器，以此來檢測中重動繼電器常開接點應該在什么地方，這樣可以達到遠方投入以及退出保護壓板的目的。

2 國內應用案例及存在的問題

目前，國內變電站基本應用了綜合自動化系統(tǒng)，其中比較成熟的系統(tǒng)之一為南瑞科技的NS 2000系統(tǒng)。針對設備狀態(tài)變化的突發(fā)狀況，開啟預定性事件，歷史庫內可以存儲近數(shù)次和突發(fā)狀況有關的數(shù)據(jù)，它能夠記憶設備狀態(tài)變化前后不同時間段的相關數(shù)據(jù)。系統(tǒng)雖然能夠對壓板狀態(tài)進行實時監(jiān)測，但卻沒有辦法在壓板投退錯誤時候進行警告及修正。正是基于壓板位置信息連接檢測系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫，才得以在線監(jiān)測壓板投退狀態(tài)。然后和系統(tǒng)的個別的部位進行連接，構成新的遙信點，以此來達到監(jiān)測壓板投退狀態(tài)的目的。

就國內和國外的研究發(fā)展現(xiàn)狀來看，很多企業(yè)在變電站保護壓板狀態(tài)檢測方法方面進行了大量的研究，一些研究成果也在變電站進行了實際的應用，可是因為種種原因，包括通信方式不完整，產品功能不全面，運行不夠穩(wěn)定等等，使得產品運行價值較低，甚至一些由于增加了運行人員的工作負擔，造成其進行壓板狀態(tài)檢測時的失誤，因而，在能大規(guī)模投入實際生產使用上仍有很多問題亟需解決。

3 出口壓板壓差監(jiān)測系統(tǒng)的設想與基于實驗測試考量的設計思路

在現(xiàn)階段的實際操作中，運行監(jiān)測人員將出口壓板投入后，主要憑借外觀及用萬用表量壓板兩頭壓差的方式，來確認該壓板兩端是否接觸良好，所得結果準確性相對較差，且往往要兩人及以上共同作業(yè)，逐個壓板一一檢查，耗時耗力又無法做到迅速實時監(jiān)測問題所在，調度主站也無法判斷出口壓板投退狀態(tài)，無法校驗核對。若通過監(jiān)測到兩側存在壓差的方式，利用信息采集模塊、主控模塊、通信模塊等傳輸信息，并在上位機中顯示出壓板投退狀態(tài)，則可在一定程度上，相對有效地解決目前監(jiān)測的一些不足之處。以下簡述一些設計與選擇思路：

首先是如何判斷壓板位置，日常生產生活中常用的主要有三種方法：第一種使用限位開關，當壓板投入，限位開關就被壓下去，即可采集到其位置狀態(tài);第二種使用紅外感應器，當壓板投入，紅外線發(fā)射出去的中途被遮擋，接收端就接收不到信號，即認為壓板投入，反之則沒有投入;第三種使用圖像處理技術，以機器拍攝圖片為基準進行判斷。但由于后兩種成本相對較高，且在模擬中紅外線也易受其他干擾導致接收器無法正確接收到信號，而利用圖像處理技術還需要依附于其他相關程序的開發(fā)與利用，因而本文中僅采用第一種方式，相對簡單而直接地模擬壓板的狀態(tài)變化。

接下來是起到傳遞信息作用的相關硬件模塊的選擇。考慮到實際使用中，遠距離監(jiān)控、人身安全問題等的需要，選用了遙信信息采集的方式，且由于傳輸過程中可能會出現(xiàn)干擾噪聲信號導致波形畸變，甚至狀態(tài)錯誤，也應加入穩(wěn)壓濾波的環(huán)節(jié)。對于控制模塊，選擇了相對基礎也最容易上手的8位51單片機。對于通信模塊，考慮到現(xiàn)代工業(yè)信息化的需要，選用了更為適應當前環(huán)境的RS-485，與更早出現(xiàn)的RS-232-C不同，其具有更高的傳輸速率;降低了接口信號電平，不易使接口電路芯片損壞，且能與TTL電路兼容連接;采用了平衡驅動器和差分接收器的組合，抗噪聲干擾能力更為優(yōu)秀;傳輸距離也更長。相應的，選擇了Modbus作為通信協(xié)議，其包括了ASCII、RTU、TCP等，能夠實現(xiàn)雙向讀寫，并對數(shù)據(jù)進行奇偶校驗，LRC校驗（ASCII），16位CRC校驗（RTU）等，且數(shù)據(jù)能進行斷點傳續(xù)，可靠性較高。

最后是上位機顯示狀態(tài)軟件的選擇。考慮到對于更直觀的投退狀態(tài)表示的需要，選擇了面向對象的VB，運用其中的MSComm控件，進行串口通訊，建立與硬件模塊的聯(lián)系，將接收到的信息通過比較，判斷與篩選，以最為直觀的圖形，文字，顏色等形式展現(xiàn)出來。

基于上述的方案及軟件、硬件等的選擇，進行實驗測試電路的設計，并制作實際的實驗用模型進行設計合理性和實用性的驗證。但目前，由于具體的電路設計與實物制作，仍在進行測試階段，仍不夠成熟，功能的完善與可靠性尚不能保證，故此處不對具體的電路元器件參數(shù)及電路設計圖進行進一步的介紹，僅作為一種設想而提出該種思路，并介紹一些前期的選擇情況，若讀者對此有興趣，可以自行進行嘗試。

4 結語

總的來說，國外在智能變電站機電保護這方面的技術研究比較早，目前已經形成了比較完善的理論體系，而國內對于智能變電站繼電保護技術的研究還需要經歷一個“爬坡”的過程，可是在國家大力支持下，最近這些年我們國家的智能變電站機電保護技術研究已經居于國際領先地位，個別技術也獲得了相關專利，相信在未來的幾年內能得到更好的發(fā)展和突破。

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[9] 任俊杰，蔣嵐電力系統(tǒng)繼電保護壓板圖片識別系統(tǒng)[J]北京聯(lián)合大學學報：自然科學版，2004，（2）.

【作者簡介】

顧文馨（2000-），女，南京工程學院電力工程學院本科生在讀，電力工程專業(yè)。

范佳辰（2000-），女，南京工程學院電力工程學院本科生在讀，電力工程專業(yè)。