電氣系統繼電保護綜合自動化的分析

陳翔宇

（國家能源集團泰州發電有限公司，江蘇 泰州 225300）

0 引 言

我國從20世紀90年代以來開始在電力系統中應用計算機技術及半導體芯片技術，進入21世紀后，又開始應用現代化通信技術普及了分散控制系統（Distributed Control System，DCS），繼電保護綜合自動化水平也隨之不斷提高。隨著智能化和物聯化發展趨勢的影響，電氣系統開始應用從控制室連接現場設備的雙向串行數字通信現場總線控制系統（Fieldbus Control System，FCS），通過提高設備可靠性進一步提高繼電保護綜合自動化水平。

1 電氣系統繼電保護綜合自動化的發展形勢

1.1 電氣系統自動化的現狀

繼電器保護系統是電力系統的重要組成部分。當前，在我國用電容量大、電氣參數高、設備控制任務和動作復雜的電力系統中，以分層分布為主要特征的綜合自動化技術得到廣泛應用，除了一些監測任務較少和控制任務較為簡單的小型電氣系統中仍保留部分集中模式的控制系統以外，大部分電氣系統均采用了操作簡單、控制效率高的數字化控制系統，使得繼電器保護系統的自動化技術也發展成熟，成為電氣自動化領域里的一個比較受關注的技術熱點。

1.2 繼電保護綜合自動化的發展趨勢

當前我國應用于電氣系統的繼電保護綜合自動化技術依托于以太網的現場總線技術，采用實時通信的傳輸數據。綜合自動化技術多采用站內獨立監控和采集數據的分散控制模式，事故分析與處理界面可實現分層控制，具有信息傳輸速度快與數據傳輸量大等優勢，體現了電氣自動化系統的發展趨勢。目前，主要發達國家已經在分散控制系統的基礎上普及了現場總線控制系統，結合集中控制與分散控制的優勢，節省了遙控與執行等人工操作環節[1]。

2 電氣系統繼電保護裝置的系統作用

2.1 保證電力系統的有效運行

繼電保護裝置能夠及時發現電力系統中如變壓器、輸配電線以及高壓開關等關鍵設備設施的運行問題，降低了系統安全受到的影響，避免了設備故障和工作事故等破壞性的損害。繼電保護裝置通過關閉故障設備、隔離故障元件以及切斷系統線路等保護措施保護發電機、變壓器與配電箱等關鍵設備設施，從而保證電力系統整體功能不受影響地正常運行[2]。我國應用大規模電力系統的企業如發電廠、變電所以及開閉所等通過設置繼電保護裝置，可以進一步維護用電安全與用電效率，推動組織與企業電力系統的有效運行，推進國家電力事業的信息化與自動化進程。

2.2 提升了電力系統的工作效率

繼電保護裝置可以及時反應電力系統中的設備設施故障，及時將數據反饋信息傳輸到值班室終端計算機或中央計算機，中央控制系統通過判斷信息等級確定系統故障的危害等級。繼電保護裝置設備根據中央控制系統反饋回的控制信號實現連鎖控制或聯動控制，作出相應的保護動作，將系統故障影響控制在萌芽之中，使設備維修人員及時維護和檢修，保證電力系統的正常工作與運行，提升電力系統工作效率。在智能化與網絡化的繼電保護裝置大規模應用以后，繼電保護系統相關的工作已經實現了自動化和智能化，進一步降低了系統性故障的發生率，減少了維護人員的工作流程和工作時間[3]。

2.3 降低電氣系統故障的發生風險

繼電保護裝置綜合自動化工作狀態的實現依托在計算機技術和信息技術，具有對電力系統正常工作運營進行設備監測、數據采集、現場操控以及系統保護等功能，在工作中所處的狀態的是觀察與發現電力系統健康程度的晴雨表。除正常運行和檢修狀態以外，錯誤動作、拒動作以及故障狀態都能反應當前電力系統中出現了某種問題。繼電保護裝置為了保護電力系統的安全而執行了保護功能，提醒管理人員或設備維護人員系統特定設備已經發生了故障風險，需要立即檢修，排除故障[4]。當前較為前沿的智能化的繼電保護裝置設備還具備自我診斷、自動控制以及自動操作等先進功能，進而降低設備維護人員的工作量，能夠進一步降低電力系統運行風險，為維修人員指明故障設備與故障現場，減少設備維護人員面臨的工作危險。

3 電氣自動控制系統概述

3.1 監控模式

3.1.1 集中控制模式

集中控制模式以電纜為媒介，系統中預設置電氣模擬量，采用設置空接點的方式通過硬接點傳輸標準直流信號，在輸入/輸出模件柜鏈接開關量信號燈以監控電氣設備的運行狀態[5]。集中模式的工作原理是變強電信號為弱電信號，具有集中采集電氣量、管理組屏便捷、技術成熟以及響應速度快等優勢，但也存在電纜安裝工程量較大、投入成本高、系統干擾影響大以及系統輸入信息不完整等劣勢[6]。幾種模式的系統風險主要體現在信息的集中處理上，復雜而煩瑣的運行管理工作對系統的處理能力要求很高，目前尚缺乏較為完善的控制系統，集中模式下的繼電器保護綜合自動化的穩定性尚顯不足，難以作為優選方案。

3.1.2 分層分布模式

分層分布模式下的電氣系統繼電保護裝置控制系統劃分為站級監控層、通信層以及間隔層3個層次。站級監控層通過通信網絡對間隔層進行信息交換與管理，通信層主要以電纜為通信媒介，間隔層設有終端測控保護單元，每個間隔層將一次設備劃分為一個單位，形成電氣一次回路或電氣間隔，并配有開關柜或可靠性強的測控單元與保護單元。系統數據匯集、傳輸協議轉換以及控制命令等功能通過現場總線技術實現，如圖1所示[7]。分層分布模式的優勢體現在系統運行穩定和對運行管理工作分層處理，因此該模式下的繼電器裝置自動化運行較為穩定，是當前電氣系統繼電器裝置自動化應用的主要技術手段。

圖1 分層分布控制模式示意圖

3.1.3 現場總線模式

現場總線控制模式的基礎是分散控制模式，其創新點主要在于“現場”概念超越了工作環境，囊括了所有現場設備。現場設備實現了數字化、智能化以及網絡化，使得工作環境轉變為信息化處理現場。現場總線控制模式也采用固定類型的總線標準，標準的通信協議是其核心，構建開放式的通信網絡，總線協議下的技術與設備高度互聯，有別于分層控制模式的局域網模式，可見采用標準通信協議的分散控制結構比分層網絡結構性能更加穩定，信息準確度高，便于安裝與維護管理。現場總線控制模式示意如圖2所示。

圖2 現場總線控制模式示意圖

3.2 監控方式

3.2.1 集中監控

采用集中控制方式的電氣系統采用高度集成的信息處理模式，所有數據傳輸功能集中在總控制室中央計算機中。集中監控方式系統設計簡單，操作難度低，對信息數據實施統一批復與處理，系統運行維護比較便捷，控制站系統安全和防護等級的要求也相對較低。對于設置小型電氣系統而言，采取集中模式系統并應用集中監控是經濟且合理的，對于大型復雜化電氣系統而言，集中監控方式“一帶多”容易導致中央計算機處理器任務增加和數量處理速度下降，也不利于子系統的構建與設計，系統的擴展能力不強[8]。例如，電氣系統中增設開關，與之匹配的繼電保護裝置也隨之增加，系統要求增設電纜數量，這些新增電氣設備進一步提高了中央計算機處理器的功能，但強電電纜產生的電流電壓干擾也會影響計算機工作效率和使用壽命。

3.2.2 遠程監控

分層分布模式下的遠程監控方式是較早出現的數字化設備與自動化系統的應用方式，采用的是封閉式通信協議，屬于內部局域網而非開放式網絡。其自動控制由硬件設備發出數據，遠程計算機完成數據的收集、判斷及反饋功能。遠程監控方式下的繼電保護裝置相互獨立，有利于實現連鎖控制和聯動控制，設備故障后無法自動診斷與處理，在電氣系統的穩定性要求方面與自動控制要求還有一定距離。遠程監控方式對電纜的要求不高，成本費用相對較低，系統設計易于搭建，組態靈活，目前是實際應用較高的自動化監控方式[9]。

3.2.3 現場總線監控

FCS模式下監控方式更加便捷高效，其標準化信息技術及設備運行效率主要由標準通信協議確定。信息化的繼電保護裝置能夠精確地反映設備運行狀況與效率，系統設計也更有針對性，可以根據不同間隔評估設備最小應用數量與性能指標。與DCS模式相比，現場總線監控方式能夠精確計算維持繼電保護裝置的最低設備數量，有利于減少冗余設備如控制柜、I/0卡件以及模擬量變送器的數量。

4 提升電氣系統繼電保護綜合自動化的具體措施

4.1 設備安裝在提升電氣系統繼電保護綜合自動化中的具體措施

4.1.1 安裝措施

繼電保護裝置系統的保護效果最大程度反映了電氣系統的安保效果，屬于重要設備設施，企業或機構在選擇安裝模式中應首選DCS模式安裝，企業實力雄厚可以考慮FCS模式，應用智能化設備以提升繼電保護系統的自動化水平與性能。安裝要點在于系統設備每個開關處都要落實安裝繼電保護器，普及計算機控制方式保證對每個繼電保護設備元件的控制與管理，通過信號傳輸與反饋確定故障位置。小型電氣系統中可以考慮采用集控模式或在分控模式中應用集控模式，以減少電力與人力資源浪費，此外要根據企業用電規模與資源配置選擇繼電保護裝置安裝模式，或者根據實際生產現場條件進行安排，充分體現智能化設備的應用價值。

4.1.2 調試措施

繼電保護裝置的系統調試一般采用差動保護極性校驗法，設備維護檢修人員可通過控制中心計算機對調試數據進行監控和分析。可采用對比法對繼電保護裝置中主變電流的差流相數據進行橫向對比或縱向對比，判斷主變壓器的差動極性是否合理，也可以通過給主變壓器增加一定負荷，通過主變壓器的差動極性變化判斷繼電保護裝置是否穩定工作、正常運行。

4.2 設備管理在提升電氣系統繼電保護綜合自動化中的具體措施

4.2.1 報警裝置的構建管理

報警裝置是繼電保護裝置實現其維護安全功能的核心裝置，對于繼電保護裝置穩定運營及負載起到安全評估的作用。日常管理中，一定要排除因外部撞擊和設備震動產生的誤報情況。維護人員和管理人員還要定期檢查報警裝置內部構件，保持報警裝置觸動點動作的靈敏度，積極清理內部積灰，檢查螺絲的穩固性等。當報警裝置發出信號時，應立即檢測繼電保護裝置內的所有設備零部件是否出現焊接部位脫落和絕緣材料的老化等問題。

4.2.2 系統檢測核查

繼電保護裝置的日常維護管理應提高檢查力度，包括信息化系統的檢測與設備檢測兩方面，操作人員要對比系統評價與設備實際調試運行之間有無出入，現場總線系統是否真實反應了設備的運行狀況與穩定狀況，以作為優化系統的形式與依據。在檢查設備時，要先明確調試技術與調試方法，并對系統設備進行全方位檢測與調試，真實紀錄每一次調試記錄，對調試運行過程排查出的故障和缺陷做好記錄并留存電子文檔，及時上傳到系統數據庫中，實現維修操作人員和現場管理人員之間的信息共享，分享設備維護經驗與技術，進一步降低與預防事故概率。

4.2.3 人員維護管理

電力系統維保人員的專業素質對繼電保護裝置穩定運行至關重要，要正視維保人員系統維護方面的貢獻，而不僅僅是繼電保護設備出現問題之后的補救[10]。在系統安裝工作中，維保人員要按規范接線和調試，保證線路與部件安裝牢固，確保系統二次回路的正常穩定工作。在日常檢測工作中要對巡視工作認真負責，強化線路連接的穩固性，確保繼電保護裝置在日常運行中沒有出現部件過熱和噪音異常等特殊情況，同時在階段性維保時及時消除設備安全隱患，避免繼電保護裝置帶故障運行。

5 結 論

繼電保護綜合自動化是電氣系統內的重點研究方向之一，主要體現在繼電保護裝置的自動化方面，對電氣系統的安全運行提供了有力保障，增強系統功能的網絡化和智能化程度，對電氣系統繼電保護綜合自動化發展有著積極意義。通過對繼電保護系統的研究和實踐，有助于降低電氣設備的維護成本，保證系統功能實現與安全運行。