220kV智能變電站數字繼電保護系統的研究與設計

晉控電力山西長治發電有限責任公司 李天龍

伴隨著經濟的快速發展，社會對于電能的需求也在持續增長，智能變電管理系統的重要性越發凸顯。現今計算機技術和互聯網技術在越來越多的行業和領域得到了普及，帶動了傳統變電站的發展，為智能變電站的實施提供了可靠的技術支持。而在發展智能變電站的過程中，應將安全問題放在核心位置，做好數字繼電保護系統的設計和研究，降低事故發生的概率，為用戶提供安全、連續的電力支持。

1 智能變電站與繼電保護

智能變電站指一種運用智能化設備，能夠實現信息共享標準化、全站信息數字化以及通信平臺網絡化，具備自動信息計量、測量、控制、保護等功能，可依照電網的運行需求進行智能調節、協同互動的變電站。智能變電站不僅是電網中存在的基礎節點，也是建設智能電網的重要支撐，具備三個顯著特征：一是數據交換的標準化。在智能變電站中采用的是統一的通信規約IEC61850來進行數據信息的交互；二是二次設備的網絡化。在智能變電站中，將原本的控制電纜替換成了光纖，借助網絡的方式進行信息傳輸，同時增加了一些新的二次設備，如過程層交換機、智能終端、合并單元等；三是一次設備的智能化。雖僅是初步的智能化，但也在很大程度上提升了變電站的智能化程度，較常見的如智能電子互感器、智能合并單元等。

繼電保護是一種能夠對電力系統中發生的故障或異常進行檢測，向工作人員發送報警信號，又或直接對故障進行隔離、切除的技術措施。繼電保護裝置想要完成自身的任務需滿足幾個基本要求，一是選擇性，在電力系統出現故障時，繼電保護裝置須能有選擇性的將故障設備或線路從電力系統中切除，盡可能降低故障帶來的影響；二是速動性，指在故障發生后能盡快切除，減少設備的損壞程度；三是靈敏性，繼電保護裝置在對電氣設備及線路進行保護過程中需具備較高的靈敏性，能迅速對故障做出反應；四是可靠性，要求繼電保護在不需要動作時不會發生誤動，在需要動作時不會拒動。

2 220kV 智能變電站數字繼電保護系統設計

以某220kV 智能變電站為例，其包含了220kV輸電線路和66kV 輸電線路，電氣設備采用的是HGIS。在對變電站進行規劃設計過程中對各層進行了分離，同時保證其存在緊密聯系。為保證變電站的穩定可靠運行，在進行方案設計過程中需做好數字化繼電保護系統的設計。

2.1 系統總體結構

數字化繼電保護系統是智能變電站的一部分，能對變電站一次設備的運行狀態進行監測，也可對設備進行控制和保護，在該工程中，數字化繼電保護系統的結構如圖1。其中站控層包含了監控主站、通信裝置和一體化信息平臺等設備，能夠為智能變電站的運行和操控管理提供良好的人機交互界面，也可對變電站中相關設備的運行信號及報文信息進行記錄；間隔層包含了保護裝置、測控裝置和電能計量裝置，能實現對于一次設備的就地保護控制，完成實時數據信息的就地監控；過程層包含了智能終端、合并單元等模塊，能夠實現對變電站繼電保護系統中電壓、電流等數據的采集和檢測工作[1]。

圖1 數字繼電保護系統結構

2.2 網絡設計

2.2.1 站控層和間隔層網絡設計

在該變電站中，站控層網絡采用的是雙星型網絡結構，每一個星型網絡可使用A 網和B 網進行標記，配備4臺網絡交換機。站控層設備和交換機間采用100Mbps 的電口進行數據傳輸，站控層和間隔層交換機的通信則采用100Mbps 的光口。間隔層網絡同樣采用雙星型結構，記做A 網和B 網，交換機的配置方案如下：間隔層網絡中心交換機（10kV 間隔、110kV 間隔、220kV 間隔、主變壓器間隔各4臺，各具備20個電口、2個光口）；站控層網絡中心交換機（安全Ⅰ區18個電口、4個光口，安全Ⅱ區14個電口，分別配備2臺）。

2.2.2 過程層網絡設計

過程層自動化網絡設計采用間隔配置方案，SV采樣數據和GOOSE 報文共網傳輸，這樣的結構能減少交換機數量，降低變電站建設成本費用。在智能變電站過程層中，依然是采用雙星型網絡結構，智能設備和交換機間的通信、交換機級聯端口通信采用的都是100Mbps 的光口[2]。

基于IEC61850標準的多播報文技術被廣泛應用在智能變電站網絡通信中，能對報文進行過濾，確保交換機只接收需要的保溫。對于支持VLAN 的交換機，可將其網口劃分為財務組、銷售組等，組內用戶就如同是在同一個局域網中，非本組用戶無法對本組成員進行訪問，能提升網絡的安全性。VLAN 的劃分可依照端口、網絡、IP 等進行，在該變電站中采用的是依照交換機網絡端口的劃分方式。在同一個虛擬局域網中，端口可以不連續也可跨國多個交換機。如可將交換機A 的1口和3口與交換機B 的5～6口劃入同一VLAN 中，以此為基礎能實現對于網絡的安全隔離，促進網絡交互實時性的提高。

2.3 整定電流

在變電站數字繼電保護系統設計中，采用的是66kV 雙變電設備，1號與2號測試用例選擇的是66kV 母線方面的測試用例。若在智能變電站中，感應器的配置受到影響，則變電站的安全會被威脅。該變電站工程中[3]相關儀器可接收控制臺發布的信息，新型變電設備在電流監控方面有著完善的功能，可實現對電流區域的合理劃分。不管是大運行模式又或小運行模式，電流都有著相對穩定的運行狀態，通常都能夠穩定在14A 左右。

2.4 GOOSE 網絡選擇

過程層屬于智能變電站數字繼電保護系統的一個重要組成部分，主要負責信號的傳遞，是確保設備正常穩定運行的關鍵。變電站在傳輸過程中存在各種各樣的影響因素，如周邊環境因素不利傳輸效果會受到很大影響。在信號傳輸環節，可使用網絡傳輸替代以往的電纜傳輸，能有效規避天氣、空氣濕度等對于信號傳輸的影響，因網絡本身不需用到電纜，其本身是通過連接服務器的方式進行傳輸，不會受到環境因素的影響。

從設備維護管理的角度，使用網絡方式進行信號傳輸可實現設備自檢，借助信號回流的方式來對自動檢測系統進行觸發，而傳統電纜本身并不具備設備自檢功能，在實施系統檢測過程中通常都需由人工完成，檢驗成本較高、耗費時間較長。GOOSE網絡可分為星形結構、環形結構和雙星形結構等，不同結構有著不同的優點和缺陷，需設計人員結合實際情況進行選擇[4]。

2.5 電源系統設計

智能化電能管理在智能變電站中發揮著非常重要的作用，基本工作原理是對所有電源系統進行整合，做好統一歸納整理，進行統一管理和統一調度，配合相應的后臺信息管理系統實現設備的自動故障檢測。在該變電站中采用的是直流220V 蓄電池，搭配2個充電設備，需對每個電池的電壓和電流進行準確測量計算。

2.6 保護測控一體化配置

在傳統變電站中安全監控工作有較高的技術含量，也存在一些不良因素，如維護難度大、人力物力浪費嚴重等。想要對這樣的問題進行解決需引入新型智能自動化設備。不過，因繼電保護設備生產商對于標準通信規約理解的差異性，生產的產品兼容性不高，在應用中需搭配部分改良零部件，會導致維護成本的增加[5]。

保護測控一體化配置具備十分明顯的優勢，一是可對硬件設備的工作狀態進行記錄，借助網絡的方式傳輸到維護人員設備中，可實現全程無人值守；二是借助開放的網絡狀態可實現信號的直接傳輸，避免了中間環節，提高了效率；三是一體化配置在軟壓方面可簡化工作流程，幫助維護人員更好地對設備進行檢修維護，降低出錯率。以220kV 部分的保護配置為例，所有故障模擬試驗采用的都是常用故障現象模擬，可幫助技術人員更好地對故障進行分析，提出切實可行的解決方案。借助試驗，可在儀器發生故障或遇到危險時，及時啟動開關程序對開關進行相應的處理，保證設備安全。

2.7 二次系統整合

變電站二次保護重要是增加相應的保護屏障，使得每一個功能區都能負責自身的本職工作，避免相互干擾的情況。當前智能變電站和智能電網呈現出飛速發展的趨勢，但依然有部分工作人員的觀念停留在很早之前，想對自動化系統進行應用和普及存在一定的難度。一體化二次系統能在滿足各方面功能的情況下實現資源的共建共享，為設備運行維護提供便利，同時也可促進生產效率的提高[6]。

新的發展環境下，伴隨著智能技術的發展及IEC61850規約的提出，變電站系統已從原本的變電模式向智能變電站的角度轉變，系統有著更強的兼容性，能兼容傳統自動化變電站系統幾乎所有的優點，尤其伴隨著智能變電站系統的普及，二次系統也會在智能化變電站系統中產生。

IEC61850規約的推出對不同變電站系統的兼容性問題進行了解決，也為二次系統整合提供了良好的技術支持。基于IEC61850標準的智能變電站具備幾個顯著特征：一是標準化的系統架構。在實施系統編輯的過程中采用的是Java 語言，有著良好的共享性，可實現系統資源的共享；二是智能化的數據采集。在智能化變電站系統中數據采集主要是借助傳感器實現，有較強智能化特征，可對不同類型的數據進行采集和分類；三是設備互操作性強。智能化變電設備有著很強的兼容性，每一個設備接口的開放程度高，可實現系統的有效互通；四是網絡化的信息交互。智能化設備中的接口數量眾多，每一個接口都有較好的兼容性，可實現信息的有效交互和共享。由此可知，基于IEC61850標準的智能變電站能對常規變電站中的計量、故障錄波、保護、監控等功能進行整合，配合統一的管理模式，在實施設備維護管理的過程中能最大限度縮短維護時間，同時也可保證維護的效果[7]。

總而言之，在智能變電站中，做好數字繼電保護系統的研究和設計有著非常明顯的優勢，如可以增強信號傳輸的穩定性、節約成本費用、降低事故發生概率、提高自動化水平等，對比傳統變電站在自動化處理方面進步明顯，能夠為設備的維修提供便利。對于技術人員而言，在針對數字繼電保護系統進行設計的過程中，還需將智能跳閘系統、斷路器智能化控制、電子式互感器等合理地應用到系統中，以此來進一步提升繼電保護的效果，推動智能變電站的穩定可靠運行。