智能變電站繼電保護系統可靠性分析

李文亮

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211111）

在智能變電站系統中，會運用光纖材料作為信號和數據傳輸的介質。使用一些集成化較高、損耗較低的電子元件和設備，可以有效降低能源消耗，提高資源利用率，減少對周圍環境影響，并實現節能環保效益。變電站實際運行狀況對整個電網系統有較大影響，所以要加強對其的維護和檢修，對其繼電保護系統的可靠性及影響因素應進行詳細地分析和研究，從而制定對應的運行和維護方案，以提高系統運行質量和安全。但必須先了解繼電保護系統的結構組成和其運行特點及規律，然后采用科學的方案進行檢測。

1 智能變電站系統結構

主要包括三個方面的內容：間隔層、過程層和站控層。過程層是對系統運行電氣量的采樣和信息收集，對各個設備運行的實際狀況進行動態監測，同時執行命令。間隔層包括保護、監測和自動化裝置等，對過程層各間隔的運行數據進行匯總、計算和分析，并下達指令，起著承上啟下的作用。站控層主要是有關主機、通信分析和操作等，并依據傳遞的不同信息進行數據的及時更新，然后將信息傳送給主控室和調度系統，能夠對站內的詳細情況進行監測，還可以實現人機聯系等功能［1］。智能變電站系統結構示意圖如圖1所示。

圖1 智能變電站系統結構

2 對繼電保護系統可靠性研究的重要意義

系統的可靠性是指在特定時間和運行環境下，有關繼電保護裝置不出現故障和問題，能夠正常完成相應的工作。對于智能變電站系統來說，當保護裝置出現問題時，就會影響系統運行的安全和質量。本文主要是運用信息化技術和網絡技術對變電站相關設備進行有效地控制和調節，以此來保證系統運行的可靠性和穩定性，從而減少對設備的影響，進而滿足用電需求［2］。

3 變電站繼電保護系統的組成

3.1 交換機

該設備是通信網路系統的重要設備，在進行數據傳送時，為了保證傳遞的及時性和準確性，應圍繞交換機建立一個對應的較強網路系統，其與傳統的信息傳遞不同，以前的保護系統都是圍繞電纜接線而建的，而在新的網絡系統中，應加強對交換機的維護及地址網絡構建。通過局域網可將信息進行及時準確傳遞，從而保證設備運行效率。

3.2 合并單元

它主要是利用電子互感設備將輸出的電流和電壓信號合并，進行采樣信息和數據傳送，并且和互感設備接口相連接，保證互感傳遞的質量，主要有間隔和母線合并單元兩種。這種處理方法，可以有效簡化系統運行，提高工作效率，還能夠實現數據的共享。此外，通過信息和數據的合并，實現了以特殊的格式傳送給保護裝置，并且運用信息收集過程實現了傳遞［3］。

3.3 電子互感設備

主要是和傳輸系統以及二次轉換設備之間相連接的單個或者多個電流、電壓傳感器。將檢測和收集到的數據傳遞給繼電保護裝置，依據能否向傳感頭提供對應電源，可以將其分為無源型和有源型兩種，后者的重量和體積都較小，因而可以減少占用體積。

3.4 同步時鐘

在智能變電站系統中進行信息和數據的傳遞，需要同步時鐘裝置來保證運行的時效和準確性。比如在系統的運行中，對于不同事件的記錄順序、故障和數據分析，可以利用時鐘的設定來進行操作、判斷和控制。此外，還能夠對電網暫態過程中的保護裝置、電流電壓圖形及斷路器等發生問題時的時間順序進行有效排列，從而為故障檢測和維修提供科學的依據［4］。

3.5 智能化終端

它屬于嵌入式的計算機系統設備，主要分為硬件和軟件兩個部分。對開關量和信息的收集以及斷路器的控制，智能終端隨斷路器發展而發展。在以往的工作中，對于斷路器的檢測和維修，主要是通過預防性試驗和定期維護和檢修方式來進行，而智能終端就可以利用斷路器內部各個零件的運行溫度、狀態等進行全面地檢測，并且結合收集到的數據分析，來判斷具體的運行情況。在智能變電站系統中，利用該設備來接受保護裝置傳送的跳閘和關閉命令，對斷路器進行科學控制，還可將收集到的信息傳遞給總的控制中心，以便及時地了解斷路器的實際運行狀況。

4 智能保護系統的運行特點

4.1 信息運用

在智能變電站系統中，會利用智能化技術來收集全方位的信息和數據，并且結合系統裝置和設備運行，來實現新的有效傳遞和共享，并且利用這些數據進行分析和研究，獲得準確的判斷依據，并對系統中的二次回路接線進行優化，從而提高系統運行的可靠性。

4.2 數據收集

主要是利用電子互感器和光學設備對系統運行中的電流和電壓數據進行收集，在完成后及時地將數據傳送給合并單元進行統一處理，并結合通信網絡實現系統電氣隔離，從而達到保護的目的。將計算機和網絡技術相結合，可以提高系統運行的安全性和工作效率［5］。

5 提高智能變電系統可靠性的方法

5.1 繼電保護可靠性評價依據

可靠性的依據主要包含三個方面的內容：可靠程度、實用性、平均失效時間。可靠度是在一定的時間和環境下，運行可達到的程度。實用性是在出現系統故障和問題時，其自身的修復功能等。平均失效時間是穩定系統再次發生故障的時間。可依據這幾個內容來判斷繼電保護系統的可靠性［6］。

5.2 具體的應對方法

5.2.1 繼電保護結構形式

（1）直采直跳

主要對于單間隔設置，在保護裝置和智能終端中使用點對點的光纖，進行設備信息收集，進行直接跳閘。主要運用于對監測和控制信號、數據以及具體位置等實現網絡共享，其運行的特點表現為連接較為可靠，且穩定性好，但是光纖數量較多，因連接多而不適合二次擴展。

（2）網采直跳

主要適合單元內部相關數據經過光纖傳遞給交換機，再利用網絡劃分與交換機連接，然后將其輸出到對應的保護裝置中。網采直跳示意圖如圖2所示。

圖2 網采直跳示意圖

（3）網采網跳

主要是保護系統中相關信息和數據的收集，跳閘都是利用網絡來實現。運用組網方式進行，不但有著很好的擴展性能，而且可以節約成本，減少接口，但是需要和同步時鐘進行綜合運用。交換機網絡不穩定對于信息采樣和跳閘控制有較大影響。

（4）直采網跳

運用點對點的方式進行保護，可以保證收集信息的準確和可靠性，節省開支，但是擴展性不好。

5.2.2 可靠性分析研究

（1）保護實施方案

220kV的保護裝置中，采用的是雙重話配置方案，合并單元和保護系統運用的都是直采方式，而智能終端保護采用的是直跳方法，在跨間隔信息采樣和收集中，通過網絡來實現。如圖3所示為主變保護和智能終端系統框圖。

圖3 主變保護和智能終端系統框圖

（2）提升系統可靠性研究

①系統冗余設計

主要從兩個方面進行設計和研究。一是運用交換機太網收集到的數據進行連接，來進行實時的動態監測，以便及時地了解變電站運行的情況。二是根據整體系統的總線、環形以及星型結構特點，進行科學利用。對于總線來說接線可以相對減少，但是長度要求較高，在環路上的任意點都有一定的冗余，但是對系統的重構有較大影響。星型結構的可靠性不強，應結合變電站系統的具體情況進行冗余的合理優化。

②線路保護

線路對于電力系統中不同電壓間隔可以進行有效地控制，為了保證線路運行安全和穩定，必須安裝保護裝置，可以采用背后和集中方法進行，要結合實際情況來決定，但要注意的是要確保裝置安裝后能夠滿足監測和通信等功能。具體的是運用點對點的方式進行，將保護裝置放在對應線路上，獲得對應的電流和電壓，可以用來檢查母線合并單元的繼電保護。

③變壓器保護

變壓器對于系統安全穩定運行質量有很大影響，尤其是具體的電壓參數要和電網系統一致，才能保證系統的正常運行。但是在高負荷的運行下，會導致設備的快速損耗，因而可以在變壓器突出部位安裝保護系統，可以采用分布配置方法進行，加強對變壓器后備保護，使得電纜和斷路器進行有效連接，從而實現繼電保護［8］。

④電壓延時過電保護

主要是在遇到一些特殊情況時，比如雷電的影響會導致電流和電壓快速變化，造成超負荷和短路問題。尤其是在變電站運行出現故障時，會影響保護裝置的運行效率和質量。針對這種情況，可以采用電壓限定措施控制日常用電，并在系統線路電流量超過一定標準時自動啟用保護裝置并發出預警提示。

（3）可靠性分析

①評價參數選擇

根據保護系統可靠性原理分析可知，對一些元件故障信息進行分析和研究，是開展評價的基礎條件。在整體的電網中，一次和二次設備的檢修和維護有著明確的規定和要求。其中可以修復的元件，可以將穩定狀況下的檢修數據作為常數，并且結合長時間的數據和信息收集進行統一分析和研究，可以對智變電站系統中的組成部分，比如合并單元、交換機和終端設備等，具體故障和運行參數進行科學選擇。同時對穩定狀態下運行數據進行收集和記錄［7］。

②框圖法

對于繼電保護系統中元件較少的情況，可以采用該方法進行計算，結合系統結構繪制對應的框圖，來展示元件和系統運行狀態的關系，再運用對應的公式計算得出準確的數據。比如在多個獨立分布的元件系統結構中，可以認定為每個維修和監測點都有其獨立性。當兩個不同的元件進行并聯運行時，其中一個出現問題，就會影響到另一個。而將兩個元件設置為拒動狀態時，可以根據它們各自運行的實際情況，進行信息和數據的收集，再進行分析和研究。然后根據結果進行確定，和以往的變電站系統相比，新的系統中增加了一些設備，運行的可靠性有所降低。直采直跳模式下的系統運行，線路保護較好，而且連接和操作較簡單，在共網運行下，對系統的影響相對較小。

6 結論

綜上所述，在智能變電站系統中，對于繼電保護裝置，要根據系統的主要構成和具體形式，結合實際運行情況，進行調整和優化，從而提高系統運行效率和質量，并有效實現節能降耗、增加運行效益。