數(shù)字化變電站繼電保護(hù)優(yōu)化配置探究

貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司貴陽(yáng)供電局 陳亞飛 郭莉薩 田月煒

1 引言

隨著數(shù)字化變電站的持續(xù)發(fā)展，其現(xiàn)已能夠?qū)崿F(xiàn)“無(wú)人值守”，便捷高效，而在數(shù)字化變電站體系中，繼電保護(hù)是確保變電站功能穩(wěn)定的重要保障，影響重大。而數(shù)字化變電站設(shè)備眾多，設(shè)備組網(wǎng)方式存在一定差異，以此降低了數(shù)字化變電站設(shè)備通信效果，繼而影響了繼電保護(hù)情況，故為確保數(shù)字化變電站可高效穩(wěn)定運(yùn)行，需優(yōu)化配置繼電保護(hù)體系。

2 數(shù)字化變電站的優(yōu)勢(shì)

相比于常規(guī)變電站，數(shù)字化變電站得到了優(yōu)化升級(jí)，主要體現(xiàn)在：符合新增和擴(kuò)展需求：由于變電站建立在通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上，信息交換均通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，隨著業(yè)務(wù)需求增加和技術(shù)發(fā)展，后續(xù)需要進(jìn)行擴(kuò)展和新增業(yè)務(wù)時(shí)，只需要利用通信網(wǎng)絡(luò)增加設(shè)備即可，無(wú)需重新更換設(shè)備改造，大幅提高改造效率，節(jié)約設(shè)備。同時(shí)，也有機(jī)會(huì)通過(guò)新安裝軟件滿足新增功能的需要，無(wú)需更換硬件設(shè)施，最大限度節(jié)約資源，降低成本，讓變電站運(yùn)行生命周期得到延長(zhǎng)。

符合統(tǒng)一管理需要：在數(shù)字化變電站設(shè)計(jì)上采取統(tǒng)一信息數(shù)據(jù)模型，可以采取統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，保障了變電站監(jiān)控、計(jì)量等業(yè)務(wù)均可使用通信網(wǎng)絡(luò)達(dá)到傳輸目的，不再需要使用其他信息傳輸通道，實(shí)現(xiàn)了集成化、便捷性信息服務(wù)。變電站運(yùn)行成本、運(yùn)行邏輯都得到了簡(jiǎn)化節(jié)約。

符合簡(jiǎn)化變電站的趨勢(shì)：變電站設(shè)備均可利用網(wǎng)絡(luò)完成傳輸業(yè)務(wù)，設(shè)備之間的交流互動(dòng)均在線上完成，且一條信道即可滿足各設(shè)備之間的交互，通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用極大簡(jiǎn)化了線纜數(shù)量和設(shè)備數(shù)量，讓變電站設(shè)施得到縮減，讓二次接線設(shè)施得到最大化簡(jiǎn)化。

符合信號(hào)穩(wěn)定性需要：變電站在通信技術(shù)支持下進(jìn)行信號(hào)的傳輸，信號(hào)具備對(duì)應(yīng)的自檢信息和校驗(yàn)碼，保證了信息傳輸安全準(zhǔn)確，一旦發(fā)生故障也能第一時(shí)間明確位置和設(shè)備。同時(shí)，可以利用光纖進(jìn)行信號(hào)的傳輸，保證信號(hào)傳輸不受到干擾影響[1]。

符合運(yùn)行穩(wěn)定性的需要：數(shù)字化變電站由于使用電子互感器取代傳統(tǒng)互感器，傳統(tǒng)互感器常見(jiàn)的差動(dòng)飽和、鐵磁諧振、六氟化硫氣體泄漏等安全問(wèn)題得到根本上解決，極大地保證了變電站運(yùn)行的安全性。變電站設(shè)備之間可利用光纖設(shè)施進(jìn)行連接，光纖的絕緣特性在一定程度上保護(hù)了二次設(shè)備的運(yùn)行，能夠避免電磁和電壓干擾，有效降低接地故障率。

符合設(shè)備連接要求：變電站中逐漸引入智能化設(shè)備，且設(shè)備使用統(tǒng)一接口，實(shí)現(xiàn)了無(wú)縫銜接。同時(shí)信號(hào)采取統(tǒng)一，標(biāo)準(zhǔn)（IEC61850）具有獨(dú)特的自解釋機(jī)制，可支持互相操作和傳輸。

符合自動(dòng)化管理需要：變電站中引入智能設(shè)備，支持遠(yuǎn)程操作，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制功能，不僅讓信號(hào)傳輸更加安全，更實(shí)現(xiàn)了按需操作，提高信號(hào)傳遞實(shí)時(shí)性。在設(shè)備支持下，讓變電站全面推行自動(dòng)化管理，設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)均有自檢查功能，保證了過(guò)程性狀態(tài)檢查，保證了變電站自動(dòng)化運(yùn)行。

3 數(shù)字化變電站繼電保護(hù)組網(wǎng)方式及優(yōu)化配置措施

3.1 組網(wǎng)方式

數(shù)字化變電站由過(guò)程層、站控層以及間隔層構(gòu)成的三層結(jié)構(gòu)，各結(jié)構(gòu)通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)連接。站控層基于GPS 定位系統(tǒng)站控層基于GPS 定位系統(tǒng)，并利用監(jiān)控系統(tǒng)完成對(duì)設(shè)備信息的監(jiān)控，能夠?qū)崟r(shí)對(duì)比儲(chǔ)存標(biāo)準(zhǔn)，一旦采集信號(hào)出現(xiàn)異常，GPS 系統(tǒng)能夠及時(shí)對(duì)設(shè)備定位，鎖定并保護(hù)故障設(shè)備，指導(dǎo)維修人員到場(chǎng)維修，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化監(jiān)控和實(shí)時(shí)性管理。在智能設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的支持下，保障了維修人員第一時(shí)間到場(chǎng)處理故障問(wèn)題，設(shè)備可自動(dòng)進(jìn)行狀態(tài)性監(jiān)控，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)均可統(tǒng)一保存至數(shù)據(jù)庫(kù)中，從根本上保障了設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。間隔層則利用采集設(shè)備對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)展開(kāi)實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過(guò)對(duì)信號(hào)的采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)站控層的控制，實(shí)時(shí)完成控制任務(wù)。過(guò)程層則利用操作箱完成執(zhí)行指令。

變電站繼電保護(hù)機(jī)制主要由站控層以及過(guò)程層實(shí)現(xiàn)，站控層由于采取星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，通過(guò)MMS 和GOOSE 完成傳輸動(dòng)作，兩者分別負(fù)責(zé)警報(bào)信號(hào)和測(cè)控監(jiān)控、開(kāi)關(guān)量信息接收。站控層主要包括交換機(jī)16臺(tái)（含10臺(tái)百兆/2光口，6臺(tái)百兆/4光口）[2]。過(guò)程層由于采取以太網(wǎng)設(shè)計(jì)，通過(guò)SV 和GOOSE 網(wǎng)絡(luò)傳遞信息，其中SV 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行電壓電流信息的傳遞。因此，針對(duì)母線的繼電保護(hù)，主要采取母線獨(dú)立設(shè)計(jì)方式進(jìn)行保護(hù)，采取分段式分布，讓智能終端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享信息，又能保護(hù)各個(gè)單元，避免個(gè)別單元故障引發(fā)整條線路故障。通過(guò)變壓器分布式安裝，可保證保護(hù)裝置有效連接，一旦發(fā)生設(shè)備故障，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作會(huì)立即響應(yīng)，且不會(huì)影響變壓器運(yùn)行。一旦出現(xiàn)故障可發(fā)出跳閘命令，通過(guò)光纖電纜啟動(dòng)差動(dòng)保護(hù)，保持跳閘動(dòng)作，避免干擾其他線路，保證變壓器穩(wěn)定運(yùn)行。變壓器通過(guò)對(duì)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修，應(yīng)用實(shí)時(shí)傳遞方式監(jiān)控變壓器的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)變壓器運(yùn)行的實(shí)時(shí)保護(hù)。此外管理人員也應(yīng)展開(kāi)定時(shí)監(jiān)控巡視和管理，注意監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)終端的數(shù)據(jù)文件，最大限度保護(hù)變壓器穩(wěn)定運(yùn)行，積極預(yù)防故障問(wèn)題的發(fā)生。

3.2 優(yōu)化配置措施

3.2.1 明確保護(hù)裝置

數(shù)字化變電站在改革創(chuàng)新期間，將傳統(tǒng)化繼電保護(hù)裝置更改為智能化、數(shù)字化設(shè)備，為實(shí)現(xiàn)高效繼電保護(hù)優(yōu)化配置，需掌握智能化、數(shù)字化繼電保護(hù)裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成。數(shù)字化繼電保護(hù)裝置多由三大單元構(gòu)成，第一執(zhí)行單元。內(nèi)部分為采樣單元與光接收單元；第二中央處理單元。內(nèi)部由從CPU、雙端RAM、主CPU 構(gòu)成；第三接口單元。由通信接口、人機(jī)接口、出口單元構(gòu)成。結(jié)合上述結(jié)構(gòu)可見(jiàn)，數(shù)字化繼電保護(hù)裝置的采集信息時(shí)，可運(yùn)用光纖接收單元與采樣信號(hào)獲取數(shù)據(jù)，并借助執(zhí)行單元內(nèi)的傳輸接口進(jìn)行信息數(shù)據(jù)傳遞，將所獲取的開(kāi)關(guān)量信息及光電信號(hào)轉(zhuǎn)化為采樣信號(hào)及二進(jìn)制數(shù)據(jù)，在裝置整體作用下，將完成處理的信息數(shù)據(jù)傳遞給主CPU 內(nèi)，并于該單元中進(jìn)行運(yùn)算，而運(yùn)算結(jié)果則進(jìn)一步傳遞給出口單元，此時(shí)繼電保護(hù)器將會(huì)接收到指令執(zhí)行保護(hù)動(dòng)作。在中央處理單元存在雙端RAM、從CPU 線路，該部分指令則會(huì)進(jìn)入通信接口、人機(jī)接口，此時(shí)數(shù)字化變電站管理人員可通過(guò)人機(jī)交互功能，直觀清晰地了解數(shù)字化變電站繼電保護(hù)情況。繼電保護(hù)可監(jiān)測(cè)到變電站電力系統(tǒng)內(nèi)的故障問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)異常信息后發(fā)出警報(bào)，在數(shù)字化變電站內(nèi)，在其智能繼電保護(hù)裝置作用下，可自動(dòng)隔離故障問(wèn)題。結(jié)合過(guò)電流情況來(lái)，數(shù)字化變電站同樣可以實(shí)現(xiàn)智能保護(hù)判斷，按照式（1）計(jì)算一次動(dòng)作電流，得出保護(hù)整定值，以此避免事故問(wèn)題惡化。

式（1）中，Iop-一次動(dòng)作電流，Kjs、Ijs分別為過(guò)電流綜合系數(shù)、計(jì)算電流，其中Kjs多取值1.3[3]。

3.2.2 分布式母線保護(hù)

根據(jù)數(shù)字化變電站智能保護(hù)裝置運(yùn)行原理來(lái)看，可結(jié)合保護(hù)裝置過(guò)程層實(shí)際情況進(jìn)行分布式母線保護(hù)。選擇母線保護(hù)方法后，需對(duì)傳統(tǒng)化集中式網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行更新，選擇分布式網(wǎng)絡(luò)，以此提升數(shù)字化變電站繼電保護(hù)體系通信能力，優(yōu)化系統(tǒng)配置。分布式母線保護(hù)方式完善了繼電獨(dú)立保護(hù)，且在一定程度上對(duì)母差保護(hù)邏輯進(jìn)行了簡(jiǎn)化，可使繼電保護(hù)更好地保障數(shù)字化變電站電力系統(tǒng)運(yùn)行情況。

3.2.3 智能變壓器保護(hù)

傳統(tǒng)化變電器進(jìn)行差動(dòng)保護(hù)時(shí)將會(huì)形成較大勵(lì)磁涌流，繼而引發(fā)拒動(dòng)、誤動(dòng)故障問(wèn)題，而在數(shù)字化變電站內(nèi)，其運(yùn)用智能變壓器代替?zhèn)鹘y(tǒng)化變電器，在變壓器原本保護(hù)策略基礎(chǔ)上，可依據(jù)電力系統(tǒng)線路中的實(shí)際電流變化、電壓變化，對(duì)保護(hù)整定值進(jìn)行靈活調(diào)整，以此可避免較大勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生，且可有效預(yù)防匝間短路故障。

3.2.4 輸電線路保護(hù)

數(shù)字化變電站內(nèi)增設(shè)了電子式互感器，該傳感設(shè)備可對(duì)電力系統(tǒng)線路電壓值、電流值進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，同時(shí)還可根據(jù)線路實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)電流參數(shù)及電壓參數(shù)進(jìn)行智能化調(diào)整，借助輸電線路實(shí)現(xiàn)智能保護(hù)，防止出現(xiàn)過(guò)電流、過(guò)電壓等問(wèn)題的發(fā)生。

3.2.5 優(yōu)化二次接線

二次接線為繼電保護(hù)系統(tǒng)重要內(nèi)容，其裝置穩(wěn)定性、靈敏性可直接影響數(shù)字化變電站繼電保護(hù)整體效果，但結(jié)合數(shù)字化變電站實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，二次接線具有復(fù)雜化特征，為優(yōu)化配置繼電保護(hù)系統(tǒng)，可根據(jù)現(xiàn)有二次接線情況進(jìn)行優(yōu)化配置調(diào)節(jié)。例如在智能斷路器等數(shù)字化裝置作用下簡(jiǎn)化分布式母線保護(hù)結(jié)構(gòu)，去除復(fù)壓閉鎖元件，簡(jiǎn)化母差保護(hù)邏輯，繼而實(shí)現(xiàn)二次接線的精簡(jiǎn)。繼電保護(hù)系統(tǒng)由多個(gè)單元網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，可依托于以太網(wǎng)精簡(jiǎn)繼電保護(hù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)數(shù)字化變電站供電系統(tǒng)的層級(jí)通信接口進(jìn)行完善優(yōu)化，繼而起提升繼電保護(hù)性能的效果。二次接線優(yōu)化期間，應(yīng)以電纜功能為依據(jù)進(jìn)行區(qū)別標(biāo)識(shí)，提升接線工藝效果，并根據(jù)電纜功能情況制定運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，以技術(shù)工藝為切入點(diǎn)優(yōu)化二次接線。

4 數(shù)字化變電站繼電保護(hù)優(yōu)化配置實(shí)例分析

4.1 實(shí)例概況

為增強(qiáng)數(shù)字化變電站繼電保護(hù)優(yōu)化配置分析研究實(shí)效，此次選取某220kV 數(shù)字化變電站為實(shí)例展開(kāi)分析，結(jié)合其實(shí)際情況進(jìn)行繼電保護(hù)優(yōu)化配置。該數(shù)字化變電站主變部分為200MVA 的三相三繞組變壓器，110kV、220kV 部分均為單分段、母線接線。數(shù)字化變電站原有繼電保護(hù)體系內(nèi)存在多個(gè)子系統(tǒng)，但各個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置的SCD 模型綜合效果不佳，兼容性不足，且型號(hào)不統(tǒng)一，給繼電保護(hù)調(diào)試工作帶來(lái)極大干擾，且在一定程度上限制了繼電保護(hù)體系發(fā)揮作用，因此需立足于實(shí)際，優(yōu)化配置繼電保護(hù)體系。在此次優(yōu)化配置期間，對(duì)數(shù)字化變電站實(shí)際情況進(jìn)行了調(diào)查，共設(shè)計(jì)出兩種繼電保護(hù)優(yōu)化配置方案。

4.2 優(yōu)化方案

第一種方案：采用“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”直采方式，將數(shù)字化變電站220kV 過(guò)程層的SV 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，用于削弱其對(duì)外部同步的過(guò)度依賴，以此提高繼電保護(hù)體系的母聯(lián)測(cè)控、母線保護(hù)、線路保護(hù)測(cè)控功能[4]。此外，為保障優(yōu)化配置效果，使異常告警信息、挑戰(zhàn)信息、閉鎖重合閘信息更好地傳輸，需在GOOSE 網(wǎng)內(nèi)設(shè)置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。結(jié)合110kV 過(guò)程層來(lái)看，其組網(wǎng)形式與220kV 一致，僅在交換機(jī)相關(guān)參數(shù)方面具有差異。方案具體情況見(jiàn)表1。

表1 第一種方案交換機(jī)配置情況

第二種方案：以網(wǎng)采網(wǎng)跳形式為手段，將220kV 過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)連成一體，將其搭建為組網(wǎng)，數(shù)字化變電站智能繼電保護(hù)裝置進(jìn)行雙套配置，并將其連接到A 網(wǎng)、B 網(wǎng)中，同時(shí)設(shè)置多模光纖口交換機(jī)，用于保障繼電保護(hù)體系通信效果。按照表2，在110kV 過(guò)程層內(nèi)部單套設(shè)置保護(hù)裝置。

表2 第二種方案交換機(jī)配置情況

4.3 方案對(duì)比

對(duì)上述兩種方案進(jìn)行對(duì)比，第一種方案組網(wǎng)方式所形成的網(wǎng)絡(luò)更為可靠，同時(shí)在交換機(jī)使用數(shù)量方面存在優(yōu)勢(shì)，故有效節(jié)約了成本，但其具有信息不對(duì)稱、線路復(fù)雜的劣勢(shì)。第二種方案線路簡(jiǎn)單，信息共享較強(qiáng)，但交換機(jī)成本高，且在運(yùn)行期間形成了較大運(yùn)行壓力。經(jīng)綜合對(duì)比后，案例變電站最終選取方案一，以此實(shí)現(xiàn)了繼電保護(hù)體系的優(yōu)化配置。

綜上所述，在信息化時(shí)代，變電站必然會(huì)趨向智能化、數(shù)字化發(fā)展，在改革創(chuàng)新期間，需結(jié)合實(shí)際結(jié)構(gòu)，對(duì)繼電保護(hù)體系進(jìn)行優(yōu)化配置。在實(shí)際優(yōu)化配置過(guò)程中，需明確繼電保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)組成情況，在此基礎(chǔ)上，采取分布式母線保護(hù)、智能變壓器保護(hù)、輸電線路保護(hù)等措施實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)的優(yōu)化配置。