基于貝瑞隆模型的智能化變電站線路保護系統

康丹

（兗州煤業股份有限公司興隆莊煤礦，山東濟寧 272100）

在智能電網高速發展的背景下，智能化變電站成為其高速發展的產物，智能化變電站中的傳感器數據在線路保護系統的處理下，實現了數據信息的全站共享，有效保證了電網的正常運行。但在電網運行過程中，電網中的輸電線路保護裝置由于老化、檢修不及時等原因可能導致智能化變電站線路出現故障，使輸送容量與電能負荷不斷增加，因此需要設計線路保護系統，加強對智能化變電站線路的保護，實現自動保護[1]。

為實現這一目標，專家學者展開了相關的研究。有學者設計了基于威布爾分布函數的智能化變電站線路保護系統，該系統采用威布爾函數對變電站線路的異常情況進行分析和診斷，又從風險傳遞方面對環境、電網系統、線路故障頻率等因素進行了分析和研究，通過建立線路保護模型實現對智能化變電站線路的保護。但是，該系統結構較為簡單，導致運行可靠性較差[2]。還有學者設計了基于Markov模型的智能化變電站線路保護系統，該系統設計了相應的硬件與軟件，實現了對故障線路數據的采集和處理，但該系統沒有對變電站線路的狀態進行及時的監控，導致該系統不能準確監測到智能化變電站線路中出現的故障[3]。

為了解決以上問題，文中設計了基于貝瑞隆模型的智能化變電站線路保護系統，設計了該系統的硬件與軟件環境，并通過實驗驗證了該系統的性能。

1 硬件設計

硬件通過電源模塊傳輸電源來控制整個系統的運行，利用采集模塊對信號進行采集，實現信息處理，完成數據控制。系統硬件結構如圖1 所示。

圖1 系統硬件結構

1.1 電源模塊設計

電源模塊可以為智能化變電站線路保護系統提供120 V 的電壓，根據系統中設備對電壓的需求，文中設計的電源模塊采用變壓器將120 V 電壓轉換成其他設備需要的工作電壓，來保證設計的智能化變電站保護系統可以正常、穩定運行。電源模塊提供的電流為6 A，為了滿足系統中其他設備的工作需要，電源模塊中采用電壓互感器、電流互感器來進行轉換[4-5]。電源電路圖如圖2 所示。

圖2 電源電路圖

1.2 采集模塊設計

采集模塊主要負責采集智能化變電站線路中的電壓、電流等故障數據。采集模塊的核心設備為采集器，該款采集器為三星公司生產的SD8374 型采集器。其功耗較低、采集性能較好，采樣頻率最高可達200 kHz。當變電站線路中的電壓與電流流入模擬多路開關后，模擬多路開關將電壓、電流信號傳輸到A/D 轉換器內，A/D 轉換器對其進行模數轉換后將信號傳輸到采集模塊，采集模塊結構如圖3 所示。

圖3 采集模塊結構

由采集模塊的核心設備采集器對變電站線路數據進行采集，采集模塊中的模擬多路開關為TI 公司的單8 通道開關。A/D 轉換器具有CMOS 結構，為32位轉換器，另外，采集模塊內部設有16 位的采樣保持器，可以對采集的線路數據信號實現采樣、保持，在采集模塊的外部設有串行接口與并行通信接口，以方便變電站線路數據的傳輸[6]。

1.3 處理模塊設計

處理模塊主要負責處理智能化變電站線路中的數據，其核心設備為微處理器，該款微處理器為TD 公司生產的TI8362 型微處理器，其數據處理速度較快，外部晶振為40 MHz，指令周期為50 ms，數據處理速率最高可達250 kbit/s。在微處理器的內部設有數據RAM，可臨時存儲20 kB 的智能化變電站線路數據，RAM 為32位。采集模塊中的采集器采集完變電站線路數據后，經由模擬多路開關與A/D 轉換器傳輸至處理模塊內，在傳輸過程中會產生8 個同步脈沖，經過高低電平的轉換后傳輸至微處理器中，微處理器對智能化變電站線路數據的處理，可以提高變電站數據的可靠性[7-9]。處理模塊結構如圖4所示。

圖4 處理模塊結構圖

1.4 控制模塊設計

設計的系統控制模塊主要負責對處理完的變電站線路數據進行控制。控制模塊的核心設備為主控制器，其是由三星公司生產的SGM834H 型控制器，該款控制器為16 位，在線路保護系統中采用嵌入式的方式來安裝，在控制器的內部設有定時器與時鐘，定時器與時鐘共同參與控制芯片的工作[10-12]。控制模塊結構如圖5 所示。

圖5 控制模塊結構

控制器的外部設有多個I/O 端口，用來傳輸智能化變電站線路數據。控制器的功耗較低、控制性能較好，處理線路數據的標準速度為1.0 MIPS/MHz，可緩存10 kB 的線路數據，該款控制器與其他普通控制器的不同之處在于，不但可以對變電站線路數據進行控制還可存儲線路數據。控制器接收線路數據并對線路數據進行預處理，去除無效數據，留下有效數據，然后將有效數據傳輸到保護系統中，以此完成智能化變電站線路數據的控制[13]。

2 軟件設計

系統軟件流程如圖6 所示。

圖6 系統軟件流程

首先，對智能化變電站線路進行分層保護。為了對智能化變電站線路進行有效的保護，需要將變電站線路與變壓器間隔開，并統一將它們安裝在保護層。開啟采集器采集變電站線路數據后，為了實現對智能化變電站母線的保護，將變電站母線設置在過程層，將智能化變電站中的交換機設置在間隔層，采用分體運輸的模式對智能化變電站進行裝配式設計，形成預制艙全智能化變電站。采用模塊化的設計思路對變電站進行母線改造，交換機中的線路可通過過程層與保護層實現交互[14-16]。

然后，對智能化變電站線路進行過流電限制。在對智能化變電站線路實現分層保護后，針對線路中的電流過載現象進行處理，變電站線路由于接地故障而導致電流超負荷，變電站中的變壓器出現跳閘現象，這是由于過載電流與其他電流的差距較大，因此為了保護變電站線路與變壓器，需要準確測量出流經變電站線路電流的大小，一旦出現過載電流，需要及時對其進行限制。完成限制后，采用貝瑞隆模型對故障數據進行分析。

最后，進行就地化間隔保護。為了保證智能化變電站線路的穩定性與可靠性，在智能化變電站中安裝繼電保護設備，安裝完成后鋪設一體化線路，這樣可以提升繼電保護設備對線路故障響應的靈敏性，降低變電站故障發生的概率。

3 實驗研究

為了驗證設計系統的實際工作性能，將基于Markov 模型的智能化變電站線路保護系統與所設計系統進行對比實驗。相關實驗參數設置如下：變電站中繼電保護設備的故障率為0.006 7，額定工作電壓為120 V，交換機的故障率為0.04。

首先針對所設計系統與基于Markov 模型的智能化變電站線路保護系統的可靠性進行實驗。在智能化變電站線路保護系統中，由于線路檢修時間過長或發生雷電等意外狀況時，導致智能化變電站輸電線路出現直采直跳、直采網跳、網采網跳跳閘現象。跳閘現象發生后，所設計系統與基于Markov 模型的智能化變電站線路保護系統對故障進行了響應與保護，在不同的故障模式下，兩種保護系統的可靠性對比結果如圖7-9 所示。

圖7 直采直跳模式下線路保護系統可靠性曲線

圖8 直采網跳模式下線路保護系統可靠性曲線

圖9 網采網跳模式下線路保護系統可靠性曲線

通過對實驗結果進行分析可知，當智能化變電站線路出現以上跳閘現象時，所設計系統與基于Markov模型的智能化變電站線路保護系統的可靠性均隨著時間的推移而逐漸下降，這符合智能化變電站線路保護系統的變化規律。并且由圖可知，在3 種跳閘現象變化曲線中，所設計系統的可靠性在任意一個時間點上均高于基于Markov 模型的智能化變電站線路保護系統，并且所設計系統的可靠性的下降趨勢與基于Markov 模型的智能化變電站線路保護系統相比較為緩慢，這是由于所設計系統的變電站線路進行了及時的檢修。并且所設計的線路保護系統的保護設備種類與數量較多，在跳閘現象發生時，所設計系統中的采集、處理、控制設備及時對智能化變電站線路數據進行了采集、處理、分析與控制，采用繼電器保護設備迅速對智能化變電站線路進行了保護。

接下來針對直采直跳、直采網跳、網采網跳模式下，所設計系統與基于Markov 模型的智能化變電站線路保護系統的故障響應時間進行對比實驗。兩種系統每種模式下的平均故障響應耗時對比結果如圖10 所示。

圖10 故障響應時間實驗結果

由實驗結果可知，當只發生直采直跳一種故障時，所設計系統對故障作出響應的耗時較短，而基于Markov 模型的智能化變電站線路保護系統對故障響應的時間長于所設計系統。當發生網采網跳故障時，所設計系統對故障響應的時間遠遠短于基于Markov 模型的智能化變電站線路保護系統。由此說明所設計系統的故障響應時間較短，可以在較短時間內對故障作出響應，及時進行報警。

4 結束語

此次設計的基于貝瑞隆模型的智能化變電站線路保護系統優于基于Markov 模型的智能化變電站線路保護系統，說明所設計系統的可靠性較高，可對智能化變電站的運行狀態進行感知、預警，并實現了繼電保護設備的智能檢測。