220 kV 智能變電站繼電保護與控制技術分析

黃靜文

（國電南瑞南京控制系統有限公司，江蘇 南京 211106）

0 引 言

電力系統是現代社會的重要組成部分，為各種行業提供必不可少的電能供應。為確保電力系統的可靠運行和安全性，繼電保護技術起著關鍵作用。隨著技術的不斷發展，智能變電站的出現為繼電保護領域帶來新的挑戰和機遇。傳統的變電站已經逐漸向智能化、自動化方向發展，以滿足日益復雜和高效的電力運行需求。智能變電站的關鍵特點在于其具備自動采集數據、實時監測電力設備狀態以及智能化的繼電保護與控制等先進功能[1]。這些特性使得智能變電站能夠更好地應對電力系統中的各種異常情況，確保電力傳輸的穩定性和安全性。文章通過深入分析220 kV 智能變電站中繼電保護與控制技術的應用，結合數據和實例，以期為電力系統的可靠性與高效性提供有益的技術指導，進一步推動智能變電站在電力領域的廣泛應用與發展。

1 智能變電站中的繼電保護技術

1.1 繼電保護裝置測量數據采集與處理

智能變電站中的繼電保護裝置通過傳感器實時采集電力設備的各項參數和狀態信息，包括電流、電壓、頻率以及相位等。采集的大量實時數據通過通信系統傳輸至數據采集單元，經過處理和解析后存儲在數據服務器中。為保證數據的準確性和及時性，智能變電站采用高精度的數據采集裝置，并通過合理的采樣頻率對數據進行采集，確保對電力設備工作狀態的實時監測與準確把握，為后續的繼電保護和控制提供可靠的數據支持。

1.2 繼電保護裝置動作報表與后臺處理

當電力系統發生異常或故障時，繼電保護裝置會根據預設的保護邏輯進行動作，并記錄相應的動作報表。這些報表包含設備動作的時間、位置、原因等關鍵信息。智能變電站后臺系統對這些報表進行自動處理與分析，通過與歷史數據和標準對比，快速識別故障點和故障原因，從而定位并隔離故障，最大限度地減少故障對電力系統的影響。通過不斷積累和分析報表數據，智能變電站還可以進行預測性維護，提前發現潛在問題，優化設備運行狀態。

1.3 合并單元與智能終端的作用

在智能變電站中，合并單元和智能終端是數據交換與控制的關鍵裝置。合并單元負責將多個繼電保護裝置采集的數據進行匯總與合并，并將合并后的數據傳輸至數據服務器或后臺系統，保障數據的準確傳遞與匯聚。而智能終端則承擔著繼電保護與控制的任務，根據后臺系統下發的指令和保護邏輯，對電力設備進行動作控制。智能終端通過與合并單元和后臺系統的連接，實現對繼電保護裝置的遠程控制與管理，提高智能變電站的自動化程度和遠程監控能力。同時，智能終端還能自動收集設備運行數據，為后續的數據分析和故障處理提供重要依據。

2 220 kV 變電站的保護配置與技術分析

2.1 線路過流保護與距離保護

線路過流保護是一種常見且重要的保護方式，它通過對線路電流進行監測和對比，當線路電流超過設定的閾值時，保護裝置會迅速做出動作，切斷故障線路，防止故障擴大。線路過流保護適用于各種故障類型，包括短路和過載等，其動作速度快，可靠性高，廣泛應用于220 kV 變電站。

距離保護是一種按照線路特性設置的保護方式，它利用電流和電壓的相位關系測量線路的阻抗距離，用于判斷故障發生的位置。距離保護對遠端故障有較好的判別能力，能夠精確定位故障，減少因誤動作而引發的電力系統分區斷電。它在220 kV 變電站中常與過流保護配合使用，提高對線路故障的快速判別和準確動作能力。

2.2 零序電流保護與縱聯差動保護

零序電流保護是用于檢測電力設備中接地故障和三相不平衡故障的保護方式。當接地故障發生時，會產生非零的零序電流，零序電流保護通過檢測這一特殊電流信號來判斷是否存在故障，并迅速做出動作，確保故障及時隔離。縱聯差動保護是通過利用電流互感器測量不同位置的電流值，并比較差動電流來判斷設備內部是否發生故障，常用于變壓器和發電機等重要設備的保護，能夠及時切除故障，保障設備的安全運行。

2.3 變壓器瓦斯或差動保護及后備保護

變壓器是電力系統中重要的電氣設備，其保護對于系統穩定性和運行安全至關重要。變壓器瓦斯保護是一種通過檢測變壓器油中產生的特定氣體來判斷變壓器是否存在故障的保護方式。當變壓器發生內部故障時，會產生異常氣體，瓦斯保護通過對這些氣體進行監測和分析，實現對變壓器內部故障的快速判斷和動作。與之類似，差動保護也是用于變壓器保護的重要手段。通過監測變壓器2 側電流的差值，差動保護能夠準確判別是否存在故障，有效隔離故障區域，保障變壓器和電力系統的安全運行。

后備保護作為變電站的二次保護手段，在主保護失靈時發揮重要作用。當主保護發生異常或故障時，后備保護會迅速接管保護任務，及時做出保護動作，保障設備和電力系統的穩定運行。后備保護可以是過流保護、跳閘保護等，其目標是快速隔離故障，并減少對電力系統的影響。它是變電站保護系統中必不可少的一環，能夠提高整個保護系統的可靠性和健壯性。

2.4 母線差動保護與斷路器失靈保護

母線是電力系統中連接變壓器、電纜、發電機等主要設備的重要部分，其保護對于電力系統的安全運行至關重要。母線差動保護是一種通過比較電流差異來判斷是否存在故障的保護方式。當母線發生短路或故障時，由于電流差異會迅速增大，差動保護可以快速判定故障并切除故障區域，保護整個電力系統不受影響。斷路器失靈保護是為防止斷路器在故障時失靈而設置的二次保護裝置。當斷路器出現異常情況時，失靈保護會迅速做出動作，確保故障得到及時處理，保障電力系統的穩定運行。

2.5 其他常見保護方式

欠頻保護和過頻保護主要應用于發電機組的保護。欠頻保護用于檢測電力系統的頻率下降，當頻率低于設定值時，保護裝置會迅速做出動作，切斷發電機，防止設備超負荷運行。過頻保護則是檢測電力系統的頻率升高，一旦頻率超過設定值，保護裝置會立即切斷發電機，保護設備不受頻率過高的影響[2]。欠電壓保護和過電壓保護是用于對電力系統中電壓異常情況的快速判別與動作。欠電壓保護會在電壓降低到設定值以下時做出動作，防止設備失電故障。過電壓保護則在電壓升高到設定值以上時迅速切斷電源，防止設備受到電壓過高的損害。這些常見保護方式的應用，使得220 kV 變電站的保護配置更加全面，有效提高了電力系統的可靠性和安全性。

3 低頻低壓減載裝置在電力系統中的應用

3.1 變壓器保護中的低頻低壓減載裝置

在變壓器保護中，低頻低壓減載裝置用于保護變壓器在低負載條件下的安全運行。該裝置通過監測變壓器的輸出電壓和頻率來判斷變壓器的負載情況，其工作原理可以表示為

式中：Pout為變壓器的輸出功率；Uout為輸出電壓；Iout為輸出電流；θout為輸出電流相位；fout為輸出頻率；Nout為輸出繞組的匝數；Nin為輸入繞組的匝數；fin為輸入頻率。

當變壓器負載不足時，低頻低壓減載裝置檢測到輸出頻率降低，根據預設的保護參數會切斷變壓器的電源，防止變壓器因長期低負載運行而損壞。同時，低頻低壓減載裝置也會對變壓器的運行狀態進行監測，一旦檢測到過載或故障情況，會及時動作，切斷電源，確保變壓器和電力系統的安全運行[3]。

3.2 電動機保護中的低頻低壓減載裝置

電動機作為電力系統中常見的負載設備，對于延長設備壽命和保障系統穩定運行至關重要[4]。在電動機保護中，低頻低壓減載裝置通過監測電動機的電壓和頻率來判斷電動機負載情況，其工作原理可以表示為

式中：Pm為電動機的輸出功率；Um為電動機的電壓；Im為電動機的電流；θm為電動機的電流相位；fm為電動機的輸出頻率。

當電動機負載不足時，低頻低壓減載裝置檢測到輸出頻率降低，根據預設的保護參數會切斷電動機的電源，防止電動機因過載而受損。此外，低頻低壓減載裝置還會監測電動機的運行狀態，如電動機啟動過程、停機過程以及正常運行時的負載情況，根據實時數據進行動態調整，確保電動機的高效運行和安全保障[5]。

4 低頻低壓減載裝置在電力系統中的實際應用效果

為驗證低頻低壓減載裝置在電力系統中的實際應用效果，對一座220 kV變電站進行實測和數據統計。該變電站在使用低頻低壓減載裝置前后的電力負荷情況與電能消耗情況如表1 和表2 所示。

表1 低頻低壓減載裝置應用前后的電力負荷情況

表2 低頻低壓減載裝置應用前后的電能消耗情況

從表1 和表2 中的數據可以看出，在應用低頻低壓減載裝置后，該變電站的負荷和電能消耗均有所下降。這是因為低頻低壓減載裝置能夠根據實時負荷情況自動調整電能消耗，減少能量浪費，提高電力系統的能源利用效率。此外，低頻低壓減載裝置的應用也對電動機和發電機等設備的保護起到積極作用，減輕設備的負擔，延長設備壽命，提高電力系統的穩定性和可靠性。因此，低頻低壓減載裝置在電力系統中的實際應用效果是顯著的，為電力系統的節能和保護提供有效的手段。

5 結 論

在智能變電站中，繼電保護技術扮演著至關重要的角色，保障電力系統的安全運行。文章對智能變電站中的繼電保護與控制技術進行深入分析，探討繼電保護裝置的測量數據采集與處理、動作報表與后臺處理以及合并單元與智能終端的作用。同時，對220 kV 變電站常見的保護配置進行詳細闡述，如線路過流保護、零序電流保護、變壓器瓦斯或差動保護等。特別關注低頻低壓減載裝置在電力系統中的應用效果，通過實際數據展示其在負荷調節和能源節約方面的顯著作用。智能變電站中繼電保護技術的不斷進步與應用，為電力系統的穩定、高效運行提供有力支撐，推動電力行業的持續發展。