變電站繼電保護就地化整體解決方案研究

崔堂貴

國網內蒙古東部電力有限公司內蒙古超特高壓分公司 內蒙古 錫林浩特 026000

引言

變電站是電力系統的核心環節，繼電保護作為防止電網事故擴散、保障電力供應穩定的第一道防線，其重要性日益凸顯。然而，傳統的繼電保護系統由于安裝位置固定、維護復雜等因素，已經難以滿足現代電網對快速響應和高效運維的需求。加之電力設施所處環境的多樣性和復雜性，如極端氣候條件和電磁干擾等，對繼電保護系統的可靠性和適應性提出更高的要求。因此，探索一種能夠適應復雜應用環境，提高運維效率和系統可靠性的繼電保護新方案，成為電力行業迫切需要解決的問題。

1 可靠性設計要求

1.1 就地化繼電保護應用環境的復雜性

就地化的保護裝置應該能夠與其所處環境的溫度和濕度相適應，避免由于空氣中的水分和腐蝕性介質的入侵而引起的損害，并且還應該具有抵抗變電站內復雜的靜態及暫態電磁干擾的能力。所以，在進行產品設計的時候，應該對環境影響因素進行全面的分析，以此來指導材料、器件的選用、軟硬件的冗余、防誤設計，還要考慮到抵抗外部復雜氣候、電磁、機械環境所造成的破壞，從而提高二次回路的可靠性。

1.2 氣候環境適應性

有數據顯示，電子元器件的溫度每上升2℃，其可靠性將降低10%；當溫度上升到50℃時，其使用壽命僅為25℃時的1/6[1]。在所有的電子器件故障中，有55%的原因是溫度超出了設定的范圍。在新疆吐魯番地區，夏季極端天氣條件下，地表（2m）表面溫度高于60℃，部分設備內部溫度甚至達到90℃，極大地降低了設備的可靠性。所以，在進行產品設計的時候，可以選擇汽車級電子元器件，并且按照有利的散熱原則，對內部的功能模塊和元器件進行合理的布局，使用導熱襯墊和硅脂等材料，將電子元器件的熱耗導出到殼體上，然后再由殼體的高密度翅片擴散到裝置的外面。電子元器件在濕度較大或其他惡劣的天氣條件下，會因腐蝕作用而發生故障。在外界介質中，由于化學因素的影響，物質的性質會發生退化、變化，最終發生劣化破壞。通過對端蓋結合面、進出線口、導光件等部位的高效“O”形密封件和密封件結合壓差設計，可實現器件的全封閉，并對暴露在外界環境中的部分部位進行致密防護。

1.3 電磁環境適應性

在戶外就地安裝的繼電保護裝置，其所處的電磁環境更為復雜和惡劣，它不僅要經受變電站內各一次設備正常運行產生的靜態電磁波的感應騷擾，同時，還需抵御高壓開關動作、雷電等現場產生的暫態電磁波的沖擊。當前，對繼電器等設備提出了不少于6kV的快速暫態和6kV的沖擊測試要求。為了保證繼電保護設備不會在外界擾動下發生誤動、拒動等異常情況，必須在設備內部設置高效的泄放回路，以保證各種擾動引起的危害能被及時地釋放出來。

1.4 機械性能

繼電器在遷移到室外安裝時，由于沒有了原來在室內安裝的屏蔽箱的支撐與保護，其受到的力學環境更加復雜與惡劣。在極端天氣條件下，由于冰雹、臺風和飛石等突發事件，可能會對室外繼電保護設備造成損壞，嚴重時可能造成設備和線路的故障。計算結果顯示，在外力作用下，5mm厚的原位繼電器在不被破壞的情況下，其最大塑性變形可以控制在0.3mm之內。但是，因為設備的外表面受到撞擊，跌落而造成的對內部元件的沖擊傷害就比較明顯了，尤其是對印制線路板上焊接的各種元件。所以，在原位化繼電器的內部布置中，應該依據應力和變形分布，合理規避故障危險點。

1.5 二次回路的可靠性

以“六統一”的技術規范為依據，按照“區間內電纜直接取入、直接跳入、跨區間內信息GOOSE傳送”的原理，進一步簡化設備界面，以達到二次線路最優的目的[2]。利用現場電纜采集交流量和重要開關量的信息，并利用電纜直接進行跳閘，從而降低在智能變電站中原有的智能終端的連接。用特殊的航空插入式連接器來代替常規的接線柱，具有較高的保護和較高的電氣特性，可以有效地抵抗外界的嚴酷天氣和電磁環境。在使用的時候，要按照電氣功能分類，將其接入專用航插連接器，通過防誤插鍵位設計及輔助辨識色帶，可以有效地杜絕現場誤操作，避免出現不同回路誤接的風險，最終實現快速可靠插接、即插即用、方便維護。

2 變電站繼電保護就地化問題

2.1 繼電保護的可靠性及速動性有待進一步提高

普通變電站繼電保護的接線方式比較煩瑣，易形成“寄生”回路，影響繼電器的可靠性；二次回路長度較大，且有雜散電容，易引起繼電器的誤開、誤動；智能變電站合并單元和智能終端的應用，使得保護采樣和跳閘回路變長，可靠性下降，而且還人為地增加了保護動作延時。電網短路容量的增大，直流接地點的密集程度的增加，都給電網的安全和可靠性帶來了很大的威脅。

2.2 繼電保護運行維護復雜，技術門檻過高

繼電保護，特別是智能變電站保護的運行維護比較復雜，它取消了傳統的電纜接線，使用IEC61850規約實現純數字通信后保護信號模型化、抽象化，這就造成了現場運行人員的技術能力很難及時跟上，同時廠家所提供的運維工具的友好性和實用性也需要進一步提升。所以，在變電站二次設備的調試、檢修和消缺等方面，更多地依靠廠家，這對設備的有效管理產生了一定的影響。

2.3 變電站建設周期長，占用土地資源多

目前的變電站，基本上都是從基礎建設開始，到保護屏柜入室，再到一次和二次設備的聯調。變電站在建設中的二次系統線路復雜，施工和調試周期較長；而且，繼電保護設備都是采用屏柜在保護小室中的安裝方式，這種方式會對土地資源造成很大的占用。在征地變得更加困難的情況下，變電站的建設，特別是在市區繁華地段的建設，也會變得更加困難。

2.4 一、二次設備分散，難以縱向融合

繼電保護裝置和被保護目標一個位于保護室內部，另一個位于開關區，全部信號通過電纜或光纜相連，彼此間隔幾百米。此外，與保護室相比，開關場內的電磁、氣象條件更為惡劣，傳統的繼電保護裝置無法在此工作，且其與一次裝置之間存在較大的融合難度。

3 變電站繼電保護就地化整體解決方案

3.1 跨間隔設備的就地化技術

3.1.1 分布式環網配置設計。跨區間保護是由多區間的電壓和電流數據構成，而傳統的集中式保護由于次級線路配線復雜、能耗高，很難實現不受保護的狀態。因此，研究人員必須使用一種新的方式，一種新的結構，來實現原位保護。文中提出了一種基于無主度的分布式保護策略。每一個空間單元布置一個輔助設備，并在相鄰的空間單元之間采用光導纖維連接，互為補充。每臺子機旁邊都設有一旁路開關，當間歇維修完畢離開時，可以關閉該開關，這樣就能確保其他子機的正常工作。

3.1.2 環網可靠性設計采用HSR技術。通過對網絡中的數據進行封裝，對網絡中的數據進行備份和配置。環網中將資料傳給各子機，各子機接收和分析，如果資料是由其他子機發來的，就會對資料進行邏輯保護；如果是本主機所提供的，那么就說明該數據已經過了整個環形網絡，可以將這一報文丟棄。

3.2 自動測試系統

利用航電插頭連接繼電器原位設備和自動化試驗系統，實現了繼電器原位設備的自動鑒別和分析，并實現了對繼電器原位設備的自動檢測和分析。該系統包括測試主機、交換機、服務器和測試終端四大模塊。①從被測物體的環境信息中獲得有關的信息指數，并產生能夠按照用戶要求進行選擇和確認的自動測試模板。②選擇的模板能夠自動啟動試驗，并且能夠與控制試驗端子相連。試驗終端根據主機發出的指令，將所得到的信息進行反饋，并將其傳送到主機，從而形成閉環控制。然后，讓計算機來判斷每一項指標的數值，到底有沒有達到要求。③測試完成后，由主機自動產生并上載至服務器存儲，最終納入被測對象的賬目管理。

3.3 就地繼電保護現場檢修

在就地繼電保護裝置運行中，由于缺乏人機接口，只能通過智能管理裝置來實現對其的遙控，這給施工現場的運行與維修帶來了一定的困難，并且牽扯到了更多的問題[3]。要解決上述問題，智能運維終端可以進行數據信息的自動化采集和處理，作為信息資料傳遞的基礎載體，根據實際狀況，開發App來完成設備的運行、維護和檢修，并將數據信息傳送到數據系統中，以推動系統的自動化管理和控制。通過智能運維終端，可以實現自動化檢修、巡視和回路映射，對各項工作進行協調，并通過信息網絡技術輔助工作，降低了運營維護的壓力，提升了工作效率，增強了智慧運維的運行可靠性。

3.4 “即插即用”技術

“即插即用”技術是一種行業標準化技術的概念，它指的是在新的外部設備自動接入系統中，系統在無須人為干預的情況下，自動地識別出配置的改變，它已經被廣泛地應用于各個領域，并且使用“即插即用”技術，可以讓整個系統操作起來更加簡單、更加高效。將“即插即用”技術應用到現場繼電器設備中，既有硬件的意義，也有軟件的意義。在硬件層次上，為了實現設備間的相互交換，同一種保護應該有一個統一的、標準化的接口。標準接口不僅在硬件層次上很好地解決了插拔問題，還增加了在野外工作的安全性：使用了技術上的防誤設計，使用了分色條碼和容錯鍵，在野外有效地避免了“誤接線”；接線端子采用密封性設計，可避免“誤碰”事故發生。

3.5 高防護等級、電磁兼容、熱設計技術

為解決就地化保護在下放到開關場中所要面對的交變電磁環境和惡劣的戶外氣象環境，就地化保護使用了一種新的設計，即：堅固耐用的機箱結構、高防護的輸入輸出航插接口，其耐受電磁干擾能力超過1000kV特高壓標準的要求，氣象環境的適應性滿足IP67級防水，在-40～70℃的極端天氣、高海拔和高濕度天氣環境下，機械特性滿足沖擊、振動、碰撞試驗國家2級標準的要求等[4]。通過對所開發的線路保護裝置的試驗，證明了以上要求是完全符合的。

4 繼電保護發展現狀以及未來發展

智能電網的出現，改變了繼電保護的傳統運行方式。在技術水平上，隨著現代信息監測與保護技術的不斷發展，繼電保護工作已有了很大的改變。隨著WAMS系統的應用，繼電保護必然會產生巨大的變化，在未來，智能變電站必然會建設一個變電站信息采集中心，并能夠利用系統所收集到的數據，對其進行智能化的保護。而且，隨著大規模的保護體系的出現，各系統之間的聯系也會越來越緊密，這將是一場革命性的變革。因此，要實現對繼電保護的有效管理，就必須有一個完善的繼電保護管理體系。

5 結束語

總之，變電站繼電保護就地化的實施對于提升電力系統的安全性和穩定性具有不可替代的作用，因此，電力行業的從業者和研究人員必須緊跟技術發展趨勢，積極探索和應用新的技術和方法，通過優化設計、提高設備的環境適應能力和電磁兼容性，同時采用先進的“即插即用”技術和自動化測試系統，提高繼電保護的可靠性和維護效率。同時，加強與現代智能技術的融合，確保變電站繼電保護系統的高效運行，促進電力系統向智能化、網絡化的方向發展。