數(shù)字化變電站及其繼保技術(shù)分析

楊 帆 王艷蘋(píng)

（曲靖供電局 繼電保護(hù)所，云南 曲靖 655000）

0 引言

南方電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)建設(shè)的指導(dǎo)思想是實(shí)事求是地推進(jìn)智能電網(wǎng)的建設(shè)，以需求引導(dǎo)、整體規(guī)劃、有序推進(jìn)、重點(diǎn)突破為原則，做好頂層設(shè)計(jì)，構(gòu)筑一個(gè)合理的智能電網(wǎng)發(fā)展體系，重點(diǎn)方向是爭(zhēng)取在關(guān)鍵領(lǐng)域有所突破，同時(shí)開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)研究，用標(biāo)準(zhǔn)來(lái)規(guī)范智能電網(wǎng)相關(guān)工作，并且有序地推進(jìn)，同時(shí)開(kāi)展示范先行，在取得經(jīng)驗(yàn)以后來(lái)階段實(shí)施。智能電網(wǎng)的不斷發(fā)展將極大地改變傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的形態(tài)，電子式互感器、數(shù)字化變電站技術(shù)、廣域測(cè)量技術(shù)、交直流靈活輸電及控制技術(shù)的大量應(yīng)用，必然對(duì)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)帶來(lái)影響。

1 數(shù)字化變電站的結(jié)構(gòu)層次

數(shù)字化變電站按照一次設(shè)備智能化、二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化的設(shè)計(jì)思路參照IEC61850的標(biāo)準(zhǔn)將變電站分為過(guò)程層、間隔層和站控層3個(gè)部分，其中過(guò)程層由模擬量收集終端合并單元和實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)輸入輸出的智能單元構(gòu)成；間隔層主要由保護(hù)裝置和測(cè)控裝置組成;站控層主要包括監(jiān)控，遠(yuǎn)動(dòng)和故障信息子系統(tǒng)構(gòu)成[1]。

1）智能變電站的過(guò)程層由傳統(tǒng)的一次設(shè)備和智能組建柜組成，智能組建柜中有合并單元和智能操作箱兩個(gè)裝置。變電站常規(guī)互感器的數(shù)據(jù)合并單元采取就地安裝的原則，通過(guò)交流就地采樣電纜傳送模擬信號(hào)，并將采樣數(shù)據(jù)處理后通過(guò)IEC61850-9-1、IEC61850-9-2或者IEC60044-8的協(xié)議借助光纖通道發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)供需要該模擬量的保護(hù)或者測(cè)控裝置共享數(shù)據(jù)。智能操作箱解決了傳統(tǒng)一次設(shè)備和數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)的接口問(wèn)題，作為數(shù)字化變電站一次開(kāi)關(guān)設(shè)備操作的智能終端，將傳統(tǒng)一次設(shè)備和保護(hù)測(cè)控等裝置通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)連接，完成對(duì)斷路器、刀閘的分合操作，智能操作箱接收保護(hù)和測(cè)控裝置通過(guò)GOOSE網(wǎng)下發(fā)的斷路器或刀閘的分、合及閉鎖命令，然后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的繼電器硬接點(diǎn)輸出。

2）在傳統(tǒng)變電站二次系統(tǒng)中保護(hù)裝置所需的模擬量信息和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等信息需要通過(guò)電纜傳送，動(dòng)作邏輯需要在多個(gè)裝置之間傳遞啟動(dòng)和閉鎖信號(hào)，在各間隔層設(shè)備之間，間隔層和過(guò)程層設(shè)備之間需用大量的電纜連接，使傳統(tǒng)方式下各個(gè)保護(hù)裝置之間存在較多硬開(kāi)入連線，導(dǎo)致二次回路接線比較復(fù)雜，容易出錯(cuò)、可靠性不高；而吳山變電站采用支持變電站通信標(biāo)準(zhǔn)IEC61850中GOOSE輸入和輸出功能的保護(hù)和測(cè)控裝置。間隔層裝置之間通過(guò)以太網(wǎng)聯(lián)系各間隔層設(shè)備，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)共享電流電壓量和開(kāi)關(guān)量信息，借助虛端子完成保護(hù)的動(dòng)作邏輯和相關(guān)間隔之間的閉鎖功能，其中電流電壓量和開(kāi)關(guān)量的傳輸分別采用IEC61850規(guī)約中的單播采樣值SMV服務(wù)和面向通用對(duì)象的變電站事件GOOSE服務(wù)完成[2]。

3）站控層網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)線連接，間隔層與站控層之間按照制造報(bào)文規(guī)范MMS(Manufacturing Message Specification)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，完成對(duì)變電站的監(jiān)視和控制?？刂疲b控、遙調(diào)等控制功能通過(guò)IEC61850的控制相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)映射到MMS的讀寫(xiě)和報(bào)告服務(wù)中。IEC61850提供多種控制類型，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方修改定值等功能。

2 數(shù)字化變電站的優(yōu)越性

數(shù)字化的變電站，其由一次設(shè)備的智能化以及二次設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)行分層的構(gòu)建。實(shí)現(xiàn)了變電站的電氣設(shè)備間信息智能共享，以及相互操作的現(xiàn)代化的時(shí)代。與傳統(tǒng)變電站相比，數(shù)字化變電站具有以下優(yōu)勢(shì)。

1）變電站保護(hù)設(shè)備運(yùn)行更穩(wěn)定。數(shù)字化變電站中，智能化一次設(shè)備的數(shù)字化傳感器、數(shù)字化控制回路代替了原常規(guī)繼電保護(hù)裝置、測(cè)控等裝置的I/O部分，光纜代替電纜避免了集電器等邏輯部件老化、失靈帶來(lái)的誤動(dòng)作，克服了設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的發(fā)熱、氧化、切換不可靠等問(wèn)題。傳統(tǒng)電壓、電流互感器內(nèi)部絕緣機(jī)構(gòu)復(fù)雜，易飽和，準(zhǔn)確性受二次負(fù)載影響、容易受電磁干擾，以及漏氣、漏油，甚至存在爆炸等問(wèn)題。變電站數(shù)字化后采用光電式互感器，采用法拉第磁光效應(yīng)（無(wú)源型）或者羅斯夫斯基線圈（有源型）從磁場(chǎng)中獲得有關(guān)信息，能實(shí)現(xiàn)大電流比、無(wú)磁飽和、頻率響應(yīng)范圍寬，精度高，暫態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字變電站采用了智能終端，將部分保護(hù)設(shè)備放置在開(kāi)關(guān)端子箱中就地保護(hù)，極大減少了電磁干擾[3]。

2）變電站保護(hù)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)更安全方便。數(shù)字化變電站能有效避免二次側(cè)的電壓回路短路、電流回路開(kāi)路的惡性事故的發(fā)生；電腦程序代替了傳統(tǒng)的保護(hù)調(diào)試方式，更為快捷、準(zhǔn)確。

3）輔助材料大大減少，建設(shè)成本大大降低。數(shù)字化變電站中有色金屬、橡膠等材料耗用量大大減少，在今后的運(yùn)行過(guò)程中可改進(jìn)優(yōu)化電站配置方式，電站監(jiān)控設(shè)備可集成為占地面積非常小的裝置，節(jié)約了土地資源。

3 數(shù)字化變電站面臨的挑戰(zhàn)

目前，繼電保護(hù)裝置的微機(jī)化趨勢(shì)充分利用了先進(jìn)的半導(dǎo)體處理器技術(shù)：高速的運(yùn)算能力、完善的存貯能力和各種優(yōu)化算法，同時(shí)采用大規(guī)模集成電路和成熟的數(shù)據(jù)采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字濾波和抗干擾等技術(shù)，因而系統(tǒng)響應(yīng)速度、可靠性方面均有顯著的提升。然而，數(shù)字化變電站的不斷發(fā)展，對(duì)繼電保護(hù)技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。特別是近年來(lái)，由于信息技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，以及智能電網(wǎng)的規(guī)劃和發(fā)展改變了電能傳輸?shù)哪承┨攸c(diǎn)，信息化和數(shù)字化的特征使智能電網(wǎng)與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)產(chǎn)生了本質(zhì)的差別。

1）利用數(shù)字化提高保護(hù)性能?；ジ衅鱾鬏斝阅艿奶岣吆突ジ衅鞴收系臏p少使繼電保護(hù)不需要再考慮電流互感器飽和、二次回路斷線、二次回路接地等互感器故障問(wèn)題。電氣量信息傳輸?shù)恼鎸?shí)性也為繼電保護(hù)裝置性能的提高帶來(lái)了便利條件。如何簡(jiǎn)化繼電保護(hù)的輔助功能，利用數(shù)字化傳感器提高繼電保護(hù)的整體性能，是未來(lái)繼電保護(hù)發(fā)展需要研究的核心問(wèn)題。

2）網(wǎng)絡(luò)化將改變繼電保護(hù)的配置形態(tài)。基于IEC61850網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化變電站改變了傳統(tǒng)繼電保護(hù)信息獲取和信號(hào)發(fā)送的媒介，利用網(wǎng)絡(luò)上共享的站內(nèi)其它相關(guān)電氣元件的信息提高主保護(hù)的性能，利用共享的控制信號(hào)網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化繼電保護(hù)配置，是智能電網(wǎng)中繼電保護(hù)研究的前沿性問(wèn)題。網(wǎng)絡(luò)化帶來(lái)共享信息的同時(shí)，也帶來(lái)基于網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)目煽啃院桶踩詥?wèn)題。與傳統(tǒng)二次電纜的傳輸方式不同，控制信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)的可靠性必須得到保證。數(shù)字化變電站條件下繼電保護(hù)的可靠性問(wèn)題及如何進(jìn)行保護(hù)配置保證可靠性是網(wǎng)絡(luò)化二次回路的關(guān)鍵問(wèn)題。

3）提高安全自動(dòng)裝置性能、在線整定技術(shù)等都是給未來(lái)數(shù)字化變電站提出的挑戰(zhàn)，只有有效的解決了這些問(wèn)題，繼電保護(hù)才能更好地得到應(yīng)用。

［1］高翔，張沛超.數(shù)字化變電站主要特征和關(guān)鍵技術(shù)[J].電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（23）：67-71.

［2］劉玉春，劉志清，林萃.通信規(guī)約在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].東北電力技術(shù)，2004，12：25-28.

［3］徐禮葆，劉寶志，郝燕麗.開(kāi)放式數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的討論[J].繼電器，2004，32（06）：40-43.