智能變電站繼電保護(hù)配置的展望和探討

陶樹文

[摘要]在智能變電站中，繼電保護(hù)設(shè)備是智能電網(wǎng)的重要組成部分。在滿足靈敏性、速動性、選擇性、可靠性的要求下，將其配置分為過程層、變電站層2層。過程層針對一次設(shè)備獨(dú)立的配置主保護(hù)，把它下放到一次設(shè)備附近，和一次設(shè)備合為一體。保護(hù)的采樣相對獨(dú)立，可以不依賴全站統(tǒng)一時(shí)鐘進(jìn)行采樣同步，利用獨(dú)立的同步數(shù)字體系（SDH）系統(tǒng)，通過乒乓算法進(jìn)行保護(hù)間的數(shù)據(jù)采樣同步，元件保護(hù)采用分布式的配置，利用獨(dú)立的通信環(huán)進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，過程層以太網(wǎng)構(gòu)成冗余；變電站層配置進(jìn)行集中式后備保護(hù)，它所采用的是自適應(yīng)和在線實(shí)時(shí)整定技術(shù)。

[關(guān)鍵詞]智能電網(wǎng)；變電站；電力系統(tǒng)保護(hù)；配置；集中保護(hù)

[中圖分類號]F407.61 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]1672-5158（2013）06-0395-02

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，智能變電站的應(yīng)用逐漸增多。相對于傳統(tǒng)的變電站，繼電保護(hù)引用了許多新技術(shù)。與傳統(tǒng)變電站相比，智能變電站的采樣、跳閘把傳統(tǒng)的電纜替換成光纜、把原來傳輸?shù)哪M量和開關(guān)量電信號替換成經(jīng)過數(shù)字編碼的光信號，采樣回路和跳閘回路得到了較為可靠的實(shí)時(shí)監(jiān)視。筆者將對智能變電站繼電保護(hù)配置進(jìn)行展望和探討，以期為同行提供參考。

一、智能變電站繼電保護(hù)配置

在智能變電站繼電保護(hù)配置方案中，把變電站設(shè)備分為過程層、變電站層獨(dú)立配置主保護(hù)。這里需要區(qū)分的情況是一次設(shè)備本身就是智能設(shè)備，保護(hù)設(shè)備安裝在智能設(shè)備的內(nèi)部；如果是由老的設(shè)備改裝而成，就要將保護(hù)、合并器和測控等功能就近安裝于一次設(shè)備附近的匯控柜中，這種做法有利于簡化設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)。采樣值和GOOSE都要通過全站統(tǒng)一以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸，全站統(tǒng)一采用IEEE1588對時(shí)，分布式保護(hù)間的數(shù)據(jù)同步并不依賴全站統(tǒng)一對時(shí)系統(tǒng)。智能變電站繼電保護(hù)配置圖如（圖1）：

這種全站分布式配置方案有利于簡化全站保護(hù)，使得保護(hù)控制等二次設(shè)備、被保護(hù)的二次設(shè)備之間的距離最短，不會發(fā)生由于跳閘、采樣等通信鏈路不可靠造成保護(hù)功能失效的情況。

二、過程層

過程層繼電保護(hù)主要配置是快速跳閘的主保護(hù)功能，如變壓器差動、線路縱聯(lián)保護(hù)和母線差動保護(hù)，后備保護(hù)功能被轉(zhuǎn)移到變電站層的集中式保護(hù)裝置當(dāng)中。下面對具體保護(hù)來討論保護(hù)的實(shí)現(xiàn)問題。

1、線路保護(hù)

過程層的線路保護(hù)配置是以縱聯(lián)差動或縱聯(lián)距離作為主保護(hù)，后備保護(hù)放置在集中式保護(hù)裝置中。對于單斷路器方式主接線，線路保護(hù)裝置主要是通過主保護(hù)的光纖通信口和對側(cè)線路保護(hù)裝置進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)縱聯(lián)保護(hù)的功能。如（圖2）所示。

從縱聯(lián)差動保護(hù)原理上來講，保護(hù)裝置不需要電壓量的引入，但是對于特定的某些運(yùn)行方式和特殊的保護(hù)原理應(yīng)引入電壓量。這時(shí)，電壓量可以進(jìn)行獨(dú)立采樣，把它接入主保護(hù)通信通道，與電流量共同完成同步采樣。如果是同一條線路，2個(gè)開關(guān)電流也可以獨(dú)立采樣，由主保護(hù)通信口完成采樣同步調(diào)整。

2、變壓器保護(hù)、電抗器保護(hù)和母線保護(hù)

變壓器保護(hù)裝置過程層主要采用分布式配置，實(shí)現(xiàn)差動保護(hù)功能，后備保護(hù)采用集中式的安裝。非電量保護(hù)要單獨(dú)安裝，通過電纜把它引入斷路器跳閘中，與此同時(shí)，跳閘命令通過光纜引入采樣、GOOSE的共同網(wǎng)絡(luò)上。

電抗器保護(hù)和變壓器保護(hù)的原理是相同的。

變電站內(nèi)母線保護(hù)裝置是按分布式設(shè)計(jì)的，每個(gè)間隔內(nèi)的保護(hù)單獨(dú)實(shí)現(xiàn)母線保護(hù)的功能，并且只跳本間隔的斷路器。失靈保護(hù)則由集中保護(hù)完成。

3、采樣同步方法

變電站內(nèi)的變壓器保護(hù)、母線保護(hù)可以看成一個(gè)多端的線路保護(hù)。采用線路保護(hù)的同步解決方案可以實(shí)現(xiàn)站內(nèi)保護(hù)裝置的同步采樣。

為了簡化設(shè)計(jì)，采用的是基于乒乓原理的同步技術(shù)。乒乓同步技術(shù)要求線路兩端保護(hù)裝置必須用相同的采樣頻率，獨(dú)立的進(jìn)行采樣，并且要求兩端收發(fā)的數(shù)據(jù)在通道中傳輸?shù)臅r(shí)間必須完全相同。國內(nèi)采用的基于乒乓原理的同步技術(shù)有采樣數(shù)據(jù)修正法、采樣時(shí)刻調(diào)整法2種。

為簡化保護(hù)裝置設(shè)計(jì)，把保護(hù)裝置的同步分成3個(gè)步驟：

（1）把保護(hù)裝置向光纖通道的數(shù)據(jù)發(fā)送中斷、數(shù)據(jù)采樣中斷分開。對于傳統(tǒng)保護(hù)的裝置，二者是同一中斷。如果是電子式互感器，數(shù)據(jù)采樣發(fā)生在采集部分，數(shù)據(jù)發(fā)送在保護(hù)裝置部分，可以測得兩者的延時(shí)。

（2）調(diào)整兩側(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)刻?？梢酝ㄟ^乒乓同步原理，采用采樣時(shí)刻調(diào)整法，將兩側(cè)的數(shù)據(jù)發(fā)送中斷進(jìn)行同步，最后做到兩側(cè)保護(hù)裝置發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)刻完全一致。

（3）補(bǔ)償發(fā)送時(shí)刻、采樣延時(shí)。把兩側(cè)保護(hù)裝置的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)刻進(jìn)行同步后，可以結(jié)合下圖進(jìn)行分析。在保護(hù)中，將保護(hù)定值通過光纖通道，發(fā)送到所有保護(hù)中，各側(cè)保護(hù)裝置綜合所有的保護(hù)定值做相應(yīng)的延遲，在這個(gè)過程中，能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，進(jìn)行差動保護(hù)的計(jì)算（圖3）。

4、分布式保護(hù)間通信

分布式保護(hù)通信可采用SDH系統(tǒng)，保護(hù)的通信設(shè)計(jì)成1個(gè)通信環(huán)。以下圖為例，把一側(cè)作為3/2主接線，另一側(cè)作為單斷路器主接線的線路保護(hù)（圖4）。

在這個(gè)同步通信環(huán)中，主要有兩種設(shè)計(jì)模式。

第一種模式，站內(nèi)的同步通信只考慮同步用。在這種情況下，對同步通信的帶寬要求降低。由于保護(hù)的采樣值通過以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，任何一個(gè)裝置都可以從網(wǎng)上獲取數(shù)據(jù)。這種模式是同步冗余設(shè)置。

第二種模式，除了完成同步功能外，還要進(jìn)行采樣值數(shù)據(jù)的傳輸。對一個(gè)母線上的最大間隔數(shù)需要進(jìn)行考慮，在1ms內(nèi)交換所有間隔數(shù)據(jù)。這種模式具備了數(shù)據(jù)傳輸、同步雙重冗余的特性。

同步機(jī)制能夠固定一個(gè)保護(hù)為主機(jī)，其他的保護(hù)順次和它進(jìn)行發(fā)送中斷的同步。

3、變電站層繼電保護(hù)

變電站層配置的是集中式后備保護(hù)，全站所有電壓等級進(jìn)行集中配置，集中式后備保護(hù)所采用的技術(shù)是自適應(yīng)、在線實(shí)時(shí)自整定技術(shù)，還具備廣域保護(hù)的接口，可以實(shí)現(xiàn)廣域保護(hù)的功能，即雙重化配置。

后備保護(hù)系統(tǒng)可以為本變電站元件提供近后備、開關(guān)失靈保護(hù)的功能，同時(shí)為相鄰的變電站元件提供遠(yuǎn)后備保護(hù)的功能。因此，每個(gè)變電站的保護(hù)范圍都分為兩個(gè)部分：一個(gè)是遠(yuǎn)后備保護(hù)范圍，主要包括直接出線的對端母線和與對端母線所連的所有線路；另一個(gè)是近后備保護(hù)范圍，主要包括該變電站內(nèi)所有母線以及直接出線。

獨(dú)立的后備保護(hù)系統(tǒng)對本變電站元件的斷路器狀態(tài)信息、電壓和電流信息、主保護(hù)動作信號進(jìn)行采集，并對相鄰變電站元件的斷路器狀態(tài)信息、故障方向信息和主保護(hù)動作信號進(jìn)行接收。根據(jù)實(shí)時(shí)的信息，判別在遠(yuǎn)后備范圍內(nèi)元件的故障，同時(shí)做出最佳的跳閘策略。

此外，結(jié)合離線定值整定算法，根據(jù)運(yùn)行方式的不同，可以預(yù)先確定幾套定值整定方案。根據(jù)實(shí)時(shí)的電網(wǎng)參數(shù)，站內(nèi)的集中保護(hù)裝置確定系統(tǒng)運(yùn)行在某種運(yùn)行方式后，同時(shí)保護(hù)相應(yīng)切換到預(yù)先設(shè)定的那一套定值區(qū)，這樣可以優(yōu)化保護(hù)動作性能。

對低頻/低壓減載、過負(fù)荷聯(lián)切、備用自投裝置等自動裝置功能也可以進(jìn)行集成。

4、結(jié)束語

筆者通過分析智能變電站特點(diǎn)，提出這樣的全站保護(hù)配置方案：兩層結(jié)構(gòu)一層網(wǎng)絡(luò)。將傳統(tǒng)線路、母線保護(hù)、變壓器進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)，根據(jù)分布式保護(hù)的形式把它安裝到智能一次設(shè)備中，大大簡化保護(hù)類型，簡化了保護(hù)運(yùn)行維護(hù)的工作。與此同時(shí)，提出全站集中保護(hù)裝置不必按照電壓等級分開，全站集中配置，實(shí)現(xiàn)全站保護(hù)的配合。

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