數(shù)字化變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性研究

宋洋

(國網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司連云港運(yùn)維站,江蘇連云港 222000)

數(shù)字化變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性研究

宋洋

(國網(wǎng)江蘇省電力公司檢修分公司連云港運(yùn)維站,江蘇連云港 222000)

數(shù)字化變電站由于其可將信息的采集、處理和輸出等過程完全數(shù)字化的優(yōu)點(diǎn),已成為當(dāng)今電力系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要方向,但如何確保數(shù)字化變電站安全可靠運(yùn)行仍是目前存在的一個(gè)問題。本文以數(shù)字化變電站當(dāng)前技術(shù)應(yīng)用為背景,研究電子式互感器和光纖通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性對繼電保護(hù)系統(tǒng)的影響。

數(shù)字化變電站 可靠性 電子式互感器 光纖通信網(wǎng)絡(luò)

1 數(shù)字化變電站概述

數(shù)字化變電站是將其一次和二次設(shè)備作為數(shù)字化研究對象，通過網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)進(jìn)行信息標(biāo)準(zhǔn)化，以實(shí)現(xiàn)信息共享和交互功能的自動(dòng)化變電站。通過采用光電轉(zhuǎn)換技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)等完成對變電站信息的數(shù)字化采集、處理及輸出過程，從而達(dá)到變電站數(shù)據(jù)交換和控制操作網(wǎng)絡(luò)化的目的。

圖1 數(shù)字化變電站邏輯結(jié)構(gòu)

圖2 零序電流保護(hù)原理

圖3 差動(dòng)保護(hù)原理

1.1 數(shù)字化變電站結(jié)構(gòu)組成

從物理結(jié)構(gòu)上看，數(shù)字化變電站仍然是由一次設(shè)備和二次設(shè)備兩個(gè)層面構(gòu)成；但從邏輯結(jié)構(gòu)上劃分，數(shù)字化變電站又可分為過程層、間隔層和變電站層三個(gè)方面，如圖1所示。從圖中可以看出，變電站層內(nèi)部及間隔層和變電站層之間的事件狀態(tài)和數(shù)據(jù)是通過MMS交換完成的，間隔層內(nèi)部及間隔層和過程層之間的控制狀態(tài)和數(shù)據(jù)是通過GOOSE交換完成的，而過程層和間隔層之間的采樣值數(shù)據(jù)交換是由SMV完成的。其中，間隔層和過程層中的GOOSE信號等同于傳統(tǒng)變電站中的跳閘、位置等硬接點(diǎn)信號，過程層向間隔層反饋的SMV信號等同于傳統(tǒng)變電站中的互感器(CT、PT)信號。將間隔層和過程層結(jié)合起來便構(gòu)成了傳統(tǒng)變電站中的二次回路部分，也是數(shù)字化變電站控制的核心。

從目前IEC61850的使用標(biāo)準(zhǔn)來看，變電站層已發(fā)展較為成熟，可進(jìn)行普遍推廣，間隔層和過程層也進(jìn)入了實(shí)用期。在某些電壓等級較低的變電站中已實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化應(yīng)用，而在電壓較高等級變電站中，尚存在過程層采樣值傳遞技術(shù)屏障。

1.2 數(shù)字化變電站特性

與傳統(tǒng)變電站相比，數(shù)字化變電站具有以下特點(diǎn):

(1)一次設(shè)備均為數(shù)字化和智能自動(dòng)化。站內(nèi)傳統(tǒng)電磁互感器由新型電子互感器替代，直接與外部數(shù)字光纖以太網(wǎng)連接，有時(shí)還需裝設(shè)智能終端以實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號轉(zhuǎn)換和系統(tǒng)狀態(tài)檢測。(2)二次設(shè)備數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。與傳統(tǒng)變電站的數(shù)字式二次設(shè)備相比，數(shù)字化變電站二次設(shè)備的優(yōu)勢在于通過光纖與外部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，也就是說數(shù)字化變電站的是在光纖以太網(wǎng)基礎(chǔ)上完成的。(3)IE61850標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了變電站通信系統(tǒng)及其網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一化。傳統(tǒng)變電站由于信息描述和通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的差別致使各個(gè)設(shè)備之間存在信號識別難、互操作性差等問題，所以IEC61850標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化極大的修正了傳統(tǒng)變電站的弊端，保證了數(shù)字化變電站的安全可靠和操作方便。

1.3 數(shù)字化變電站可靠性因素分析

可以看出，數(shù)字化變電站與傳統(tǒng)變電站相比有著顯著的優(yōu)勢和巨大的發(fā)展前景。由于數(shù)字化變電站減少了通信輸入回路、二次回路端子等，降低了設(shè)備成本，縮短了安裝調(diào)試周期，同時(shí)電子式互感器的替代在很大程度上也減少了施工及檢修人員的危險(xiǎn)性。數(shù)字化變電站雖然呈現(xiàn)出一系列優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)際應(yīng)用中只有保障了變電站的安全可靠運(yùn)行才能順利完成數(shù)字化變電站對負(fù)荷及用戶的供配電任務(wù)。由于繼電保護(hù)裝置可直觀反應(yīng)系統(tǒng)故障和運(yùn)行狀態(tài)，對于確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行有很重要的作用，因而很有必要分析研究數(shù)字化變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)可的靠性。通常情況下繼電保護(hù)裝置發(fā)生故障的原因在于安裝調(diào)試和維護(hù)過程不嚴(yán)格，再者不合理的設(shè)計(jì)使得接線愈加復(fù)雜，對于互感器提供的數(shù)據(jù)存在誤差大等因素，同時(shí)數(shù)據(jù)信息傳輸過程中的時(shí)間延誤等也會(huì)導(dǎo)致保護(hù)裝置誤動(dòng)作，進(jìn)而使數(shù)字化變電站失去安全可靠性保障。

2 電子式互感器可靠性研究

與傳統(tǒng)的電磁式互感器相比，單個(gè)電子式互感器的誤差要小很多，這樣不僅可以提高測量的精度，還可以提高保護(hù)裝置的可靠性和靈敏性，當(dāng)多個(gè)電子式互感器一起使用時(shí)，其高精度和高靈敏度對系統(tǒng)保護(hù)效果更加明顯。以零序電流保護(hù)為例，圖2(a)和(b)分別為傳統(tǒng)電流互感器和新型電子式電流互感器構(gòu)成的零序電流保護(hù)。從圖2(a)中可以看出，LJ為零序電流繼電器，其中流過電流為三相電流的向量和。當(dāng)A、B、C三相完全對稱時(shí)，流過LJ的電流理論上為零，但實(shí)際上由于三相電流互感器之間存在鐵磁特性誤差，使得互感器二次電流也出現(xiàn)相應(yīng)誤差，從而在LJ中出現(xiàn)不平衡電流，保護(hù)整定值的目標(biāo)便是消除LJ中的不平衡電流。

由圖2(b)可知，電子式互感器均接受來自三相的一次電流信號，只是電子式電流互感器誤差很小，因而最后反應(yīng)到零序電流繼電器上的數(shù)值也很小。同時(shí)，由于電子式互感器二次側(cè)負(fù)荷對其誤差沒有影響，所以減小了最后流過LJ的不平衡電流，也適當(dāng)?shù)慕档土吮Ｗo(hù)整定的設(shè)定值，從而提高了保護(hù)裝置的靈敏度和可靠性。

電子式互感器也可顯著提高縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的可靠性，圖3(a)、(b)分別為傳統(tǒng)互感器和電子式互感器對單相變壓器進(jìn)行的差動(dòng)保護(hù)。正常工作時(shí)，流過差動(dòng)繼電器(CJ)的電流為變壓器一次測和二次側(cè)電流之差，理論上應(yīng)該等于零。但實(shí)際上由于互感器存在測量誤差，總有不平衡電流流過CJ。當(dāng)在差動(dòng)保護(hù)范圍之外如d點(diǎn)發(fā)生故障短路時(shí)，變壓器的一二次側(cè)便會(huì)出現(xiàn)很大的短路電流。此時(shí)，由于故障發(fā)生于差動(dòng)保護(hù)范圍之外，變壓器差動(dòng)保護(hù)不允許動(dòng)作，但是如果互感器選擇不當(dāng)，便會(huì)出現(xiàn)變壓器一側(cè)互感器飽和而另一側(cè)還未飽和，也就是說兩個(gè)互感器之間出現(xiàn)環(huán)流，這將增大流過CJ的不平衡電流，從而致使保護(hù)裝置誤動(dòng)作，降低繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。

與零序電流保護(hù)相似，正常工作時(shí)流過差動(dòng)繼電器的電流為變壓器兩側(cè)互感器電流之差，由于電子式互感器精度較高，流過CJ的不平衡電流很小。當(dāng)發(fā)生斷路故障時(shí)，雖然兩側(cè)的穿越電流很大，但電子式互感器仍然可以工作于線性區(qū)，因而誤差不會(huì)增長很多，流過CJ的不平衡電流對于保護(hù)的影響不會(huì)很大，這樣便可防止差動(dòng)保護(hù)裝置誤動(dòng)作，提高系統(tǒng)保護(hù)的可靠性。

3 光纖通信網(wǎng)絡(luò)可靠性研究

3.1 對交流采樣回路的影響

傳統(tǒng)變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)交流采樣電路的原理是通過電壓和電流互感器將二次側(cè)的模擬觀測量經(jīng)導(dǎo)線、電纜等送入繼電保護(hù)裝置，接著將設(shè)定好的整定值與實(shí)際模擬量相比從而決定保護(hù)裝置是否動(dòng)作。而數(shù)字化變電站一個(gè)很大的優(yōu)勢就在于采用光纖通信網(wǎng)絡(luò)取代了傳統(tǒng)的傳輸電纜，即在數(shù)字化變電站中將一次電壓電流等信息通過IEC61850標(biāo)準(zhǔn)化后送入繼電保護(hù)裝置，直接控制保護(hù)裝置的動(dòng)作與否，這個(gè)變革對于提升數(shù)字化變電站的可靠性具有重要意義。

傳統(tǒng)變電站其互感器、試驗(yàn)端子和差動(dòng)繼電器之間完全通過二次導(dǎo)線連接，由于環(huán)節(jié)很多，只要某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題必然會(huì)形成斷點(diǎn)，斷點(diǎn)高電壓不僅危機(jī)人員設(shè)備安全，還會(huì)造成保護(hù)器件誤動(dòng)作。而且對于每年的主差動(dòng)保護(hù)需在帶負(fù)荷情況下進(jìn)行測量操作，在測量時(shí)通常需將毫安表并聯(lián)接于試驗(yàn)端子上，這個(gè)過程經(jīng)常會(huì)發(fā)生電流回路開路致使過電壓危及工作人員安全。另外，繼電器及其他設(shè)備自身故障也會(huì)造成保護(hù)裝置誤動(dòng)作。

由于數(shù)字化變電站采用光纖替換導(dǎo)線，大大減少了相互之間的鏈接環(huán)節(jié)，而且光纖發(fā)生斷線的概率也要比導(dǎo)線低的多。而且因?yàn)閿?shù)字化變電站光纖傳輸?shù)氖菙?shù)字量而非傳統(tǒng)變電站采用的模擬量，即使光纖發(fā)生斷線也不會(huì)出現(xiàn)過壓損壞設(shè)備和人身安全。同時(shí)在數(shù)字化變電站中都有數(shù)字閉鎖設(shè)置，因而保護(hù)裝置基本不出出現(xiàn)誤動(dòng)作。另外，由于光纖運(yùn)行壽命長、對干擾隔離性好、穩(wěn)定性高等本身優(yōu)點(diǎn)，使其在數(shù)字化變電站中不僅可避免導(dǎo)線差動(dòng)誤動(dòng)作，還可降低保護(hù)裝置更換和維修成本。綜上，光纖通信網(wǎng)絡(luò)可大大提升交流采樣回路可靠性能。

3.2 對直流采樣回路的影響

傳統(tǒng)變電站直流回路包括繼電器、直流電源開關(guān)等二次保護(hù)設(shè)備，由于設(shè)備繁多，接線復(fù)雜，降低了繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。數(shù)字化變電站除直流電源使用少量導(dǎo)線外，其他均由繼電器內(nèi)部邏輯部分替代。正是由于復(fù)雜二次回路的替換簡化和光纖接線的應(yīng)用，極大的提高了繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)語

數(shù)字化變電站中電子式互感器的使用，不僅減少了系統(tǒng)故障率，提高了繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性，還減少了系統(tǒng)中互感器的數(shù)量，有利于建設(shè)小型化、資源型的數(shù)字化變電站。光纖通信網(wǎng)絡(luò)的替代在提升系統(tǒng)可靠性基礎(chǔ)上還實(shí)現(xiàn)了站內(nèi)信息的資源共享，另外由于減少了連接導(dǎo)線的使用，簡化了數(shù)據(jù)信息的傳輸回路，降低了設(shè)計(jì)成本，是未來變電站的重要發(fā)展方向。

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宋洋(1982—),男,山東濟(jì)南人,工程師,主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)和自動(dòng)化設(shè)備的維修及管理工作。