110kV及以下電壓等級智能變電站系統(tǒng)的過電壓防護研究

溫立清　韓小勇

摘 要：防護工作在各地變電站中非常重要，當(dāng)前110kV及以下電壓等級智能變電站影響范圍大，防護水平也有待提升?；诖?，文章以110kV及以下電壓等級智能變電站系統(tǒng)的過電壓類型以及原因作為切入點，給予簡述，并以此為基礎(chǔ)，論述過電壓防護措施，給出防護系統(tǒng)化、防護智能化等建議，最后以模擬實驗方式對相關(guān)理論作系統(tǒng)論證，以期通過分析為后續(xù)具體工作提供必要參考。

關(guān)鍵詞：智能變電站；過電壓；降維訓(xùn)練；防護系統(tǒng)化

中圖分類號：TM63 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）32-0112-02

Abstract： Protection work is very important in various substations. The current 110kV and below voltage level intelligent substation has a wide range of influence， and the level of protection also needs to be improved. Based on this， the paper takes the overvoltage type and reason of 110kV and below voltage level intelligent substation system as the breakthrough point， gives the brief introduction. Then， taking this as the foundation， it discusses the over-voltage protection measure， and gives the protection systematization， the protection intelligence and so on the suggestion. Finally， the simulation experiment is used to make a systematic demonstration of the relevant theory， in order to provide the necessary reference for the follow-up specific work through the analysis.

Keywords： intelligent substation； overvoltage； dimensionality reduction training； protection systematization

前言

過電壓（over voltage）是指工頻下交流電壓均方根值升高，超過額定值的10%，并且持續(xù)時間大于1分鐘的長時間電壓變動現(xiàn)象，是負(fù)荷投切的瞬間的結(jié)果，正常使用時在感性或容性負(fù)載接通或斷開情況下發(fā)生。我國各地110kV及以下電壓等級智能變電站的建設(shè)工程較多，這也對防護工作提出了較高要求，針對過電壓類型以及原因展開分析，并探討防護措施，具有較為突出的現(xiàn)實意義。

1 110kV及以下電壓等級智能變電站系統(tǒng)的過電壓類型以及原因

1.1 變電站系統(tǒng)的過電壓類型

就110kV及以下電壓等級智能變電站系統(tǒng)而言，其過電壓類型可大致分為兩種，即外部過電壓和內(nèi)部過電壓。外部過電壓的發(fā)生率較低，也被稱為大氣過電壓、雷電過電壓，在變電站的工作中，直擊雷和感應(yīng)雷均有可能造成過電壓，此時變電站可看做一個整體性的導(dǎo)體，雷電經(jīng)變電站的避雷系統(tǒng)被導(dǎo)入地下[1]。外部過電壓往往具有脈沖特點，持續(xù)時間較短。內(nèi)部過電壓也稱為工頻電壓升高，包括空載長線電容效應(yīng)、不對稱短路接地、甩負(fù)荷過電壓、空載線路合閘和重合閘過電壓、切除空載線路過電壓、線性諧振過電壓、參量諧振過電壓等。內(nèi)部過電壓發(fā)生原因復(fù)雜，且發(fā)生率較外部過電壓更高[2]。

1.2 變電站系統(tǒng)的過電壓原因

110kV及以下電壓等級智能變電站系統(tǒng)過電壓發(fā)生原因可歸納為電路狀態(tài)和電磁狀態(tài)的突然變化兩個方面。電磁狀態(tài)的異常發(fā)生率相對較小，一般智能變電站周圍的電磁場是穩(wěn)定的，不會出現(xiàn)強大磁場影響變電站電壓，但在雷電等強對流氣象條件下、設(shè)備損壞的情況下，變電站周圍磁場強度改變，有一定幾率出現(xiàn)過電壓問題。電路狀態(tài)的異常，是電力系統(tǒng)過電壓發(fā)生的主要因素，如系統(tǒng)中性點不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，可能導(dǎo)致接地電弧間歇重燃，進而出現(xiàn)過電壓。在此過程中，即便較小的電弧電流，如果未能熄滅，也會導(dǎo)致電壓的異常，較大的電容性電流，如果其強度超過10A，會導(dǎo)致電磁振動，出現(xiàn)過電壓[3]。

此外，一些隨機事件也可能導(dǎo)致過電壓，如參數(shù)設(shè)定不合理、電阻系統(tǒng)/防雷系統(tǒng)異常等，均需要給予有效防護。

2 110kV及以下電壓等級智能變電站系統(tǒng)的過電壓防護措施

2.1 防護系統(tǒng)化

防護系統(tǒng)化，是指在110kV及以下電壓等級智能變電站系統(tǒng)中，構(gòu)建帶有整體價值的防護體系，將各個環(huán)節(jié)納入統(tǒng)一的系統(tǒng)下，保證所有危險環(huán)節(jié)得到處理和應(yīng)對。如外部過電壓和內(nèi)部過電壓都面臨電荷富集的影響，該影響主要破壞電磁環(huán)境，導(dǎo)致變電站周邊電磁場的異常變化。在防護工作開展的過程中，需要建立涵蓋兩個方面的防護系統(tǒng)，建立可以獨立工作的兩套導(dǎo)電系統(tǒng)，一套用于外部過電壓的防護，另一套應(yīng)對可能出現(xiàn)的內(nèi)過電壓。當(dāng)外部電荷持續(xù)聚集時，通過外部防護系統(tǒng)將其導(dǎo)入地下，消除電磁變動出現(xiàn)的可能。當(dāng)內(nèi)部存在單相接地故障時，則有內(nèi)部防護系統(tǒng)進行處理。以統(tǒng)一的管理系統(tǒng)指導(dǎo)具體作業(yè)，該防護系統(tǒng)需要借助智能化和防護監(jiān)控兩條舉措具體實現(xiàn)。

2.2 防護智能化

防護系統(tǒng)化的關(guān)鍵，是工作的智能化。擬應(yīng)用降維訓(xùn)練的方式進行大規(guī)模機器訓(xùn)練，將訓(xùn)練結(jié)果代入到智能設(shè)備中，用于防護系統(tǒng)的感知和危險處理。思路上看，智能設(shè)備可根據(jù)系統(tǒng)默認(rèn)程序判別變電站系統(tǒng)的異常，如內(nèi)部過電壓，并在過電壓發(fā)生后給予記錄和處理，降低地破壞作用，整個工程是自動化、無人化的。要求在實際工作中，收集2000個以上的變電站工作樣本，每個樣本都涵蓋脈沖、電壓值、電流值、電阻值等不同維度。應(yīng)用K近鄰算法進行大規(guī)模高效率機器訓(xùn)練，每一個維度設(shè)置一個訓(xùn)練定義域，該定義域涵蓋變電站工作的一個單獨維度，以該維度的最大值/最小值作為訓(xùn)練邊界。在正常工作狀態(tài)下，變電站輸出電流始終處于一個范圍內(nèi)，在額定值上下波動，以A表達電流值（標(biāo)準(zhǔn)值），則變電站輸出電流將呈現(xiàn)為一個數(shù)列：

A=[……A-3；A-2；A-1；A；A+1；A+2；A+3……]

該數(shù)列內(nèi)的最大值/最小值，即為定義域的邊界值。每一個標(biāo)準(zhǔn)值，都作為一個K點，投入樣本作單一維度的機器訓(xùn)練。與電流的變化相同，電阻的變化也必然呈現(xiàn)為一個數(shù)列形式，以Ω表達電阻，該數(shù)列為：

Ω=[……Ω-3；Ω-2；Ω-1；Ω；Ω+1；Ω+2；Ω+3……]

以相同的方式完成電阻定義域內(nèi)的機器訓(xùn)練，逐一完成變電站所有項目的降維訓(xùn)練。在智能設(shè)備工作的過程中，任一維度數(shù)值超過最大值/最小值，系統(tǒng)均可判定其異常，進行警報和處理，這需要借助監(jiān)控和應(yīng)急措施實現(xiàn)。

2.3 防護監(jiān)控與應(yīng)急處理

防護監(jiān)控擬采用分布監(jiān)測、統(tǒng)一管理基本原則，應(yīng)急工作則以智能設(shè)備的默認(rèn)程序為基礎(chǔ)，自動化進行。分布監(jiān)測是指在智能變電站工作的各個關(guān)鍵區(qū)域，均設(shè)置1個智能工作設(shè)備，了解該區(qū)域的工作情況，并以5s（或其他時間間隔）為間隔，通過傳感器感知該區(qū)域工作信息，傳輸給單片機進行信息讀取和對應(yīng)維度的匹配識別。如變壓器位置的電壓波動，以傳感器感知后，立即傳輸給單片機，如果變壓器電壓穩(wěn)定，不予處理；如果變壓器電壓異常，且超過定義域內(nèi)的極值（最大值/最小值），單片機通過匹配分析發(fā)現(xiàn)該問題，可通過有線通信方式將其傳輸至管理人員處。如果變壓器過電壓問題嚴(yán)重，則由智能設(shè)備啟動應(yīng)急方案，進行斷電處理，保證變電站不會因為嚴(yán)重的過電壓出現(xiàn)事故。

2.4 模擬實驗

選取某地110kV智能變電站作為對象，收集其參數(shù)建立計算機模型，通過參數(shù)調(diào)整法進行實驗，觀察系統(tǒng)能否準(zhǔn)確識別過電壓問題、識別時間以及處理時間。實驗進行120次，調(diào)整電壓參數(shù)進行模擬，結(jié)果如表1所示。

從實驗結(jié)果來看，當(dāng)以常規(guī)電壓進行實驗時，系統(tǒng)可以識別其狀態(tài)為“正常”，不發(fā)生其他動作；當(dāng)出現(xiàn)過電壓問題時，各處智能設(shè)備能夠精準(zhǔn)識別問題，識別時間平均為2.7s，重大問題的處理時間為2.2s，這表明，上述方案可以有效保證智能變電站系統(tǒng)免受過電壓影響。

3 結(jié)束語

綜上，110kV及以下電壓等級智能變電站系統(tǒng)可能受到過電壓影響，導(dǎo)致工作異常甚至安全問題，優(yōu)化防護十分必要。目前來看，相關(guān)智能變電站系統(tǒng)過電壓包括外部過電壓和內(nèi)部過電壓兩大類，原因包括電路狀態(tài)、電磁狀態(tài)的突然變化以及隨機因素的影響。防護方面，強調(diào)系統(tǒng)化、智能化，同時還應(yīng)做好監(jiān)控與應(yīng)急處理，模擬實驗證明了理論價值，可以作為參考，應(yīng)用于后續(xù)具體工作中。

參考文獻：

[1]徐勝，劉潯，時維經(jīng).基于EMTP的500kV變電站典型過電壓辨識研究[J].水電能源科學(xué)，2018，36（04）：199-203.

[2]曾文龍，李乾坤，齊向東.變電站一次設(shè)備過電壓對其二次回路影響及其防范措施研究[J].電子測試，2018（Z1）：81-82+42.

[3]劉芳，李盛偉，徐兵，等.XLPE電纜參數(shù)對天津某220kV GIS變電站雷電過電壓的影響研究[J].電氣應(yīng)用，2017，36（12）：26-29.