智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析

熊 迪

（中油電能供電公司，黑龍江 大慶 163000）

0 引 言

由于電力系統(tǒng)建設(shè)的不斷完善，供電網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和電壓等級不斷提高，所以對電力系統(tǒng)的安全性、可靠性提出了更高要求。電力行業(yè)為人們提供高質(zhì)量、安全和經(jīng)濟(jì)的電能是當(dāng)前首要解決的問題，智能電網(wǎng)建設(shè)是國家提出的戰(zhàn)略布局，智能變電站是把通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和控制技術(shù)進(jìn)行結(jié)合的產(chǎn)物，二次系統(tǒng)在信息傳輸模式上產(chǎn)生了很大的轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)了對變電站運行信息進(jìn)行采集、測量、保護(hù)及控制等功能，可以與電網(wǎng)自動化進(jìn)行結(jié)合，為實現(xiàn)在線分析決策和智能調(diào)整提供依據(jù)。

1 智能化變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成

傳統(tǒng)的變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)是站控層、間隔層兩個層次的框架。隨著智能斷路器、電子式互感裝置技術(shù)的不斷成熟，智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)發(fā)展為站控層、間隔層及過程層三個層次的框架。運行數(shù)據(jù)信息的采集利用電子互感器替代了電磁式互感器，把數(shù)據(jù)信息通過合并單元處理，并采用特定的數(shù)據(jù)格式把信號通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)送到繼電保護(hù)中。保護(hù)動作控制單元中，智能終端主要用于接收測量控制裝置及保護(hù)裝置生成的跳合閘信號來驅(qū)動斷路器動作，再把斷路器跳合閘運行信息回饋給繼電保護(hù)裝置[1]。

1.1 電子式互感器

傳統(tǒng)變電站互感器裝置采用電磁結(jié)構(gòu)方式，隨著光電子技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，數(shù)字化電氣測量裝置不斷應(yīng)用到變電站。電子互感器替代了電磁互感器，該互感器會根據(jù)是否應(yīng)用傳感頭來決定電源，可分為有源和無源兩個種類，可以克服傳統(tǒng)互感器在使用過程中存在的問題，沒有磁飽和現(xiàn)象，從而提高對故障測量的準(zhǔn)確程度，使保護(hù)裝置可以準(zhǔn)確地動作，可以保護(hù)電力系統(tǒng)的安全運行。光纜取代了原來的電纜，絕緣方式比較簡單。此外，電子互感器占用的體積較小，重量較輕，可以輸出數(shù)字信號，使電站的二次系統(tǒng)實現(xiàn)集中控制，為實現(xiàn)變電站的智能化創(chuàng)造條件，滿足了電氣計量和智能化發(fā)展的要求。不需要采用油質(zhì)進(jìn)行絕緣，提高了使用的安全性，避免出現(xiàn)火災(zāi)和爆炸事故。

1.2 合并單元

合并單元的主要作用是把電子互感器傳輸過來的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行組合，采用一致的時間標(biāo)簽和指定的數(shù)據(jù)傳輸格式把采集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到保護(hù)控制裝置，是過程層級數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹匾骷?。合并單元與電子互感器可以實現(xiàn)很好的配合，是過程層關(guān)鍵的電氣元件，也是智能變電站重要的環(huán)節(jié)，并防止互感器和繼電保護(hù)裝置相互間產(chǎn)生復(fù)雜的接線，進(jìn)一步減少了建設(shè)成本，可以實現(xiàn)二次設(shè)備的數(shù)據(jù)共享。

1.3 交換機(jī)

智能變電站應(yīng)用交換機(jī)建立網(wǎng)絡(luò)平臺來實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息交換，取代了傳統(tǒng)變電站利用電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?。交換機(jī)是通信網(wǎng)絡(luò)中重要的設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)是數(shù)據(jù)鏈路層級的信息技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息幀的轉(zhuǎn)發(fā)。傳輸數(shù)據(jù)信息時，交換機(jī)可以形成可靠的數(shù)據(jù)渠道，控制網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的流量，從而保證數(shù)據(jù)幀可以實現(xiàn)快速交互，并通過交換地址表使信息在局域網(wǎng)中實現(xiàn)傳輸。生成樹協(xié)議的應(yīng)用，有效解決了交換機(jī)不形成環(huán)路的問題，防止出現(xiàn)廣播風(fēng)暴，使交換機(jī)相互間產(chǎn)生冗余鏈路，有效提升了智能電站穩(wěn)定性和安全性。

1.4 智能終端

電子式互感器技術(shù)的成熟和應(yīng)用，再結(jié)合計算機(jī)控制技術(shù)，可以實現(xiàn)對變電站斷路器運行溫度、機(jī)構(gòu)動作情況等的監(jiān)測；通過對運行數(shù)據(jù)的采集和處理，可以準(zhǔn)確地識別出斷路的運行狀態(tài)；科學(xué)安排檢修時間，可以做到設(shè)備的狀態(tài)檢修，取代了原有的定期檢查和預(yù)防性試驗。智能終端是變電站一次設(shè)備的智能控制組件，可以接收和處理繼電保護(hù)裝置傳輸?shù)奶祥l控制命令，采用斷路器裝置進(jìn)行開斷。斷路器裝置上的運行信息可以輸送到監(jiān)測裝置或站控層，工程技術(shù)人員采用遠(yuǎn)程方式了解斷路器的實時狀態(tài)。

2 智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析

為分析智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性，需要組建可靠性數(shù)學(xué)模型。組建模型的方法很多，蒙特卡羅模擬比較常見，主要是采用計算機(jī)實現(xiàn)控制元件的隨機(jī)選用，可以對繼電保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行抽樣檢測，從而對失效的概率進(jìn)行統(tǒng)計分析，然后再通過系統(tǒng)實現(xiàn)對可靠性的計算。該種建模方式并不適用于所有的智能變電站，特別電氣元件復(fù)雜的電站系統(tǒng)。馬爾柯夫模型用于復(fù)雜電站系統(tǒng)，會使模型變得更為繁雜，無法很好地解決問題。可靠性圖框法可以實現(xiàn)復(fù)雜智能電站系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型建立，模型結(jié)構(gòu)雖然簡單，但可以實現(xiàn)對變電站系統(tǒng)電氣元件相互邏輯關(guān)系的劃分，計算較簡單，結(jié)合智能電站過程層以及GOOSE報文結(jié)構(gòu)，組建起繼電保護(hù)可靠性模型。

3 智能電站繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性計算

智能變電站采用雙重保護(hù)系統(tǒng)，兩個系統(tǒng)之間是相互獨立的，不存在任何聯(lián)系，并配備雙網(wǎng)并行冗余通信協(xié)議，從而保證SV采樣數(shù)據(jù)信息以及GOOSE保護(hù)跳合閘保護(hù)信號可以實現(xiàn)在電站過程層的無損傳輸。兩套配置方式使繼電保護(hù)裝置可以滿足冗余設(shè)計要求，從而更好地保護(hù)繼電系統(tǒng)的可靠性。主變壓器智能保護(hù)終端、合并單元采用組網(wǎng)方式實現(xiàn)連接，從而對GOOSE雙網(wǎng)進(jìn)行很好地保護(hù)。該通信網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)對變電站系統(tǒng)開關(guān)量的采集以及發(fā)出傳輸跳閘保護(hù)命令，采用IEC標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議實現(xiàn)SV網(wǎng)絡(luò)對采集數(shù)據(jù)信息的傳送[2]。

為使智能變電站可以在應(yīng)用層面實現(xiàn)智能化，主變壓器繼電保護(hù)應(yīng)用CPU控制器實現(xiàn)相關(guān)的控制功能，測量和采樣可當(dāng)作繼電保護(hù)啟動和識別的依據(jù)，從而更好地提升繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。主變壓器的保護(hù)可靠性，可利用最小路集和最小割集不交化控制算法，把每個電氣元件正常工作概率引入，從而獲取主變器可靠性函數(shù)為其中，P是it變電站智能控制終端正常條件下概率，Pem則為網(wǎng)絡(luò)通信介質(zhì)正常條件下概率，Psm是交換機(jī)設(shè)置正常工作概率，Ppr是繼電保護(hù)在正常條件下達(dá)到的概率，Pmu是合并單元在正常工作條件下的概率。把各種電氣元件的故障率引入，t取值為50年，從而得到主變壓器保護(hù)可靠度為09.999 999 911。為了對最小路徑集法進(jìn)行科學(xué)合理地驗證，可以對可靠性函數(shù)準(zhǔn)確性進(jìn)行驗證，對多個繼電保護(hù)可靠性進(jìn)行串聯(lián)簡化，將其轉(zhuǎn)變?yōu)楣竭M(jìn)行計算。220 kV供電線路需要多個繼電保護(hù)單元，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)型式比較復(fù)雜，一些線路SV網(wǎng)絡(luò)為冗余結(jié)構(gòu)方式，需要應(yīng)用4臺SV數(shù)據(jù)交換機(jī)，但是110 kV供電線路只采用了2臺SV數(shù)據(jù)交換機(jī)，可以看出前者具有更好的可靠性。

4 提高智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性策略

智能變電站母線保護(hù)是斷電保護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，母線裝置的可靠性會對智能變電站的正常運行帶來影響。為提高智能變電站保護(hù)系統(tǒng)的可靠性，需要使保護(hù)系統(tǒng)具備合理的冗余結(jié)構(gòu)。冗余性會受保護(hù)裝置和通信網(wǎng)絡(luò)的冗余度的影響。對于物理層次，對控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)靈活組網(wǎng)，可以發(fā)揮出特有的優(yōu)勢；采用雙以太網(wǎng)并行的保護(hù)技術(shù)，可以使其具備的冗余優(yōu)勢得到更好地體現(xiàn)。智能變電站通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以采取多種型式，科學(xué)合理地選用結(jié)構(gòu)型式可以更好地提高冗余度。

冗余裝置是提升繼電保護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵措施，任何型式的變電站都離不開冗余設(shè)計?？梢岳脙商桌^電保護(hù)系統(tǒng)，并設(shè)計終端保護(hù)設(shè)置、數(shù)據(jù)交換機(jī)及合并單元，以提高系統(tǒng)的保護(hù)性能。

4.1 變壓器繼電保護(hù)配置

電力系統(tǒng)供電電壓是設(shè)定好的，如果運行電壓值出現(xiàn)波動，會使配電系統(tǒng)正常運行受到影響。智能變電站控制運行電壓時，需要采用主變壓器來完成。變壓器是變電站重要的電力設(shè)施，電壓的控制采用分布配置的辦法來實現(xiàn)，從而起到對變壓器的保護(hù)，可以采用差動斷電保護(hù)的措施。保護(hù)變壓器時，可以采用集中配置的辦法，保證繼電保護(hù)安裝可以獨立完成，實現(xiàn)對非電量的繼電保護(hù)功能。斷路器和電纜連接完成后，可以把繼電保護(hù)的性能充分發(fā)揮，變壓器的可靠性得以顯著提升。

4.2 可視化技術(shù)的運用

為提高智能變電站繼電保護(hù)可靠性，需要對故障實現(xiàn)有效處理。雖然信息技術(shù)得到了巨大進(jìn)步，但是很多繼電保護(hù)裝置的運行故障監(jiān)測和處理還采用表格和數(shù)據(jù)方式。智能變電站引入可視化技術(shù)對繼電保護(hù)裝置進(jìn)行監(jiān)控是十分必要的，可以實時對繼電保護(hù)裝置運行情況，實現(xiàn)故障預(yù)警和運行數(shù)據(jù)采集。智能變電站運行時可能由于數(shù)據(jù)信息傳輸問題而引發(fā)故障，所以需要對通信系統(tǒng)錯誤信息進(jìn)行全面、系統(tǒng)地排查，以保護(hù)繼電保護(hù)裝置。繼電保護(hù)裝置動作時，生成的中間節(jié)點文件和故障波形相符。繼電保護(hù)裝置產(chǎn)生運行故障時，需要對中間節(jié)點文件形成的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行準(zhǔn)確采集，以全面分析故障，從而確定故障原因。為工程技術(shù)人員提供準(zhǔn)確的排查記錄信息，針對故障情況制定切實可行解決措施。

5 結(jié) 論

為提高智能變電站繼電保護(hù)可靠性，需要工作人員對繼電保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行深入了解，結(jié)合變電站的實際情況，制定提升可靠性的措施。