智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)面臨的問題分析

畢小熊

【摘??要】智能變電站與原來的變電站相比，無論是在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方面，還是在繼電保護(hù)系統(tǒng)方面，都存在很大的差異，需要相關(guān)人員進(jìn)一步分析和了解。從智能變電站及其繼電保護(hù)系統(tǒng)的概念入手，加強(qiáng)對該新型變電站技術(shù)基本架構(gòu)及其技術(shù)特征的了解，并在此基礎(chǔ)上，全面分析其繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性，充分保障電網(wǎng)運行的安全性和穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】智能變電站;繼電保護(hù)系統(tǒng);問題

一、引言

隨著信息技術(shù)、通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，智能電網(wǎng)已經(jīng)成為當(dāng)今電網(wǎng)的發(fā)展趨勢。我國對智能電網(wǎng)的定義是：以特高壓電網(wǎng)為骨架，以各電壓等級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅強(qiáng)電網(wǎng)為基礎(chǔ)，將現(xiàn)代的傳感測量技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)與物理電網(wǎng)高度集成而形成的新型電網(wǎng)。從中可以看出，智能變電站作為電壓變換的樞紐，電力傳輸?shù)闹匾獏⑴c環(huán)節(jié)，它的正常工作將對智能電網(wǎng)的穩(wěn)定運行產(chǎn)生重要影響。智能變電站與常規(guī)變電站相比，其在組成元件和結(jié)構(gòu)上有較大不同。智能變電站的二次系統(tǒng)通常包含電子式互感器、合并單元、交換機(jī)、保護(hù)測控等設(shè)備，互感器、保護(hù)及斷路器之間復(fù)雜的電纜硬導(dǎo)線連接被光纖連接所代替。保護(hù)測控設(shè)備的電流電壓等采樣值輸入由模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，保護(hù)測控設(shè)備的模擬信號采樣也由裝置內(nèi)實現(xiàn)變?yōu)楦骱喜卧獙崿F(xiàn)。電子式互感器的傳變特性、信息采集的正確性、全站的時鐘對時準(zhǔn)確性和運行過程中的暫態(tài)量都會對智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行造成重大影響。

二、智能變電站技術(shù)特征及架構(gòu)

智能變電站一般由兩個層面構(gòu)成，分別為一次設(shè)備和二次設(shè)備。其中，一次設(shè)備主要以數(shù)字化管理和智能化管理為主，二次設(shè)備則主要為網(wǎng)絡(luò)化管理，這兩個層面的共同管理，使得智能變電站呈現(xiàn)功能分散、數(shù)據(jù)共享的特點。智能變電站的架構(gòu)主要分為兩個部分：三層（過程層、間隔層和站控層）和兩網(wǎng)（過程層網(wǎng)絡(luò)和站控層網(wǎng)絡(luò)）。其中，三層中的過程層主要包括變壓器、斷路器、互感器等一次設(shè)備和合并單元及智能終端等智能組件，它主要是為了完成一些與一次設(shè)備相關(guān)的任務(wù)。間隔層主要以二次設(shè)備為主要構(gòu)成元件，主要實現(xiàn)對數(shù)據(jù)信息的接收、匯總以及傳輸?shù)裙δ?同時，還能對某些一次設(shè)備進(jìn)行操作閉鎖和保護(hù)控制。站控層則主要是通過人機(jī)界面，實現(xiàn)對間隔層中二次設(shè)備的控制和管理。兩網(wǎng)則主要是處理設(shè)備層與設(shè)備層之間的通信，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的站內(nèi)傳輸和共享

三、智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的組成及面臨的問題

與傳統(tǒng)繼電保護(hù)系統(tǒng)相比，智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)無論是在模式上，還是構(gòu)成上，都存在著很大的差別。傳統(tǒng)繼電保護(hù)系統(tǒng)主要分為間隔層和站控層兩層結(jié)構(gòu)，其在間隔層中實現(xiàn)大多數(shù)功能，主要以點對點的方式將繼電保護(hù)系統(tǒng)中的互感器、斷路器及其他保護(hù)單元相連接，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的基本功能。而智能變電站在保留傳統(tǒng)繼電保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層的基礎(chǔ)上，增加了一層“過程層”。同時，智能變電站間隔層的功能開始逐漸向過程層下放，這增加了智能變電站的功能場所，在提高智能變電站工作效率的同時，提高了智能變電站的安全性，避免一個功能場所的破壞造成整個系統(tǒng)的崩潰。另外，除基本的保護(hù)單元外，智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)還增加了多個元件。對這些元件及面臨的問題做如下簡單介紹。

1、電子式互感器

電子式互感器是一種將正比于被測量的電壓、電流等傳輸給測量儀器的裝置。與傳統(tǒng)互感器相比，它的絕緣結(jié)構(gòu)更為簡單，且沒有采用油這類易燃液體進(jìn)行絕緣，因此能夠從根本上避免火災(zāi)、爆炸等危險，提高整個繼電保護(hù)系統(tǒng)的安全性。另外，電子式互感器所采用的連接線纜為光纜，而非傳統(tǒng)的電纜，這種改變也直接避免了互感器在運行過程中出現(xiàn)電磁飽和現(xiàn)象，有利于提高測量的準(zhǔn)確性。

目前，國內(nèi)外對于光學(xué)原理的互感器的實際運行經(jīng)驗十分欠缺。此外，光學(xué)互感器還會受到互感器表面所承受的壓力、所處環(huán)境的溫度等外界環(huán)境的影響，外界環(huán)境的變化將會改變互感器的測量結(jié)果。然而，在長期的實際運行過程中，外界的環(huán)境是在變化的，因此如何規(guī)避外界環(huán)境對互感器的影響或者如何簡單有效地對互感器的測量誤差進(jìn)行補(bǔ)償也是一個亟待解決的問題。

2、合并單元

合并單元是一種隨著電子式互感器出現(xiàn)而出現(xiàn)的元件，它的主要功能是將電子式互感器所收集的信息進(jìn)行采集和合并，并通過格式化處理，將所采集的數(shù)據(jù)以特定的格式傳遞至保護(hù)裝置。合并單元直接替代了保護(hù)裝置與互感器之間復(fù)雜的連接工作，能夠最大限度地實現(xiàn)二次設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，同時還能夠在很大程度上減少系統(tǒng)的運行成本。

合并單元是電子式互感器的重要組成部分，是模擬信號匯集以及模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的元件。由于采樣時間序列往往與接收到的數(shù)字量采樣不在一個節(jié)拍上，因此需要用插值算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣。因為插值算法的局限性，插值一定會產(chǎn)生誤差，誤差的大小因插值算法的復(fù)雜程度和算法階數(shù)而異。一般而言，插值算法的準(zhǔn)確度和速度是一對難以調(diào)和的矛盾，在實際工程中，為了插值的速度，往往對算法的準(zhǔn)確度做了一定的犧牲，從而造成插值結(jié)果的不準(zhǔn)確。其次，采樣頻率和插值位置同樣深深地影響插值算法的準(zhǔn)確性。插值位置不同，雖然對信號的基波影響不大，但是對信號的諧波會有較大的影響。同時，合并單元作為智能變電站中一個重要的元件，其本身是極為脆弱的。合并單元本身的電源損壞以及電磁波的干擾都會對合并單元的準(zhǔn)確工作產(chǎn)生影響，甚至?xí)沟煤喜卧貑?。此外，一些程序上的疏忽也會影響合并單元的?zhǔn)確工作。例如曾經(jīng)發(fā)生過的某廠家合并單元因計數(shù)程序出現(xiàn)錯誤而導(dǎo)致合并單元在計數(shù)時產(chǎn)生錯誤，從而報錯的情況。合并單元的正確穩(wěn)定運行對保護(hù)系統(tǒng)的意義重大，因此有必要對如何加強(qiáng)合并單元的可靠性做進(jìn)一步的研究。

3、智能終端

智能終端的功能是接收保護(hù)裝置所發(fā)來的命令，并通過對命令的分析和對數(shù)據(jù)的處理，實現(xiàn)對斷路器的開關(guān)控制。另外，它還能通過光纜的傳輸，將斷路器中的信息上傳到測控裝置中，從而實現(xiàn)對斷路器的遠(yuǎn)程監(jiān)測。

4、交換機(jī)

交換機(jī)的主要功能是通過建立信息通道和控制網(wǎng)絡(luò)流量來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的有效交換。在智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)中，該元件的基本功能主要是通過以太網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的。該元件也在很大程度上提高了電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5、同步時鐘

不同于其他類型的變電站系統(tǒng)，智能變電站的信息和數(shù)據(jù)基本上是以網(wǎng)絡(luò)通信的方式傳輸?shù)?，這種傳輸方式不僅加快了傳輸?shù)乃俣?，還能夠在很大程度上提高信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和可靠性，設(shè)備與設(shè)備之間必須按照統(tǒng)一的時鐘基準(zhǔn)進(jìn)行工作，因此設(shè)備中必須配備與之對應(yīng)的同步時鐘。

主時鐘接收到的衛(wèi)星信號不穩(wěn)定可能對保護(hù)測控設(shè)備安全穩(wěn)定運行帶來不利影響。隨著技術(shù)的發(fā)展，繼電保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)該逐步避免對外部時鐘信號的依賴。在智能變電站的體系中，由于站內(nèi)過程層同步是不依賴于衛(wèi)星絕對時鐘信號的，衛(wèi)星同步信號對于站內(nèi)同步系統(tǒng)來說反而會成為一種干擾源。如果變電站過程層同步系統(tǒng)的時鐘源采取本地時鐘，則可以消除接受到的衛(wèi)星信號不穩(wěn)定帶來的影響。

在相關(guān)新技術(shù)的推動下，電力系統(tǒng)正在向著自動化、智能化的方向迅速發(fā)展。智能變電站的前景是美好的，但上述問題還有待解決。伴隨著技術(shù)難題的攻破，智能變電站技術(shù)必將迎來更大的發(fā)展，智能電網(wǎng)的建設(shè)也將取得長足的進(jìn)步。

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（作者單位：云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司玉溪供電局）