110 kV智能變電站繼電保護(hù)研究

張 鵬

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán)煤炭銷售分公司，山西長(zhǎng)治 046000）

0 引言

智能變電站在運(yùn)行過程中發(fā)生異常情況是不可避免的，且由于電力系統(tǒng)是由多個(gè)元器件經(jīng)復(fù)雜規(guī)則整合組成的，一旦某個(gè)元器件出現(xiàn)故障，將影響到整個(gè)電力系統(tǒng)的運(yùn)行。采用繼電保護(hù)可以在某元器件發(fā)生故障時(shí)快速切斷故障器件，使故障對(duì)電力系統(tǒng)的影響大幅度降低。因此繼電保護(hù)對(duì)智能變電站中最為重要的一環(huán)。

國(guó)外的繼電保護(hù)研究開始于20世紀(jì)70年代，以美國(guó)、德國(guó)、日本為首的國(guó)家在繼電保護(hù)領(lǐng)域大有建樹，如德國(guó)西門子公司早在20世紀(jì)80年代投入了第一套變電站自動(dòng)化系統(tǒng)，隨后相繼研發(fā)了ABB、GE的產(chǎn)品[1]。1984年，原華北電力學(xué)院研制出輸電線微機(jī)保護(hù)裝置，為國(guó)內(nèi)的繼電保護(hù)提供了新的思路[2]。繼電保護(hù)設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)關(guān)系著智能變電站的穩(wěn)定運(yùn)行，因此確保繼電保護(hù)技術(shù)的可靠性和有效性是關(guān)鍵。

1 智能變電站繼電保護(hù)基本要求

將繼電保護(hù)應(yīng)用在智能變電站中，不僅僅滿足在裝備配置上和電力系統(tǒng)中基本的條件，更需要使得智能變電站和電網(wǎng)的運(yùn)行更加高效、靈活、智能。因此對(duì)繼電保護(hù)有以下幾點(diǎn)基本要求。

（1）根據(jù)不同設(shè)備故障特征提取量配置不同的繼電保護(hù)。智能變電站的“智能”很大一部分體現(xiàn)在：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)不同設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，采集當(dāng)前設(shè)備數(shù)據(jù)，分析當(dāng)前設(shè)備的狀態(tài)是否良好，當(dāng)設(shè)備發(fā)生意外時(shí)，也可以根據(jù)采集得到的數(shù)據(jù)判斷其故障類型。因此對(duì)故障特征量的提取和分析就顯得格外重要。不同的設(shè)備的特征提取量類型是存在差異的，目前最為常見的特征量類型有電流、電壓。因此需要根據(jù)不同特征量配置相應(yīng)的繼電保護(hù)類型。

（2）根據(jù)不同設(shè)備的電壓等級(jí)以及設(shè)備的重要程度配置不同的繼電保護(hù)。在智能變電站系統(tǒng)中，不同的電壓等級(jí)的設(shè)備配置的繼電保護(hù)等級(jí)也是不同的。電壓等級(jí)高的設(shè)備在發(fā)生故障時(shí)對(duì)變電站造成的危害更多、損失更大。因此需要配置靈敏度更高、反應(yīng)速度更快、動(dòng)作時(shí)間更短的繼電保護(hù)。在變電站中，電壓等級(jí)超過110 kV的設(shè)備需要配置兩套保護(hù)裝備，同時(shí)必須符合雙重化標(biāo)準(zhǔn)。

（3）二次回路的簡(jiǎn)化。二次回路雖然并非是繼電保護(hù)系統(tǒng)中的主要保護(hù)對(duì)象，但它對(duì)電力系統(tǒng)安全生產(chǎn)起著十分關(guān)鍵的作用。二次回路如果過于復(fù)雜，可能影響到繼電保護(hù)裝置的性能，導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置無法實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)保護(hù)對(duì)象，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，無法快速動(dòng)作或者誤動(dòng)作等。因此，在不影響變電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的條件下，應(yīng)盡量簡(jiǎn)化二次回路。

（4）交叉保護(hù)。變電站各個(gè)設(shè)備之間的繼電保護(hù)可能會(huì)出現(xiàn)死區(qū)問題，因此要合理分配電流互感器繞組分配，交叉保護(hù)相鄰兩設(shè)備，避免出現(xiàn)保護(hù)死區(qū)問題[3]。

2 智能變電站繼電保護(hù)配置方案

2.1 110 kV及以下電壓等級(jí)線路保護(hù)配置

對(duì)于110 kV及以下電壓等級(jí)的變電站，通常是主保護(hù)和后備保護(hù)相結(jié)合的配置形式，一般情況下，主保護(hù)為雙套配置，還需保證線路保護(hù)和MU配置相匹配。智能終端處只需要一套裝置，但要保證使用單獨(dú)網(wǎng)絡(luò)將終端與兩主變保護(hù)連接。在該配置方案中，采樣信號(hào)為本間隔MU母線電壓。為了防止出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間隔而導(dǎo)致延時(shí)，所以在系統(tǒng)采樣時(shí)，將通過間隔保護(hù)對(duì)電壓、電流交叉組合。但是在線路保護(hù)中出現(xiàn)多個(gè)間隔情況時(shí)，會(huì)限制母線MU的輸入和輸出。因此使用SV網(wǎng)絡(luò)采集電壓信號(hào)，既可以降低網(wǎng)絡(luò)延時(shí)，而且也節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部大量的輸入輸出口，是最佳選擇[4]。圖1所示為110 kV線路保護(hù)配置方案。

圖2所示為35 kV線路保護(hù)配置方案。由圖可知，使用保護(hù)測(cè)控一體化裝置對(duì)35 kV及以下的電壓等級(jí)的線路是適合的。當(dāng)一次設(shè)備的安裝方式是開關(guān)柜方式，那么保護(hù)測(cè)控一體化裝置應(yīng)該放置于柜內(nèi)。

圖1 110 kV線路保護(hù)配置方案

圖2 35 kV線路保護(hù)配置方案

2.2 主變配置

與線路保護(hù)類似，主變保護(hù)配置方案也是隨著電壓等級(jí)的不同而配置，低電壓等級(jí)時(shí)單套配置，高電壓等級(jí)則用雙套配置。通常保護(hù)變壓器的方法有直采直接方式時(shí)斷路器動(dòng)作、GOOSE網(wǎng)絡(luò)變壓器保護(hù)母聯(lián)、啟動(dòng)失靈、分段斷路器和閉鎖自投等；通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)，可以對(duì)失靈的保護(hù)跳閘指令進(jìn)行接收，分為以下兩種方案[4]。

（1）單套主變保護(hù)配置

因?yàn)榫邆涓呖煽啃院涂祉憫?yīng)的特點(diǎn)，因此變壓器保護(hù)可以分為兩個(gè)部分：第一部分為主保護(hù)，使用差動(dòng)保護(hù)，同時(shí)考慮到對(duì)速率要求比較高，所以變壓器各電壓等級(jí)側(cè)智能終端和合并單元的連接方式采用光纖；第二部分為后備保護(hù)，保護(hù)裝置采用各電壓等級(jí)側(cè)后備保護(hù)合一裝置，與主保護(hù)類似，使用光纖將各電壓等級(jí)側(cè)的智能終端和MU相連接。

圖3所示為低電壓等級(jí)主變保護(hù)的單套配置方案。由圖可知，由光纖搭建的網(wǎng)絡(luò)具備了穩(wěn)定性高，靈敏度高的特點(diǎn)，同時(shí)，選擇直采直跳的方式，不經(jīng)過以太交換機(jī)，而是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式進(jìn)行采樣信號(hào)和跳閘信號(hào)的采集和傳輸，實(shí)現(xiàn)了主變保護(hù)器繼電保護(hù)同步采樣和快速響應(yīng)的要求。MU接入方式為現(xiàn)場(chǎng)一次配置，且使用硬接線方式將智能終端和開關(guān)相連接。在低電壓等級(jí)側(cè)，采用MU和智能終端一體化配置；在高電壓等級(jí)側(cè)需要獨(dú)立的MU配置。主變保護(hù)的后備保護(hù)的主要保護(hù)對(duì)象是在母聯(lián)以及分段開關(guān)，因此也可以作為變電站母線保護(hù)的后備保護(hù)。直接采樣直接跳閘的方式優(yōu)點(diǎn)為縮小空間，減少多余的硬件配置[5]。對(duì)于低壓側(cè)采用網(wǎng)絡(luò)跳閘的方式可以避免GOOSE網(wǎng)絡(luò)造成網(wǎng)絡(luò)冗余的麻煩。主變保護(hù)的動(dòng)作命令通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸，中低壓側(cè)的分段母聯(lián)通過光纖連接。

圖3 主變保護(hù)的單套配置方案圖

圖4 雙重主變保護(hù)配置方案示意圖

（2）雙重化主變保護(hù)配置

當(dāng)接線方式為雙母線接線形式時(shí)，不同電壓等級(jí)側(cè)的智能終、合并單元采用雙配套裝置，即雙重化保護(hù)保護(hù)配置。為了實(shí)現(xiàn)非電量保護(hù)從而實(shí)現(xiàn)非電量時(shí)延，采用直接電纜跳閘的方式[6]。圖4所示為雙重主變保護(hù)配置方案，為了使每套裝置都實(shí)現(xiàn)主保護(hù)和后備保護(hù)、各電壓等級(jí)側(cè)配置符合雙重化標(biāo)準(zhǔn)，所以配置了雙重化標(biāo)準(zhǔn)的變壓器。與單套配置保護(hù)類似，對(duì)主單元和子單元進(jìn)行分布式保護(hù)，利用斷路器通過直接采樣直接跳閘的方式實(shí)現(xiàn)主變保護(hù)，通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)對(duì)故障指令進(jìn)行快速傳輸，傳達(dá)至過程層。

目前，智能終端、非電量保護(hù)和主變本體測(cè)控單元的整合方案如圖5所示。將智能終端、非電量保護(hù)和主編本體測(cè)控單元整理后放置于戶外變電柜中，非電量保護(hù)采用硬接線直條的方式，用光纖連接方式構(gòu)成GOOSE網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息在過程層和間隔層之間的傳輸[7]。

圖5 智能終端、非電量保護(hù)和主變本體測(cè)控單元的整合方案

2.3 母線保護(hù)配置

相關(guān)技術(shù)規(guī)范中寫到：母線保護(hù)配置方案需用光纖連接，且直接采樣直接跳閘的保護(hù)配置方式[8]。圖6所示為單套母線保護(hù)配置方案。根據(jù)母線保護(hù)的配置可以得出相應(yīng)保護(hù)裝置的工作方式：（1）具有發(fā)送GOOSE命令的功能；（2）MU通過GOOSE傳輸信息至間隔層；（3）接收各間隔采樣信息。

圖6 單套母線保護(hù)配置方案

3 結(jié)束語

本文研究了智能變電站繼電保護(hù)的配置方案。闡述了線路保護(hù)、變壓器保護(hù)和母線保護(hù)的要求，然后從這三部分的配置方案對(duì)智能變電站進(jìn)行了研究，取得了相應(yīng)的成果，但在一些細(xì)節(jié)上仍需要更深入的研究。隨著繼電技術(shù)的快速發(fā)展以及信息傳輸技術(shù)的不斷進(jìn)步，這些技術(shù)將會(huì)更加深入地運(yùn)用到智能變電站的建設(shè)和改造中，變電站保護(hù)系統(tǒng)將會(huì)更加可靠、高效。