電力系統(tǒng)中智能變電站的繼電保護技術

董朝理

（云南電網有限責任公司昆明供電局 云南省昆明市 650200）

電力行業(yè)的繁榮發(fā)展，是拉動我國經濟水平提升的關鍵，在當前社會用電量逐年增長的趨勢下，也給電力企業(yè)帶來新的挑戰(zhàn)與機遇。作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，智能變電站的建設數量與規(guī)模正在逐漸擴增，這也是現代化進程中的重點。由于其系統(tǒng)運作模式更加復雜，而且所用設備與元件等十分先進，這也給繼電保護工作帶來了較大的困難。如果依舊沿用傳統(tǒng)的繼電保護模式，將難以保障智能變電站的良好運行效果。因此，應該對其進行創(chuàng)新與優(yōu)化，使其能夠有效維護智能變電站的安全穩(wěn)定，防止重大電力事故的發(fā)生。隨著電力行業(yè)市場競爭的加劇，繼電保護技術的改進能夠創(chuàng)造良好的經濟效益與社會效益，促進其競爭實力的增強，滿足其可持續(xù)發(fā)展的需求。

1 智能變電站概述

在智能變電站中應用了數字化技術和自動化技術，能夠實現信息數據的高效化采集，是我國智能電網建設的重要環(huán)節(jié)。設備智能化、運行網絡化與自動化、信息網絡化和協議統(tǒng)一化得以有效實現，不僅能夠降低工程造價，而且解決了傳統(tǒng)電磁互感器引起的變電運行問題。過程層、間隔層和站控層是智能變電站的主要組成，應該保障其數據連接通道的通暢性，才能保障數據的同步傳輸[1]。與傳統(tǒng)變電站相比較而言，智能變電站在環(huán)保效果上更加優(yōu)越，集成電子設備的能耗得到控制，充油式互感器也逐漸被電子式互感器取代。對于信息的采集與分析實現了自動化，對信息數據進行實施共享，能夠增強系統(tǒng)之間的互動，增強電力系統(tǒng)的運行可靠性。

2 智能變電站繼電保護技術的問題

以傳統(tǒng)變電站為基礎建設智能變電站，通常是采用擴建或者改建的方式，其存在較多的設備與較大的資源消耗，限制了其智能化水平的提升。往往受到技術與設備因素的限制，導致智能變電站的實際應用效果難以達到預期[2]。智能化連接在站內設備端口中的應用還不夠普遍，由于未能對線路與設備標準統(tǒng)一性進行控制，也會在應用中出現不兼容的問題，導致系統(tǒng)運行安全性受到威脅，同時阻礙檢查工作的實施。由于存在較多的電力設備，因此對于接口終端連線的要求較高，這會在一定程度上增大工作人員壓力。

3 電力系統(tǒng)中智能變電站的繼電保護技術應用措施

3.1 繼電保護的主要方式

3.1.1 線路繼電保護

在智能變電站當中存在較多類型的線路，保障其運行安全性，是繼電保護的重點內容。尤其是智能變電站線路的運行環(huán)境較為復雜，長期受到外界多種因素的影響，會存在一定的安全隱患。加強對智能變電站的實時監(jiān)控，是線路繼電保護的關鍵，能夠及時線路的運行情況進行評估與分析，當出現故障時能夠及時響應并報警[3]。測控裝置的應用，大大提升了故障解決的效率，能夠幫助工作人員及時定位故障位置與類型并采取針對性解決措施。對線路實時運行狀態(tài)進行采集后，可以向網絡體系輸送測控數據并在完成分析后得出結果，在繼電保護指令下對線路的運行進行自動化與數字化控制。

3.1.2 變壓器繼電保護

對于相關元件的保護，是智能變電站變壓器繼電保護的基本作用。設置變壓器繼電保護裝置時，需要采用集中安裝的模式完成后備部分的安裝，真正增強繼電保護的性能，增強智能變電站的運行可靠性。非電量保護為變壓器繼電保護的核心模塊，在使用時需要連接繼電保護裝置和電纜。當外界干擾因素對變壓器的運行產生影響時，非電量保護模塊切換至跳閘狀態(tài)，當跳閘指令發(fā)出后就能夠實現對線路的保護，防止重大故障的出現。因此，變壓器的繼電保護是對變壓器和線路的雙重保護。

3.1.3 過流電限定保護

電流過載因素會對智能變電站的運行造成影響，進而引起電力系統(tǒng)的外部斷路情況，外部故障主要是由超負荷電流所引發(fā)，導致出現跳閘問題。過流電限定保護的方式，能夠實現對智能變電站電路的有效保護，當出現超負荷電流狀況時，變電站智能終端及時接收警報，智能系統(tǒng)自動采取相應的保護措施，防止電力事故的發(fā)生。

3.2 繼電保護的技術應用

3.2.1 常見濾波算法

噪聲信號存在于電流信號和電壓信號當中，在對其進行過濾時運用濾波算法，保留基波與諧波。其中，卡爾曼濾波算法和傅里葉濾波算法是兩種常用的濾波算法。在高次諧波的濾波當中，通常會采用傅里葉濾波算法，對于頻率分量的提取主要依靠余弦函數和正弦函數的正交函數性質[4]。卡爾曼濾波算法具有線性濾波的特點，保障了求解的便捷性且占用內存較少，因此在繼電保護算法中的應用十分廣泛。對于故障信號基波分量的計算可以通過卡爾曼濾波算法實現，在此過程中需要建立電壓模型與電流模型。

3.2.2 仿真實驗分析與小波多尺度分析應用

仿真模型的構建需要以MATLAB/simulink軟件環(huán)境為基礎，對濾波算法的可行性加以驗證，在此過程中應該根據實際情況設置線路部分參數、頻率、電源內阻和三相電源電壓參數等。對比卡爾曼濾波結果和傅里葉濾波結果，前者的效果更佳，但是會受到噪聲情況的影響，對信號處理造成干擾。在預處理信號時運用小波多尺度分析的方式，能夠實現對卡爾曼濾波算法上述問題的處理，明確信號異常點并濾除信號的暫態(tài)噪聲，促進算法效率的提升[5]。在此過程中需要建立觀測模型。采用多尺度分析的形式，能夠獲得平滑信號與細節(jié)信號。

3.2.3 站內通信網絡技術

數據的處理除了需要借助于濾波算法外，還應該保障良好的傳輸通道，明確其通信組網方式，增強設備信息交互的實時性。在智能變電站的運行當中，通信系統(tǒng)發(fā)揮著關鍵作用，能夠實現數字信息向標準網絡信息的快速轉換。在監(jiān)測保護智能變電站的設備時，則主要以相關標準化信息為依據，同時能夠保障信息交互的實時性特點。在設計通信網絡時，通常采用了IEC61850標準，應該科學化設計通信網絡的組網結構以增強繼電保護實際效果。過程層設備和間隔層設備的通信，主要是借助于過程層網絡實現，作為通信系統(tǒng)的重要核心設備，繼電保護裝置能夠對智能單元和合并單元進行高效化管理。通過信息交互的方式，裝置可以快速獲取單元狀態(tài)信息，在完成判斷后進行自動化處理。在通信網絡的運行過程中，不同單元之前的互信也十分關鍵。站控層網絡具有較小的流量與規(guī)模，隨著應用的驅動，過程層對通信網絡的要求也更高，尤其是在當前用電用戶數量逐漸增加的趨勢下，必須提升過程層設備的數量。加強對過程層網絡的優(yōu)化，能夠實現自動控制技術的合理應用，滿足電網業(yè)務的發(fā)展需求，增強智能變電站各類數據獲取的實時性。

GOOSE業(yè)務和SV業(yè)務，是過程層通信網絡的主要業(yè)務。SV業(yè)務即采樣值業(yè)務，能夠向保護裝置當中發(fā)送合并單元信息，比如電流與電壓采樣數值等。在采集站內設備電氣量時借助于電子式互感器可以快速實現，保護裝置定期獲得實施電氣量。在SV業(yè)務當中，其具有較大的業(yè)務量，而且需要保障傳輸的穩(wěn)定性與可靠性。間隔成和過程層設備的命令信息傳遞，則主要依靠GOOSE業(yè)務，包括了跳閘業(yè)務和心跳業(yè)務。智能單元和合并單元的狀態(tài)信息發(fā)送給保護裝置屬于心跳業(yè)務，其具有周期性特點，存在較小的業(yè)務量且傳輸過程要求較高。故障問題出現在智能變電站設備當中時，跳閘命令有保護裝置發(fā)送至智能單元，以便其他單元及時做好故障處理的準備[6]。電網業(yè)務通常是將以太網交換機作為載體，隨著當前電網結構復雜性的提升以及對系統(tǒng)運行可靠性要求的提升，應該對傳統(tǒng)組網方式進行優(yōu)化，以滿足繼電保護的要求。

3.3 EPON技術

EPON技術即無光源網絡技術，其作為一種單纖雙向系統(tǒng)，主要由光網絡單元、光配線網絡和光線路終端構成。光配線網絡由分路器和光纖組成，對光網絡單元和光線路終端進行連接，同時作為一個間隔節(jié)點存在。光網絡單元和光線路終端的數據傳輸中，借助于分復用技術同時進行下發(fā)與上行。在構建星型拓撲組網結構時，其網絡中心由間隔層保護裝置組成，網絡的間隔節(jié)點由智能單元和合并單元組成，能夠保障數據下發(fā)與上行操作的準確性。光纖具有較大的容量，在數據同步處理中運用了分復用技術，因此能夠在故障發(fā)生時及時向保護裝置發(fā)送信息，智能單元接收保護動作信息后進行跳閘處理，能夠有效防止堵塞問題出現在通信通道當中，真正符合智能變電站的繼電保護特點。保護裝置對星型拓撲結構的通信進行統(tǒng)一調度，延遲問題容易出現在端與端的通信當中，難以保障突發(fā)故障處理的實時性要求，在今后工作當中也應該對其進行逐步優(yōu)化。

4 電力系統(tǒng)中智能變電站的繼電保護設計優(yōu)化

4.1 安全性優(yōu)化

如前所述，IEC61850標準是智能變電站繼電保護的主要依據，能夠保障標準的統(tǒng)一性，但是也會導致繼電保護存在局限性。電網環(huán)境處于完全透明的狀態(tài)當中，因此會受到外部威脅的影響，導致智能變電站的信息安全受到威脅。在繼電保護設計當中，應該加強對系統(tǒng)安全的有效防護，防止電力企業(yè)遭受嚴重經濟損失。

4.2 可靠性優(yōu)化

數字化建設是當前智能變電站發(fā)展的主要趨勢，多種電子設備在繼電保護中得到廣泛應用。尤其是隨著用戶接入數量的增多，必須提升變電站運行的穩(wěn)定性，切實發(fā)揮電子設備的性能與優(yōu)勢。應該加強對智能變電站運行實際情況的深入分析，保障電子設備選擇的合理性與實用性，降低外界環(huán)境因素對繼電保護的影響[7]。在應用光纜時增強其性能穩(wěn)定性，能夠有效控制外界干擾。電力工作人員應該定期開展檢修工作，及時發(fā)現系統(tǒng)中存在的故障隱患，對系統(tǒng)的不合理部分進行優(yōu)化設計。

4.3 實時性優(yōu)化

實時性是智能變電站繼電保護的基本特點，時延問題容易出現在交換機和合并器鏈路傳播的過程中，這會對保護結構的設計工作產生較大影響。因此，智能變電站數字化互感器的傳輸受到干擾，出現傳輸誤差加大的問題。多種因素都會導致數字式互感器采樣值傳輸出現抖動，其中交換機和合并器的轉發(fā)影響最大，應該對其進行合理優(yōu)化，實現對誤差的有效控制。合并器在完成采集器傳輸數據信息后，排隊處理以及接收采集器通信階段的等待問題，會引起較大的時延。此外，系統(tǒng)交換機的性能也會產生影響，在進行優(yōu)化時應該針對上述幾個方面進行處理。

4.4 同步性優(yōu)化

數據同步問題在智能變電站的繼電保護中也十分常見，時間信息存在于合并單元的數據采樣信號輸出當中，實現對電氣量相位與幅值誤差的控制，保障數據的同步性。為了能夠保障數據信息獲取的同步性，應該增強繼電保護設備的性能，防止數據誤差由于同步信號丟失而加大。在此過程中應該明確過流和過壓保護問題，對同步信號具有加強的要求，保護動作受到同步信號丟失的影響變小。

5 結語

智能變電站在當前電力行業(yè)的發(fā)展中起著關鍵作用，是促進我國電力建設朝著自動化與智能化方向發(fā)展的基礎。在其運行過程中，應該加強繼電保護技術的合理運用，增強變電站的運行安全性與穩(wěn)定性，防止出現嚴重的故障問題。線路的繼電保護、變壓器的繼電保護和過流電的繼電保護，是當前工作的主要側重點。在實踐工作當中，應該選擇合適的濾波算法，同時加強站內通信網絡技術和EPON技術的融合應用，提升智能變電站繼電保護的安全性、可靠性、實時性和同步性。