智能變電站繼電保護(hù)研究文獻(xiàn)綜述及對壓差監(jiān)控方案的初步設(shè)想

顧文馨 范佳辰

【摘要】 長期以來，眾多研究者致力于研究如何將機(jī)電保護(hù)器應(yīng)用于智能變電站中，竭力為智能變電站發(fā)展提供可靠保障?；诖?，本文通過查閱相關(guān)資料，就近年來智能變電站繼電保護(hù)相關(guān)研究成果進(jìn)行理論綜述，并對可能的改進(jìn)方案與其可供實(shí)驗(yàn)測試模型進(jìn)行初步設(shè)想。

【關(guān)鍵詞】 智能變電站;繼電保護(hù);電網(wǎng)系統(tǒng);綜述

【DOI編碼】 10.3969/j.issn.1674-4977.2021.01.023

Abstract： For a long time， many researchers have devoted themselves to the study of how to apply electromechanical protectors to intelligent substation，and strive to provide reliable guarantee for the development of intelligent substation. Based on this，this paper reviews the related research results of relay protection in Smart Substation in recent years by consulting the relevant data，and makes a preliminary assumption on the possible improvement scheme and its available experimental test model.

Key words： intelligent substation;relay protection;power grid system;overview

1 目前國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)發(fā)展概況

相對于常規(guī)變電站，智能變電站能夠完成范圍更廣，層次更深，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜的信息收集和信息處理，同時(shí)由于使用了光纖及高集成化的電子元器件，使其兼有更為優(yōu)秀的、當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展十分重視的環(huán)保效益。智能變電站內(nèi)，站與站之間，站與大部分用戶之前的可交互性更強(qiáng)，這使電網(wǎng)運(yùn)行更為安全可靠。而其中，繼電保護(hù)是保證智能變電站運(yùn)行穩(wěn)定的相當(dāng)重要的一個(gè)方面，因此，對其進(jìn)行探究是有建設(shè)性意義的。經(jīng)對以前的文獻(xiàn)及資料查證與整理，下文對其目前的發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行一些概述。

IEC 61850通信協(xié)議在2004年頒布后，人們就對這個(gè)協(xié)議的變電站建設(shè)進(jìn)行了探索?，F(xiàn)如今，以西門子為代表的西方電力設(shè)備企業(yè)已經(jīng)研發(fā)出了比較完善的智能變電站設(shè)備，然后還把這些設(shè)備應(yīng)用到了具體的工程建設(shè)項(xiàng)目中，很多研究者也針對智能變電站機(jī)電保護(hù)展開了一系列的研究。Crossley P A等人（2016）在其研究中就現(xiàn)階段智能變電站兩種主流配置方案進(jìn)行了研究，剖析了系統(tǒng)保護(hù)配置方案以及常規(guī)保護(hù)配置方案的構(gòu)成，針對它們的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行了深入的比較和研究。Premaratne U K和Samarabandu J等人（2017）結(jié)合其所要研究的110千瓦變電站電力負(fù)荷相關(guān)資料，在相關(guān)指標(biāo)下，就110千瓦變電站機(jī)電保護(hù)配置進(jìn)行了全面布局，具體對其主接線設(shè)計(jì)以及短路電流計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)的說明。國內(nèi)方面，浮明軍等人（2015）就智能變電站機(jī)電保護(hù)裝置自動(dòng)測試裝置的一些核心技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)的探索，對外接口特點(diǎn)以及測試具體方法進(jìn)行了大量研討，開發(fā)出了全自動(dòng)測試系統(tǒng)軟件，測試方法得以優(yōu)化，測試的效率也逐步提高，很大程度上確保了產(chǎn)品的優(yōu)質(zhì)化，對智能變電站調(diào)試，驗(yàn)收環(huán)節(jié)具備很強(qiáng)的參考價(jià)值和理論意義。趙煒等人（2019）針對智能變電站及其繼電保護(hù)的相關(guān)特征，探索了智能變電站繼電保護(hù)以及自動(dòng)化裝置，該裝置對變電站安全運(yùn)行以及運(yùn)行質(zhì)量有很大的幫助，給供電系統(tǒng)健康發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。李官宇[8]等人（2017）結(jié)合數(shù)字化變電站繼電保護(hù)技術(shù)的相關(guān)理論進(jìn)行了分析，包括其原理及特征等，然后就數(shù)字化變電站機(jī)電保護(hù)技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用進(jìn)行了探討。

目前，學(xué)術(shù)界對于壓板狀態(tài)在線檢測的研究主要有以下的兩種。一種是任俊杰，蔣嵐等人研究的把圖像識別方法作為壓板狀態(tài)在線檢測的方法，它是要在機(jī)電保護(hù)室安裝一定量的攝像頭，攝像頭的角度也要進(jìn)行合理校對，確保所有保護(hù)屏都能夠顧及到。然后把保護(hù)屏上的壓板狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝，并同步到上位機(jī)上，這時(shí)候上微機(jī)的數(shù)據(jù)庫里留有之前保存好的保護(hù)壓板正確投退的狀態(tài)信息，接著利用圖像識別技術(shù)把上傳的壓板投退狀態(tài)和數(shù)據(jù)庫中預(yù)存的壓板透退狀態(tài)進(jìn)行比對，以此來實(shí)現(xiàn)在線檢測的目標(biāo)。另一種是夏志宏（2019）在其研究中指出的一種檢測重動(dòng)繼電器觸點(diǎn)狀態(tài)的方法，這種方法必須要把保護(hù)應(yīng)壓板進(jìn)行統(tǒng)一投入，然后將重動(dòng)繼電器的常開關(guān)和壓板回路進(jìn)行連接，利用RTU控制重動(dòng)繼電器，以此來檢測中重動(dòng)繼電器常開接點(diǎn)應(yīng)該在什么地方，這樣可以達(dá)到遠(yuǎn)方投入以及退出保護(hù)壓板的目的。

2 國內(nèi)應(yīng)用案例及存在的問題

目前，國內(nèi)變電站基本應(yīng)用了綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，其中比較成熟的系統(tǒng)之一為南瑞科技的NS 2000系統(tǒng)。針對設(shè)備狀態(tài)變化的突發(fā)狀況，開啟預(yù)定性事件，歷史庫內(nèi)可以存儲(chǔ)近數(shù)次和突發(fā)狀況有關(guān)的數(shù)據(jù)，它能夠記憶設(shè)備狀態(tài)變化前后不同時(shí)間段的相關(guān)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)雖然能夠?qū)喊鍫顟B(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，但卻沒有辦法在壓板投退錯(cuò)誤時(shí)候進(jìn)行警告及修正。正是基于壓板位置信息連接檢測系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，才得以在線監(jiān)測壓板投退狀態(tài)。然后和系統(tǒng)的個(gè)別的部位進(jìn)行連接，構(gòu)成新的遙信點(diǎn)，以此來達(dá)到監(jiān)測壓板投退狀態(tài)的目的。

就國內(nèi)和國外的研究發(fā)展現(xiàn)狀來看，很多企業(yè)在變電站保護(hù)壓板狀態(tài)檢測方法方面進(jìn)行了大量的研究，一些研究成果也在變電站進(jìn)行了實(shí)際的應(yīng)用，可是因?yàn)榉N種原因，包括通信方式不完整，產(chǎn)品功能不全面，運(yùn)行不夠穩(wěn)定等等，使得產(chǎn)品運(yùn)行價(jià)值較低，甚至一些由于增加了運(yùn)行人員的工作負(fù)擔(dān)，造成其進(jìn)行壓板狀態(tài)檢測時(shí)的失誤，因而，在能大規(guī)模投入實(shí)際生產(chǎn)使用上仍有很多問題亟需解決。

3 出口壓板壓差監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)想與基于實(shí)驗(yàn)測試考量的設(shè)計(jì)思路

在現(xiàn)階段的實(shí)際操作中，運(yùn)行監(jiān)測人員將出口壓板投入后，主要憑借外觀及用萬用表量壓板兩頭壓差的方式，來確認(rèn)該壓板兩端是否接觸良好，所得結(jié)果準(zhǔn)確性相對較差，且往往要兩人及以上共同作業(yè)，逐個(gè)壓板一一檢查，耗時(shí)耗力又無法做到迅速實(shí)時(shí)監(jiān)測問題所在，調(diào)度主站也無法判斷出口壓板投退狀態(tài)，無法校驗(yàn)核對。若通過監(jiān)測到兩側(cè)存在壓差的方式，利用信息采集模塊、主控模塊、通信模塊等傳輸信息，并在上位機(jī)中顯示出壓板投退狀態(tài)，則可在一定程度上，相對有效地解決目前監(jiān)測的一些不足之處。以下簡述一些設(shè)計(jì)與選擇思路：

首先是如何判斷壓板位置，日常生產(chǎn)生活中常用的主要有三種方法：第一種使用限位開關(guān)，當(dāng)壓板投入，限位開關(guān)就被壓下去，即可采集到其位置狀態(tài);第二種使用紅外感應(yīng)器，當(dāng)壓板投入，紅外線發(fā)射出去的中途被遮擋，接收端就接收不到信號，即認(rèn)為壓板投入，反之則沒有投入;第三種使用圖像處理技術(shù)，以機(jī)器拍攝圖片為基準(zhǔn)進(jìn)行判斷。但由于后兩種成本相對較高，且在模擬中紅外線也易受其他干擾導(dǎo)致接收器無法正確接收到信號，而利用圖像處理技術(shù)還需要依附于其他相關(guān)程序的開發(fā)與利用，因而本文中僅采用第一種方式，相對簡單而直接地模擬壓板的狀態(tài)變化。

接下來是起到傳遞信息作用的相關(guān)硬件模塊的選擇?？紤]到實(shí)際使用中，遠(yuǎn)距離監(jiān)控、人身安全問題等的需要，選用了遙信信息采集的方式，且由于傳輸過程中可能會(huì)出現(xiàn)干擾噪聲信號導(dǎo)致波形畸變，甚至狀態(tài)錯(cuò)誤，也應(yīng)加入穩(wěn)壓濾波的環(huán)節(jié)。對于控制模塊，選擇了相對基礎(chǔ)也最容易上手的8位51單片機(jī)。對于通信模塊，考慮到現(xiàn)代工業(yè)信息化的需要，選用了更為適應(yīng)當(dāng)前環(huán)境的RS-485，與更早出現(xiàn)的RS-232-C不同，其具有更高的傳輸速率;降低了接口信號電平，不易使接口電路芯片損壞，且能與TTL電路兼容連接;采用了平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗噪聲干擾能力更為優(yōu)秀;傳輸距離也更長。相應(yīng)的，選擇了Modbus作為通信協(xié)議，其包括了ASCII、RTU、TCP等，能夠?qū)崿F(xiàn)雙向讀寫，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，LRC校驗(yàn)（ASCII），16位CRC校驗(yàn)（RTU）等，且數(shù)據(jù)能進(jìn)行斷點(diǎn)傳續(xù)，可靠性較高。

最后是上位機(jī)顯示狀態(tài)軟件的選擇?？紤]到對于更直觀的投退狀態(tài)表示的需要，選擇了面向?qū)ο蟮腣B，運(yùn)用其中的MSComm控件，進(jìn)行串口通訊，建立與硬件模塊的聯(lián)系，將接收到的信息通過比較，判斷與篩選，以最為直觀的圖形，文字，顏色等形式展現(xiàn)出來。

基于上述的方案及軟件、硬件等的選擇，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試電路的設(shè)計(jì)，并制作實(shí)際的實(shí)驗(yàn)用模型進(jìn)行設(shè)計(jì)合理性和實(shí)用性的驗(yàn)證。但目前，由于具體的電路設(shè)計(jì)與實(shí)物制作，仍在進(jìn)行測試階段，仍不夠成熟，功能的完善與可靠性尚不能保證，故此處不對具體的電路元器件參數(shù)及電路設(shè)計(jì)圖進(jìn)行進(jìn)一步的介紹，僅作為一種設(shè)想而提出該種思路，并介紹一些前期的選擇情況，若讀者對此有興趣，可以自行進(jìn)行嘗試。

4 結(jié)語

總的來說，國外在智能變電站機(jī)電保護(hù)這方面的技術(shù)研究比較早，目前已經(jīng)形成了比較完善的理論體系，而國內(nèi)對于智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)的研究還需要經(jīng)歷一個(gè)“爬坡”的過程，可是在國家大力支持下，最近這些年我們國家的智能變電站機(jī)電保護(hù)技術(shù)研究已經(jīng)居于國際領(lǐng)先地位，個(gè)別技術(shù)也獲得了相關(guān)專利，相信在未來的幾年內(nèi)能得到更好的發(fā)展和突破。

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【作者簡介】

顧文馨（2000-），女，南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院本科生在讀，電力工程專業(yè)。

范佳辰（2000-），女，南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院本科生在讀，電力工程專業(yè)。