数字化变电站时代关于继电保护工作的思考

王 倩，华 勇

（1.济南供电公司，济南 250002；2.济南鲁能集团，济南 250002）

0 引言

社会的进步赋予了电网建设新的任务和发展方向，以结构合理、技术先进、安全经济、高效节能为新的发展需求，各电力集团在此倡导下，纷纷进行技术革新，数字化变电站的建设成为电网建设的主流，以自愈能力和兼容能力兼备的变电站建设为主导思想，推进智能化电网的建设，电网设备的继电改造，是网络自动化水平提高的关键，本文以此为目的对数字化模式下的继电保护工作展开讨论。

1 数字化变电站的内涵

所谓数字化变电站是指建立相应的数据信息网络体系，将变电站的信息采集、传送、处理和输出过程中产生的模拟信息转化成为数字信息，进行智能化控制。

数字化变电站主要设备及特征如下：

1.1 光学互感器

光学互感器包括光学电流互感器和光学电压互感器两部分，光学电流互感器是运用法拉第理论基础，利用光在晶体中偏振角度对导线周围的磁场进行测量，从而测得电流。而光学电压互感器则是在波克尔效应的基础之上，以光在晶体中的入射角和出射角的角度差异衡量导线电场，从而获得导线电压。

1.2 智能断路器

所谓智能断路器是指运用数字化的接口代替传统的硬接线，监控断路器的状态，并及时对断路器的健康状况进行评估，采取及时维护措施。

2 继电保护技术

变电站的继电保护装置主要由以下几部分组成：

1）线路的保护：传统的电路保护模式主要分为二段或三段式的电流保护，分别为电流的速断保护，对限时电流的速断保护以及过电流的保护。

2）母联保护：即电流速断保护、过电流的保护。

3）主变保护：由主保护和后备保护构成，前者又由重瓦斯保护、差动保护组成。数字化时代的继电保护则更可靠、灵敏。

3 数字化变电站在继电保护上的优越性体现

数字化电气测量系统，是在电流和电压采集上实现电气量，将第一、二次系统上存在的电气进行有效隔离，同时扩大电气量的动态测量范围以及准确度，这一特点已经成为数字化变电站的标志，也使得变电站信息冗余转变成为可能，促进信息的高效集成运用。新型继电保护技术在数字化变电站运用的现状可以从以下几个方面进行阐述：

3.1 智能变电站继电保护测试仪

在数字化变电站的实践成果上，已研制成功并成功推广DRT-802测试仪，其特点在于能够针对数字化变电站的特征而制定的一款继电保护的测试仪器，其功能特点相对于传统的继电保护测试仪器，功能丰富，能兼容IEC 61850-9-1/9-2、GOOSE收发、对小信号能够进行模拟输出，能对数字化变电站不同电压等级下的继电保护相关装置进行检测。

3.2 数字化变电站动态仿真系统

数字化变电站的特点是高度的信息化、数字化，且智能自动化强，对智能电网的建设起着关键作用，从目前数字化变电站的发展现状上看，在二级设备如继电保护等相关设备的检测手段上，还有待提高。

3.3 智能开关与非常规互感器技术

传统继电保护设置中往往采用的是PT和CT，在数字化变电站的继电保护模式上则采用功率低、智能的数字化的新型互感器对其进行替代，这样一来，不仅仅将危险的高电压以及大电流转换成了数字信号进行传导，还在此基础上构建成了数据采集、传输的高效工作系统。与此同时采用新型电子材料和技术制成的断路器系统，其数字化接口能通过光纤网络起到保护、控制命令的传输功能。

数字化变电站的继电保护采用的保护方案是数字式同步发电机定子绕组差动方案，该方案是在人工神经网络的基础上，由两个前向的网络组成。分别起着故障检测以及内部故障的识别作用，该模式的理想工作模型如图1所示。

图1 保护主要逻辑板块图

由图1可以发现，此设计是运用线路的侧段和中点的电流采样值来补充网络采样的不足，神经网络对其进行检测的检测原理是根据故障发生时，网络电流的采集值的基波以及二次谐波分量发生的相应改变来判断的，这样的改变则是由发电机的内外部非正常状态引起的，与电流波改变关系紧密，因此此方法较为准确。

4 数字化变电站继电保护方案

4.1 母线保护

4.1.1 简化母差保护逻辑

从以上对继电保护的相关设施介绍中可以得知，母差保护为母线保护的主保护，传统的母线保护为了防止振动或一些人为损坏导致差动元件出口的继电器出现短路或者断路情况，其逻辑模式上对复合电压元件设计闭锁。而相对而言数字化变电站则智能很多，能及时智能的识别障碍从而自动断电，对复合电压元件解锁，使得母差保护的逻辑清晰明了。

4.1.2 加强母差保护时效性

对于母线外区域的故障处理上，传统的变电站支出TA会发生饱和，其余部分并没有，使得保护出现保护误动；此时若区内出现故障，母差保护无法进行灵敏的检测。在对故障的判别从元件到计算TA饱和的软件上都耗时过大，使得母差保护时效性不强。如图2所示。

图2 传统母差保护模式逻辑图

而数字化的继电保护在故障判别上采用了智能的光学互感器作为判别元件，无需使用TA饱和，扩大了检测范围，测频较广，撤销了母差保护中TA饱和以及判别元件，从而缩减了判别过程，使得母差保护时效性增强。

4.1.3 调整传统母差保护差动元件

传统的母差保护中差动元件可以分为启动元件和比率制动元件，数字化变电站继电保护对其可进行如下调节。

传统模式下：

启动元件：按处于稳态时平衡电流的最大躲避值，即：

其中 Krel—可靠系数；Ker—TA的相对误差；K2—保护装置的通道传输及调整误差；K3—TA暂态特性不同引起的误差。

比率制动元件：对区域外故障的最大不平衡电流承受最大值：

由于数字化变电站运用光纤进行等数字里量电流电压的信息转化传输，使得采样误差较小，与此同时，光学互感器的特质，使得其对差动原则进行一定的调节：

从两个原则的对比不难看出，调整后的原则比之前的适用范围广，灵敏度强。

4.2 线路保护

传统的继电保护模式，基于管理和调试方便的目的，使用与同杆并架双回线配套的线路对其进行微机保护，其保护的功效较低，针对采样线路的电气量进行，只能发出简单的如跳闸、合闸的命令。其次采用接地阻抗的接线方式使得2回线之间出现电流互感，而又未得到邻近的其他线路进行补偿，而当1回线的出现接地故障，导致接地阻抗的测量阻抗降低，使得保护的范围不实，增长，误动产生；2线路中存在的电压等级并不是相同的，电磁感应大于电流本身，使得1路出现误动。再次，当障碍出现在跨线间，一系列的连锁反应将出现合闸动作不到位等，如图3所示。

图3 同杆并架双回线跨线障碍

对于数字化变电站的继电保护，由于采用信息的数字化传输及处理，整个过程中将数字化进行完全的贯彻，使得同杆并架双回线保护效率提高，实行双回线的多项电流保护，同时能对1、2线路进行断路器的跳闸、合闸命令，采用另一回线对电流损失进行补偿，使得误动减少，测量准确。

I回线B相阻抗继电器电压调整为UMB,电流为IMB+K3I01+K'3I0Ⅱ,测量阻抗：ZmMB=ZIK(K'=Zm/ZIK，Zm为在ZIK范围内2回线间互感作用)。

增加了Ⅱ回线电气量，使得故障的判断精确，能在故障处理之后，正常恢复，当判断为永久故障时，进一步确定其余相的健全，根据结果对故障进行处理，当剩余相完整则切除，虽然并不是完全运行但可以维持系统的稳定运行。

4.3 变压器保护

差动保护作为变压器保护的主保护，当变压器出现空投和对区外的短路进行切除的情况时，电路中电流磁感应增强，使得差动保护出现误动情况，因此为避免这一现象，传统变电站继电保护模式中设置了闭锁元件，即处理内部故障恶化下，TA饱和以及二次电流波发生畸变。但这一过程往往产生谐波的分量使得判别误动，使得变压器的差动保护失效，基于此模式中的差流速段元件的功能随之产生。

相对于如此复杂的变压器保护逻辑，数字化的变电站往往采用的是光学互感器，其中的TA不会出现饱和，同时感应频增宽，使得差流速断元件成为多余的元件，从而简化了保护逻辑，与此同时，其智能的断路器设置在断开和合并的时候能对电压进行精准的控制，对变压器的分合闸角度进行调整而达到控制电流磁效应的作用，当电压器出现正常空载，电流也为空载电流，电压瞬间达到最大，磁通量最小，此时分闸，较为理想，当再一次的变压器进行空投时，可以对其电压最大值进行控制，选择同样时间合闸，则可以控制判别元件的误判，使其保护的灵敏性增大。

图4 变压器空投时铁心中最大磁通量可能的波形

5 数字化变电站继电保护的完善措施--数字化变电站继电保护容错方法

数字化变电站同传统的变电站相比，灵敏性、安全性、稳定性等大大提高，但是数据的失真传输仍然存在，且潜在的通信故障以及网络入侵等也可能导致保护接收到错误的数据而产生误动[3～5]，部分学者则在IEEE 10节点系统的基础上，对其容错方式进行了有效性和实时性的仿真分析，分析结果显示，此方法对数据错误传输引起的误动，将信息整理和保护措施算法进行一并处理，在不影响保护速度性的同时，对数据系统进行高效的控制。

5.1 容错方法的基本原理

继电保护装置可以对互感器收集的数据进行融合处理，其结果与保护算法形成了匹配的结果，对系统的故障从信息融合算法和继电保护算法上进行双重判定，只有判定一致时则实行保护。继电保护容错方法原理如图5所示。

图5 继电保护容错方法原理图

5.2 容错的有效性体现

这一算法的提出使得数字化变电站的采样数据出错而引起的误动问题得到解决，还是一种基于证据理论上对复杂信息进行整合判断的新方法，此法是在数字化变电站的优势基础上，运用信息网络的传送、对资源实行共享，并且利用冗余信息间的互补性以减轻有误数据产生的恶性结果。

6 结束语

自新中国成立以来，电力系统的继电保护处于不断发展的状态，经历了四个主要的时期，随着信息技术的高速发展，计算机技术、信息技术的融入为继电保护提供了新的发展平台，但数字化变电站的继电模式仍然有待完善，如在提高容错方面的研究已初有成效，在今后的发展中必然向着智能化继电保护模式进一步深入。

[1] 沈国荣.工频变化量方向继电器原理的研究[J].电力系统自动化,1983(1).

[2] 杨奇逊.微型机继电保护基础[M].北京:水利电力出版社,1988.

[3] Minkner R,Schmid J.A new flexible fiber optic current measuringsystem for AC and DC current in high voltage systems[C].TheEleventh International Symposium on High Voltage Engineering,1999.

[4] Chatrefou D,Montillet G F.A series of implementation of opticalsensors in high voltage substations[C].IEEE PES T&D,2003.