刍议智能变电站的继电保护问题

王未来 郑 明

（萧山供电局，浙江 杭州311200）

1 智能变电站的继电保护概述

继电保护以电力系统运行故障和安全问题为研究对象，探讨相应的自动化应对措施，以保护电网运行的稳定和安全。在电网调度运行中，继电保护主要是通过触电继电器来维护电网的运行，对整个电力系统及其运行元件如母线、输电线路、变压器、发电机等进行保护，因而被称为继电保护。其基本任务是当电力系统发生故障时，在最短的时间内向电网管理员发出系统故障信号，或者以自动化技术将故障设备进行切除，减轻故障设备对电力系统的进一步损坏和减少对相邻电网的供电影响。

相对于传统电网而言，智能电网结合了数字、信息等先进技术，在电网建设中以环保、节能、稳定、高效的现代化电网为发展目标。智能变电站将传统的电缆替换成了光缆，将原来传输的模拟量和开关量电信号替换成了经过数字编码的光信号，对变电站的跳闸回路和采样回路进行实时监控，提高了电网运行的安全性和可靠性。随着智能变电站应用范围的逐渐扩大，其继电保护问题也日益受到社会的广泛关注。智能变电站的继电保护在传统继电保护方法的基础之上，应用了网络通信技术和电子式互感器，在保护配置方法上添加了时限的要求，以快速跳闸来保护智能变电站的运行安全。

本文提出了一种智能变电站继电保护配置方案，将变电站设备分成过程层和变电站层2个层次，以完成继电保护的整个工作回路。在过程层中，应配备专门的主保护系统。对于采用智能设备的电力系统，保护设备应安装在智能设备内部；而对于经由较老设备改造的电力系统，则应将测控、保护和合并器等功能设备安装在一个统一的汇控柜里，以简化电力系统的运行，方便维修作业。

2 过程层的继电保护

在过程层的继电保护中，应实现快速跳闸的系统性功能，对输电线路、母线、电抗器、变压器等设备进行保护，以减少电网运行的风险，保证电网调度系统的安全。对输电线路、母线和变压器等进行差动保护，重点把握系统的主保护功能，简化系统保护的装置和设备。一般而言，主保护定值的波动性较小，不会随着电力系统的实际运行变化而发生改变，能够实现电力系统的稳定运行。但由于一次设备的大量运用，继电保护过程中，开关设计必须与硬件分开，保持相对的独立性，以实现对输电线路的保护和母线保护。

输电线路是电力网的重要组成部分，对输电线路的保护，可以采用纵联距离或纵联差动作为设备的主保护，后备的保护安置在集中的保护装置中。对单断路器方式主接线，线路保护装置通过主保护的光纤通信口和对侧线路保护装置通信，实现对输电线路的纵联保护。对于断路器的主接线连接方式，可以将电压串联到相关的开关数据中。根据纵联差动原理进行分析，在保护装置内部不需要考虑线路的电压量，电压量的引入只是针对特定的运行环节。对电压量可以进行独立采样，将系统的主保护通信接入电流量的采样中。因此，对于同一条输电线路，不同的开关电流可以实现独立采样，以主保护的通信口进行调整，对系统电流进行综合把握。

在智能变电站中，由多个智能一次设备的分布式设计组成了变电站整体系统，在智能一次设备的保护中，通过设置间隔断路器来实现对母线的保护，失灵的母线保护则由系统的集中保护来实现。

变压器保护装置过程层采用分布式配置，完成差动保护功能，而后备保护采用集中式安装。同时，对于低压侧非用电量的保护应单独安装，通过光缆将断路器跳闸直接引入，以跳闸命令将系统运行的数据采样到GOOSE共同的网络上。GOOSE网络主要用于间隔层IED与过程层智能操作箱之间的信息传输以及间隔层IED之间的逻辑闭锁信息传输。在继电保护中，GOOSE担负了继电保护的出口跳闸及其他重要信息的传递，对继电保护有重要作用。

电抗器的保护原理与变压器相同，都是通过分布式配置实现有效的差动保护，对后备设备的保护实行集中式安装。同时，对于非用电量的保护，也实行独立安装，以减少电路之间相互的影响作用。

对于智能变电站内的母线保护和变压器保护可看作一个多端的线路保护，同样采用线路保护的同步采样解决方案来实现站内保护装置的同步采样。在采样过程中，根据变电站主站采样时刻进行调整，确保采样数据的可比性和适用性。为了简化继电保护装置的设计，采用以下步骤进行：（1）将继电保护装置光纤通道的数据采样与数据发送过程分开，以测得二者的延时情况。在传统的继电保护装置设计中，一般情况时将二者同时中断；而对于电子式互感器设备，数据发送是在继电保护装置内发生，而数据采样是发生在继电保护的采集部分，二者是彼此分离的。（2）根据电网的运行情况，调整两侧数据的发送时刻。以采样时刻调整的方法，对两侧数据的发送中断实行同步调整，将发送数据和两侧的保护装置时刻调整到同一时刻。（3）采样延时和补偿发送时刻。在继电保护中，以数据采样和数据发送的差值作为保护定值的参考值，通过光纤通道将数据发送到所有的保护设备中，在对所有差值进行综合分析的基础上，对各装置进行适当的延时保护，进行差动保护的计算。

在分布式的保护间通信过程中，可以采用SDH系统，将通信保护设计成一个完整的通信环。在同步通信环的设计中，有2种设计模式可供参考：一是将站内所有的同步通信作为同步使用的依据，继电保护的采样值可以在以太网上自由传输，这降低了系统对通信带宽的要求，同时，任何装置都可在以太网上获取所需数据；二是除同步使用功能外，还应实现采样值数据的同步传输，对母线的最大间隔数进行分析，以实现在规定时间内完成所有的间隔数据交换。同步机制可以固定一个保护为主机，其他保护依次和它完成发送中断的同步。

3 变电站层的继电保护

对变电站层的继电保护应实行双重化配置，对后备保护实行集中式配置，后备保护系统应为变电站的元件提供开关失灵和后备设备的保护，还应对相邻范围内的对端母线及相连线路进行保护，根据后备设备的电流情况，判断电网运行的故障和问题，得出相应跳闸策略。同时，在全站的所有电压中实行等级集中配置，以实时调整技术，适应电网运行的实际情况。再者，可以根据电网运行的实际情况事先设定几套运行方案，对站内的电网系统进行分析，选择最佳运行方案，实现智能变电站的继电保护。

4 智能变电站继电保护发展方向

随着智能变电站的发展，其对继电保护的智能化、信息化要求也越来越高。继电保护必须根据电网运行的需要，实行智能化、信息化的保护措施。在继电保护过程中，应充分利用现代科学技术，以高性能的计算机实现继电保护的智能化系统。再者，继电保护的数据采样与数据发送要求继电保护网络化建设进一步发展。GOOSE网络由于对继电保护出口跳闸及其他重要信息进行传递，对继电保护有非常重要的作用。另外，光互感器的应用对信号传输和数据网络化有重要影响，这些都给未来的继电保护指明了发展方向。

5 结语

与传统变电站相比，智能变电站在技术方面有很大改进，继电保护问题成为电网运行的重要问题。本文通过对智能变电站的继电保护问题进行分析，提出了一种包括过程层和变电站层的分层保护方案。智能变电站的继电保护在传统继电保护方案的基础上，对输电线路、母线、变压器、电抗器等进行统一设计，简化了继电保护的设备类型。同时提出全站集中保护装置不按电压等级分开，全站集中配置，这样可以实现全站保护的配合。

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