数字化变电站继电保护新技术

匡华 孙志祥

云南电网公司曲靖供电局 655000

数字化使得变电站有了较大的改变，无论是变电站的结构还是功能，最大变化的是由电子式互感器、合并单元以及智能断路器控制器等设备代替了原来由微机保护设备完成的功能。而继电保护作为数字化变电站发展的重要部分，其功能和技术的改进对变电站的发展以及整个电力系统的发展都起着至关重要的作用。所以对在数字化变电站发展下继电保护技术的研究，能够使电力系统在日常运行中保证电力系统的安全稳定运行，避免重大事故的发生和扩大。

1 数字化继电保护的技术特征

1)单元保护：对变电站中的单个设备、线路的保护。包括发动机的内部短路保护、变压器保护、交流电路的保护直流线路保护。

2)广域保护：通过高速实时的信息通信，将多点多类型信息接入继电保护系统，从而显著提升了整个变电站继电保护的动作性能。

3)设备检测状态化：在数字化变电站中，由于设备状态的特征量采集上没有盲点，因此可以实现继电保护装置的状态检测，对于存在故障隐患的设备还可以组织各类专家进行网上远程诊断，有效提高设备的可用率。

4)设备操作智能化：计算机技术、广域测量技术以及非常规互感器等技术的运用，使得在继电保护过程中断路器设备可以不依赖于变电站的控制系统，独立执行其功能；各设备运行状态数据可独立采集；设备可以实现对一、二次设备检测和监视的连续化等。

5)该种数字化继电保护装置包括：光接收单元、开入单元、中央处理单元、出口单元、人机接口和通信接口等部分, 如图1所示。同时，继电保护装置采用的数据取自电子式互感器。

图1 数字化变电站继电保护装置硬件框图

2 数字化继电保护技术分析

2.1 数字化变电站的结构组成

数字化变电站在逻辑结构上主要分为 3 个层次：变电站层、间隔层、过程层。每个层次内部和层次之间采用高速网络通信，其关系机构如图2所示。

变电站层：包括主机、五防主机、操作员站、远动装置等设备。其任务是搜集数据、信息入库、信息传送以及信息转送。

间隔层：包括各种自动化装置、保护装置、安全自动装置等设备。其任务是信息汇总、功能实现、操作判别以及网络通信。

过程层：包括智能一次设备、智能终端等。其任务是气量采集、设备在线状态监测与统计、命令的执行、操作控制的执行与驱动。

2.2 技术分析

本技术用数字化变电站最新技术成果，变电站继电保护装置按照“三层结构、二级网络”实现变电站继电保护的自动化、信息化以及互动化，通过分层分布式来实现数字化变电站内智能电气设备间的继电保护。

1)变电站层系统采用SNTP网络对时，间隔层与过程层设备采用B码对时。

2)变电站层与过程层之间独立组网，而同时站控层采用双星型100M电以太网，各小室间采用交换机通过光纤进行级联；过程层采用单星型100M光以太网传输GOOSE信息，实现信息传输的独立性。

3)在不同逻辑层次采用不同的协议标准，有效保证各层设备的效率运行：站控层与间隔层保护测控等设备采用IEC61850-8-1 通信协议；间隔层与过程层合并单元通讯规约采用IEC61850-9-2通信协议，智能终端采用GOOSE通信协议。

4)测控装置的逻辑互锁信息、开出信息、断路器机构的位置、保护间的闭锁、启动失灵以及告警信息等均通过GOOSE 网络进行传输；保护装置的跳合闸 GOOSE 信号采用光纤点对点方式直接接入就地智能终端。

5)过程层网络实现测控、电度、录波的采样，保护与合并单元均采用光纤点对点方式直接连接。

6)电缆直接跳闸实现变压器的非电量保护。

将数字量输出的电子式互感器运用于变电站户外GIS、主变进线及母线 PT，并配置数字化电度表；不同千伏线路之间隔采用模拟小信号输出的电压电流一体化互感器，配置支持模拟不同信号接入的电度表，与保护装置一体化安装于开关柜内；不同千伏母线配置数字量输出的电子式电压互感器。具体结构图如图3所示。

图2 变电站自动化结构功能

2.3 在线监测技术

在线监测、故障诊断、实施维修整个一系列过程构成了继电保护设备状态检修工作的内涵。因此，本技术将一次设备监测数据信息直接上传至在线监测后台监控服务器，实现统一监测。

GIS 状态检测：采用局放带电监测实现其状态检测功能。

变压器状态监测：采用油色谱在线监测方式，通过变压器油中故障气体的含量变化确定变压器运行情况。

设备可视化：将设备的运行工况信息、自检诊断信息等通过标准协议，传送至变电站监控系统进行可视化展示，为电力系统实现基于状态监测的设备全寿命周期综合优化管理提供一手的基础数据支持。

2.4 智能化技术

智能决策技术：根据告警信号的重要性对各种告警进行分类处理、判断以及专家推理，已达到及时有效地对告警进行决策处理保证电网的安全稳定运行。

故障分析技术：在事故出现之后及时对包括保护装置、事件顺序记录信号、故障录波、相量测量等数据进行挖掘、综合分析，及时准确地得到故障分析结果，并对故障信息进行有效管理。

数字化继电保护测试仪：适用于数字化变电站间隔层保护测控装置的研发测试、基于IEC61850标准、工厂调试和现场检验的测试设备。是数字化变电站继电保护技术的重要组成部分之一，为智能化下变电站的继电保护起着重要的作用。

图3 数字化变电站继电保护结构示意图

3 新技术对继电保护性能的改进

1)继电保护装置采用电子式互感器采集数据，采样保持、无模拟量输入、A/D 转换等插件，大大简化了硬件结构。

2)采用统一的数据平台，为数据信息的实时共享提供了可能性。此外，保护装置的功能得到大大扩充，比如录波、测量、开关状态监视等功能都可以通过内部进行实现。

3)电子式互感器的线性度、动态范围大的特点被得到了有效的运用，在很大程度上改善了之前继电保护上的缺陷和问题。

4)基于过程层的分布式母线保护，取消了保护出口继电器以及母差保护中的复压闭锁元件, 在一定程度上简化了母差保护逻辑，使得每个间隔内的保护都能够独立完成母线保护的功能，只跳本间隔的断路器。失灵保护由集中保护完成。

5)数字化的变压器保护，利用电子式电流互感器的高保真传变直流以及高频分量的特性，分析出正确区分励磁涌流与故障电流的新判据，由此可以有效防止变压器差动保护出现误动。

6)输电线路数字化保护，使得电子式电流互感器不存在饱和现象，基本上解决了纵差保护误动的问题。同时对于线路的距离保护，采样值来自电子式互感器，消除了电流传变过程中引入的误差，从根本上改善了其动作性能，所以不存在铁芯磁饱和问题，保护的选项元件、启动元件以及距离阻抗元件的性能都可以得到很大的提升，动作准确率的提高也得到了有效的保证。

数字化、智能化是我国电力系统发展的主要方向，也是我国电力系统实现可持续发展的重要契机，发展数字化下的继电保护技术更是一项需要投入诸多精力的研究，这样才能使变电站的运行更为可靠，用电更为安全。

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