110kV智能变电站线路控制保护系统可靠性方案研究

2017-03-13,

电气开关 2017年4期

(广西大学电气工程学院,广西南宁 530004)

1 引言

随着世界范围内对能源节约和环境保护的一致诉求，以及清洁可再生能源技术、分布式发电技术、测量传感技术、网络通信技术、自动控制技术的发展，智能电网已经成为未来电网的发展新趋势。采用智能电网可以接入大型的风力发电站和光伏发电站等新能源发电，提升电网对清洁可再生能源的接纳能力，实现对新能源的开发和利用，从而达到节约能源、保护环境的目的。

智能变电站的概念是伴随着智能电网而提出的，是智能电网中的关键节点，支撑着智能电网的正常运行，对整个电网的安全稳定运行具有十分重要的作用。智能变电站是指由环保、可靠、低能耗的智能化设备组成,以高速的以太网络为信息传输平台，自动完成信号采集、保护动作、实时监控等功能的变电站随着高速以太网交换技术的发展、IEC61850通讯标准的实施、电子式互感器技术及智能断路器的实用化使智能变电站逐渐形成一次设备智能化，二次设备网络化的架构体系。

智能变电站保护系统中，光纤连接代替了传统变电站一次设备与二次设备的电缆连接，互感器的输出也由模拟信号转变为数字信号。改变了常规变电站自动化系统中信息难以共享、设备间不具备互操作性、系统可展性差等不足之处。但随着信息网络化传输，实现变电站的高度信息共享，其可靠性直接决定了智能变电站的可用性。

框图法、故障树法、马尔可夫链蒙特卡罗方法等为继电保护系统的经典可靠性评估方法[1-3]。文献[4]在马尔可夫状态空间与动态故障树相结合的基础上，提出了智能变电站保护系统的动态可靠性模型，采用基于动态故障树结构函数的蒙特卡罗仿真方法，对保护系统可靠性进行定量评估；文献[5-7]采用GO法对智能变电站系统的可靠性进行评估与分析；文献[8]建立了装置的失效率模型，采用状态空间解析法求解可靠度，并进行灵敏度分析。

可靠性框图法是一种最基本的系统可靠性分析方法。本文根据智能变电站的特点，提出不同的保护系统方案，采用可靠性框图法分析过程总线采用不同方案的保护系统的可靠性，并在此基础上，提出不同的控制方案，探讨110kV智能变电站控制系统的可靠性。

2 智能变电站

2.1 智能变电站保护系统配置

IEC61850系列标准规范了电力系统内各装置之间的通信规约，是电力系统自动化网络通信平台的唯一国际标准。智能变电站的保护系统采用“三层两网”式结构，“三层”为站控层、间隔层、过程层，“两网”为站控层网络和过程层网络，其系统结构如图1所示。

图1 智能变电站保护系统结构

站控层通过网络汇集全站实时信息和数据，将有关信息送往控制中心，并接收控制中心的命令送至间隔层和过程层执行；间隔层主要对一次设备进行保护和控制，完成对过程层实时数据、信息的汇集和站控层网络之间的通信；过程层主要监测、传输一次设备的实时状态并执行对一次设备的控制命令。过程层和间隔层间的通信网络就是过程层网络，又叫作过程总线。站控层和间隔层间的通信网络就是站控层网络，又叫作站控总线。

2.2 过程总线

基于IEC61580标准的智能变电站保护控制体系构筑在网络通信基础上,信息网络化传输可以实现高度信息共享。站控总线和过程层总线组成两个相互独立的通信子网，其优点是网络结构清楚，信息通信主要在各自网络中完成，网络交换机的处理负载不大；并且任意一个网络通信故障不会造成另一个网络的通信故障，网络稳定性高。

过程总线可以采用两种通信方案：一种是采用网络通信的传输方式，即智能电子设备需要经过网络交换机实现信息间的相互传递；另一种是过程总线采用点对点直采直控，即过程层的合并单元、智能终端通过光纤与间隔层的保护控制等装置直接相连，合并单元直接发送SV报文到保护装置，智能终端与保护装置之间的GOOSE报文直接传输。两种传输方式模型分别如图2和图3所示。

图2 组网方式传输模型

图3 点对点方式传输模型

3 智能变电站线路保护系统可靠性

110kV电压等级的线路保护系统的过程层配置单独的合并单元和智能终端装置，每回线路配置单套完整的主、后备保护功能的线路保护装置。

图4 110kV智能变电站保护系统

110kV智能变电站线路保护系统如上图4所示，其中图4(a)为过程总线采用点对点直采直控的系统，图4(b)为采用单一网络交换机的系统。

从图4中可以看出，110kV智能变电站保护系统过程总线采用直采直控和单一网络交换机方案的可靠性框图分别如图5(a)和图5(b)所示，其中MU、PR、IT、SW、EM分别表示合并单元、保护装置、智能终端、网络交换机、光纤链路(设光纤链路可靠性为1)。

图5 保护系统可靠性框图

其中，110kV智能变电站保护系统中的各元件可靠性参数如表1所示，其中HIM表示站控系统。

表1 元件可靠性参数

如图4中所示系统，根据图6中的可靠性框图，采用可靠性框图法，可得出图5(a)过程总线采用点对点直采直控的保护系统可靠性为：

Ra=99.98%

图5(b)中过程总线采用单一网络交换机的保护系统的可靠性为：

Ra=99.96%

由此可见，若过程总线采用网络交换机不仅会降低系统的可靠度，且加大了变电站的投资。当信号重复率较低时，其技术经济指标较差，不宜推广应用。

4 智能变电站线路控制系统可靠性

根据对上述智能变电站保护系统可靠性的分析，过程总线采用点对点直采直控方式，即采样值(SV)和通用面向对象变电站事件(GOOSE)都通过光纤直接点对点传送，电子式电流电压互感器将数字信号传送给合并单元，由合并单元进行采样，并通过SV报文传送给保护装置，经线保护装置的保护逻辑判断后，经光纤通过GOOSE报文与智能终端互相传递信息。110kV智能变电站站保护系统保护控制系统的两个方案如图6所示。