智能变电站变压器差动保护系统可靠性研究

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(广西大学电气工程学院，广西 南宁 541004)

智能变电站变压器差动保护系统可靠性研究

王政辉，谭建成

(广西大学电气工程学院，广西 南宁 541004)

研究基于电子式互感器的变压器差动保护过程层网络的组网方案及典型结构，综合分析采用合并单元、智能终端、多合一装置、直采直跳、网采网跳、直采网跳等变压器差动保护方案的可靠性及技术经济指标。计算结果表明采用多合一装置及直采直跳的变压器差动保护系统具有简单可靠性价比高的特点。

智能变电站,变压器保护,可靠性

1 引言

目前，我国智能电网已进入全面建设阶段，在智能电网快速建设的过程中，电网的安全稳定是智能电网的首要准则。变压器保护是保障电网安全的关键之一。通信网络被引入变电站过程层，并成为二次设备数据传输和信息交换的桥梁[1-2]。在基于IEC61850标准的智能变电站中，保护系统采用过程总线通信，保护功能的实现很大程度上取决于通信网络的可靠性。由于通信网络的性能问题而导致继电保护的误动、拒动是电力系统无法接受的。因此，合理地设计变压器保护系统的体系结构，不仅可以确保各种保护控制功能的实现，对整个变电站的安全稳定运行也具有重要意义。

冗余设计是提高数字化变电站体系结构可靠性的关键。近年已有学者提出了一些数字化变电站的典型冗余结构[3-4]，但主要是针对单个间隔内的保护系统进行网络冗余配置，并没有考虑到合并单元或者智能终端冗余过多后所带来的经济成本。因此，已有相关学者对合并单元与智能终端实现一体化方案进行了相关研究[5-6]，并应用于智能变电站。该装置应用于智能变电站后不仅对系统的可靠性还是经济性都具有很大的优势。

鉴于上述分析，安全可靠的智能变电站对智能电网的发展至关重要。过程层涉及变电站一次设备的数据传输和设备的实时控制，如数据采集和保护跳闸等，过程层网络以及一体化装置的使用在很大程度上决定了变电站的稳定性和可靠性。本文的重点就是对变压器保护系统不经过过程层以及应用多合一装置的构建方案进行讨论。

2 变压器差动保护及智能化

数字型变压器差动保护在能量守恒的原则下，按基尔霍夫电流原理构建，通过软件对测量电流进行幅值及角度补偿，从而在正常运行及区外故障时，流入差动继电器中的电流之和小于动作阈值，差动保护可靠不动作。

图1 变压器区外短路

图2 变压器区内短路

此外，变压器出口区外三相金属短路故障时，可产生很大短路电流，可导致故障侧电流互感器饱和，输出电流严重畸变，而非故障侧电流较小，电流互感器输出无畸变，由此形成的不平衡电流，可能引起差动保护误动。双比例制动继电器的制动特性引入双斜率制动机制，当动作电流较小时，采用较小斜率以确保保护的灵敏性。当动作电流较大时，比如大于额定电流的两倍时，采用较大斜率，适量增大制动电流，防止变压器区外故障时差动保护误动作。它的动作特性曲线如图3所示。

图3 双斜率继电器制动特性

随着智能电网的发展，特别是在电子式互感器技术、智能开关技术、网络通信技术的进步及IEC61850标准推广应用，智能变电站的建设将朝着全站信息数字化、通信平台网络化、信息交互标准化的方向发展。如今随着电子式智能互感器及智能开关设备的出现，互感器合并单元输出的是数字信号，一根光纤代替了数根电缆直接通过以太网送给变压器保护装置，无电磁兼容问题，测量精度高，可靠性好；智能断路器的智能终端经两条光纤接至以太网与变压器保护装置相联，如图4所示。在过程层设备采用了大量的复杂新技术，还增加了许多设备，如合并单元与智能终端，但要求实时性、可靠性极高，对继电保护设备的性能产生重大的影响[7]，其二次系统的可靠性引起了关注。

图4 智能变电站中变压器保护位置框图

3 智能变压器保护系统

3.1 过程总线冗余结构

过程总线是变电站自动化系统最为重要的网络系统，通常采用冗余配置以确保其可靠性。一般的网络冗余方案可以是星形、环形等基本机构并联组合，目前IEC61850-90-4推荐了双网并行冗余(PRP)和高可用性无缝环(HSR)这两种可实现网络单点故障的无扰恢复。

根据IEC61850协议，建立的过程总线PRP、HSR和RSTP冗余模型分别如图5～8所示，双网并行冗余采用两个独立的局域网传输数据。这两个独立的局域网可采用不同结构，如A网采用星形结构，B网采用树形结构。

PRP网络的冗余节点(DANP)主要由两个网络适配器和一个链路冗余实体构成，链路冗余实体用于联系上层应用与底层网络，DANP将一份数据通过两个窗口发送出去，接收节点会收到两份相同的数据，但只有一份数据会提交给上层应用。

图5 基于PRP协议的网络保护系统

如图6所示，HSR可采用单环结构，亦可采用多环结构，多环结构由单环结构通过QuadBox级联。与RSTP不同的是，当网络出现单点故障时，网络系统不会受到任何干扰，而RSTP需要一定的时间重新进行网络重构。在RSTP实验发现，链路故障切换时间为30～104ms，恢复时间为4～16ms，在交换机故障条件下，故障切换时间为61～132ms,恢复时间为12～20ms。由此看出，RSTP协议尚不能满足保护系统对通信故障的修复时间要求，况且其故障修复时间会随着网络规模的增大而增大，在实际工程中，不宜采用复杂的网络结构。HSR节点(DANH)除了发送自己数据外，还会为其它节点转发数据。对于点对点通信，两份数据分别从两个方向传输到目标节点，其路由总和为一个环网；而对于点对多点的多播通信时，两份数据都需要经历整个网络，其路由总和为2个网络。但HSR的节点过多时，会影响报文传输的实时性，对系统的可靠性会产生影响。

图6 基于HSR协议的网络保护系统

图7 基于RSTP协议的网络保护系统

3.2 变压器保护系统组网方式

(1)直采网跳

智能变电站采用电子式互感器，其输出的数字量采样信号经过合并单元数据同步之后供保护装置使用。SV可采用组网模式[8]，也可采用点对点直采模式。当SV采用直采模式传输时，合并单元输出的数字量采样值直接发送至保护装置，采样同步在间隔层完成，而合并单元需要将前端的采样延时标记在数字采样值报文中。保护装置的跳闸信息通过站控层网络传输到智能终端控制断路器跳闸。直采直跳变压器差动保护系统模型如图8所示。图中，MU1，MU2为合并单元，IT1，IT2为智能终端，Relay1，Relay2为保护装置。此外，图9中的Switch1和Switch2为网络交换机，图10中的MU+IT为合并单元与智能终端一体化装置。

(2)网采网跳

过程层网络的另一种组网方式是网采网跳，即SV与GOOSE共网传输的“网采网跳”方式。这种组网方式虽然减少了间隔之间接线的复杂性，但由于来自合并单元的SV信息量比较大，其对过程层网络设备和传输介质的性能的要求非常高，变压器差动保护采样此种组网方式如图9所示。网采、网跳均是要依赖交换机的接入，因此，交换机的可靠性及报文传输的准确性将会影响到变压器保护的可靠性。

图9 网采网跳变压器差动保护系统模型

(3)直采直跳

在早期的智能变电站二次回路设计中，曾经广泛基于IEC61850-9-2标准的组网方案，要求每个间隔配置一台间隔交换机，站控层设置主干网交换机。间隔层交换机和过程层交换机之间传输 GOOSE跳闸信息、联闭锁信号、失灵启动开入、开关状态信息。因此，保护之间的通信可靠性和实时性严重依赖于交换机，其可靠性受到挑战。

由于交换机的引入而带来的诸如网络延时不稳定、对交换机的依赖性强、对同步信号丢失后可能造成变压器各侧的采样不同步而产生差流等缺点。针对这些缺点，直采直跳模式就简单可靠多了。直接采样是指智能电子设备间不经过以太网交换机而是以点对点光纤直联方式进行采样值传输，直接跳闸是指智能电子设备间不经过以太网交换机而以点对点光纤直联方式进行跳合闸信号的传输。

本组网方式采用合并单元与智能终端多合一装置，其直采直跳的变压器差动保护系统模型如图10所示。

图10 直采直跳变压器差动保护系统模型

4 智能变压器保护系统可靠性模型

平均故障时间(MTTF)是描述不可修复产品的一个重要可靠性指标，它的计算方法是N个不可修产品在相同条件下进行测验，测得寿命数据分别为t1,t2,t3,…,tn，那么平均故障时间为:

(1)

若寿命是连续型随机变量，则平均故障时间为:

(2)

平均故障间隔时间(MTBF)是用于描述可修产品的一个重要可靠性指标。它的计算方法为：一个可修产品在运行中发生N次故障，每次故障修复后又如新的一样继续投入工作，工作时间分别为t1,t2,t3,…,tn，则平均故障间隔时间为:

(3)

对于寿命是连续型随机变量，则平均故障间隔时间可用式(4)表示:

(4)

平均故障修复时间(MTTR)是用于描述可修产品的一个重要可靠性指标，是指产品从故障发现到故障修复之间的这段时间。对于一个简单的可维护的元件，它的故障修复时间满足式(5)关系:

TMTBF=TMTTF+TMTTR

(5)

4.1 直采网跳变压器差动保护系统可靠性计算

变压器差动保护是变压器的主保护，是根据基尔霍夫电流原理构建的，主要用来保护双绕组或三绕组变压器绕组内部及其引出线上发生的各种相间短路故障，同时也可以保护变压器单相匝间短路故障。随着智能电网的发展，特别是在电子式智能互感器技术、智能开关技术、网络通信技术的进步以及IEC61850标准的推广，智能变电站的建设正朝着全站信息数字化、通信平台网络化、信息交互标准化的方向发展。为了确保跳闸信息的实时性，提高保护可靠性，智能变电站中变压器保护系统于过程层中采用“直采网跳”或“直采直跳”等方式。

直接采样是指智能电子设备间不经过交换机而是以点对点连接的方式直接进行数值传输，直接跳闸则是指智能电子设备间不需经过交换机而以点对点连接的方式直接进行跳合闸信号的传输；网络采样是指智能电子设备间经过交换机的方式进行采样值传输共享，而网络跳闸则是指智能电子设备间经过交换机的方式进行跳合闸信号的传输。

根据智能变电站变压器保护配置原则，220kV及以上变压器电量保护按双重化配置，每套保护包含完整的主后备保护功能，图11所示为直采直跳变压器差动保护系统模型的可靠性框图。图中，N1，N2，N5，N6为电缆，N3，N4为光缆，SW1，SW2为网络交换机，R1，R2为保护装置。值得说明的是，表达式中出现的对应符号则代表相应装置的失效率。

假定合并单元与电流互感器之间经6根电缆相联采集三相电流，通过共地4根电缆与电压互感器相联采集三相电压；智能终端通过共地4根电缆与断路器三相跳闸线圈连接。

任意一根电缆失效，将导致保护系统的不可用。设N为合并单元与其相对应的电流电压互感器之间的电缆总数(6+4 =10)，λn表示一根电缆的失效率，在可靠性逻辑框图中，这些电缆表征为串联处理模式。

RN1=RN2=(1-λn)10

(6)

RN3=RN4=(1-λn)4

(7)

RN5=RN6=(1-λn)4

(8)

该模式的优点是结构清晰；缺点是交换机的引入使结构更为复杂，而且会降低系统的可靠性。

图11 直采网跳变压器差动保护系统可靠性框图

由图11可靠性框图计算，假设合并单元MU1、MU2具有相同的可靠性，继电器R1与R2、智能终端IT1与IT2分别具有相同的可靠性，则变压器差动保护系统可靠性计算如下：

RS=1-[1-(1-N1)·(1-MU)·(1-SW)·

(1-R)·(1-IT)·(1-N3)]2

(9)

计算结果如表2所示。

为了更好地分析系统的可靠性，根据表1引用的元件参数，相关系统的可靠性计算如下：

表2数据表明：三种交换机的冗余方式均能有效地提高变压器差动保护的可靠性，随着平均故障修复时间的减小，系统的可靠性逐渐增高。

4.2 直采直跳变压器差动保护系统可靠性计算

在过程层中，网络结构采用GOOSE和SV共同组网，直采直跳相互独立，合并单元与智能终端一体化，图5中的MU+IT为合并单元与智能终端多合一装置，用IN表示其失效率。多合一装置不仅节约了装置的物理空间，而且便于网络接线。

表1 元件可靠性数据

表2 直采网跳模式下变压器差动保护系统可靠性

图10所示模型是在原有的基础上去掉多合一装置与保护装置之间的交换机。如图12所示为直采直跳变压器差动保护系统的可靠性框图，相关的可靠性计算如下：

图12 直采直跳变压器差动保护系统可靠性框图

RS=1-[1-(1-N1)·(1-N3)·(1-IN)2·

(1-R)·(1-N5)]2

(10)

表3的数据可知，采用一体化装置、保护装置与一体化装置直连，可有效提高系统的可靠性。并且，此方案在双重保护失效的情况下，仍能通过HMI控制断路器跳闸，进一步提高系统的可靠性。

4.3 网采网跳变压器差动保护系统可靠性计算

网采网跳的变压器保护系统可靠性框图如图13所示，相关可靠性计算如下：

图13 网采网跳变压器差动保护系统可靠性框图

RS=1-[1-(1-N1)·(1-N3).(1-MU)2·

(1-SW)2·(1-R)·(1-IT)·(1-N5)]2

(11)

从表2～表4的数据可以看出，采用“直采直跳”的组网方式以及多合一装置的变压器保护系统，它的可靠性要高于其它两种组网方式。并且这种方式少用了诸多交换机，这对降低智能变电站的建设成本起到显著的效果。同时，若平均故障修复时间为72小时的情况下，采用直采直跳或直采网跳模式下的保护系统的可靠性均达到可靠性要求，而网采网跳模式下的变压器保护系统的可靠性为99.986%，达不到可靠性要求。因此，过程层合并单元采样中采用直采模式对系统的可靠性较为有利。

但直采网跳模式仍具有其优势，如能增加系统灵活性。假如智能变电站的智能设备经过多年运行，元件性能趋于稳定完善，且现场备有元件零部件，在24小时内完成故障元件的替换工作，计算用参数如表5所示。

表5 元件可靠性数据

表6 保护系统可靠度

从表6计算结果可以看出，备件的使用、智能元件可用度的提高，元件的故障修复时间缩短，智能变电站变压器差动保护系统在三种模式下均达到了可靠性要求，但采用直采直跳模式下的可靠性最高。虽然直采网跳及网采网跳模式下的可靠度均达到99.999%以上，但直采直跳模式的保护系统无论在可靠性方面还是在经济性方面均较符合智能变电站的发展要求。

综合以上分析，无论是元件稳定度是否完善，有无备件情况下，采用直采直跳模式的变压器保护系统在三种模式中的可靠度最高。且由于减少使用交换机，其经济性较好。此外，若在元件稳定度趋于完善且有备件的情况下，若考虑系统的灵活性，则可适当使用直采网跳模式。

5 结论

本文从可靠性方面对智能变电站中过程层的“直采网跳”、“网采网跳”以及“直采直跳”三种组网方式的变压器保护系统进行比较，研究结果表明所“直采直跳”方案要优于其他两种组网方案，对智能变电站的变压器保护系统的结构设计具有一定的参考价值。

变压器保护系统的发展过程是一个体系结构逐渐优化、原有功能不断优化重组、性能不断更新的过程。如何面对未来智能变电站的发展，设计一个实时、可靠而又具有良好发展性的结构是一个值得关注和研究的问题。

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ReliabilityStudyonDifferentialProtectionSystemofIntelligentSubstationTransformer

WANGZheng-hui,TANJian-cheng

(Electrical Engineering Academy of Guangxi University,Guangxi Nanning 541004,China)

This paper investigates the process bus architecture design for transformer differential protection schemes where electronic type current and voltage transformers are employed.Three typical network topology systems are analyzed and the reliability associated are calculated:(1)merging units(MUs)are directly connected to relays while intelligent terminal units(ITs)are wired to the process bus(2)MUs and ITS are both connected to the process bus(3)Integrated MU and IT devices directly connected to process bus.Reliability results show that the MU and IT integrated approach is of higher reliability and cost effective.

intelligent substation;transformer protection;reliability

1004-289X(2017)03-0016-06

TM63

B

2016-03-09

王政辉(1990-)，男，硕士研究生，研究方向为智能变电站及可靠性；

谭建成(1963-)，女，教授，博士生导师，研究方向为电力系统运行规划、继电保护以及基于IEC61850的变电站自动化系统等。