基于SVG技术的智能变电站继电保护分析装置设计

刘志刚，王志鹏，张海辉，李能俊，毛 艺

(国网青海西宁供电公司，青海 西宁 810003)

随着智能电网技术的应用范围不断扩大，对智能电网的建设要求也越来越高。在智能电网的建设中，智能变电站是电网建设中重点建设的对象，也是智能电网建设中的关键节点[1]。智能变电站能够通过继电保护分析装置进行电能的分配、转移与传输，并且可以利用继电保护分析装置排查出变电站中的设备故障，避免设备故障波及范围的扩大，因此继电保护分析装置是智能变电站建设中的重要设备[2]。继电保护分析装置能够在不影响设备正常运转的情况下，对故障设备进行切除操作，因此其对电网系统正常运转具有重大意义。

现阶段，对变电站继电保护分析装置的研究取得了一定成果。文献[3]提出了一种基于SOC(片上系统)数据交互的智能变电站继电保护装置，利用ACP显卡接口带宽的特性，将ARM(微处理器)及存储器中的数据进行交互处理，据此对变电站电能进行调度，该方法能够有效控制智能调度变电站电力分配，但未考虑产生谐波电流的情况，电力系统易发生故障；文献[4]提出了一种基于微电子采集技术的继电保护装置，利用微电机采集模块采集电力系统各项数据并进行相关计算，据此优化电力系统的电能分配方案，该方法能够优化电能分配方案，但未考虑变电站容量大小问题，易发生电力超调现象。针对上述方法存在的问题，本文设计了基于SVG(static var generator，无功补偿)技术的智能变电站继电保护分析装置，并通过实验验证了该装置的有效性。

1 基于SVG技术的智能变电站继电保护分析装置

基于SVG技术的智能变电站继电保护分析装置的构成包括站控单元、间隔单元、SVG单元、主变保护单元，下面分别对各个单元进行设计。

1.1 站控单元设计

站控单元的配置包括状态监测模块、同步对时模块、网络分析记录仪、远动通信装置、操作员兼主机站，其中，状态监测模块负责进行智能告警的决策分析；同步对时模块负责进行同步采样；网络分析记录仪负责进行网络故障的分析记录；远动通信装置负责进行与主站的通信；操作员兼主机站负责进行程序化操作。站控单元的网络采用 SNTP、GOOSE 与MMS相结合的方式进行设计，网络结构是单星类型的以太网，网速可达100 Mbps。配置远动单套主机、电口交换机以及中心交换机实现站控单元的网络通讯。站控单元的具体设备配置见表1。

1.2 间隔单元设计

间隔单元主要用于SVG单元与站控单元之间的数据交互[5]。当站控单元发生故障无法下发指令时，间隔单元能够对站控单元进行实时监控。间隔单元还可以对其他单元进行非保护采样并传送跳闸数据信息[6]，其利用交换机进行数据信息的传输，交换机的具体配置需要根据设备室来划分[7]。间隔单元的配置包括保护装置与测控装置等。保护装置的具体设备配置见表2，测控装置的具体设备配置见表3。

表1 站控单元设备配置

表2 保护装置设备配置

表3 测控装置设备配置

1.3 SVG单元设计

SVG单元是智能变电站继电保护分析装置的基础单元，连接着智能变电站的传感设备与电气设备[8]。SVG单元能够实现一次装置的智能化与数字化，并且可以测控一次装置，包括执行监控单元发出的指令、监测二次系统电气设备的运行状况、实时对电气量采样等。SVG单元的智能变电站继电保护功能是通过直接跳闸与直接采样实现的，SVG单元与SVG单元之间跳闸信号与采样信号的传送则通过P2P的方式来实现[9]。通过SVG装置，SVG单元可以实现谐波电流与冲击电流的跟踪补偿，SVG单元的具体设备配置见表4。

表4 SVG单元设备配置

SVG单元的整体电路设计如图1所示。

图1 SVG单元的整体电路设计

1.4 主变保护单元设计

主变保护单元主要由主变保护装置组成。主变保护装置构成如下：每台主变压器均配置2套电量保护装置，每套电量保护装置中均包含完整的后备保护装置与主备保护装置，2套电量保护装置可以构成一面保护柜。主变保护单元中共配置2台主变保护装置，每台主变保护装置分别配置1台保护柜[10]。主变保护通过双套电量保护装置中后备、主备一体的主变保护装置来实现，其中后备保护包括零序电流保护与过流保护；主备保护包括差流速断保护与差动保护[11]。

主变保护装置中，非电量保护装置均采用单套配置，在自身终端设备上实现集成。非电量保护装置通过电缆实现跳闸功能，利用自身智能终端实现信号向上传输[12]。非电量保护装置可以实现启动跳闸保护、绕组温高信号保护、油温高信号保护、压力释放器动作保护等功能，并且可以实现遥控、中性点刀闸遥信、有载档位控制等功能。

变压器则通过直接跳闸与直接采样来实现主变保护单元的电量保护，通过SNTP、GOOSE 与MMS相结合的网络实现信号传输[13]。根据变压器故障的重要性、故障类型以及变压器容量大小，主变保护单元还需要配置一些主变保护装置，包括纵差保护装置、电流速断保护装置、气体保护装置；需要配置的后备保护装置包括过负荷保护装置、零序电流保护装置、电压闭锁复合过电流保护装置、后备电力变压器保护装置[14]。

主变保护单元的参数整定包括差动保护与差流速断保护，以差动保护为主保护。差动保护的整定需要躲避变压器发出的激励涌流，其具体计算公式如下：

Iact=1.3Irat-t

(1)

式中：Iact为变压器发出的激励涌流；Irct-t为变压器发出的变压涌流。

对式(1)进行参数代入可得：

(2)

还需要躲避外部故障导致的不平衡电流，其具体计算公式如下：

Itat=KrelIunb.max

(3)

式中：Itat为外部故障导致的不平衡电流；Krel为可靠系数；Iunb.max为变压器故障外泄电流。

Krel取1.3，对式(3)进行参数代入可得：

Itat=KrelIunb.max=1.3×0.517 6=0.671 7(A)

(4)

通过躲避变压器发出的激励涌流与外部故障导致的不平衡电流，实现主变保护单元的参数整定[15]。

由站控单元、间隔单元、SVG单元、主变保护单元共同构成的基于SVG技术的智能变电站继电保护分析装置的具体构造如图2所示。

图2 智能变电站继电保护分析装置具体构造

2 实验研究

为验证本文设计的基于SVG技术的智能变电站继电保护分析装置的性能，设计了对比实验。

2.1 实验过程

对智能变电站继电保护分析装置的实验环境进行设置，包括变电站现场测试环境与实验室测试环境，如图3所示。

图3 设置完成后的实验环境

在图3所示的实验环境中验证智能变电站继电保护分析装置的性能，测试电网负荷高峰期谐波产生情况，测试结果如图4所示。

图4 变电站谐波测试结果

由图4可知，系统主要含5次谐波。当功率因数增大时，电网传输效率提高，同时也增加了电网的电压负荷，高负载产生谐振，使系统的谐波放大，造成变电站供电稳定性下降，电力系统容易发生故障。

2.2 实验结果

将基于SVG技术的智能变电站继电保护分析装置安装在西宁市某变电站中，并测试其电流波动情况，得到电流波形对比图如图5所示。

由图5可知，安装基于SVG技术的智能变电站继电保护分析装置后，变电站电网谐波电流过大的情况得到了明显的遏制，系统的稳定性明显提升。安装继电保护装置后变电站的谐波电流含量满足安全标准要求，说明设计的装置能够有效降低电力系统故障率，减少短路现象的发生。

为了保证实验的有效性，使用设计的基于SVG技术的智能变电站继电保护分析装置与文献[3]、文献[4]设计的继电保护装置进行对比实验，测试24 h内电网输出功率，得到实验结果如图6所示。

图5 系统电流波形对比图

图6 3种方法下的变电站输出功率对比图

根据图6所示的实验结果可知，采用文献[3]及文献[4]方法的变电站输出功率波动幅度较大，说明其对电压的调控能力较差，变电站电力系统的运行稳定性及安全性较差；而采用基于SVG技术的智能变电站继电保护分析装置的变电站输出功率稳定在1.5 MW左右，波动幅度不超过0.2 MW，说明采用该继电保护分析装置后，变电站输出功率基本保持稳定，电力系统的运行稳定性及安全性得到了显著提升。

3 结束语

本文设计的基于SVG技术的智能变电站继电保护分析装置，主要通过对站控单元、间隔单元、SVG单元等设置，完成智能变电站继电保护。实验结果表明，本文设计的基于SVG技术的智能变电站继电保护分析装置，可有效抑制变电站电网谐波电流过大，提高了系统稳定性和安全性，降低了电力系统故障率，对于智能变电站的建设具有重要意义。