110 kV智能变电站继电保护的设计与应用研究

孔德明

(晋城宏圣建筑工程有限公司，山西 晋城 048006)

0 引言

智能变电站具有有效进行能量平衡转变、分布式控制以及用户交互式体验等功能，因其具有智能、高效、节能、环保等特点而逐步得到广泛应用。继电保护系统是110 kV智能变电站的重要组成部分，在变电站相关电气设施发生故障或是运行状态不正常的情况下，继电保护系统能够针对这些问题的发生做出快速反应，保障其他无故障电气设施的正常运转，并控制断路器切断有故障的电气设施，将电气设施的故障影响范围降到最低程度，从而有效地保证智能变电站的安全高效运行。因此，对110 kV智能变电站继电保护系统进行合理设计具有重要的研究意义和实用价值。

1 继电保护系统设计原则

1.1 继电保护系统整体功能要求

继电保护系统必须与110 kV智能变电站主接线及整体电网架构相适宜配套，因此在对继电保护系统进行设计时必须遵循以下原则：

(1) 基于电气设施故障特点配置继电保护系统。根据110 kV智能变电站的网络化特征，继电保护系统也必须具备这一特点，能够实时采集电气设施的相关数据并对其运行状态进行监控，再根据所搜集的数据和监控的运行状态来判断所发生故障的电气设施及其位置，进而对故障情况进行迅速处置。

(2) 基于继电保护对象的电压和重要等级进行设计。针对智能变电站中电压等级在110 kV以上的线路，需要继电保护系统同时具有主保护和备用保护相结合的功能。通过主保护设备可实现无延时跳闸，对故障部分迅速切断，由继电保护系统对电压等级较低的线路实现后备保护功能。除此之外，当所发生故障部分的继电保护装置不能正常运行时，其相邻的继电保护装置可实现延时跳闸，对该故障部分进行切断。

(3) 基于变电站的正常运行需求简化系统二次回路。继电保护装置和二次系统是整个继电保护系统的重要组成部分，二次回路具有保证继电保护装置正确进行保护动作的功能，同变电站安全生产息息相关。若继电保护系统的二次回路十分复杂，则继电保护装置将不能够及时对故障部分进行检测并作出相应保护，因此在满足变电站正常运行需求的基础上，尽量简化系统二次回路的接线。

(4) 避免相邻电气设施保护出现死区。需要通过合理配置电流互感器绕组和继电保护装置等手段，以避免变电站中相邻电气设施继电保护死区情况的发生。

1.2 继电保护系统输电线路要求

变电站输电线路通常要翻山越岭穿越各种不同的复杂环境，输电线路也是最易发生故障的部分。根据输电线路故障原因，可将输电线路故障划分成单相接地、两相接地、三相故障和相间故障等4种不同类型，不同电压等级变电站的输电线路对于继电保护的要求也不尽相同。在变电站的电压等级小于等于35 kV情况下，输电线路的形式为不接地，对于输电线路的保护可以采用阶段过流保护形式。在智能变电站的电压等级为110 kV的情况下，对于输电线路的保护必须采用阶段相间结合接地距离的保护形式或者阶段相过流结合零序保护的形式。

1.3 继电保护系统变压器要求

变电站中最核心的设施是变压器，若变压器发生故障则变电站的电力系统将无法运转。针对变压器的特点，其保护装置必须具备高灵敏、快响应以及安全性好、可靠性高等特点。变压器继电保护包括主保护和后备保护两个部分，其中主保护必须具备差动、电流速断的保护功能，而后备保护必须具备过压、过流、过负荷、零序电流和非电量的保护功能。

1.4 继电保护系统母线要求

变电站的母线和母线绝缘子因安装年久绝缘老化、污秽严重，加之雷击、人为等因素，都会引起变电站母线发生故障。若变电站母线出现故障，则位于母线的各元件都将无法正常工作，进而影响整个变电站电力系统的稳定运行。一般变电站母线的继电保护需要布置在电压等级较高一侧，可以通过电压等级较低母线的供电元件保护装置来实现其故障保护功能。变电站电压等级较高的母线专用保护必须具备差动、母联过流、断路器失效等保护功能。

2 继电保护系统设计方案

2.1 GOOSE通信网络总体方案

GOOSE(Generic Object Oriented Substation Event，面向通用对象的变电站事件)通信网络，可以针对变电站中的电气设施实现P2P通信功能。与传统机电设施硬电缆线连接的方式相比较，GOOSE通信网络能够实现开关、闭锁以及跳闸动作等相关数据信息的实时传输，因此具有更好的快速智能性、安全可靠性和实时高效性。变电站中的智能设备能够利用搭建的以太网接收和传输数据、实时互动，而通过GOOSE通信网络可以实现间隔层与间隔层、以及间隔层与过程层的通信功能。

2.2 继电保护系统方案及配置

根据设计原则，围绕线路、变压器和母线进行继电系统总体方案设计，主要包括以下三个方面的内容：①根据智能变电站特点进行模块化设计；②采用站控层、间隔层和过程层三层结构布置；③除主变电量保护之外，其余保护均采用单套配置保护设计方案。图1为110 kV智能变电站继电保护系统方案及配置图。

图1 110 kV智能变电站继电保护系统方案及配置图

如图1所示，110 kV智能变电站继电保护系统包括以下三个层级：

(1) 站控层。远动工作站主机采用单套配置，内置MODEM，并配备3个站控层通讯以太网接口和相应的远动系统软件。站控层采用MMS和GOOSE通讯网络，网速100 Mb/s，单星型结构。操作人员可以通过后台主机和远动工作站采集运行数据、进行远程监测、故障分析以及程序化操作。

(2) 间隔层。通过间隔层可以实现站控层和过程层之间数据的传输交互，若站控层因故障不能对相关设备下发指令时，间隔层可以独自完成对间隔层相关设备就地控制的功能。并且间隔层还可以对其他间隔单元的非保护采样以及跳闸数据信息进行传输。

(3) 过程层。变电站相关的电气设备及传感器都在过程层中，通过过程层可对一次设备进行测控，实现一次设备的数字化和智能化，主要有采样电气量数据、执行间隔层指令等功能。过程层的保护功能是通过直接采样和直接跳闸来实现的，采样信号、跳闸信号可以利用P2P的通讯方式在过程层智能终端之间进行互相传输。

一次设备主要包括主变压器110 kV气体绝缘金属封闭开关设备、主变压器110 kV开关柜、110 kV线路气体绝缘金属封闭开关设备、75 kV间隔开关和10 kV间隔开关。

3 继电保护系统各线路方案

某110 kV智能变电站采用110 kV单母分段接线、35 kV单母分段接线和10 kV单母分段接线的方式，配备2台主变压器，并且留有1台主变压器安装位置。110 kV高压侧进线间隔布置2回路，并且留有2回路进线间隔安装位置。35 kV中压侧出线布置4回路，并且留有4回路间隔安装位置。10 kV低压侧出线布置12回路，并且留有13回路间隔安装位置，配备有电容器、2组接地变压器和1个分段断路器。

3.1 110 kV高压侧线路保护

110 kV高压侧线路保护综合了数据采集、故障监测、保护跳闸等速动保护功能，并且各条线路都具有独自一面屏。此外，将具备单相、三相、综合和特殊重合闸保护功能的装置也安装到110 kV高压侧线路中。保护设备利用SV网络进行数据采集工作，并且数据信息可实现点对点传输功能；利用GOOSE通信网络可实现跨间隔信息传输，在各条回路都配备1台合并单元并具有智能终端的综合保护设备，将其安装在本间隔所配置的就地智能控制柜中。图2为智能变电站110 kV高压侧线路保护设计示意图。

图2 智能变电站110 kV高压侧线路保护设计示意图

3.2 35 kV中压侧和10 kV低压侧线路保护

35 kV中压侧和10 kV低压侧线路保护安装集成了保护功能、测控功能、计量功能、录波功能的综合保护设备，能够完成故障监测、选相速动保护以及重合闸、三段过流、小电流接地保护等工作。保护设备利用SV网络进行数据采集工作，利用GOOSE通信网络可实现跨间隔信息传输。35 kV中压侧和10 kV低压侧保护设计与110 kV高压侧线路保护设计相同。

3.3 故障录波与分析处理综合系统

该系统由故障录波单元、数据记录单元、MMS网报文单元和分析处理主机构成，利用过程层通信网络系统实现SV网络采集数据和GOOSE网络采集数据的传递，采用单独组网的形式，配备采样数据接口以实现采样数据录波传输功能。

4 结语

随着科技进步和智能化技术的日臻完善，智能变电站也逐步发展并因其经济技术优势而得到广泛应用。继电保护系统是110 kV智能变电站的重要组成部分，关系到智能变电站能否正常运行。根据110 kV智能变电站具体特点进行继电保护系统的设计，对于智能变电站实现安全高效运行具有重要的研究意义和实用价值。