110 kV智能变电站继电保护研究

张 鹏

（山西煤炭进出口集团煤炭销售分公司，山西长治 046000）

0 引言

智能变电站在运行过程中发生异常情况是不可避免的，且由于电力系统是由多个元器件经复杂规则整合组成的，一旦某个元器件出现故障，将影响到整个电力系统的运行。采用继电保护可以在某元器件发生故障时快速切断故障器件，使故障对电力系统的影响大幅度降低。因此继电保护对智能变电站中最为重要的一环。

国外的继电保护研究开始于20世纪70年代，以美国、德国、日本为首的国家在继电保护领域大有建树，如德国西门子公司早在20世纪80年代投入了第一套变电站自动化系统，随后相继研发了ABB、GE的产品[1]。1984年，原华北电力学院研制出输电线微机保护装置，为国内的继电保护提供了新的思路[2]。继电保护设备的正常运转关系着智能变电站的稳定运行，因此确保继电保护技术的可靠性和有效性是关键。

1 智能变电站继电保护基本要求

将继电保护应用在智能变电站中，不仅仅满足在装备配置上和电力系统中基本的条件，更需要使得智能变电站和电网的运行更加高效、灵活、智能。因此对继电保护有以下几点基本要求。

（1）根据不同设备故障特征提取量配置不同的继电保护。智能变电站的“智能”很大一部分体现在：实时监测不同设备的运转情况，采集当前设备数据，分析当前设备的状态是否良好，当设备发生意外时，也可以根据采集得到的数据判断其故障类型。因此对故障特征量的提取和分析就显得格外重要。不同的设备的特征提取量类型是存在差异的，目前最为常见的特征量类型有电流、电压。因此需要根据不同特征量配置相应的继电保护类型。

（2）根据不同设备的电压等级以及设备的重要程度配置不同的继电保护。在智能变电站系统中，不同的电压等级的设备配置的继电保护等级也是不同的。电压等级高的设备在发生故障时对变电站造成的危害更多、损失更大。因此需要配置灵敏度更高、反应速度更快、动作时间更短的继电保护。在变电站中，电压等级超过110 kV的设备需要配置两套保护装备，同时必须符合双重化标准。

（3）二次回路的简化。二次回路虽然并非是继电保护系统中的主要保护对象，但它对电力系统安全生产起着十分关键的作用。二次回路如果过于复杂，可能影响到继电保护装置的性能，导致继电保护装置无法实时、准确地监测保护对象，当发生故障时，无法快速动作或者误动作等。因此，在不影响变电站安全稳定运行的条件下，应尽量简化二次回路。

（4）交叉保护。变电站各个设备之间的继电保护可能会出现死区问题，因此要合理分配电流互感器绕组分配，交叉保护相邻两设备，避免出现保护死区问题[3]。

2 智能变电站继电保护配置方案

2.1 110 kV及以下电压等级线路保护配置

对于110 kV及以下电压等级的变电站，通常是主保护和后备保护相结合的配置形式，一般情况下，主保护为双套配置，还需保证线路保护和MU配置相匹配。智能终端处只需要一套装置，但要保证使用单独网络将终端与两主变保护连接。在该配置方案中，采样信号为本间隔MU母线电压。为了防止出现网络间隔而导致延时，所以在系统采样时，将通过间隔保护对电压、电流交叉组合。但是在线路保护中出现多个间隔情况时，会限制母线MU的输入和输出。因此使用SV网络采集电压信号，既可以降低网络延时，而且也节约了网络内部大量的输入输出口，是最佳选择[4]。图1所示为110 kV线路保护配置方案。

图2所示为35 kV线路保护配置方案。由图可知，使用保护测控一体化装置对35 kV及以下的电压等级的线路是适合的。当一次设备的安装方式是开关柜方式，那么保护测控一体化装置应该放置于柜内。

图1 110 kV线路保护配置方案

图2 35 kV线路保护配置方案

2.2 主变配置

与线路保护类似，主变保护配置方案也是随着电压等级的不同而配置，低电压等级时单套配置，高电压等级则用双套配置。通常保护变压器的方法有直采直接方式时断路器动作、GOOSE网络变压器保护母联、启动失灵、分段断路器和闭锁自投等；通过GOOSE网络，可以对失灵的保护跳闸指令进行接收，分为以下两种方案[4]。

（1）单套主变保护配置

因为具备高可靠性和快响应的特点，因此变压器保护可以分为两个部分：第一部分为主保护，使用差动保护，同时考虑到对速率要求比较高，所以变压器各电压等级侧智能终端和合并单元的连接方式采用光纤；第二部分为后备保护，保护装置采用各电压等级侧后备保护合一装置，与主保护类似，使用光纤将各电压等级侧的智能终端和MU相连接。

图3所示为低电压等级主变保护的单套配置方案。由图可知，由光纤搭建的网络具备了稳定性高，灵敏度高的特点，同时，选择直采直跳的方式，不经过以太交换机，而是点对点式进行采样信号和跳闸信号的采集和传输，实现了主变保护器继电保护同步采样和快速响应的要求。MU接入方式为现场一次配置，且使用硬接线方式将智能终端和开关相连接。在低电压等级侧，采用MU和智能终端一体化配置；在高电压等级侧需要独立的MU配置。主变保护的后备保护的主要保护对象是在母联以及分段开关，因此也可以作为变电站母线保护的后备保护。直接采样直接跳闸的方式优点为缩小空间，减少多余的硬件配置[5]。对于低压侧采用网络跳闸的方式可以避免GOOSE网络造成网络冗余的麻烦。主变保护的动作命令通过GOOSE网络传输，中低压侧的分段母联通过光纤连接。

图3 主变保护的单套配置方案图

图4 双重主变保护配置方案示意图

（2）双重化主变保护配置

当接线方式为双母线接线形式时，不同电压等级侧的智能终、合并单元采用双配套装置，即双重化保护保护配置。为了实现非电量保护从而实现非电量时延，采用直接电缆跳闸的方式[6]。图4所示为双重主变保护配置方案，为了使每套装置都实现主保护和后备保护、各电压等级侧配置符合双重化标准，所以配置了双重化标准的变压器。与单套配置保护类似，对主单元和子单元进行分布式保护，利用断路器通过直接采样直接跳闸的方式实现主变保护，通过GOOSE网络对故障指令进行快速传输，传达至过程层。

目前，智能终端、非电量保护和主变本体测控单元的整合方案如图5所示。将智能终端、非电量保护和主编本体测控单元整理后放置于户外变电柜中，非电量保护采用硬接线直条的方式，用光纤连接方式构成GOOSE网络实现信息在过程层和间隔层之间的传输[7]。

图5 智能终端、非电量保护和主变本体测控单元的整合方案

2.3 母线保护配置

相关技术规范中写到：母线保护配置方案需用光纤连接，且直接采样直接跳闸的保护配置方式[8]。图6所示为单套母线保护配置方案。根据母线保护的配置可以得出相应保护装置的工作方式：（1）具有发送GOOSE命令的功能；（2）MU通过GOOSE传输信息至间隔层；（3）接收各间隔采样信息。

图6 单套母线保护配置方案

3 结束语

本文研究了智能变电站继电保护的配置方案。阐述了线路保护、变压器保护和母线保护的要求，然后从这三部分的配置方案对智能变电站进行了研究，取得了相应的成果，但在一些细节上仍需要更深入的研究。随着继电技术的快速发展以及信息传输技术的不断进步，这些技术将会更加深入地运用到智能变电站的建设和改造中，变电站保护系统将会更加可靠、高效。