智能变电站继电保护研究文献综述及对压差监控方案的初步设想

顾文馨 范佳辰

【摘要】 长期以来，众多研究者致力于研究如何将机电保护器应用于智能变电站中，竭力为智能变电站发展提供可靠保障。基于此，本文通过查阅相关资料，就近年来智能变电站继电保护相关研究成果进行理论综述，并对可能的改进方案与其可供实验测试模型进行初步设想。

【关键词】 智能变电站;继电保护;电网系统;综述

【DOI编码】 10.3969/j.issn.1674-4977.2021.01.023

Abstract： For a long time， many researchers have devoted themselves to the study of how to apply electromechanical protectors to intelligent substation，and strive to provide reliable guarantee for the development of intelligent substation. Based on this，this paper reviews the related research results of relay protection in Smart Substation in recent years by consulting the relevant data，and makes a preliminary assumption on the possible improvement scheme and its available experimental test model.

Key words： intelligent substation;relay protection;power grid system;overview

1 目前国内外相关技术发展概况

相对于常规变电站，智能变电站能够完成范围更广，层次更深，结构更加复杂的信息收集和信息处理，同时由于使用了光纤及高集成化的电子元器件，使其兼有更为优秀的、当前工业生产发展十分重视的环保效益。智能变电站内，站与站之间，站与大部分用户之前的可交互性更强，这使电网运行更为安全可靠。而其中，继电保护是保证智能变电站运行稳定的相当重要的一个方面，因此，对其进行探究是有建设性意义的。经对以前的文献及资料查证与整理，下文对其目前的发展状况进行一些概述。

IEC 61850通信协议在2004年颁布后，人们就对这个协议的变电站建设进行了探索。现如今，以西门子为代表的西方电力设备企业已经研发出了比较完善的智能变电站设备，然后还把这些设备应用到了具体的工程建设项目中，很多研究者也针对智能变电站机电保护展开了一系列的研究。Crossley P A等人（2016）在其研究中就现阶段智能变电站两种主流配置方案进行了研究，剖析了系统保护配置方案以及常规保护配置方案的构成，针对它们的优点和缺点进行了深入的比较和研究。Premaratne U K和Samarabandu J等人（2017）结合其所要研究的110千瓦变电站电力负荷相关资料，在相关指标下，就110千瓦变电站机电保护配置进行了全面布局，具体对其主接线设计以及短路电流计算进行了详细的说明。国内方面，浮明军等人（2015）就智能变电站机电保护装置自动测试装置的一些核心技术进行了相关的探索，对外接口特点以及测试具体方法进行了大量研讨，开发出了全自动测试系统软件，测试方法得以优化，测试的效率也逐步提高，很大程度上确保了产品的优质化，对智能变电站调试，验收环节具备很强的参考价值和理论意义。赵炜等人（2019）针对智能变电站及其继电保护的相关特征，探索了智能变电站继电保护以及自动化装置，該装置对变电站安全运行以及运行质量有很大的帮助，给供电系统健康发展奠定了理论基础。李官宇[8]等人（2017）结合数字化变电站继电保护技术的相关理论进行了分析，包括其原理及特征等，然后就数字化变电站机电保护技术的实践应用进行了探讨。

目前，学术界对于压板状态在线检测的研究主要有以下的两种。一种是任俊杰，蒋岚等人研究的把图像识别方法作为压板状态在线检测的方法，它是要在机电保护室安装一定量的摄像头，摄像头的角度也要进行合理校对，确保所有保护屏都能够顾及到。然后把保护屏上的压板状态进行实时拍摄，并同步到上位机上，这时候上微机的数据库里留有之前保存好的保护压板正确投退的状态信息，接着利用图像识别技术把上传的压板投退状态和数据库中预存的压板透退状态进行比对，以此来实现在线检测的目标。另一种是夏志宏（2019）在其研究中指出的一种检测重动继电器触点状态的方法，这种方法必须要把保护应压板进行统一投入，然后将重动继电器的常开关和压板回路进行连接，利用RTU控制重动继电器，以此来检测中重动继电器常开接点应该在什么地方，这样可以达到远方投入以及退出保护压板的目的。

2 国内应用案例及存在的问题

目前，国内变电站基本应用了综合自动化系统，其中比较成熟的系统之一为南瑞科技的NS 2000系统。针对设备状态变化的突发状况，开启预定性事件，历史库内可以存储近数次和突发状况有关的数据，它能够记忆设备状态变化前后不同时间段的相关数据。系统虽然能够对压板状态进行实时监测，但却没有办法在压板投退错误时候进行警告及修正。正是基于压板位置信息连接检测系统实时数据库，才得以在线监测压板投退状态。然后和系统的个别的部位进行连接，构成新的遥信点，以此来达到监测压板投退状态的目的。

就国内和国外的研究发展现状来看，很多企业在变电站保护压板状态检测方法方面进行了大量的研究，一些研究成果也在变电站进行了实际的应用，可是因为种种原因，包括通信方式不完整，产品功能不全面，运行不够稳定等等，使得产品运行价值较低，甚至一些由于增加了运行人员的工作负担，造成其进行压板状态检测时的失误，因而，在能大规模投入实际生产使用上仍有很多问题亟需解决。

3 出口压板压差监测系统的设想与基于实验测试考量的设计思路

在现阶段的实际操作中，运行监测人员将出口压板投入后，主要凭借外观及用万用表量压板两头压差的方式，来确认该压板两端是否接触良好，所得结果准确性相对较差，且往往要两人及以上共同作业，逐个压板一一检查，耗时耗力又无法做到迅速实时监测问题所在，调度主站也无法判断出口压板投退状态，无法校验核对。若通过监测到两侧存在压差的方式，利用信息采集模块、主控模块、通信模块等传输信息，并在上位机中显示出压板投退状态，则可在一定程度上，相对有效地解决目前监测的一些不足之处。以下简述一些设计与选择思路：

首先是如何判断压板位置，日常生产生活中常用的主要有三种方法：第一种使用限位开关，当压板投入，限位开关就被压下去，即可采集到其位置状态;第二种使用红外感应器，当压板投入，红外线发射出去的中途被遮挡，接收端就接收不到信号，即认为压板投入，反之则没有投入;第三种使用图像处理技术，以机器拍摄图片为基准进行判断。但由于后两种成本相对较高，且在模拟中红外线也易受其他干扰导致接收器无法正确接收到信号，而利用图像处理技术还需要依附于其他相关程序的开发与利用，因而本文中仅采用第一种方式，相对简单而直接地模拟压板的状态变化。

接下来是起到传递信息作用的相关硬件模块的选择。考虑到实际使用中，远距离监控、人身安全问题等的需要，选用了遥信信息采集的方式，且由于传输过程中可能会出现干扰噪声信号导致波形畸变，甚至状态错误，也应加入稳压滤波的环节。对于控制模块，选择了相对基础也最容易上手的8位51单片机。对于通信模块，考虑到现代工业信息化的需要，选用了更为适应当前环境的RS-485，与更早出现的RS-232-C不同，其具有更高的传输速率;降低了接口信号电平，不易使接口电路芯片损坏，且能与TTL电路兼容连接;采用了平衡驱动器和差分接收器的组合，抗噪声干扰能力更为优秀;传输距离也更长。相应的，选择了Modbus作为通信协议，其包括了ASCII、RTU、TCP等，能够实现双向读写，并对数据进行奇偶校验，LRC校验（ASCII），16位CRC校验（RTU）等，且数据能进行断点传续，可靠性较高。

最后是上位机显示状态软件的选择。考虑到对于更直观的投退状态表示的需要，选择了面向对象的VB，运用其中的MSComm控件，进行串口通讯，建立与硬件模块的联系，将接收到的信息通过比较，判断与筛选，以最为直观的图形，文字，颜色等形式展现出来。

基于上述的方案及软件、硬件等的选择，进行实验测试电路的设计，并制作实际的实验用模型进行设计合理性和实用性的验证。但目前，由于具体的电路设计与实物制作，仍在进行测试阶段，仍不够成熟，功能的完善与可靠性尚不能保证，故此处不对具体的电路元器件参数及电路设计图进行进一步的介绍，仅作为一种设想而提出该种思路，并介绍一些前期的选择情况，若读者对此有兴趣，可以自行进行尝试。

4 结语

总的来说，国外在智能变电站机电保护这方面的技术研究比较早，目前已经形成了比较完善的理论体系，而国内对于智能变电站继电保护技术的研究还需要经历一个“爬坡”的过程，可是在国家大力支持下，最近这些年我们国家的智能变电站机电保护技术研究已经居于国际领先地位，个别技术也获得了相关专利，相信在未来的几年内能得到更好的发展和突破。

【参考文献】

[1] H. Lei，C. Singh， and A. Sprintson. Reliability modeling and analysis of IEC 61850 based substation protection systems[J].IEEE Trans. Smart Grid， 2014，5（5）：2194-2202.

[2] Crossley P A，Yang L， Li H Y，et al. Performance assessment of an IEC 61850-9-2 based protection scheme for the mesh corner of a 400kV transmission substation[J]. 2016.

[3] Premaratne U K， Samarabandu J，Sidhu T S，et al. An intrusion detection system for IEC61850 automated substations[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2017（4）：2376-2383.

[4] 延勇，劉毅敏.220KV智能变电站继电保护调试关键问题分析及建议[J].东北电力技术，2014，（11）：22-26.

[5] 文继锋，盛海华，周强，等.智能变电站继电保护在线监测系统设计与应用[J].江苏电机工程，2015（1）：21-24.

[6] 浮明军，刘昊昱，董磊超.智能变电站继电保护装置自动测试系统研究和应用[J].电力系统保护与控制，2015（1）：40-44.

[7] 赵炜，申军，罗茂.智能变电站继电保护及自动化系统分析[J].冶金管理，2019（15）：68+70.

[8] 李官宇，李彦，李媛媛.数字化变电站继电保护技术分析[J].中国新技术新产品，2017（1）：23.

[9] 任俊杰，蒋岚电力系统继电保护压板图片识别系统[J]北京联合大学学报：自然科学版，2004，（2）.

【作者简介】

顾文馨（2000-），女，南京工程学院电力工程学院本科生在读，电力工程专业。

范佳辰（2000-），女，南京工程学院电力工程学院本科生在读，电力工程专业。