智能变电站继电保护系统可靠性分析

杨晓昕

（广西大学 电气工程学院，广西 南宁 530004）

1 智能变电站继电保护系统可靠性的重要意义

电器元件在单位时间内、特定的环境下完成规定功率，并且不发生任何故障，这就能够代表这个元件的可靠性。电网的智能化建设过程中变电站是最为关键的节点，继电保护系统的智能化程度以及运行稳定性对于变电站运行的稳定程度产生直接的影响[1]。变电站的智能化实现一般通过两个途径，信息及网络技术的方式，其中有很多的电子元件及智能设备，并且所有的元件及设备都必须安全、稳定、可靠。变电站运行的客观条件、数据及环境因素发生一定的变化都会影响整个电力系统的运行，继电保护系统会在故障发生的第一时间发挥其隔离的作用，让整个系统规避电压、电流带来的危害，提升整个系统运行的稳定性。所以，继电保护系统稳定性直接关系到整个电力系统的运行，必须着力于提升其可靠性。

2 智能变电站继电保护系统

从实用功能的角度出发，可以将智能变电站分成三个层面，分别是：间隔、过程以及站控层。间隔层利用计量、测控、保护等一些列设备对本间隔一次设备进行相关操作，全面的收集信号并把相关信息传输到站控层；过程层实际上是数字化接口，对接一次设备，其中包含很多设备，例如智能终端、合并单元等；站控层的主要功能是建立与远端控制中心的联系，控制全站一二次设备。“直采直跳”是当前我国的智能变电站中使用范围比较广泛的一种继电保护模式[3]。继电保护模式一般可以分为三种，分别是直采直跳变压器、母线、线路（如图1-3）。其中传输采集信号采用的都是光缆，只有智能终端和断路器间不是，其采用的是控制电缆。

3 智能电站继电保护系统可靠性计算

保护智能变电站的有两个系统，他们之间不具有关联性，互相独立，冗余通信协议在两个系统上都有配备，过程层能够进行GOOSE 保护跳合闸保护信号以及SV采样数据信息的传输，并不发生任何的信号丢失，很大程度上提升了继电系统的可靠程度。为了达到保护GOOSE双网的目的，连接主变压器智能保护终端、合并单元使用的是组网的形式。这样的一种方式不但能够采集变电站系统的开关量，还能够完成跳闸保护命令的传出以及传输，SV 网络传送采集数据信息是通过IEC 标准通信协议来完成的。

图1 智能变电站直采直跳变压器保护系统

图2 智能变电站直采直跳母线保护系统

图3 智能变电站直采直跳线路保护系统

通过CPU 控制器等设备实现对于主变压器等元件的智能化保护，这样做不但能够增强系统安全性，还能够提升变电站的智能化程度。继电保护器以采样及测量作为自己识别和启动的提示，这样继电保护系统的运行稳定性就能够得到大幅度的提升。通过最小割集和最小路集的不交化控制算法中加入所有电气元件正常工作概率数据参数，进一步进行计算得到R 主变（t=16P3itP7emP2smP2muP－pr）的可靠性函数。

函数里面的Pit 代表变电站智能控制终端概率，Pem代表网络通信介质概率，Psm 代表交换机设置概率，Ppr代表继电保护概率，Pmu 代表合并单元概率。所有概率相关数据均为正常工作条件下的数据，将所有的电气元件故障率代入函数中，取t 值为50 年，经过相应的计算得出主变压器具有09.999 999 911 的保护可靠度。

验证了可靠性函数的准确性也就间接的验证了最小路径集法是否合理、是否科学，将所有可靠性简化串联在一起，并代入式中进行相关计算。220kV 的供电线路所需继电保护单元较多，整个体系的结构也庞大且繁杂，部分线路由于其为冗余结构的SV 网络的原因，所需的SV 数据交换机数量达到4 台，而110kV 线路使用的只有2台，从这一点上可以看出220kV 供电线路的可靠性更强。

4 提高智能变电站继电保护系统可靠性策略

4.1 提高硬件系统可靠性措施

4.1.1 改用双A/D 系统加入合并单元

合并单元是整个系统中比较重要的一个环节，主要的任务是采集相关信息。它的实际应用情况对于整个系统造成的影响远大于别的元件。在相关的智能化进程中，一个合并单元MU 以及电子式互感器就能够完成所有信息的收集过程，为了增强这些手机信心的可靠程度，所有的采样合并单元都应该加入两个A/D 系统，这样单个合并单元就能够产生两个采样值，让合并单元拥有更为稳定、准确的采样值输出效率，不会发生采样信息的错误，也就规避了因此产生的保护失败问题，很大程度上提升继保系统的可靠程度[4]。

4.1.2 提高交换机冗余度

在特定位置的交换机对于继电保护系统起到决定性的作用，是整个系统的核心环节，一旦发生失效则会产生巨大的影响。交换机一般来说具有查询错误、物理编码等作用，对于整个系统的可靠性影响非常大，一旦交换机发生故障，就会使整个系统瘫痪。为了预防这种现象的发生，所有的交换机都必须用双重化的配置，发生故障有一定的解决方案，一个交换机发生故障立刻由另一个顶上，这样整个环节不至于中断，系统安全性大幅度提升[5]。

4.1.3 提升光缆线路的可靠性

现阶段的电信号传输方式有了质的飞跃，传统的电缆线路逐渐被现在的光缆所取代，光缆有很多优点，但其缺点也比较明显，其较差的鲁棒性导致其比较容易发生折损，影响信号传输效果。所以，在施工的过程中要降低光缆的弯曲度，降低由于折损造成的信号丢失，另外要注意光缆设施的保护保养以及清洁工作，将阻燃的树脂槽盒添加在光缆的支架上，这样能够大幅度的提升光缆传输的稳定性及实际性能。

4.1.4 尽可能采取“直采直跳”技术

整个系统中如果交换机频繁出现会增加延时现象的时间长度，一旦出现问题，断路器无法及时阻断系统，会产生严重的影响。为了降低交换机的使用水平，让系统中的采样、跳闸等操作能够快速、稳定的运行，继电保护系统在Q/GDW441-2010《智能变电站继电保护技术规范》中有如下规定：必须优先选择“直采直跳”技术，这项技术不再通过交换机进行网络交流，对继保系统的运行安全稳定帮助很大。图4 展示了其详细的结构信息。

图4 “直采直跳”技术

4.1.5 采取接地方案增强继保系统的可靠性

继电保护系统内存在一个等电位体，由每一个装置的电缆接地线、零线和金属屏蔽层连接在一起，其主要功能是降低系统中各装置元件之间的电压差，电荷通过接地被释放，保护装置进一步提高可靠性。

4.1.6 使用防尘、除湿等措施提高智能终端的可靠性

智能终端与断路器连在一起，通常被安装在系统的高压侧，其在不同工作环境中都能够稳定工作。因此，需要监控智能终端的一些指标，主要包括温度、湿度、灰尘等，这项工作需要汇控柜来完成，如此可确保智能终端保持良好状态，进而使设备的可靠性进一步获得提升。

4.2 提高软件系统可靠性措施

随着互联网技术的不断进步，继电保护系统逐渐开始依赖网络通信技术，只有继电保护系统的软件系统的可靠性不断提高，其运行才能够一直保持稳定。针对如何提高软件系统的可靠性，进而提高继电保护系统运行的稳定性，提出一些建议如下[4]。

4.2.1 使用插值算法代替时钟源

所有的智能电子装置都需要同步对时，对时的信息流都是由同步时钟源发出的，传输过程是通过光纤完成的，也就是说，所有的智能电子装置想要正常工作，必须拥有一个准确的时间信息。采样的过程假如利用相同时间间隔的插值算法完成，计算的过程也根据固定的延时系统保护系统，收集数据的过程都是统一进行的，在一个时间节点，通过这样的操作让所有电子式互感器在一个时间点完成采样，就能够规避时间不准确带来的一系列麻烦，提升继电保护装置的安全性。

4.2.2 采取软件积分增强SV 报文信息的可靠性

通过电子式互感器进行信号采集后将信息发送到继电保护系统为SV 报文，SV 报文经常使用罗氏线圈（又被称为罗戈夫斯基线圈、Rogowski 线圈）进行信息输出，数据采集需要经过积分过程。积分过程一般包括两个方面：一方面是软件积分，主要依靠合并单元；另一方面是硬件积分，主要在数据采集器中通过电阻、运算放大器等元件进行实现。二者相比，软件积分在精度方面更具优势，同时也能够使数据采集器减少功率损耗，因此，SV 报文可靠性的提高可采取软件积分的方法，进而实现继电保护系统可靠性的整体提升。

4.2.3 增加GOOSE 报文过程的功能机制

智能终端与保护装置之间的报文过程为GOOSE 报文，主要包括闭锁信息、断路器跳闹信号、断路器状态及重合闸命令等经网络介质进行传输的一系列数字信号，要确保报文可靠性，应增加一些功能机制，例如接收报文信息的插件要对组播地址是否正确进行判断，同时要对GOOSE 报文中的APPID 等传输数据的正确性进行鉴定，如此才能使断路器动作保持正确。若经过一段时间，系统一直未收到GOOSE 报文，则会有报警信息出现，操作人员通过警报信息便得知报文过程发生状况。

5 结束语

综上所述，对于电网系统而言，为确保其稳定安全运行，继电保护系统的可靠性显得尤为重要，许多因素决定着智能变电站继电保护系统的结构组成。所以，在电力行业中，要采取相应的手段来保证继电保护系统的持续可靠，这一直都是一项工作重点。本文主要从两个方面来探讨如何开展工作，一方面由光缆线路、交换机、合并单元等几个硬件结构着手，另一方面软件分别从三种判别机制、信息流生成等方面深入分析，希望通过上述措施的阐述，为智能变电站继电保护系统能够进一步提高可靠性提供参考。