智能变电站继电保护系统电子式电压互感器优化研究

江汇 黄观雄

广东电网有限责任公司阳江供电局 广东 阳江 529500

引言

随着国家经济技术的发展、工业生产规模的不断扩大、城乡居民生活水平的不断提升，我国电力网络也相应进入了飞速发展阶段，电网容量在日趋扩充，电网架构变得更加庞大、复杂[1-2]。电力行业作为国家工业发展的能源基石，其蓬勃发展一方面对社会发展起到正面积极的促进作用，但另一方面，也给电力系统的运行和维护带来了巨大的挑战。如何保证电力系统的稳定性。持续性，减少故障及事故发生的频率是目前电力企业、院校及相关研究人员、从业人员所面临的重大难题[3]。

变电站作为电力系统中对电压和电流进行变换，接受电能及分配电能的场所，是整个电力系统中最为关键的枢纽，其安全性直接影响到电力系统的稳定运行，在新技术不断发展和创新的时代，传统变电站通过大规模引入自动化设备，促进电网控制的自动化、数字化、智能化，已经开始逐渐向智能电站转变[4-5]。而传统电站的继电保护系统已无法完全适应智能电站的日常运行需求，在此背景下，本文研究了智能变电站继电保护系统的特征，针对智能变电站继电保护系统中的关键设备—电子互感器进行了优化设计。本文提出的优化方案不仅能满足智能变电站继电保护系统的日常运行需求，更提升了电子式电压互感器的抗干扰能力，对智能变电站的安全、稳定运行具有重要意义。

1 研究现状

文献[6]从智能变电站保护二次回路设计、实施、测试三方面进行了研究，阐明了继电保护二次回路设计要点、实施要点和全面测试方案。文章的主要贡献在于：通过引进全新的检修机制，说明了智能变电站保护二级回路需要注意的是想及处置措施，为今后的智能设备检修提供了实践经验；对二次回路可视化实现方式进行了优化改进，解决可智能二次回路难以直观展现的问题；实现了光纤链路通讯状态的实时监控。

文献[7]分析了智能变电站的检修原则，提出了一种继电保护装置缺陷模型，并以此为基础开发出一种基于缺陷概率预测的继电保护系统检修策略研究方法，通过分析每个继保装置的实际状态，综合修正缺陷率曲线，包括个体缺陷修正、家族性缺陷修正、检修等效役龄修正和健康状态等效役龄，准确显示了继保装置缺陷率分布特点，对继电保护装置的科学检修起到了促进作用，保证了继电保护的正确动作。

文献[8]详细研究了继电保护设备的运行数据，通过分析故障设备、老化设备、退役设备的各项工作参数，提出了一种继电保护风险评估系统，该系统可以结合设备的运行环境，建立设备评估模型，最终给出设备当前的运行风险，在此基础上，电力公司可针对性的制定设备检修策略，提前做好应对继电保护系统失效风险的准备计划。

2 继电保护装置硬件结构

2.1 传统继电保护系统结构

传统的继电保护装置硬件结构如图1所示，系统通过电磁式互感器采集电压、电流模拟量，在数据采集模块将模拟量转换为数字量后，逻辑处理模块接收数字量信息并进行逻辑判断，之后执行相应保护动作，继电保护系统内部通信由总线实现。

图1 传统继电保护装置硬件结构

2.2 智能变电站继电保护系统结构

智能变电站采用的是“三层两网”的结构模式，站内装置分别布置在过程层、间隔层与站控层，每层装置经过过程层网和站控层网进行通信与数据传输。智能变电站与传统电站的主要区别在于：设备智能化、保护算法智能化和全站统一的数据通信平台。

智能变电站继电保护系统的结构如图2所示，它与传统继电保护系统的重要区别在于，智能变电站继电保护装置采用电子互感器作为信号采集装置，信号通过光纤传输而不是总线，因此继电保护装置不再需要进行数模转换，二是直接将数字量信号传递给CPU，由控制芯片进行相应的保护运算并发出动作指令。

图2 智能变电站继电保护装置硬件结构

3 电子式电压互感器优化方案

3.1 智能变电站继电保护装置工作原理

智能变电站继电保护系统的继电保护系统的工作原理是：核心CPU内存有继电保护运行算法，当采样数据由电子互感器传递到计算单元内后，芯片将进行包括有功功率、无功功率、功率因数、电网频率等电气指标在内的数值并与整定值进行比较，以此判断站内是否发生电气故障，同时保护动作信息将通过以太网传输到站控层，由上位机对动作信息进行存储并发出报警和跳闸执行，以此保护站内电气设施。

3.2 电子式电压互感器基本原理

智能变电站区别于传统变电站的一个重要特征就是智能电站的站内电气数据主要由电子式互感器负责采集。电子式电压互感器主要分为两类，一是光学电压互感器（OVT），另一类是分压型电子式电压互感器（EVT）。其中，EVT又可以分为电阻型和电容型两种，电阻型因电阻功率的限制，一般适合用于中压或者低压配电网络，而本文的重点研究对象则是电容型电子式电压互感器。

电容型电子式电压互感器利用电容分压的原理实现电压变换，其原理如图3所示。

图中U1为待测电压，UC1、UC2分别为分压电容C1、C2两端的电压，在理想情况下，电容分压器的待测电压和输出电压之间存在着一定的比例关系，比值大小与分压电容C1、C2的电容值相关。

在实际应用中，电容型电子式电压互感器的整体电路如图4所示，其中C为积分电容，Rf为积分反馈电阻。

图3 电容分压原理

图4 电容型电子式电压互感器电路结构

其整体等效传递函数为：

3.3 电子式电压互感器改进方案

本文所提出的电容型电子式电压互感器的改进方案如图5所示，其中，U1为高压母线或高压输电线路待测电压，CH为高压电容器，二极管V1和V2共同组成保护电路，虚线框1和虚线框2内分别为积分变换电路和反相电路。

图5 改进电容型电子式电压互感器电路结构

该改进电容型电子式电压互感器在电路结构上与传统的电容型电子式电压互感器类似，结构较为简单，但其传感机理采用的是电流信号传输原理，电压互感器直接采集高压电容电流信号并传递给积分变换电路和反相电路，构成了电流低阻回路，区别于传统的电容型电子式电压互感器，改进方案不存在传输引线压降，因此在同样的干扰下，本改进方案采用的电流传输比传统方案的电压传输具有更强的抗干扰能力和工作稳定性，受电磁干扰的影响小得多，这给电子式电压互感器的测量精度提升提供了有利条件。

4 结束语

本文分析了传统继电保护系统结构和智能变电站继电保护系统结构，针对智能变电站内连接电力系统一次与二次的重要设备—电子式电压互感器提出了一种优化改进方案，该方案针对传统的电容型电子式电压互感器面临的小分压信号传输易受外界电磁干扰的问题，采用电流信号传输方式，具备体积小、结构简单、抗干扰能力强等优势，为智能变电站继电保护系统的可靠运行提供了有利条件。