电气系统继电保护综合自动化的分析

2021-05-21陈翔宇

通信电源技术 2021年2期

陈翔宇

（国家能源集团泰州发电有限公司，江苏泰州 225300）

0 引言

我国从20世纪90年代以来开始在电力系统中应用计算机技术及半导体芯片技术，进入21世纪后，又开始应用现代化通信技术普及了分散控制系统（Distributed Control System，DCS），继电保护综合自动化水平也随之不断提高。随着智能化和物联化发展趋势的影响，电气系统开始应用从控制室连接现场设备的双向串行数字通信现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS），通过提高设备可靠性进一步提高继电保护综合自动化水平。

1 电气系统继电保护综合自动化的发展形势

1.1 电气系统自动化的现状

继电器保护系统是电力系统的重要组成部分。当前，在我国用电容量大、电气参数高、设备控制任务和动作复杂的电力系统中，以分层分布为主要特征的综合自动化技术得到广泛应用，除了一些监测任务较少和控制任务较为简单的小型电气系统中仍保留部分集中模式的控制系统以外，大部分电气系统均采用了操作简单、控制效率高的数字化控制系统，使得继电器保护系统的自动化技术也发展成熟，成为电气自动化领域里的一个比较受关注的技术热点。

1.2 继电保护综合自动化的发展趋势

当前我国应用于电气系统的继电保护综合自动化技术依托于以太网的现场总线技术，采用实时通信的传输数据。综合自动化技术多采用站内独立监控和采集数据的分散控制模式，事故分析与处理界面可实现分层控制，具有信息传输速度快与数据传输量大等优势，体现了电气自动化系统的发展趋势。目前，主要发达国家已经在分散控制系统的基础上普及了现场总线控制系统，结合集中控制与分散控制的优势，节省了遥控与执行等人工操作环节[1]。

2 电气系统继电保护装置的系统作用

2.1 保证电力系统的有效运行

继电保护装置能够及时发现电力系统中如变压器、输配电线以及高压开关等关键设备设施的运行问题，降低了系统安全受到的影响，避免了设备故障和工作事故等破坏性的损害。继电保护装置通过关闭故障设备、隔离故障元件以及切断系统线路等保护措施保护发电机、变压器与配电箱等关键设备设施，从而保证电力系统整体功能不受影响地正常运行[2]。我国应用大规模电力系统的企业如发电厂、变电所以及开闭所等通过设置继电保护装置，可以进一步维护用电安全与用电效率，推动组织与企业电力系统的有效运行，推进国家电力事业的信息化与自动化进程。

2.2 提升了电力系统的工作效率

继电保护装置可以及时反应电力系统中的设备设施故障，及时将数据反馈信息传输到值班室终端计算机或中央计算机，中央控制系统通过判断信息等级确定系统故障的危害等级。继电保护装置设备根据中央控制系统反馈回的控制信号实现连锁控制或联动控制，作出相应的保护动作，将系统故障影响控制在萌芽之中，使设备维修人员及时维护和检修，保证电力系统的正常工作与运行，提升电力系统工作效率。在智能化与网络化的继电保护装置大规模应用以后，继电保护系统相关的工作已经实现了自动化和智能化，进一步降低了系统性故障的发生率，减少了维护人员的工作流程和工作时间[3]。

2.3 降低电气系统故障的发生风险

继电保护装置综合自动化工作状态的实现依托在计算机技术和信息技术，具有对电力系统正常工作运营进行设备监测、数据采集、现场操控以及系统保护等功能，在工作中所处的状态的是观察与发现电力系统健康程度的晴雨表。除正常运行和检修状态以外，错误动作、拒动作以及故障状态都能反应当前电力系统中出现了某种问题。继电保护装置为了保护电力系统的安全而执行了保护功能，提醒管理人员或设备维护人员系统特定设备已经发生了故障风险，需要立即检修，排除故障[4]。当前较为前沿的智能化的继电保护装置设备还具备自我诊断、自动控制以及自动操作等先进功能，进而降低设备维护人员的工作量，能够进一步降低电力系统运行风险，为维修人员指明故障设备与故障现场，减少设备维护人员面临的工作危险。

3 电气自动控制系统概述

3.1 监控模式

3.1.1 集中控制模式

集中控制模式以电缆为媒介，系统中预设置电气模拟量，采用设置空接点的方式通过硬接点传输标准直流信号，在输入/输出模件柜链接开关量信号灯以监控电气设备的运行状态[5]。集中模式的工作原理是变强电信号为弱电信号，具有集中采集电气量、管理组屏便捷、技术成熟以及响应速度快等优势，但也存在电缆安装工程量较大、投入成本高、系统干扰影响大以及系统输入信息不完整等劣势[6]。几种模式的系统风险主要体现在信息的集中处理上，复杂而烦琐的运行管理工作对系统的处理能力要求很高，目前尚缺乏较为完善的控制系统，集中模式下的继电器保护综合自动化的稳定性尚显不足，难以作为优选方案。

3.1.2 分层分布模式

分层分布模式下的电气系统继电保护装置控制系统划分为站级监控层、通信层以及间隔层3个层次。站级监控层通过通信网络对间隔层进行信息交换与管理，通信层主要以电缆为通信媒介，间隔层设有终端测控保护单元，每个间隔层将一次设备划分为一个单位，形成电气一次回路或电气间隔，并配有开关柜或可靠性强的测控单元与保护单元。系统数据汇集、传输协议转换以及控制命令等功能通过现场总线技术实现，如图1所示[7]。分层分布模式的优势体现在系统运行稳定和对运行管理工作分层处理，因此该模式下的继电器装置自动化运行较为稳定，是当前电气系统继电器装置自动化应用的主要技术手段。

图1 分层分布控制模式示意图

3.1.3 现场总线模式

现场总线控制模式的基础是分散控制模式，其创新点主要在于“现场”概念超越了工作环境，囊括了所有现场设备。现场设备实现了数字化、智能化以及网络化，使得工作环境转变为信息化处理现场。现场总线控制模式也采用固定类型的总线标准，标准的通信协议是其核心，构建开放式的通信网络，总线协议下的技术与设备高度互联，有别于分层控制模式的局域网模式，可见采用标准通信协议的分散控制结构比分层网络结构性能更加稳定，信息准确度高，便于安装与维护管理。现场总线控制模式示意如图2所示。

图2 现场总线控制模式示意图

3.2 监控方式

3.2.1 集中监控

采用集中控制方式的电气系统采用高度集成的信息处理模式，所有数据传输功能集中在总控制室中央计算机中。集中监控方式系统设计简单，操作难度低，对信息数据实施统一批复与处理，系统运行维护比较便捷，控制站系统安全和防护等级的要求也相对较低。对于设置小型电气系统而言，采取集中模式系统并应用集中监控是经济且合理的，对于大型复杂化电气系统而言，集中监控方式“一带多”容易导致中央计算机处理器任务增加和数量处理速度下降，也不利于子系统的构建与设计，系统的扩展能力不强[8]。例如，电气系统中增设开关，与之匹配的继电保护装置也随之增加，系统要求增设电缆数量，这些新增电气设备进一步提高了中央计算机处理器的功能，但强电电缆产生的电流电压干扰也会影响计算机工作效率和使用寿命。

3.2.2 远程监控

分层分布模式下的远程监控方式是较早出现的数字化设备与自动化系统的应用方式，采用的是封闭式通信协议，属于内部局域网而非开放式网络。其自动控制由硬件设备发出数据，远程计算机完成数据的收集、判断及反馈功能。远程监控方式下的继电保护装置相互独立，有利于实现连锁控制和联动控制，设备故障后无法自动诊断与处理，在电气系统的稳定性要求方面与自动控制要求还有一定距离。远程监控方式对电缆的要求不高，成本费用相对较低，系统设计易于搭建，组态灵活，目前是实际应用较高的自动化监控方式[9]。

3.2.3 现场总线监控

FCS模式下监控方式更加便捷高效，其标准化信息技术及设备运行效率主要由标准通信协议确定。信息化的继电保护装置能够精确地反映设备运行状况与效率，系统设计也更有针对性，可以根据不同间隔评估设备最小应用数量与性能指标。与DCS模式相比，现场总线监控方式能够精确计算维持继电保护装置的最低设备数量，有利于减少冗余设备如控制柜、I/0卡件以及模拟量变送器的数量。

4 提升电气系统继电保护综合自动化的具体措施

4.1 设备安装在提升电气系统继电保护综合自动化中的具体措施

4.1.1 安装措施

继电保护装置系统的保护效果最大程度反映了电气系统的安保效果，属于重要设备设施，企业或机构在选择安装模式中应首选DCS模式安装，企业实力雄厚可以考虑FCS模式，应用智能化设备以提升继电保护系统的自动化水平与性能。安装要点在于系统设备每个开关处都要落实安装继电保护器，普及计算机控制方式保证对每个继电保护设备元件的控制与管理，通过信号传输与反馈确定故障位置。小型电气系统中可以考虑采用集控模式或在分控模式中应用集控模式，以减少电力与人力资源浪费，此外要根据企业用电规模与资源配置选择继电保护装置安装模式，或者根据实际生产现场条件进行安排，充分体现智能化设备的应用价值。

4.1.2 调试措施

继电保护装置的系统调试一般采用差动保护极性校验法，设备维护检修人员可通过控制中心计算机对调试数据进行监控和分析。可采用对比法对继电保护装置中主变电流的差流相数据进行横向对比或纵向对比，判断主变压器的差动极性是否合理，也可以通过给主变压器增加一定负荷，通过主变压器的差动极性变化判断继电保护装置是否稳定工作、正常运行。

4.2 设备管理在提升电气系统继电保护综合自动化中的具体措施

4.2.1 报警装置的构建管理

报警装置是继电保护装置实现其维护安全功能的核心装置，对于继电保护装置稳定运营及负载起到安全评估的作用。日常管理中，一定要排除因外部撞击和设备震动产生的误报情况。维护人员和管理人员还要定期检查报警装置内部构件，保持报警装置触动点动作的灵敏度，积极清理内部积灰，检查螺丝的稳固性等。当报警装置发出信号时，应立即检测继电保护装置内的所有设备零部件是否出现焊接部位脱落和绝缘材料的老化等问题。

4.2.2 系统检测核查

继电保护装置的日常维护管理应提高检查力度，包括信息化系统的检测与设备检测两方面，操作人员要对比系统评价与设备实际调试运行之间有无出入，现场总线系统是否真实反应了设备的运行状况与稳定状况，以作为优化系统的形式与依据。在检查设备时，要先明确调试技术与调试方法，并对系统设备进行全方位检测与调试，真实纪录每一次调试记录，对调试运行过程排查出的故障和缺陷做好记录并留存电子文档，及时上传到系统数据库中，实现维修操作人员和现场管理人员之间的信息共享，分享设备维护经验与技术，进一步降低与预防事故概率。

4.2.3 人员维护管理

电力系统维保人员的专业素质对继电保护装置稳定运行至关重要，要正视维保人员系统维护方面的贡献，而不仅仅是继电保护设备出现问题之后的补救[10]。在系统安装工作中，维保人员要按规范接线和调试，保证线路与部件安装牢固，确保系统二次回路的正常稳定工作。在日常检测工作中要对巡视工作认真负责，强化线路连接的稳固性，确保继电保护装置在日常运行中没有出现部件过热和噪音异常等特殊情况，同时在阶段性维保时及时消除设备安全隐患，避免继电保护装置带故障运行。