智能变电站继电保护系统可靠性分析

2021-12-10李文亮

电气传动自动化 2021年5期

李文亮

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京 211111）

在智能变电站系统中，会运用光纤材料作为信号和数据传输的介质。使用一些集成化较高、损耗较低的电子元件和设备，可以有效降低能源消耗，提高资源利用率，减少对周围环境影响，并实现节能环保效益。变电站实际运行状况对整个电网系统有较大影响，所以要加强对其的维护和检修，对其继电保护系统的可靠性及影响因素应进行详细地分析和研究，从而制定对应的运行和维护方案，以提高系统运行质量和安全。但必须先了解继电保护系统的结构组成和其运行特点及规律，然后采用科学的方案进行检测。

1 智能变电站系统结构

主要包括三个方面的内容：间隔层、过程层和站控层。过程层是对系统运行电气量的采样和信息收集，对各个设备运行的实际状况进行动态监测，同时执行命令。间隔层包括保护、监测和自动化装置等，对过程层各间隔的运行数据进行汇总、计算和分析，并下达指令，起着承上启下的作用。站控层主要是有关主机、通信分析和操作等，并依据传递的不同信息进行数据的及时更新，然后将信息传送给主控室和调度系统，能够对站内的详细情况进行监测，还可以实现人机联系等功能［1］。智能变电站系统结构示意图如图1所示。

图1 智能变电站系统结构

2 对继电保护系统可靠性研究的重要意义

系统的可靠性是指在特定时间和运行环境下，有关继电保护装置不出现故障和问题，能够正常完成相应的工作。对于智能变电站系统来说，当保护装置出现问题时，就会影响系统运行的安全和质量。本文主要是运用信息化技术和网络技术对变电站相关设备进行有效地控制和调节，以此来保证系统运行的可靠性和稳定性，从而减少对设备的影响，进而满足用电需求［2］。

3 变电站继电保护系统的组成

3.1 交换机

该设备是通信网路系统的重要设备，在进行数据传送时，为了保证传递的及时性和准确性，应围绕交换机建立一个对应的较强网路系统，其与传统的信息传递不同，以前的保护系统都是围绕电缆接线而建的，而在新的网络系统中，应加强对交换机的维护及地址网络构建。通过局域网可将信息进行及时准确传递，从而保证设备运行效率。

3.2 合并单元

它主要是利用电子互感设备将输出的电流和电压信号合并，进行采样信息和数据传送，并且和互感设备接口相连接，保证互感传递的质量，主要有间隔和母线合并单元两种。这种处理方法，可以有效简化系统运行，提高工作效率，还能够实现数据的共享。此外，通过信息和数据的合并，实现了以特殊的格式传送给保护装置，并且运用信息收集过程实现了传递［3］。

3.3 电子互感设备

主要是和传输系统以及二次转换设备之间相连接的单个或者多个电流、电压传感器。将检测和收集到的数据传递给继电保护装置，依据能否向传感头提供对应电源，可以将其分为无源型和有源型两种，后者的重量和体积都较小，因而可以减少占用体积。

3.4 同步时钟

在智能变电站系统中进行信息和数据的传递，需要同步时钟装置来保证运行的时效和准确性。比如在系统的运行中，对于不同事件的记录顺序、故障和数据分析，可以利用时钟的设定来进行操作、判断和控制。此外，还能够对电网暂态过程中的保护装置、电流电压图形及断路器等发生问题时的时间顺序进行有效排列，从而为故障检测和维修提供科学的依据［4］。

3.5 智能化终端

它属于嵌入式的计算机系统设备，主要分为硬件和软件两个部分。对开关量和信息的收集以及断路器的控制，智能终端随断路器发展而发展。在以往的工作中，对于断路器的检测和维修，主要是通过预防性试验和定期维护和检修方式来进行，而智能终端就可以利用断路器内部各个零件的运行温度、状态等进行全面地检测，并且结合收集到的数据分析，来判断具体的运行情况。在智能变电站系统中，利用该设备来接受保护装置传送的跳闸和关闭命令，对断路器进行科学控制，还可将收集到的信息传递给总的控制中心，以便及时地了解断路器的实际运行状况。

4 智能保护系统的运行特点

4.1 信息运用

在智能变电站系统中，会利用智能化技术来收集全方位的信息和数据，并且结合系统装置和设备运行，来实现新的有效传递和共享，并且利用这些数据进行分析和研究，获得准确的判断依据，并对系统中的二次回路接线进行优化，从而提高系统运行的可靠性。

4.2 数据收集

主要是利用电子互感器和光学设备对系统运行中的电流和电压数据进行收集，在完成后及时地将数据传送给合并单元进行统一处理，并结合通信网络实现系统电气隔离，从而达到保护的目的。将计算机和网络技术相结合，可以提高系统运行的安全性和工作效率［5］。

5 提高智能变电系统可靠性的方法

5.1 继电保护可靠性评价依据

可靠性的依据主要包含三个方面的内容：可靠程度、实用性、平均失效时间。可靠度是在一定的时间和环境下，运行可达到的程度。实用性是在出现系统故障和问题时，其自身的修复功能等。平均失效时间是稳定系统再次发生故障的时间。可依据这几个内容来判断继电保护系统的可靠性［6］。

5.2 具体的应对方法

5.2.1 继电保护结构形式

（1）直采直跳

主要对于单间隔设置，在保护装置和智能终端中使用点对点的光纤，进行设备信息收集，进行直接跳闸。主要运用于对监测和控制信号、数据以及具体位置等实现网络共享，其运行的特点表现为连接较为可靠，且稳定性好，但是光纤数量较多，因连接多而不适合二次扩展。

（2）网采直跳

主要适合单元内部相关数据经过光纤传递给交换机，再利用网络划分与交换机连接，然后将其输出到对应的保护装置中。网采直跳示意图如图2所示。

图2 网采直跳示意图

（3）网采网跳

主要是保护系统中相关信息和数据的收集，跳闸都是利用网络来实现。运用组网方式进行，不但有着很好的扩展性能，而且可以节约成本，减少接口，但是需要和同步时钟进行综合运用。交换机网络不稳定对于信息采样和跳闸控制有较大影响。

（4）直采网跳

运用点对点的方式进行保护，可以保证收集信息的准确和可靠性，节省开支，但是扩展性不好。

5.2.2 可靠性分析研究

（1）保护实施方案

220kV的保护装置中，采用的是双重话配置方案，合并单元和保护系统运用的都是直采方式，而智能终端保护采用的是直跳方法，在跨间隔信息采样和收集中，通过网络来实现。如图3所示为主变保护和智能终端系统框图。

图3 主变保护和智能终端系统框图

（2）提升系统可靠性研究

①系统冗余设计

主要从两个方面进行设计和研究。一是运用交换机太网收集到的数据进行连接，来进行实时的动态监测，以便及时地了解变电站运行的情况。二是根据整体系统的总线、环形以及星型结构特点，进行科学利用。对于总线来说接线可以相对减少，但是长度要求较高，在环路上的任意点都有一定的冗余，但是对系统的重构有较大影响。星型结构的可靠性不强，应结合变电站系统的具体情况进行冗余的合理优化。

②线路保护

线路对于电力系统中不同电压间隔可以进行有效地控制，为了保证线路运行安全和稳定，必须安装保护装置，可以采用背后和集中方法进行，要结合实际情况来决定，但要注意的是要确保装置安装后能够满足监测和通信等功能。具体的是运用点对点的方式进行，将保护装置放在对应线路上，获得对应的电流和电压，可以用来检查母线合并单元的继电保护。

③变压器保护

变压器对于系统安全稳定运行质量有很大影响，尤其是具体的电压参数要和电网系统一致，才能保证系统的正常运行。但是在高负荷的运行下，会导致设备的快速损耗，因而可以在变压器突出部位安装保护系统，可以采用分布配置方法进行，加强对变压器后备保护，使得电缆和断路器进行有效连接，从而实现继电保护［8］。

④电压延时过电保护

主要是在遇到一些特殊情况时，比如雷电的影响会导致电流和电压快速变化，造成超负荷和短路问题。尤其是在变电站运行出现故障时，会影响保护装置的运行效率和质量。针对这种情况，可以采用电压限定措施控制日常用电，并在系统线路电流量超过一定标准时自动启用保护装置并发出预警提示。

（3）可靠性分析

①评价参数选择

根据保护系统可靠性原理分析可知，对一些元件故障信息进行分析和研究，是开展评价的基础条件。在整体的电网中，一次和二次设备的检修和维护有着明确的规定和要求。其中可以修复的元件，可以将稳定状况下的检修数据作为常数，并且结合长时间的数据和信息收集进行统一分析和研究，可以对智变电站系统中的组成部分，比如合并单元、交换机和终端设备等，具体故障和运行参数进行科学选择。同时对稳定状态下运行数据进行收集和记录［7］。

②框图法

对于继电保护系统中元件较少的情况，可以采用该方法进行计算，结合系统结构绘制对应的框图，来展示元件和系统运行状态的关系，再运用对应的公式计算得出准确的数据。比如在多个独立分布的元件系统结构中，可以认定为每个维修和监测点都有其独立性。当两个不同的元件进行并联运行时，其中一个出现问题，就会影响到另一个。而将两个元件设置为拒动状态时，可以根据它们各自运行的实际情况，进行信息和数据的收集，再进行分析和研究。然后根据结果进行确定，和以往的变电站系统相比，新的系统中增加了一些设备，运行的可靠性有所降低。直采直跳模式下的系统运行，线路保护较好，而且连接和操作较简单，在共网运行下，对系统的影响相对较小。