智能變電站繼電保護系統(tǒng)可靠性分析

楊曉昕

（廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

1 智能變電站繼電保護系統(tǒng)可靠性的重要意義

電器元件在單位時間內(nèi)、特定的環(huán)境下完成規(guī)定功率，并且不發(fā)生任何故障，這就能夠代表這個元件的可靠性。電網(wǎng)的智能化建設(shè)過程中變電站是最為關(guān)鍵的節(jié)點，繼電保護系統(tǒng)的智能化程度以及運行穩(wěn)定性對于變電站運行的穩(wěn)定程度產(chǎn)生直接的影響[1]。變電站的智能化實現(xiàn)一般通過兩個途徑，信息及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的方式，其中有很多的電子元件及智能設(shè)備，并且所有的元件及設(shè)備都必須安全、穩(wěn)定、可靠。變電站運行的客觀條件、數(shù)據(jù)及環(huán)境因素發(fā)生一定的變化都會影響整個電力系統(tǒng)的運行，繼電保護系統(tǒng)會在故障發(fā)生的第一時間發(fā)揮其隔離的作用，讓整個系統(tǒng)規(guī)避電壓、電流帶來的危害，提升整個系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。所以，繼電保護系統(tǒng)穩(wěn)定性直接關(guān)系到整個電力系統(tǒng)的運行，必須著力于提升其可靠性。

2 智能變電站繼電保護系統(tǒng)

從實用功能的角度出發(fā)，可以將智能變電站分成三個層面，分別是：間隔、過程以及站控層。間隔層利用計量、測控、保護等一些列設(shè)備對本間隔一次設(shè)備進行相關(guān)操作，全面的收集信號并把相關(guān)信息傳輸?shù)秸究貙?；過程層實際上是數(shù)字化接口，對接一次設(shè)備，其中包含很多設(shè)備，例如智能終端、合并單元等；站控層的主要功能是建立與遠端控制中心的聯(lián)系，控制全站一二次設(shè)備?！爸辈芍碧笔钱?dāng)前我國的智能變電站中使用范圍比較廣泛的一種繼電保護模式[3]。繼電保護模式一般可以分為三種，分別是直采直跳變壓器、母線、線路（如圖1-3）。其中傳輸采集信號采用的都是光纜，只有智能終端和斷路器間不是，其采用的是控制電纜。

3 智能電站繼電保護系統(tǒng)可靠性計算

保護智能變電站的有兩個系統(tǒng)，他們之間不具有關(guān)聯(lián)性，互相獨立，冗余通信協(xié)議在兩個系統(tǒng)上都有配備，過程層能夠進行GOOSE 保護跳合閘保護信號以及SV采樣數(shù)據(jù)信息的傳輸，并不發(fā)生任何的信號丟失，很大程度上提升了繼電系統(tǒng)的可靠程度。為了達到保護GOOSE雙網(wǎng)的目的，連接主變壓器智能保護終端、合并單元使用的是組網(wǎng)的形式。這樣的一種方式不但能夠采集變電站系統(tǒng)的開關(guān)量，還能夠完成跳閘保護命令的傳出以及傳輸，SV 網(wǎng)絡(luò)傳送采集數(shù)據(jù)信息是通過IEC 標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議來完成的。

圖1 智能變電站直采直跳變壓器保護系統(tǒng)

圖2 智能變電站直采直跳母線保護系統(tǒng)

圖3 智能變電站直采直跳線路保護系統(tǒng)

通過CPU 控制器等設(shè)備實現(xiàn)對于主變壓器等元件的智能化保護，這樣做不但能夠增強系統(tǒng)安全性，還能夠提升變電站的智能化程度。繼電保護器以采樣及測量作為自己識別和啟動的提示，這樣繼電保護系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性就能夠得到大幅度的提升。通過最小割集和最小路集的不交化控制算法中加入所有電氣元件正常工作概率數(shù)據(jù)參數(shù)，進一步進行計算得到R 主變（t=16P3itP7emP2smP2muP－pr）的可靠性函數(shù)。

函數(shù)里面的Pit 代表變電站智能控制終端概率，Pem代表網(wǎng)絡(luò)通信介質(zhì)概率，Psm 代表交換機設(shè)置概率，Ppr代表繼電保護概率，Pmu 代表合并單元概率。所有概率相關(guān)數(shù)據(jù)均為正常工作條件下的數(shù)據(jù)，將所有的電氣元件故障率代入函數(shù)中，取t 值為50 年，經(jīng)過相應(yīng)的計算得出主變壓器具有09.999 999 911 的保護可靠度。

驗證了可靠性函數(shù)的準(zhǔn)確性也就間接的驗證了最小路徑集法是否合理、是否科學(xué)，將所有可靠性簡化串聯(lián)在一起，并代入式中進行相關(guān)計算。220kV 的供電線路所需繼電保護單元較多，整個體系的結(jié)構(gòu)也龐大且繁雜，部分線路由于其為冗余結(jié)構(gòu)的SV 網(wǎng)絡(luò)的原因，所需的SV 數(shù)據(jù)交換機數(shù)量達到4 臺，而110kV 線路使用的只有2臺，從這一點上可以看出220kV 供電線路的可靠性更強。

4 提高智能變電站繼電保護系統(tǒng)可靠性策略

4.1 提高硬件系統(tǒng)可靠性措施

4.1.1 改用雙A/D 系統(tǒng)加入合并單元

合并單元是整個系統(tǒng)中比較重要的一個環(huán)節(jié)，主要的任務(wù)是采集相關(guān)信息。它的實際應(yīng)用情況對于整個系統(tǒng)造成的影響遠大于別的元件。在相關(guān)的智能化進程中，一個合并單元MU 以及電子式互感器就能夠完成所有信息的收集過程，為了增強這些手機信心的可靠程度，所有的采樣合并單元都應(yīng)該加入兩個A/D 系統(tǒng)，這樣單個合并單元就能夠產(chǎn)生兩個采樣值，讓合并單元擁有更為穩(wěn)定、準(zhǔn)確的采樣值輸出效率，不會發(fā)生采樣信息的錯誤，也就規(guī)避了因此產(chǎn)生的保護失敗問題，很大程度上提升繼保系統(tǒng)的可靠程度[4]。

4.1.2 提高交換機冗余度

在特定位置的交換機對于繼電保護系統(tǒng)起到?jīng)Q定性的作用，是整個系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，一旦發(fā)生失效則會產(chǎn)生巨大的影響。交換機一般來說具有查詢錯誤、物理編碼等作用，對于整個系統(tǒng)的可靠性影響非常大，一旦交換機發(fā)生故障，就會使整個系統(tǒng)癱瘓。為了預(yù)防這種現(xiàn)象的發(fā)生，所有的交換機都必須用雙重化的配置，發(fā)生故障有一定的解決方案，一個交換機發(fā)生故障立刻由另一個頂上，這樣整個環(huán)節(jié)不至于中斷，系統(tǒng)安全性大幅度提升[5]。

4.1.3 提升光纜線路的可靠性

現(xiàn)階段的電信號傳輸方式有了質(zhì)的飛躍，傳統(tǒng)的電纜線路逐漸被現(xiàn)在的光纜所取代，光纜有很多優(yōu)點，但其缺點也比較明顯，其較差的魯棒性導(dǎo)致其比較容易發(fā)生折損，影響信號傳輸效果。所以，在施工的過程中要降低光纜的彎曲度，降低由于折損造成的信號丟失，另外要注意光纜設(shè)施的保護保養(yǎng)以及清潔工作，將阻燃的樹脂槽盒添加在光纜的支架上，這樣能夠大幅度的提升光纜傳輸?shù)姆€(wěn)定性及實際性能。

4.1.4 盡可能采取“直采直跳”技術(shù)

整個系統(tǒng)中如果交換機頻繁出現(xiàn)會增加延時現(xiàn)象的時間長度，一旦出現(xiàn)問題，斷路器無法及時阻斷系統(tǒng)，會產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。為了降低交換機的使用水平，讓系統(tǒng)中的采樣、跳閘等操作能夠快速、穩(wěn)定的運行，繼電保護系統(tǒng)在Q/GDW441-2010《智能變電站繼電保護技術(shù)規(guī)范》中有如下規(guī)定：必須優(yōu)先選擇“直采直跳”技術(shù)，這項技術(shù)不再通過交換機進行網(wǎng)絡(luò)交流，對繼保系統(tǒng)的運行安全穩(wěn)定幫助很大。圖4 展示了其詳細(xì)的結(jié)構(gòu)信息。

圖4 “直采直跳”技術(shù)

4.1.5 采取接地方案增強繼保系統(tǒng)的可靠性

繼電保護系統(tǒng)內(nèi)存在一個等電位體，由每一個裝置的電纜接地線、零線和金屬屏蔽層連接在一起，其主要功能是降低系統(tǒng)中各裝置元件之間的電壓差，電荷通過接地被釋放，保護裝置進一步提高可靠性。

4.1.6 使用防塵、除濕等措施提高智能終端的可靠性

智能終端與斷路器連在一起，通常被安裝在系統(tǒng)的高壓側(cè)，其在不同工作環(huán)境中都能夠穩(wěn)定工作。因此，需要監(jiān)控智能終端的一些指標(biāo)，主要包括溫度、濕度、灰塵等，這項工作需要匯控柜來完成，如此可確保智能終端保持良好狀態(tài)，進而使設(shè)備的可靠性進一步獲得提升。

4.2 提高軟件系統(tǒng)可靠性措施

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷進步，繼電保護系統(tǒng)逐漸開始依賴網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，只有繼電保護系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)的可靠性不斷提高，其運行才能夠一直保持穩(wěn)定。針對如何提高軟件系統(tǒng)的可靠性，進而提高繼電保護系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，提出一些建議如下[4]。

4.2.1 使用插值算法代替時鐘源

所有的智能電子裝置都需要同步對時，對時的信息流都是由同步時鐘源發(fā)出的，傳輸過程是通過光纖完成的，也就是說，所有的智能電子裝置想要正常工作，必須擁有一個準(zhǔn)確的時間信息。采樣的過程假如利用相同時間間隔的插值算法完成，計算的過程也根據(jù)固定的延時系統(tǒng)保護系統(tǒng)，收集數(shù)據(jù)的過程都是統(tǒng)一進行的，在一個時間節(jié)點，通過這樣的操作讓所有電子式互感器在一個時間點完成采樣，就能夠規(guī)避時間不準(zhǔn)確帶來的一系列麻煩，提升繼電保護裝置的安全性。

4.2.2 采取軟件積分增強SV 報文信息的可靠性

通過電子式互感器進行信號采集后將信息發(fā)送到繼電保護系統(tǒng)為SV 報文，SV 報文經(jīng)常使用羅氏線圈（又被稱為羅戈夫斯基線圈、Rogowski 線圈）進行信息輸出，數(shù)據(jù)采集需要經(jīng)過積分過程。積分過程一般包括兩個方面：一方面是軟件積分，主要依靠合并單元；另一方面是硬件積分，主要在數(shù)據(jù)采集器中通過電阻、運算放大器等元件進行實現(xiàn)。二者相比，軟件積分在精度方面更具優(yōu)勢，同時也能夠使數(shù)據(jù)采集器減少功率損耗，因此，SV 報文可靠性的提高可采取軟件積分的方法，進而實現(xiàn)繼電保護系統(tǒng)可靠性的整體提升。

4.2.3 增加GOOSE 報文過程的功能機制

智能終端與保護裝置之間的報文過程為GOOSE 報文，主要包括閉鎖信息、斷路器跳鬧信號、斷路器狀態(tài)及重合閘命令等經(jīng)網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)進行傳輸?shù)囊幌盗袛?shù)字信號，要確保報文可靠性，應(yīng)增加一些功能機制，例如接收報文信息的插件要對組播地址是否正確進行判斷，同時要對GOOSE 報文中的APPID 等傳輸數(shù)據(jù)的正確性進行鑒定，如此才能使斷路器動作保持正確。若經(jīng)過一段時間，系統(tǒng)一直未收到GOOSE 報文，則會有報警信息出現(xiàn)，操作人員通過警報信息便得知報文過程發(fā)生狀況。

5 結(jié)束語

綜上所述，對于電網(wǎng)系統(tǒng)而言，為確保其穩(wěn)定安全運行，繼電保護系統(tǒng)的可靠性顯得尤為重要，許多因素決定著智能變電站繼電保護系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成。所以，在電力行業(yè)中，要采取相應(yīng)的手段來保證繼電保護系統(tǒng)的持續(xù)可靠，這一直都是一項工作重點。本文主要從兩個方面來探討如何開展工作，一方面由光纜線路、交換機、合并單元等幾個硬件結(jié)構(gòu)著手，另一方面軟件分別從三種判別機制、信息流生成等方面深入分析，希望通過上述措施的闡述，為智能變電站繼電保護系統(tǒng)能夠進一步提高可靠性提供參考。