数字化继电保护在智能变电站中的应用

天津送变电工程公司智能电网调试中心 曹 正

1.数字化变电站关键技术的应用

1.1 基于过程层的分布式母线保护

母线是电力系统的重要元件，母线故障也是电力系统最严重的故障之一。传统集中式母线保护存在二次接线复杂、易受干扰、不易于扩展等缺点，而分布式母线保护面向间隔，具有分散处理能力，是母线保护的主要发展方向。

然而分布式母线保护对数据实时性要求高、数据通信量的要求大，传统的变电站难以满足这些要求。数字化变电站先进的网络技术则为解决这些问题提供了条件。网络化的变电站，采用了分布式的电子式互感器以及合并单元的数据采集模式进行，为了要实现数据采集的同步和各保护之间信息交互与相互配合，需要一个统一且精确的时钟来作为系统的时钟源，并且通过精密的对时技术来实现各个数据采集单元时钟、各个保护装置时钟的准确同步。

1.2 数字化的变压器保护

保证变压器差动保护正确工作的两个关键问题正确识别励磁涌流与故障电流及防止外部短路时暂态不平衡电流造成差动保护误动。励磁涌流中含有较大成分的非周期分量，而电磁式电流互感器不能有效传变非周期分量，从而使二次侧电流所表现的涌流特性有所变化，可能造成保护的误判。利用电子式电流互感器的高保真传变直流和高频分量的特性，根据励磁涌流发生时电流的非周期分量大而故障时非周期分量小的特点，可提出正确区分励磁涌流与故障电流的新判据，从而有效防止变压器差动保护出现误动。

变压器各侧的电磁式电流互感器的暂态特性误差不一致，增大了变压器差动保护的暂态不平衡电流，目前的基本解决办法是通过提高保护的动作电流值（整定值）来防止误动，这必然影响匝间短路时保护的灵敏度。数字化变电站采用电子式互感器后，各侧互感器的二次暂态电流高度一致，将匝间短路的灵敏度提高了10倍以上，显著增加了变压器差动保护的有效性。

1.3 输电线路数字化保护

传统电流互感器的饱和问题一直是引起输电线分相瞬时值纵差保护误动的根本原因，而数字化变电站的纵差保护，其数据取自无饱和的电子式电流互感器，从根本上解决了这一难题。通过分析、比较基于传统电流互感器和电子式电流互感器的比率制动差动保护动作特性，可以得出采用电子式电流互感器的差动保护灵敏性显著提高的结论。

对于数字化的距离保护，采样值来自电子式互感器，不存在铁芯磁饱和问题，保护的起动元件、选相元件以及距离阻抗元件的性能得到提升，动作准确率大大提高。

此外，电磁式电流互感器的饱和对过电流保护，特别是对反时限过流保护的动作时间有较大影响；取决于相角测定的方向过电流保护，也会因为传统电流互感器二次电流波形畸变，影响动作的选择性；过电流保护结构简单，但由于电磁式电流互感器饱和的影响，误动作率也较高。数字化变电站中通过采用无饱和的电子式电流互感器提供采样数据，消除了电流传变程中引入的误差，从根本上改善了保护的动作性能。

1.4 基于电子式互感器的数字化保护接口

常规保护配置方案和采用常规互感器时的保护配置一样，按对象进行配置，如线路的保护、母线的保护、主变的保护、开关的保护等。将原来保护装置内的交流量输入插件替换成数据采集光纤通信接口，I/O接口插件替换为GOOSE的光纤通信接口，我们将对CPU插件的模拟量进行适当的处理、更换为通信接口。将原来的操作插件全都转移到智能操作箱上进行，但保留部分开入做为压板投退，开出的压板投退，取消或转移到该智能操作箱上。对于传统保护系统，电压、电流信号通过电缆从互感器引入到保护装置里进行采样，信号的采样点可以按照保护装置的时钟进行抽取。其采样的过程是一个“主动”的过程，继保装置可以根据自己的需要完全掌握采样的时间间隔，也可以根据A/D采样芯片的配置来设置采样值的数据格式。但是电子式互感器与保护系统采用数字量接口，保护装置变成了“被动”地接收采样值数据。按照IEC61850标准，合并单元的数据采样率与保护装置所要求的采样率往往不等，两者间无法通过简单抽点方式来完成。为了满足继电保护系统对采集数据的要求，就必须解决好合并单元数据采样率与保护装置所要求采样率的配合问题。

通过在电子式互感器数据接口中采用PLL同步锁相技术和基于插值的采样值计算方法，能够实现根据频率测量值实时调整数字接口中的采样频率。该方法可有效地对电子式互感器的数据按要求进行高精度的同步采集，具有较好的实用性。

2.数字化变电站、继电保护产品的技术发展的新特点

（1）随着IEC61850标准的发布以及61850产品的发展，继电保护也将发生一系列的变化，怎么样在新的系统架构技术下实现原来的继电保护的功能，让它保持可靠、稳定是我们继电保护工作者所需要考虑的重要问题。使用数字CT、PT，将会给我们的保护带来重要的变化，保护方案又应该怎么样去适应新的通信结构，保护信号的交换怎么样才能够满足分布式保护的要求等一系列问题，这些都需要我们一一澄清。当继电保护的接口发生变化时，需要在基本原理的基础上，针对不同的接口方法来设计出不同的保护方案，使之能配合新技术能在继电保护中的正常使用。

IEC61850标准所倡导的面向对象的建模思想和嵌套继承的建模体系，为系统建模提供了极大的灵活性。现在，这种灵活性正在被各个保护厂家充分地利用，但是对于用户来讲，这种灵活性如何测试和统一是必须解决的问题。

（2）伴随着时间同步技术的发展，近些年出现了广域相量测量系统（WAMS)，也出现了相应的一些关于广域保护的概念。以时间同步技术做为核心内容的广域测量及保护技术一定会逐渐被用于系统稳定。对于时间同步能力的测试也必将成为非常重要的内容。

（3）保护与自动化功能的紧密融合，在目前的阶段，低压线路的保护已经是做到了控制合一和保护的状态，伴随着61850的使用和技术的成熟发展，控制功能与保护也会慢慢的紧密地结合在一起。在逻辑上可对他以进行区分，但是在物理上将会在同一个装置中出现，因此这样做，其他功能是否会对该保护功能的影响也必将成为我们要去仔细研究的一个好课题。

3.结束语

伴随着数字化变电站发展应运而生的数字化保护，它是一门需要不断发展和完善的技术，它的研究和应用也必须是一个持续、渐进、发展的过程，相信在不久的将来定会呈现出蓬勃发展的景象。数字变电站是当前电力系统研究的热点之一，将会给变电站的运行和管理带来深远的影响，在技术和经济方面都具有重大的意义。本文章的目的在于了解分析数字变电站技术对于变电站自动化系统技术的发展方向的思考，研究数字变电站技术应用的模式和发展前景。

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