数字化变电站继电保护技术研究

丘雪娇

摘 要：智能电网下数字化变电站的不断增多，不仅改变了我国电网的格局，也给数字化平台下继电保护技术的研究带来了新的机遇和挑战。与传统的继电保护设备相比，新型数字化装置具有更强的互操作性，实现了硬件配置模块化、通信功能网络化、装置性能简单化、装置软件元件化。文章结合工作实践，简介了数字化变电站及其构成，并重点讨论了数字化环境下的继电保护技术，与广大同行共享和交流。

关键词：数字化；变电站；继电保护；技术研究

中图分类号：TM63 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）23-0089-02

随着我国电网朝着智能化、自动化、自愈化方向发展，在智能电网发展的浪潮推动下，数字化变电站在我国不断兴起。并带动了电网继电保护领域技术的不断革新，光电转换技术、网络通讯技术、微电网技术、智能开关技术迅速发展。

1 数字化变电站及其构成

数字化变电站是伴随智能电网建设而出现的一个概念，是与传统变电站相对而言的。数字化变电站在信息采集、传输、处理、输出过程中，能够实现全部数字化，其基本特征为设备智能化、通信网络化、模型和通信协议统一化、运行管理自动化。

随着国家大力投入智能电网建设，数字化变电站在我国如雨后春笋般出现。以福建省为例，自2009年，第一座福建先农220 kV数字化变电站开工建设以来，截止2013年，福建已经建成了12座数字化变电站，涵盖110～500 kV各个电压等级。

与传统的变电站相比，数字化变电站具有明显的优势，更加适用于智能电网的发展。数字化变电站基于IEC 61850标准，具有以下特点和优势：

①采用IEC 61850国际标准通信协议，电网内设备能够共享统一的信息平台，从而简化了信息传输通道，提高了信号传输的可靠性和兼容性，提升了设备间的互操作性。

②大量使用非常规电流/电压互感器和智能开关设备，如光电互感器和电子式互感器、智能断路器等，实现了模拟量采样的数字化、一次设备的智能化，从而提升了采样的精度，降低了变电站整体设计、建设和运行的成本。

③大量使用光缆取代电缆，进一步提高自动化和管理水平，传统的电缆采用电信号传输，二次回路接线完成后，需要进行繁琐的查线工作，而非常规互感器的使用，使得数据的传输具有标记和自纠正功能，数据传输更加便捷，不仅降低了接线难度和工作量，而且避免电缆带来的电磁兼容、传输过电压和两点接地等问题，减少了变电站生命周期成本。

如图1为传统变电站与数字化变电站站结构图的对比。

与传统变电站相比较，同样分为站控层、间隔层和过程层，数字化变电站的差异主要体现在过程层的实现技术上，由图1可见，数字化变电站的过程层使用电子式互感器代替了传统互感器，智能一次设备代替了传统一次设备，并增加了智能断路器MU单元，且设备之间使用光缆通信。

2 数字化变电站的继电保护技术研究

数字化变电站的技术革新集中体现在一次设备的智能化和二次设备的网络化，变电站的继电保护技术也发生了巨大的变化，集中体现在以下几个方面。

2.1 硬件配置模块化

与传统的继电保护保护装置相比，数字化保护的硬件性能大大简化。传统的微机保护集状态信号采集、模拟量采样和测量、保护逻辑处理、出口跳闸功能于一体，因而，装置硬件包括电源模块、CPU模块、交流采样模块、开入开出模块以及装置箱体等，基于保护设备的类型、特性、保护范围不同，所需要进行的硬件配置和板卡数量也不同，难以实现数据采集和处理的模块化。

由于数字化保护采用了电子式或光电互感器来代替常规的CT和PT，所以不再需要模拟量输入、采样保持、A/D转换等环节，保护配置更加简单。由新型互感器和合并单元来实现传统保护装置的数据采集和处理功能，智能操作箱来完成相应的跳合闸功能，因而，数字化保护仅需要电源模块和CPU模块以及装置箱体，即可完成保护功能，且在统一的硬件平台下，能够实现高度的标准化和模块化，有利于装置设计成本的降低，也简化了数字化变电站的维护工作量。

2.2 通信功能网络化

此外，数字化保护在通信方面具有比传统保护更强大的功能，基于数字化变电站全站统一的数据平台和GOOSE通信技术，数字化保护使用合并单元，具有更强的实时性和共享性。过程层的智能操作机构和合并单元采集的数据，可以实现全站所有设备共享，极大的提升了数据传输和处理的效率。例如，对于间隔配置较多的变电站母线保护，传统保护需要配置和增加CT/PT来完成数据采集，而数字化母线保护只需要接收由过程层传送的采样数据和开关量信息，并通过GOOSE网络发送到相关处理单元，经CPU处理后，即可实现相应的告警、跳闸等功能。

随着装置通信网络化的实现，以及通讯技术的提升，应用于更大规模变电站保护的站域保护和网络化保护也得到进一步发展，充分利用通信网络化的优势，结合网络化和数字化的研究成果，形成全站数据有机统一和实时共享，进行智能化分析和状态输出。

2.3 装置性能简单化

数字化保护的装置性能也比传统保护得到极大的扩充，传统继电保护设备的测量、录波、开关状态监视等功能的实现更加简单，都可以在数字化保护的内部实现。基于新型互感器的使用，使得传统保护面对的电流互感器饱和、传变特性变差、互感器断线等问题不再存在，保护装置不再需要针对断线和饱和设置相应的闭锁逻辑，不仅省略了保护内部程序处理，现场也无需对这些逻辑再进行校验，有利于保护原理的改善和新判据的研究。

2.4 装置软件元件化

数字化保护装置软件元件化的优势在中低压领域体现尤为明显，高压保护准入门槛较高，继电保护技术相对成熟，而中低压领域的继电保护产品往往具有较多的工程需求变化，且设备制造厂家相对较多，经常需要进行频繁的程序修改，对传统保护来说，程序的升级和维护的过程难免带来风险，由于程序的不同模块可能由不同人员来研究，难以进行有效的统一管理，且程序每次升级后要重新进行封装，所以，每次程序的更改或升级也给装置的可靠性带来影响。

在数字化环境下，可以进行软件的元件化处理，通过高级语言，将保护功能进行合理封装，形成众多的模块黑匣子，再组成保护功能元件库，通过开放的标准元件库的提取和组装，既有利于提升装置对现场的适应能力，降低了新产品开发和升级中更换程序可能带来的不确定因素，也有利于设备的互操作性实现，在较为统一的软件平台下，与其他厂家的设备增强兼容性和互操作性。

此外，随着电网技术的发展，更多新型的继电保护技术，如数字化变电站继电保护测试仪、全数字变电站动态仿真系统、先进的自动控制、状态预测、神经网络和人工智能等，篇幅所限，在此不再赘述。

3 结 语

智能电网的发展为数字化变电站提供了广阔的应用空间，带来了继电保护装置外部环境的变革，电网的继电保护技术必将由“保护装置”时代向“保护系统”时代转变，一次与二次设备逐渐融合，新的发展形势下，如何有效提升继电保护的动作性能，实现保护技术的飞跃，是广大电网继电保护工作人员面临的新命题和新挑战。

参考文献：

[1] 李仲青，周泽昕，黄毅，等.数字化变电站继电保护适应性研究[J].电网技术，2011，（5）.

[3] 刘成君，张恺凯.数字化变电站及其对继电保护的影响[J].电工电气，2010，（4）.