智能变电站继电保护配置的展望和探讨

陶树文

[摘要]在智能变电站中，继电保护设备是智能电网的重要组成部分。在满足灵敏性、速动性、选择性、可靠性的要求下，将其配置分为过程层、变电站层2层。过程层针对一次设备独立的配置主保护，把它下放到一次设备附近，和一次设备合为一体。保护的采样相对独立，可以不依赖全站统一时钟进行采样同步，利用独立的同步数字体系（SDH）系统，通过乒乓算法进行保护间的数据采样同步，元件保护采用分布式的配置，利用独立的通信环进行数据收发，过程层以太网构成冗余；变电站层配置进行集中式后备保护，它所采用的是自适应和在线实时整定技术。

[关键词]智能电网；变电站；电力系统保护；配置；集中保护

[中图分类号]F407.61 [文献标识码]A [文章编号]1672-5158（2013）06-0395-02

随着现代技术的发展，智能变电站的应用逐渐增多。相对于传统的变电站，继电保护引用了许多新技术。与传统变电站相比，智能变电站的采样、跳闸把传统的电缆替换成光缆、把原来传输的模拟量和开关量电信号替换成经过数字编码的光信号，采样回路和跳闸回路得到了较为可靠的实时监视。笔者将对智能变电站继电保护配置进行展望和探讨，以期为同行提供参考。

一、智能变电站继电保护配置

在智能变电站继电保护配置方案中，把变电站设备分为过程层、变电站层独立配置主保护。这里需要区分的情况是一次设备本身就是智能设备，保护设备安装在智能设备的内部；如果是由老的设备改装而成，就要将保护、合并器和测控等功能就近安装于一次设备附近的汇控柜中，这种做法有利于简化设备的运行和维护。采样值和GOOSE都要通过全站统一以太网进行传输，全站统一采用IEEE1588对时，分布式保护间的数据同步并不依赖全站统一对时系统。智能变电站继电保护配置图如（图1）：

这种全站分布式配置方案有利于简化全站保护，使得保护控制等二次设备、被保护的二次设备之间的距离最短，不会发生由于跳闸、采样等通信链路不可靠造成保护功能失效的情况。

二、过程层

过程层继电保护主要配置是快速跳闸的主保护功能，如变压器差动、线路纵联保护和母线差动保护，后备保护功能被转移到变电站层的集中式保护装置当中。下面对具体保护来讨论保护的实现问题。

1、线路保护

过程层的线路保护配置是以纵联差动或纵联距离作为主保护，后备保护放置在集中式保护装置中。对于单断路器方式主接线，线路保护装置主要是通过主保护的光纤通信口和对侧线路保护装置进行通信，从而实现纵联保护的功能。如（图2）所示。

从纵联差动保护原理上来讲，保护装置不需要电压量的引入，但是对于特定的某些运行方式和特殊的保护原理应引入电压量。这时，电压量可以进行独立采样，把它接入主保护通信通道，与电流量共同完成同步采样。如果是同一条线路，2个开关电流也可以独立采样，由主保护通信口完成采样同步调整。

2、变压器保护、电抗器保护和母线保护

变压器保护装置过程层主要采用分布式配置，实现差动保护功能，后备保护采用集中式的安装。非电量保护要单独安装，通过电缆把它引入断路器跳闸中，与此同时，跳闸命令通过光缆引入采样、GOOSE的共同网络上。

电抗器保护和变压器保护的原理是相同的。

变电站内母线保护装置是按分布式设计的，每个间隔内的保护单独实现母线保护的功能，并且只跳本间隔的断路器。失灵保护则由集中保护完成。

3、采样同步方法

变电站内的变压器保护、母线保护可以看成一个多端的线路保护。采用线路保护的同步解决方案可以实现站内保护装置的同步采样。

为了简化设计，采用的是基于乒乓原理的同步技术。乒乓同步技术要求线路两端保护装置必须用相同的采样频率，独立的进行采样，并且要求两端收发的数据在通道中传输的时间必须完全相同。国内采用的基于乒乓原理的同步技术有采样数据修正法、采样时刻调整法2种。

为简化保护装置设计，把保护装置的同步分成3个步骤：

（1）把保护装置向光纤通道的数据发送中断、数据采样中断分开。对于传统保护的装置，二者是同一中断。如果是电子式互感器，数据采样发生在采集部分，数据发送在保护装置部分，可以测得两者的延时。

（2）调整两侧数据发送时刻。可以通过乒乓同步原理，采用采样时刻调整法，将两侧的数据发送中断进行同步，最后做到两侧保护装置发送数据的时刻完全一致。

（3）补偿发送时刻、采样延时。把两侧保护装置的数据发送时刻进行同步后，可以结合下图进行分析。在保护中，将保护定值通过光纤通道，发送到所有保护中，各侧保护装置综合所有的保护定值做相应的延迟，在这个过程中，能够进行数据同步，进行差动保护的计算（图3）。

4、分布式保护间通信

分布式保护通信可采用SDH系统，保护的通信设计成1个通信环。以下图为例，把一侧作为3/2主接线，另一侧作为单断路器主接线的线路保护（图4）。

在这个同步通信环中，主要有两种设计模式。

第一种模式，站内的同步通信只考虑同步用。在这种情况下，对同步通信的带宽要求降低。由于保护的采样值通过以太网传输数据，任何一个装置都可以从网上获取数据。这种模式是同步冗余设置。

第二种模式，除了完成同步功能外，还要进行采样值数据的传输。对一个母线上的最大间隔数需要进行考虑，在1ms内交换所有间隔数据。这种模式具备了数据传输、同步双重冗余的特性。

同步机制能够固定一个保护为主机，其他的保护顺次和它进行发送中断的同步。

3、变电站层继电保护

变电站层配置的是集中式后备保护，全站所有电压等级进行集中配置，集中式后备保护所采用的技术是自适应、在线实时自整定技术，还具备广域保护的接口，可以实现广域保护的功能，即双重化配置。

后备保护系统可以为本变电站元件提供近后备、开关失灵保护的功能，同时为相邻的变电站元件提供远后备保护的功能。因此，每个变电站的保护范围都分为两个部分：一个是远后备保护范围，主要包括直接出线的对端母线和与对端母线所连的所有线路；另一个是近后备保护范围，主要包括该变电站内所有母线以及直接出线。

独立的后备保护系统对本变电站元件的断路器状态信息、电压和电流信息、主保护动作信号进行采集，并对相邻变电站元件的断路器状态信息、故障方向信息和主保护动作信号进行接收。根据实时的信息，判别在远后备范围内元件的故障，同时做出最佳的跳闸策略。

此外，结合离线定值整定算法，根据运行方式的不同，可以预先确定几套定值整定方案。根据实时的电网参数，站内的集中保护装置确定系统运行在某种运行方式后，同时保护相应切换到预先设定的那一套定值区，这样可以优化保护动作性能。

对低频/低压减载、过负荷联切、备用自投装置等自动装置功能也可以进行集成。

4、结束语

笔者通过分析智能变电站特点，提出这样的全站保护配置方案：两层结构一层网络。将传统线路、母线保护、变压器进行统一设计，根据分布式保护的形式把它安装到智能一次设备中，大大简化保护类型，简化了保护运行维护的工作。与此同时，提出全站集中保护装置不必按照电压等级分开，全站集中配置，实现全站保护的配合。

参考文献

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[2]谭志杰，智能变电站继电保护配置的展望和探讨[J]，经营管理者，2012（12）

[3]夏勇军，陈宏，陶骞，胡刚，110kV智能变电站的继电保护配置[J]，湖北电力，2010（12）