浙江电网220 kV及以上交流保护十年运行状况综述

裘愉涛，凌 光，王 一，柯人观，陈伟华

（1.国网浙江省电力公司，杭州 310007；2.国网浙江省电力公司绍兴供电公司，浙江 绍兴 312000；3.国网浙江省电力公司检修分公司，杭州 311232；4.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014；5.国网浙江省电力公司台州供电公司，浙江 台州 318000）

综 述

浙江电网220 kV及以上交流保护十年运行状况综述

裘愉涛1，凌 光2，王 一3，柯人观4，陈伟华5

（1.国网浙江省电力公司，杭州 310007；2.国网浙江省电力公司绍兴供电公司，浙江 绍兴 312000；3.国网浙江省电力公司检修分公司，杭州 311232；4.国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014；5.国网浙江省电力公司台州供电公司，浙江 台州 318000）

通过分析继电保护装备水平、运行水平和缺陷情况，总结了浙江电网最近十年（2007—2016）在继电保护领域的发展情况。详细阐述了十年间220 kV及以上继电保护装备微机化率、双重化率、国产化率和光纤化率的发展情况，并对新出现的智能变电站辅助设备进行了统计分析，综合展示了装备水平的发展；分析了十年间220 kV及以上主网和发电厂保护的动作情况、一次设备故障情况和保护不正确动作原因；对十年间继电保护的缺陷类型、原因和部位进行了统计分析；最后，针对浙江电网近十年继电保护存在的问题及面临的挑战，提出了今后发展建议。

浙江电网；继电保护；智能变电站；运行分析；缺陷分析

0 引言

2007—2016年，浙江电网规模日益扩大，220 kV及以上变电站和线路数量均增长1倍。随着特高压交直流工程相继投产，浙江电网网架结构日趋复杂，目前已形成了以交直流特高压网架为支撑，500 kV电网为主干，220 kV电网为基础，110 kV及以下电网为补充的网架结构合理、交直流互备、水火电互济的电网[1，2]。2016年，浙江的总用电量达到3 873.19亿kWh，是2007年的1.76倍，创历史新高；但需求增长有所放缓，电力供应整体较为宽裕[3]。

继电保护作为电网安全稳定运行的第一道防线，十年间取得了长足发展。继电保护装置微机化率、双重化率、国产化率和220 kV及以上线路保护光纤化率（以下简称“四率”）稳步提升。十年间，浙江电网继电保护维持在较高的运行水平，整体正确动作率达到99.99%，主网安全自动装置和故障录波器动作正确率达到100%。以智能变电站为代表的新技术也取得了长足进步，目前已形成相对稳定成熟的智能变电站工程应用模式[4-6]。截至2016年底，浙江电网共建成投运各电压等级智能变电站269座，其中220 kV及以上变电站66座。标准化建设和专业管理也不断加强，十年间发布并落实了以“六统一”为代表的多项技术标准[7-9]，开展了状态检修、首检式验收和精益化评价等多项专业管理举措[10-11]，建成了故障信息管理系统和继电保护定值在线校核系统[12]，继电保护全过程标准化管理体系和支撑手段日趋完善。然而，随着特高压交直流的快速发展，电网特性呈现出诸多新特点，对运行控制提出更高要求，继电保护也面临新的挑战。

以下重点针对2007—2016年浙江电网220 kV及以上继电保护设备及其运行情况进行分析总结，通过翔实的数据反映十年来继电保护装备水平和运行水平的变化，并对继电保护装置的缺陷情况进行统计分析，为继电保护运行、管理和维护水平的提升以及发展方向的决策提供数据支撑和历史参考。

1 继电保护装备水平分析

随着电网一次设备的增加，继电保护设备数量快速增长，十年间浙江电网220 kV及以上保护设备数量变化如图1所示。截至2016年底，浙江电网220 kV及以上系统继电保护及安全自动装置、故障录波装置共有12 292台（不含500 kV发电厂及非电量保护），是2007年的1.73倍。同时，继电保护装置“四率”也稳步提高，其中微机化率和双重化率均已达到100%。伴随着国产化率的持续提高，国内继电保护市场格局在十年内也发生了显著变化，国内主流厂家占据了大部分市场份额。另外，智能变电站在这十年中的快速发展，使得合并单元、智能终端等新设备数量也逐年增长。

图1 2007—2016年浙江电网220 kV及以上继电保护设备数量

1.1 继电保护装置“四率”统计

继电保护装置的“四率”是继电保护装备水平的综合体现。浙江电网220 kV及以上电压等级系统继电保护装置微机化率和双重化率分别于2014年和2015年完成“十二五”目标，达到100%，国产化率已达93.63%，线路保护光纤化率达到82.86%，继电保护装备水平得到了持续发展。

（1）微机化率

与传统的电磁型、集成电路型保护相比，微机保护具有平台统一、可进行自检、动作定值整定灵活等诸多优点[13]。十年来220 kV及以上继电保护装置微机化率发展情况如图2所示，2014年后微机化率均保持在100%，较2007年提高了4.48%。其中，线路保护装置微机化率在2007年已达到100%，变压器保护和母线保护分别在2013年和2014年实现了微机化率100%，分别比2007年提高7.19%和11.79%。

图2 2007—2016年浙江电网220 kV及以上继电保护装置微机化率

（2）双重化率

为确保继电保护的可靠性，220 kV及以上保护装置均应采用双重化配置[14]。浙江电网于2015年就实现了220 kV及以上电压等级系统继电保护双重化率100%的目标，比2007年提高11.87%（如图3所示）。其中，线路保护从2007年开始已实现双重化率100%，变压器保护和母线保护分别在2010年和2015年实现了双重化率100%，分别比2007年提高8.38%和72.5%。

图3 2007—2016年浙江电网220 kV及以上继电保护装置双重化率

（3）光纤化率

线路纵联保护通常分为光纤差动保护和高频保护，均需要借助通道来实现两侧信息的交换，从而实现全线速动。光纤通道相比于高频通道，具有衰耗低、不受电磁干扰和中间环节少等优点，近年来得到了大规模推广。目前新建线路保护基本采用光纤通道，现存的高频保护也正逐步改造成光纤差动保护。十年来浙江电网220 kV及以上线路光纤化率发展情况如图4所示。截至2016年底，浙江电网220 kV及以上系统线路共有纵联保护4 159套，保护光纤化率达到82.86%，较2007年提高了41.96%。其中，1 000 kV系统线路保护光纤化率自投运以来一直保持在100%；500 kV和220 kV系统线路保护光纤化率分别为98.72%和80.30%，比2007年分别提高8.22%和41.96%。

图4 2007—2016年线路保护光纤化率

（4）国产化率

在500 kV超高压电网建设初期，进口保护装置起到了重要作用。随着国产保护装置的日趋成熟，与进口装置相比，国产继电保护装置的设计理念更贴近我国电网的发展现状和运行要求，产品性价比及售后服务都占有优势。2007—2016年浙江电网220 kV及以上保护装置国产化率发展情况如图5所示。截至2016年底，共有国产继电保护装置10 401台，国产化率达到了93.63%，比2007年提高19.71%。各类保护的国产化率在十年内均稳步提升，如表1所示。

图5 2007—2016年继电保护国产化率

表1 统计年份典型保护装置国产化率%

1.2 继电保护设备厂家分布

2007—2016年，在220 kV及以上电压等级继电保护市场中，国内外厂家的市场份额都在发生变化，一个典型的特征是国内厂家的市场份额呈整体上升趋势（如图6所示）。

图6 2007—2016年各继电保护制造厂家市场占有率

近年来，国产保护在电网中得到广泛应用，并占据主导地位。所有新投运保护装置均采用国产保护，继电保护装置的国产化率逐年稳步提高。截至2016年底，浙江电网220 kV及以上继电保护装置中，国产保护总的市场占有率为93.63%。特别是南瑞继保、北京四方、国电南自这3家制造厂家的市场占有率牢牢占据前三甲，3个厂家的装置总市场份额达到了80%，图7所示为2016年国内继电保护厂家的市场份额。

图7 2016年国内继电保护厂家市场份额

1.3 智能变电站辅助设备情况

2007年以来，浙江电网智能变电站经历了试点建设、总结经验及全面推广建设的发展历程。截至2016年底，浙江共建成智能变电站270座，其中500 kV智能变电站11座，220 kV智能变电站56座，110 kV智能变电站203座。随着智能变电站的大规模投运，合并单元、智能终端、合并单元智能终端集成装置（简称“合智一体”装置）、过程层交换机等智能辅助设备数量也成倍增加。截至2016年底，浙江电网220 kV及以上电压等级智能变电站辅助设备共有4 522台，是2013年的13.11倍，如图8所示。

图8 220 kV及以上智能辅助设备数量

进一步对各电压等级智能变电站辅助设备进行统计，截至2016年底，浙江电网共有10 959台智能辅助设备，具体分布如表2所示。由表可知，“合智一体”装置应用并不多，且主要应用于110 kV及以下电压等级系统中。这些设备在常规变电站中是没有的，也在一定程度上增加了智能变电站运维的工作量。

表2 各电压等级智能辅助设备统计台

2 继电保护运行水平分析

2.1 主网保护动作情况分析

继电保护装置正确动作率是评价继电保护装置运行符合预定功能和动作要求程度的综合性能指标，也是保证系统稳定运行的重要指标。2007—2016年，浙江电网交流系统220 kV及以上电压等级各类继电保护装置共动作14 415次，不正确动作1次，总体正确动作率为99.99%；2016年，浙江电网交流系统220 kV及以上电压等级继电保护装置正确动作率为100%。

在220 kV及以上系统中，十年内整体动作率最高的是220 kV和1 000 kV，自2007年以来未发生过不正确动作。500 kV十年整体动作率为99.98%，仅在2015年发生1起不正确动作。十年间，220 kV及以上电压等级系统的线路保护、母线保护、变压器保护及发电机保护的动作次数累计达到13 327次，占全部保护动作次数的92.45%，四类保护的综合正确动作率达到99.99%，比上一个十年提高了0.89%。

2.2 故障切除及重合情况分析

在一次设备的故障中，线路因其分布广、运行环境恶劣导致故障次数较多。据统计，十年内220 kV及以上系统共发生线路故障1 739次，占故障总数的98%以上。线路故障分为单相接地、相间短路、两相接地、三相短路和同杆双回线跨线短路等故障，其中单相接地故障较多，占线路故障总数的87.64%，如图9所示。

电网快速故障切除率，是指电力系统一次设备故障被主保护动作，使设备各相关断路器快速正确断开隔离（消除故障）的百分率，这也是评价电网安全稳定运行能力的综合性指标之一。2007—2016年，浙江电网220 kV及以上系统故障的快速切除率保持在99.90%，比上一个十年提高了1.14%。

图9 2007—2016年线路故障类型分布

通过重合闸来快速恢复瞬时故障下的再次供电，是提高供电可靠性的有效措施。浙江电网除部分送终端线路采用特殊重合闸方式外，其余220 kV及以上线路均采用单相或三相重合闸方式。2007—2016年浙江电网220 kV及以上单相/三相重合闸正确率保持在100%，比上一个十年提高了0.58%。然而，由于存在重合于永久性故障、单重方式下发生多相故障、断路器拒合等原因，致使重合闸成功率并非100%，其中重合于永久性故障为主要原因，占所有不成功重合案例的98%。2007—2016年，220 kV及以上线路重合闸成功率为92.3%，如图10所示。

图10 2007—2016年线路重合闸成功率

2.3 发电厂保护动作情况分析

2008—2016年（2007年数据缺失），浙江省发电厂保护正确动作率见图11。浙江省发电厂保护的整体正确动作率为98.93%，平均每年误动2.44次，对电网运行造成了安全压力。发电厂的继电保护可以分为线路保护和发变组/厂用电保护，九年间，220 kV及以上线路保护的整体正确动作率达到99.81%，高于平均动作水平；而发变组/厂用电保护的动作正确率相对较低，整体正确动作率为97.53%，有待进一步提高。

图11 2008—2016年发电厂保护正确动作率

由图11可知，除了2013年，其余年份均有不正确动作事件发生。为提高电网的安全运行水平，需对历年继电保护不正确动作情况进行分析，图12给出了发电厂保护不正确动作的原因统计。

图12 发电厂保护不正确动作原因统计

根据上述统计分析可知，因装置本身和二次电缆本身绝缘水平而导致的保护不正确动作事件占比接近1/2，因此要进一步严把设备入网关，确保产品质量。另一方面，由于安装、调试和运维检修的疏忽而导致的事故超过1/3，因而要加强现场安全作业管理，确保工程的安全可靠。此外，由于误整定也导致了3起不正确动作事件，相关管理部门要吸取教训，加强整定管理，杜绝此类事件再次发生。

3 继电保护设备缺陷情况分析

2007—2016年装置缺陷率保持较低水平，220 kV及以上系统继电保护设备的平均缺陷率为1.255次/（百台·年）。虽然制造水平逐年提高，但随着设备运行年限的增加，缺陷率下降并不明显。2012—2016年，智能变电站保护及相关设备平均缺陷率为1.901次/（百台·年），较同期常规站保护设备缺陷率高62.90%。智能变电站技术复杂，对人员技术要求高，现场专业人员短期内难以全面掌握相关技术，智能变电站消缺工作严重依赖厂家，导致消缺时间长，存在安全隐患，智能变电站二次设备五年平均消缺时间为22.373 h/次，较同期常规站高23.5%。

3.1 缺陷分布情况

保护缺陷按其严重程度可分为危急缺陷、严重缺陷及一般缺陷。其中，危急缺陷指保护设备发生了直接威胁装置安全运行并需立即处理的缺陷，否则随时可能造成保护误动等事故，要求24 h内完成消缺；严重缺陷指对保护设备有严重威胁，暂时尚能坚持运行但需尽快处理的缺陷，要求72 h内完成消缺；一般缺陷指除上述危急、严重缺陷以外的设备缺陷，属于性质一般，情况较轻，对安全运行影响不大的缺陷，要求1个月内完成消缺[15-16]。十年来，浙江省电力公司220 kV及以上电压等级系统继电保护设备各类缺陷分布如图13所示。

图13 2007—2016年继电保护设备缺陷分布

不同运行年限继电保护设备的平均缺陷率也不同。据统计，投运1年的保护设备平均缺陷率较高，投运2～5年的保护设备平均缺陷率呈下降趋势，运行6～10年的保护设备比较稳定，运行11年以后的保护设备进入缺陷多发期，发生故障的几率也增加。当前，老旧设备超寿命服役现象日渐突出，特别是近五年来运行年限超过10年的保护设备快速增加，图14为220 kV及以上老旧保护设备占比情况。由于运行10年以上保护设备的缺陷率会上升，老旧设备改造的任务在未来几年内将十分艰巨。

3.2 缺陷原因分析

对十年来导致220 kV及以上继电保护设备缺陷的原因进行统计分析，发现缺陷原因主要包括：制造质量不良、非人为原因、运行维护不良等，如图15所示。可见，制造质量不良是造成继电保护设备缺陷的最主要原因，因此要严把设备的检测和入网关。

图14 运行10年以上保护设备占比情况

图15 继电保护缺陷原因分布

按继电保护系统缺陷发生的部位，可以进一步分为装置本体缺陷、通道及加工设备缺陷、二次回路及辅助继电器缺陷、故障录波缺陷和其他缺陷。浙江电网2007—2016年继电保护系统各类缺陷分布如图16所示，可以看出装置本体、通道加工设备和故障录波是主要的缺陷部位，据此，可以有针对性地开展消除和预防工作。

图16 继电保护缺陷部位占比分布

4 结语

2007—2016年，随着装备制造水平的提高和专业管理力度的加强，浙江电网继电保护的装备水平和运行水平取得了较大发展，智能变电站技术也取得了长足进步。然而，新的电网特性给继电保护带来了新的挑战，在设备运行维护和新技术探索过程中，也暴露出一些问题，主要表现为：

（1）传统交流保护难以满足当前电网新需求。在交直流混联电网中，交流侧的故障易引起直流侧的换相失败，进而导致直流双极闭锁，产生较大功率冲击并影响电网安全稳定。主保护拒动、开关失灵或死区故障，都将造成故障切除时间延长，从而引发直流闭锁的风险。

（2）智能变电站继电保护技术有待提升。当前工程应用模式下，继电保护中间环节增多，降低了保护的速动性；合并单元单一故障容易引发多套保护不正确动作，降低了保护的可靠性。另外，智能变电站的运维检修难度增大，工程文件的管控也不尽规范。

（3）继电保护支撑手段不足。整定计算和在线校核智能化水平有待提升；继电保护设备的状态评估精益化程度不够，基础数据缺乏有效管理和挖掘；继电保护的在线监视与分析实用化程度不高，信息展示不够全面，缺乏对调控运行业务的有效支撑。

为使继电保护更好地适应新电网特征，在未来继电保护发展规划中，要以问题为导向，重点研究交直流混联电网中的继电保护技术，重点推进智能变电站技术水平和管理水平的提升，重点加强在线监测系统、自动整定和在线校核系统、状态评估系统等继电保护支撑平台的建设，从而提升新形势下电网的安全稳定和智能化水平。

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Analysis on Relaying Protection and Its Operation Conditions in 220 kV and Above AC System of Zhejiang Power Grid in the Last Ten Years

QIU Yutao1，LING Guang2，WANG Yi3，KE Renguan4，CHEN Weihua5

（1.State Grid Zhejiang Electric Power Company， Hangzhou 310007， China；2.State Grid Shaoxing Power Supply Company， Shaoxing Zhejiang 312000， China；3.State Grid Zhejiang Maintenance Branch Company， Hangzhou 311232， China；4.State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute， Hangzhou 310014， China；5.State Grid Taizhou Electric Power Company， Taizhou Zhejiang 318000， China）

This paper summarizes the development of relaying protection in Zhejiang power grid in the last ten years（2007—2016）by analyzing the level of protective relay devices，operation condition and defects.Firstly，the proportion development of micro-computerization， double configuration， homemade production and optical fiber for 220 kV and above protective relay devices in the last ten years is demonstrated.Secondly，auxiliary equipment of the emerging intelligent substation gets counted and analyzed to comprehensively show the development of equipment level.Protection actions of 220 kV and above main grid and power plants，primary equipment fault and causes of incorrect protection actions in the last ten years are analyzed.Types，reasons and locations of relaying protection defects in the last ten years are analyzed.Lastly，the paper gives suggestions on the future development in accordance to the existing problems and challenges in relaying protection of Zhejiang power gird in the last ten years.

Zhejiang power grid； relaying protection； intelligent substation； operation analysis； defect analysis

10.19585/j.zjdl.201709001

1007-1881（2017）09-0001-07

TM774

B

2017-06-30

裘愉涛（1967），男，教授级高工，主要从事电力系统继电保护专业管理及智能变电站研究工作。

凌 光（1986），男，高级技师，工程师，主要从事电力系统继电保护设备管理及智能变电站研究工作。（通讯作者）

（本文编辑：方明霞）