智能变电站变压器保护系统可靠性研究

王 宁 刘 夏

1.特变电工沈阳变压器集团有限公司，辽宁沈阳 110144；2.中车建设工程有限公司，辽宁沈阳 110020

1 当前智能变电站情况介绍

智能变电站，就是通过利用现代化、具有集成特点以及环保性能的智能设备，将通信平台网络化、全站信息数字化以及信息共享标准化作为变电站运行的基本要求，可以无需依靠人力实现信息采集、测量、控制、保护、计量以及检测等功用。另外，智能变电站同时也具备支持电网实时自动控制、智能调节以及在线分析决策等多项功能。

变电站在电力系统当中起到的作用就是充分实现个支线路的总体连接，并对于电力传输系统进行相应的转换以及分配。除此之外，电力系统运行的过程中，变电站同时也是其中的一个关键节点，可以充分保障电网的运行安全，确保电网运行的稳定性。经过一段时间的应用和发展，目前我国的智能变电站已经成为了电力系统中必不可少的一个部分，其功能性逐渐完善，变电站所传递的信息也逐渐朝着现代化、智能化以及数字化的方向发展。与此同时，通信平台也逐渐与计算机网络技术相融合，一定程度上实现了智能变电站内部工作运行一体化的作用。

2 变压器保护系统模型分析

2.1 传统变压器保护模型

在传统的变电站保护系统模型当中，互感器与一次设备皆通过电缆与变压器保护系统、线路保护系统以及测控系统相连接。然而，连接的过程仅依靠单段电缆是难以实现的，连接电缆的数量多意味着连接所需要的接口更多，接线难度加大，且极其容易受到电磁干扰的影响。总体来说，传统变压器保护系统与系统的可靠性内涵存在着一定的差异。传统保护系统模型如图1所示。

图1 传统保护系统模型

2.2 智能变电站变压器保护系统模型

可以将智能变电站变压器保护系统中的保护装置细分为主后备保护一体化变压器保护装置双重化配置以及主、后备分离的单重配置两个类型。在前者中，变压器的高压侧以及低压侧通常分别采用单独的智能终端来实现合并单元的双重化。这样的配置的优势性在于可以同时实现主、后备两个部分的保护功能，相对来说具有较高的可靠性。而缺陷则在于配置运行与维护的成本明显增加，为变电站带来了更多的经济压力，并且提高了过程层网络的复杂性，因而，仍然有待完善。在主、后备分离的单重配置中，高压侧以及低压侧各分配一台后备保护装置，其中，对于高压侧的过程层需要配置一台智能化的主保护以及后备保护合并单元，对于低压侧的过程层需要配置一台与高压层类似的合并单元，值得注意的是，该合并单元与智能终端同样采取智能终端一体化的应用方法。相对于前一种配置方案而言，后者所需的保护装置更多，且过程层网络涉及较多内容，更为繁复错杂，虽具有一定的可靠性，但同样存在着不完善的地方。智能变电站变压器保护模型如图2所示。

图2 智能变电站变压器保护模型

3 变压器保护系统可靠性研究

3.1 直采网跳模式变压器保护系统可靠性分析

在直采网跳变压器差动保护系统模型当中，最大的问题就在于合并单元与互感器之间的连接虽然运用了多根电缆，即便其中一根出现故障，整个保护系统都难以发挥效用。假设在直往直跳模式中，同类的原件可靠性相同，且无需考虑元件间的共同作用，可以发现，采取交换机的冗余方式可以明显提升变压器差动保护的可靠性，并且，故障修复时间与系统可靠性呈反比存在。

3.2 网采网跳模式的变压器系统可靠性分析

在网采网跳变压器差动保护模型中，合并单元与电流互感器之间经由多根电缆连接，且电缆与电压互感器的连接主要是用于采集三相电压，智能终端中的电缆则与断路器跳闸线圈相连。相对于直采网跳模式来说，网采网跳模式的误差稍有降低。

3.3 直采直跳模式的变压器保护系统分析

就当前情况来看，很多时候，人们所提及的智能终端一体化装置实际上就是将两个或两个以上的装置联合运用，虽然功能和效果更为强大，但从本质上看功能却并未有所整合。通过对比，可以确定，直采直跳组网模式是三种组网模式中可靠性最高的一种，并且无需过多的利用交换机，一定程度上节约了智能变电站的构建成本，更具应用价值。

3.4 交换机组网方式以及三类组网模式对比

容易对变压器保护系统可靠性研究造成影响的因素众多，主要涉及总线性能以及组网关系等内容。

通常情况下，智能变电站会采用双母接线和现代化的一次设备，依靠电子式互感器来获取数字量信息，然后再传递给合并单元，统一传递到保护装置当中，最后再充分利用智能终端来实现对于开关设备的控制。我们可以将智能变电站细分为过程层、间隔层以及站控层三层。具体来说，过程层涉及开关、断路器、变压器等设备，其运行涉及到多个环节的工作，因此，在研究其可靠性时，需要充分考虑到传输介质以及元件等内容。

在智能变电站变压器保护系统当中，想要充分确保网络的可靠性，不仅需要确保网络的冗余度，同时也需要充分考虑到报文延时对于系统造成的影响。

通过对交换机中各组网方式进行分析，可以发现，总线形结构虽然总体结构较为单一简单，但其不会留存过多的冗余度，其缺陷就在于通信延时较长，总体来看可靠性较弱。星形结构虽然有效弥补了总线形结构的延时缺陷，但其缺点在于对于交换机的要求较高，普通的交换机很难满足星形结构的需求。环形结构的优势在于其冗余度更强，缺陷在于结构较为繁杂，且与总线形结构一样，存在着通信延时较长的问题。对比来说，环形和星形网络的弊端更少，虽然存在一定的缺陷，但可靠性相对更强。

另外，在智能变电站当中时常会采用“三层两网”结构。其中，在直采网跳模式下，一旦合并单元与互感器之间所连接的电缆出现互相，整个保护系统都会失去其作用。在网采网跳模式下，合并单元与电流互感器之间的连接主要被用于采集三相电流。直采直跳模式实现合并导员以及智能终端的一体化。对比网采网跳、直采网跳变压器保护系统方案以及直采直跳变压器保护系统方案，直采直跳的可靠性更高，且报文传输可以直接进行，省去了交换机设备的应用所消耗的时间，不会对跳闸速动性造成过多的影响，总体来说，可靠性较高。同时，合并单元与智能终端的融合有效节约了设备的占地面积，且无需受到布线繁杂、元件稳定情况等外界因素的影响。值得一提的是，直采直跳变压器保护系统方案省去了交换机转换报文的时间，更具时效性、灵活性和经济性。

4 结语

综上所述，随着智能变电站应用水平的逐渐发展进步，智能变电站的结构和功能得到了显著的完善。但就目前情况来看，智能变电站变压器保护系统仍然会受到多种外界因素的影响，在未来的发展过程中，仍然需要进行更为深入的探讨研究。