智能变电站继电保护系统面临的问题分析

毕小熊

【摘  要】智能变电站与原来的变电站相比，无论是在系统结构方面，还是在继电保护系统方面，都存在很大的差异，需要相关人员进一步分析和了解。从智能变电站及其继电保护系统的概念入手，加强对该新型变电站技术基本架构及其技术特征的了解，并在此基础上，全面分析其继电保护系统的可靠性，充分保障电网运行的安全性和稳定性。

【关键词】智能变电站;继电保护系统;问题

一、引言

随着信息技术、通信技术和计算机技术的发展，智能电网已经成为当今电网的发展趋势。我国对智能电网的定义是：以特高压电网为骨架，以各电压等级电网协调发展的坚强电网为基础，将现代的传感测量技术、通信技术、信息技术、计算机技术和控制技术与物理电网高度集成而形成的新型电网。从中可以看出，智能变电站作为电压变换的枢纽，电力传输的重要参与环节，它的正常工作将对智能电网的稳定运行产生重要影响。智能变电站与常规变电站相比，其在组成元件和结构上有较大不同。智能变电站的二次系统通常包含电子式互感器、合并单元、交换机、保护测控等设备，互感器、保护及断路器之间复杂的电缆硬导线连接被光纤连接所代替。保护测控设备的电流电压等采样值输入由模拟信号转变为数字信号，保护测控设备的模拟信号采样也由装置内实现变为各合并单元实现。电子式互感器的传变特性、信息采集的正确性、全站的时钟对时准确性和运行过程中的暂态量都会对智能变电站继电保护系统的正常稳定运行造成重大影响。

二、智能变电站技术特征及架构

智能变电站一般由两个层面构成，分别为一次设备和二次设备。其中，一次设备主要以数字化管理和智能化管理为主，二次设备则主要为网络化管理，这两个层面的共同管理，使得智能变电站呈现功能分散、数据共享的特点。智能变电站的架构主要分为两个部分：三层（过程层、间隔层和站控层）和两网（过程层网络和站控层网络）。其中，三层中的过程层主要包括变压器、断路器、互感器等一次设备和合并单元及智能终端等智能组件，它主要是为了完成一些与一次设备相关的任务。间隔层主要以二次设备为主要构成元件，主要实现对数据信息的接收、汇总以及传输等功能;同时，还能对某些一次设备进行操作闭锁和保护控制。站控层则主要是通过人机界面，实现对间隔层中二次设备的控制和管理。两网则主要是处理设备层与设备层之间的通信，从而实现数据的站内传输和共享

三、智能变电站继电保护系统的组成及面临的问题

与传统继电保护系统相比，智能变电站继电保护系统无论是在模式上，还是构成上，都存在着很大的差别。传统继电保护系统主要分为间隔层和站控层两层结构，其在间隔层中实现大多数功能，主要以点对点的方式将继电保护系统中的互感器、断路器及其他保护单元相连接，从而实现系统的基本功能。而智能变电站在保留传统继电保护系统结构层的基础上，增加了一层“过程层”。同时，智能变电站间隔层的功能开始逐渐向过程层下放，这增加了智能变电站的功能场所，在提高智能变电站工作效率的同时，提高了智能变电站的安全性，避免一个功能场所的破坏造成整个系统的崩溃。另外，除基本的保护单元外，智能变电站继电保护系统还增加了多个元件。对这些元件及面临的问题做如下简单介绍。

1、电子式互感器

电子式互感器是一种将正比于被测量的电压、电流等传输给测量仪器的装置。与传统互感器相比，它的绝缘结构更为简单，且没有采用油这类易燃液体进行绝缘，因此能够从根本上避免火灾、爆炸等危险，提高整个继电保护系统的安全性。另外，电子式互感器所采用的连接线缆为光缆，而非传统的电缆，这种改变也直接避免了互感器在运行过程中出现电磁饱和现象，有利于提高测量的准确性。

目前，国内外对于光学原理的互感器的实际运行经验十分欠缺。此外，光学互感器还会受到互感器表面所承受的压力、所处环境的温度等外界环境的影响，外界环境的变化将会改变互感器的测量结果。然而，在长期的实际运行过程中，外界的环境是在变化的，因此如何规避外界环境对互感器的影响或者如何简单有效地对互感器的测量误差进行补偿也是一个亟待解决的问题。

2、合并单元

合并单元是一种随着电子式互感器出现而出现的元件，它的主要功能是将电子式互感器所收集的信息进行采集和合并，并通过格式化处理，将所采集的数据以特定的格式传递至保护装置。合并单元直接替代了保护装置与互感器之间复杂的连接工作，能够最大限度地实现二次设备之间的数据传输，同时还能够在很大程度上减少系统的运行成本。

合并单元是电子式互感器的重要组成部分，是模拟信号汇集以及模拟信号转换为数字信号的元件。由于采样时间序列往往与接收到的数字量采样不在一个节拍上，因此需要用插值算法对数据进行重采样。因为插值算法的局限性，插值一定会产生误差，误差的大小因插值算法的复杂程度和算法阶数而异。一般而言，插值算法的准确度和速度是一对难以调和的矛盾，在实际工程中，为了插值的速度，往往对算法的准确度做了一定的牺牲，从而造成插值结果的不准确。其次，采样频率和插值位置同样深深地影响插值算法的准确性。插值位置不同，虽然对信号的基波影响不大，但是对信号的谐波会有较大的影响。同时，合并单元作为智能变电站中一个重要的元件，其本身是极为脆弱的。合并单元本身的电源损坏以及电磁波的干扰都会对合并单元的准确工作产生影响，甚至会使得合并单元重启。此外，一些程序上的疏忽也会影响合并单元的准确工作。例如曾经发生过的某厂家合并单元因计数程序出现错误而导致合并单元在计数时产生错误，从而报错的情况。合并单元的正确稳定运行对保护系统的意义重大，因此有必要對如何加强合并单元的可靠性做进一步的研究。

3、智能终端

智能终端的功能是接收保护装置所发来的命令，并通过对命令的分析和对数据的处理，实现对断路器的开关控制。另外，它还能通过光缆的传输，将断路器中的信息上传到测控装置中，从而实现对断路器的远程监测。

4、交换机

交换机的主要功能是通过建立信息通道和控制网络流量来实现对数据的有效交换。在智能变电站继电保护系统中，该元件的基本功能主要是通过以太网络实现的。该元件也在很大程度上提高了电网系统的稳定性。

5、同步时钟

不同于其他类型的变电站系统，智能变电站的信息和数据基本上是以网络通信的方式传输的，这种传输方式不仅加快了传输的速度，还能够在很大程度上提高信息传输的准确性和可靠性，设备与设备之间必须按照统一的时钟基准进行工作，因此设备中必须配备与之对应的同步时钟。

主时钟接收到的卫星信号不稳定可能对保护测控设备安全稳定运行带来不利影响。随着技术的发展，继电保护系统应该逐步避免对外部时钟信号的依赖。在智能变电站的体系中，由于站内过程层同步是不依赖于卫星绝对时钟信号的，卫星同步信号对于站内同步系统来说反而会成为一种干扰源。如果变电站过程层同步系统的时钟源采取本地时钟，则可以消除接受到的卫星信号不稳定带来的影响。

在相关新技术的推动下，电力系统正在向着自动化、智能化的方向迅速发展。智能变电站的前景是美好的，但上述问题还有待解决。伴随着技术难题的攻破，智能变电站技术必将迎来更大的发展，智能电网的建设也将取得长足的进步。

参考文献：

[1]刘琨，黄明辉，李一泉，陈志光，曾耿晖，刘玮，苏忠阳.智能变电站故障信息模型与继电保护在线监测方法[J].电力自动化设备，2018，38（02）：210-216.

[2]何旭，姜宪国，张沛超，高翔.考虑检修策略的智能变电站保护系统可用性分析[J].电网技术，2015，39（04）：1121-1128.

（作者单位：云南电网有限责任公司玉溪供电局）