220kV智能变电站数字继电保护系统的研究与设计

晋控电力山西长治发电有限责任公司 李天龙

伴随着经济的快速发展，社会对于电能的需求也在持续增长，智能变电管理系统的重要性越发凸显。现今计算机技术和互联网技术在越来越多的行业和领域得到了普及，带动了传统变电站的发展，为智能变电站的实施提供了可靠的技术支持。而在发展智能变电站的过程中，应将安全问题放在核心位置，做好数字继电保护系统的设计和研究，降低事故发生的概率，为用户提供安全、连续的电力支持。

1 智能变电站与继电保护

智能变电站指一种运用智能化设备，能够实现信息共享标准化、全站信息数字化以及通信平台网络化，具备自动信息计量、测量、控制、保护等功能，可依照电网的运行需求进行智能调节、协同互动的变电站。智能变电站不仅是电网中存在的基础节点，也是建设智能电网的重要支撑，具备三个显著特征：一是数据交换的标准化。在智能变电站中采用的是统一的通信规约IEC61850来进行数据信息的交互；二是二次设备的网络化。在智能变电站中，将原本的控制电缆替换成了光纤，借助网络的方式进行信息传输，同时增加了一些新的二次设备，如过程层交换机、智能终端、合并单元等；三是一次设备的智能化。虽仅是初步的智能化，但也在很大程度上提升了变电站的智能化程度，较常见的如智能电子互感器、智能合并单元等。

继电保护是一种能够对电力系统中发生的故障或异常进行检测，向工作人员发送报警信号，又或直接对故障进行隔离、切除的技术措施。继电保护装置想要完成自身的任务需满足几个基本要求，一是选择性，在电力系统出现故障时，继电保护装置须能有选择性的将故障设备或线路从电力系统中切除，尽可能降低故障带来的影响；二是速动性，指在故障发生后能尽快切除，减少设备的损坏程度；三是灵敏性，继电保护装置在对电气设备及线路进行保护过程中需具备较高的灵敏性，能迅速对故障做出反应；四是可靠性，要求继电保护在不需要动作时不会发生误动，在需要动作时不会拒动。

2 220kV 智能变电站数字继电保护系统设计

以某220kV 智能变电站为例，其包含了220kV输电线路和66kV 输电线路，电气设备采用的是HGIS。在对变电站进行规划设计过程中对各层进行了分离，同时保证其存在紧密联系。为保证变电站的稳定可靠运行，在进行方案设计过程中需做好数字化继电保护系统的设计。

2.1 系统总体结构

数字化继电保护系统是智能变电站的一部分，能对变电站一次设备的运行状态进行监测，也可对设备进行控制和保护，在该工程中，数字化继电保护系统的结构如图1。其中站控层包含了监控主站、通信装置和一体化信息平台等设备，能够为智能变电站的运行和操控管理提供良好的人机交互界面，也可对变电站中相关设备的运行信号及报文信息进行记录；间隔层包含了保护装置、测控装置和电能计量装置，能实现对于一次设备的就地保护控制，完成实时数据信息的就地监控；过程层包含了智能终端、合并单元等模块，能够实现对变电站继电保护系统中电压、电流等数据的采集和检测工作[1]。

图1 数字继电保护系统结构

2.2 网络设计

2.2.1 站控层和间隔层网络设计

在该变电站中，站控层网络采用的是双星型网络结构，每一个星型网络可使用A 网和B 网进行标记，配备4台网络交换机。站控层设备和交换机间采用100Mbps 的电口进行数据传输，站控层和间隔层交换机的通信则采用100Mbps 的光口。间隔层网络同样采用双星型结构，记做A 网和B 网，交换机的配置方案如下：间隔层网络中心交换机（10kV 间隔、110kV 间隔、220kV 间隔、主变压器间隔各4台，各具备20个电口、2个光口）；站控层网络中心交换机（安全Ⅰ区18个电口、4个光口，安全Ⅱ区14个电口，分别配备2台）。

2.2.2 过程层网络设计

过程层自动化网络设计采用间隔配置方案，SV采样数据和GOOSE 报文共网传输，这样的结构能减少交换机数量，降低变电站建设成本费用。在智能变电站过程层中，依然是采用双星型网络结构，智能设备和交换机间的通信、交换机级联端口通信采用的都是100Mbps 的光口[2]。

基于IEC61850标准的多播报文技术被广泛应用在智能变电站网络通信中，能对报文进行过滤，确保交换机只接收需要的保温。对于支持VLAN 的交换机，可将其网口划分为财务组、销售组等，组内用户就如同是在同一个局域网中，非本组用户无法对本组成员进行访问，能提升网络的安全性。VLAN 的划分可依照端口、网络、IP 等进行，在该变电站中采用的是依照交换机网络端口的划分方式。在同一个虚拟局域网中，端口可以不连续也可跨国多个交换机。如可将交换机A 的1口和3口与交换机B 的5～6口划入同一VLAN 中，以此为基础能实现对于网络的安全隔离，促进网络交互实时性的提高。

2.3 整定电流

在变电站数字继电保护系统设计中，采用的是66kV 双变电设备，1号与2号测试用例选择的是66kV 母线方面的测试用例。若在智能变电站中，感应器的配置受到影响，则变电站的安全会被威胁。该变电站工程中[3]相关仪器可接收控制台发布的信息，新型变电设备在电流监控方面有着完善的功能，可实现对电流区域的合理划分。不管是大运行模式又或小运行模式，电流都有着相对稳定的运行状态，通常都能够稳定在14A 左右。

2.4 GOOSE 网络选择

过程层属于智能变电站数字继电保护系统的一个重要组成部分，主要负责信号的传递，是确保设备正常稳定运行的关键。变电站在传输过程中存在各种各样的影响因素，如周边环境因素不利传输效果会受到很大影响。在信号传输环节，可使用网络传输替代以往的电缆传输，能有效规避天气、空气湿度等对于信号传输的影响，因网络本身不需用到电缆，其本身是通过连接服务器的方式进行传输，不会受到环境因素的影响。

从设备维护管理的角度，使用网络方式进行信号传输可实现设备自检，借助信号回流的方式来对自动检测系统进行触发，而传统电缆本身并不具备设备自检功能，在实施系统检测过程中通常都需由人工完成，检验成本较高、耗费时间较长。GOOSE网络可分为星形结构、环形结构和双星形结构等，不同结构有着不同的优点和缺陷，需设计人员结合实际情况进行选择[4]。

2.5 电源系统设计

智能化电能管理在智能变电站中发挥着非常重要的作用，基本工作原理是对所有电源系统进行整合，做好统一归纳整理，进行统一管理和统一调度，配合相应的后台信息管理系统实现设备的自动故障检测。在该变电站中采用的是直流220V 蓄电池，搭配2个充电设备，需对每个电池的电压和电流进行准确测量计算。

2.6 保护测控一体化配置

在传统变电站中安全监控工作有较高的技术含量，也存在一些不良因素，如维护难度大、人力物力浪费严重等。想要对这样的问题进行解决需引入新型智能自动化设备。不过，因继电保护设备生产商对于标准通信规约理解的差异性，生产的产品兼容性不高，在应用中需搭配部分改良零部件，会导致维护成本的增加[5]。

保护测控一体化配置具备十分明显的优势，一是可对硬件设备的工作状态进行记录，借助网络的方式传输到维护人员设备中，可实现全程无人值守；二是借助开放的网络状态可实现信号的直接传输，避免了中间环节，提高了效率；三是一体化配置在软压方面可简化工作流程，帮助维护人员更好地对设备进行检修维护，降低出错率。以220kV 部分的保护配置为例，所有故障模拟试验采用的都是常用故障现象模拟，可帮助技术人员更好地对故障进行分析，提出切实可行的解决方案。借助试验，可在仪器发生故障或遇到危险时，及时启动开关程序对开关进行相应的处理，保证设备安全。

2.7 二次系统整合

变电站二次保护重要是增加相应的保护屏障，使得每一个功能区都能负责自身的本职工作，避免相互干扰的情况。当前智能变电站和智能电网呈现出飞速发展的趋势，但依然有部分工作人员的观念停留在很早之前，想对自动化系统进行应用和普及存在一定的难度。一体化二次系统能在满足各方面功能的情况下实现资源的共建共享，为设备运行维护提供便利，同时也可促进生产效率的提高[6]。

新的发展环境下，伴随着智能技术的发展及IEC61850规约的提出，变电站系统已从原本的变电模式向智能变电站的角度转变，系统有着更强的兼容性，能兼容传统自动化变电站系统几乎所有的优点，尤其伴随着智能变电站系统的普及，二次系统也会在智能化变电站系统中产生。

IEC61850规约的推出对不同变电站系统的兼容性问题进行了解决，也为二次系统整合提供了良好的技术支持。基于IEC61850标准的智能变电站具备几个显著特征：一是标准化的系统架构。在实施系统编辑的过程中采用的是Java 语言，有着良好的共享性，可实现系统资源的共享；二是智能化的数据采集。在智能化变电站系统中数据采集主要是借助传感器实现，有较强智能化特征，可对不同类型的数据进行采集和分类；三是设备互操作性强。智能化变电设备有着很强的兼容性，每一个设备接口的开放程度高，可实现系统的有效互通；四是网络化的信息交互。智能化设备中的接口数量众多，每一个接口都有较好的兼容性，可实现信息的有效交互和共享。由此可知，基于IEC61850标准的智能变电站能对常规变电站中的计量、故障录波、保护、监控等功能进行整合，配合统一的管理模式，在实施设备维护管理的过程中能最大限度缩短维护时间，同时也可保证维护的效果[7]。

总而言之，在智能变电站中，做好数字继电保护系统的研究和设计有着非常明显的优势，如可以增强信号传输的稳定性、节约成本费用、降低事故发生概率、提高自动化水平等，对比传统变电站在自动化处理方面进步明显，能够为设备的维修提供便利。对于技术人员而言，在针对数字继电保护系统进行设计的过程中，还需将智能跳闸系统、断路器智能化控制、电子式互感器等合理地应用到系统中，以此来进一步提升继电保护的效果，推动智能变电站的稳定可靠运行。