智能变电站中继电保护稳定控制系统的设计与应用

李子武

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102）

0 引 言

智能变电站传统继电保护存在保护对象单一、缺乏数据沟通和传递、信息共享性差等问题，在智能变电站运行管理过程中极易出现信息丢失导致变电站误动或拒动等事件，严重影响了电网运行的稳定性和安全性。通过对智能变电站继电保护稳定控制系统进行研究，实现智能变电站冗余后备保护、母线和变压器主后备保护、主变过载联切以及断路器跳闸失灵保护等，对提高智能变电站智能化管理水平和智能电网运行效率具有重要意义。

1 智能变电站中继电保护稳定控制系统设计

1.1 继电保护稳定控制系统结构

基于智能变电站线路保护需求和继电保护系统应用需求，稳定控制系统框架主要包括3部分，分别是多任务操作系统、硬件驱动程序以及应用软件，如图1所示。

图1 稳定控制系统结构

继电保护稳定控制系统硬件驱动程序主要封装在操作系统中，可以为高级驱动程序提供功能包、硬件寄存器和外部存储访问、时钟和其他外部设备控制等功能[1]。多任务操作系统包括维护程序、多任务内核、传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）以及存储访问等，集成了程序终端存储调度和资源管理等功能。应用软件主要用于实现线路保护、过负荷联切、变压器保护、母线保护、全站后备保护以及备自投等设备的保护功能配置、信息监测及操作控制。

1.2 继电保护稳定控制系统功能模块设计

稳定控制系统功能模块包括数据收发模块、数据处理模块、相量计算模块以及差动保护模块等。

1.2.1 数据收发模块

数据收发模块包括面向通用对象的变电站事件（Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE）收发模块和采样测量值（Sampled Value，SV）收发模块2种。GOOSE收发模块主要采集智能电网中的断路器状态信息，将智能电网联锁命令和保护跳闸命令发送至GOOSE网络，以此来实现继电保护开关和断路器自动投切[2]。SV收发模块主要用于采集智能电网电流和电压瞬时值，为采集数据设置相应的时间标签，以便实现对数据的处理、分析及管理。

1.2.2 数据处理模块

数据处理模块主要对稳定控制系统采集的数据进行处理和分析。智能变电站传输的设备信息量大，而稳定控制系统CUP芯片计算能力有限，因此采用现场可编程门阵列（Filed Programmable Gate Array，FPGA）集中处理采样数据，以此来解决CPU被占用的问题。此外，为了进一步提高稳定控制系统的数据处理效率，需要对稳定控制系统的相关数据进行预处理，如波形系数、突变量等。

1.2.3 相量计算模块

相量计算模块主要负责处理FPGA采样数据和继电保护故障判断逻辑计算等，采用滑动离散方法计算相量。根据采样点数量先计算一级相量值，并将其进行乘方加和。二级相量是计算2个累计级数和之间取差值，进而获取时间差级数和，并以此为基础计算相量实部数据、虚部数值以及幅值[3]。

1.2.4 差动保护模块

差动保护模块是稳定控制系统的核心模块，包括变压器差动保护、母线差动保护、线路差动保护，任何一种差动保护都包括故障选相定位、相量差动、延时模块、差动区状态以及故障起动5个部分。差动保护系统会根据设置程序避免智能电网误动作，根据差动电流突变量、稳态差动变化量等进行故障定位[4]。

1.3 继电保护稳定控制系统通信网络设计

1.3.1 通信网络接入方案

智能变电站通信网络拓扑包括星型、闭环型以及线型，3种通信网络结构的时间同步会影响继电保护动作结果。

（1）线型结构通信方式时间同步配置。当智能变电站过程网络为线型网络结构、稳定控制系统为闭环型网络结构时，稳定控制过程网络交换机均采用线型结构和透明时钟，此时系统上下级联通会产生时间差，可以进一步减少网络流量拥堵情况[5]。

（2）闭环型结构通信方式时间同步配置。当智能变电站过程网络为星型结构、稳定控制系统为闭环通信结构时，稳定控制系统会根据通信质量从交换机中选取最佳主时钟，然后在通信线路上设置干扰同步报文命令，以此达到隔断环路的目的。稳定控制终端时钟系统为边界时钟，闭环结构通信系统采用透明时钟，设置2种不同类型时钟的目的是减少时间抖动所产生的时间差。

（3）星型结构通信方式时间同步配置。当智能变电站过程网络和稳定控制系统均为星型结构时，稳定控制系统采用原子时钟和卫星时钟，分别将其接入边界时钟上，如果任意时钟模块出现故障，另外一个时钟仍然可以正常运行[6]。在星型通信网络结构下，稳定控制系统网络交换机和过程网络交换机采用不同的时钟系统，前者采用点对点时钟，后者采用透明时钟，可以进一步降低稳定控制系统信息时延和拥堵造成的累积误差。

以上3种通信网络接入方式中，星型结构具有便于网络构建、网络扩展和检修难度低、整体可靠性高、网络故障率低、网络传输速度快以及延时低等优势，因此本文主要采用星型网络结构传输报文。

1.3.2 最终通信网络方案

本系统采用光纤点对点通信的SV网络+总线方式的GOOSE星型结构网络+站控层通信网络，如图2所示。

图2 继电保护稳定控制系统网络结构

（1）采样值上传。过程层线路保护、主变保护以及母线保护监测设备采用点对点通信方式，间隔层合并单元与设备采用点对点连接方式，通过间隔层合并单元向其他设备传输数据。该采样值传输通信方式简单明了，在不使用信息交换机的情况下仍然可以实现快速通信，避免了数据传输过程中出现采样值冲突等问题，进一步提高了继电保护稳定控制系统数据传输的高效性和稳定性。

（2）开关量上传。继电保护稳定控制系统跳闸保护指令采用光纤传输方式，可靠性较高，可以避免信息丢失。

（3）网络结构。继电保护稳定控制系统站控层和GOOSE报文以星型网络结构为主，过程层数据传输以点对点形式为主。

2 智能变电站中继电保护稳定控制系统实际工程应用

2.1 工程概况

某智能变电站所处位置的海拔为1 780 m，该变电站安装有2台油浸风冷变压器，变压器低压侧为10 kV、中压侧为35 kV、高压侧为110 kV。智能变电站进线分别为山水线和烟厂线，2条进线均为110 kV，接线方式为内桥接线。35 kV出线共4条，采用分段接线方式。10 kV出线共10条，采用分段接线方式。

继电保护稳定控制系统可以利用站内多信息融合共享特性，实现变压器主后备保护、主变过载联切、断路器跳闸保护、母线保护以及其他后备保护等，及时发出报警并执行相应的保护动作将故障切除，以此来保证整个智能变电站运行的稳定性和安全性。

2.2 1#主变差动速断保护测试

以1#主变差动保护动作为例，对继电保护稳定控制系统进行功能测试，以验证本文设计系统的有效性。将智能变电站中运行的电气设备接入继电保护稳定控制系统，采集主变的实际运行数据，对继电保护稳定控制系统进行实测调试，检测稳定控制系统保护逻辑、采样精度以及各单元端子是否连接正确。此外，检查稳定控制指令和信号执行正确性，该阶段稳定控制系统的调试需要在智能组件中加入间隔断路器、传输通道、过程层设备仪器等辅助设备，实际运行设备不能直接调试。

2.2.1 主变差动速断保护制动特性

对于主变差动速断保护制动，测试要求主变差动定值误差为[-5%,+5%]。稳定控制系统1#主变差动速断保护的制动测试结果如表1所示，其中In表示动作电流。

表1 稳定控制系统1#主变差动速断保护的制动测试数据

从表1可以看出，当稳定控制系统差动电流为0.3In时，制动电流理论值与实际值的误差为-3.04%；差动电流为1.6In时，制动电流理论值与实际值的误差为-0.5%；差动电流为6.0In时，制动电流理论值与实际值误差为0.32%。由此可见，稳定控制系统的差动电流越大，制动电流理论值与实际值之间的误差越小，稳定控制系统的检测精度越高。从测试结果来看，制动电流理论值与实际值误差满足[-5%,+5%]的要求[7]。

2.2.2 主变差动速断保护动作时间

对于主变差动速断保护动作时间，测试要求为差动电流低于2In时，动作时间小于0.03 s。稳定控制系统1#主变差动保护测试结果如表2所示。

表2 稳定控制系统1#主变差动保护测试结果

从表2可以看出，稳定控制系统理论动作时间与实际动作时间误差较小。在不同差动电流和制动电流下，理论动作时间与实际动作最大误差为0.028 s，最小误差为0.012 s，满足2In下动作时间小于0.03 s的测试要求。

2.2.3 二次谐波制动

对于二次谐波制动，测试要求二次谐波制动系数误差为[-2.5%,+2.5%]。稳定控制系统1#二次谐波制动测试结果如表3所示。

表3 稳定控制系统1#二次谐波制动测试结果

从表3可以看出，稳定控制系统制定系数整定值与谐波制动动作值最大误差为0.59%，最小误差为0.04%，稳定控制系统二次谐波制动测试结果满足误差为[-2.5%,+2.5%]的要求[8]。

2.3 工程应用效果分析

继电保护稳定控制系统的运行情况满足预期目标要求，实现了智能变电站保护功能要求。同时，稳定控制系统还具备低频低压减载、站内备投等自动化控制功能，在提高变电站继电保护水平的同时，通过网络跳闸模式和光纤传输通道进一步减少了系统连接电缆和系统维护工作量，降低了变电站系统维护成本。稳定控制系统具备保护定值和投退保护自动切换功能，实现了变电站保护装置的运程管理。此外，稳定控制系统在运行期间并未出现继电保护拒动和误动等情况，系统运行稳定。

3 结 论

简要阐述了智能变电站继电保护稳定控制系统的设计，以某智能变电站为例，分析了稳定控制系统在实际工程中的应用。在变电站复杂的环境下，稳定控制系统运行状态良好，可以做到不误动、不拒动且正确分析故障，能够保证电网系统的安全、高效运行，满足预期目标，可以在实际工程中广泛应用。