数字化变电站继电保护优化配置探究

贵州电网有限责任公司贵阳供电局 陈亚飞 郭莉萨 田月炜

1 引言

随着数字化变电站的持续发展，其现已能够实现“无人值守”，便捷高效，而在数字化变电站体系中，继电保护是确保变电站功能稳定的重要保障，影响重大。而数字化变电站设备众多，设备组网方式存在一定差异，以此降低了数字化变电站设备通信效果，继而影响了继电保护情况，故为确保数字化变电站可高效稳定运行，需优化配置继电保护体系。

2 数字化变电站的优势

相比于常规变电站，数字化变电站得到了优化升级，主要体现在：符合新增和扩展需求：由于变电站建立在通信网络基础之上，信息交换均通过通信网络实现，随着业务需求增加和技术发展，后续需要进行扩展和新增业务时，只需要利用通信网络增加设备即可，无需重新更换设备改造，大幅提高改造效率，节约设备。同时，也有机会通过新安装软件满足新增功能的需要，无需更换硬件设施，最大限度节约资源，降低成本，让变电站运行生命周期得到延长。

符合统一管理需要：在数字化变电站设计上采取统一信息数据模型，可以采取统一标准进行通信网络的建设，保障了变电站监控、计量等业务均可使用通信网络达到传输目的，不再需要使用其他信息传输通道，实现了集成化、便捷性信息服务。变电站运行成本、运行逻辑都得到了简化节约。

符合简化变电站的趋势：变电站设备均可利用网络完成传输业务，设备之间的交流互动均在线上完成，且一条信道即可满足各设备之间的交互，通信网络的应用极大简化了线缆数量和设备数量，让变电站设施得到缩减，让二次接线设施得到最大化简化。

符合信号稳定性需要：变电站在通信技术支持下进行信号的传输，信号具备对应的自检信息和校验码，保证了信息传输安全准确，一旦发生故障也能第一时间明确位置和设备。同时，可以利用光纤进行信号的传输，保证信号传输不受到干扰影响[1]。

符合运行稳定性的需要：数字化变电站由于使用电子互感器取代传统互感器，传统互感器常见的差动饱和、铁磁谐振、六氟化硫气体泄漏等安全问题得到根本上解决，极大地保证了变电站运行的安全性。变电站设备之间可利用光纤设施进行连接，光纤的绝缘特性在一定程度上保护了二次设备的运行，能够避免电磁和电压干扰，有效降低接地故障率。

符合设备连接要求：变电站中逐渐引入智能化设备，且设备使用统一接口，实现了无缝衔接。同时信号采取统一，标准（IEC61850）具有独特的自解释机制，可支持互相操作和传输。

符合自动化管理需要：变电站中引入智能设备，支持远程操作，实现了远程控制功能，不仅让信号传输更加安全，更实现了按需操作，提高信号传递实时性。在设备支持下，让变电站全面推行自动化管理，设备和网络均有自检查功能，保证了过程性状态检查，保证了变电站自动化运行。

3 数字化变电站继电保护组网方式及优化配置措施

3.1 组网方式

数字化变电站由过程层、站控层以及间隔层构成的三层结构，各结构通过以太网实现连接。站控层基于GPS 定位系统站控层基于GPS 定位系统，并利用监控系统完成对设备信息的监控，能够实时对比储存标准，一旦采集信号出现异常，GPS 系统能够及时对设备定位，锁定并保护故障设备，指导维修人员到场维修，实现了自动化监控和实时性管理。在智能设备和网络的支持下，保障了维修人员第一时间到场处理故障问题，设备可自动进行状态性监控，监控数据均可统一保存至数据库中，从根本上保障了设备的稳定运行。间隔层则利用采集设备对测量数据展开实时监控，通过对信号的采集，实现对站控层的控制，实时完成控制任务。过程层则利用操作箱完成执行指令。

变电站继电保护机制主要由站控层以及过程层实现，站控层由于采取星型拓扑网络设计，通过MMS 和GOOSE 完成传输动作，两者分别负责警报信号和测控监控、开关量信息接收。站控层主要包括交换机16台（含10台百兆/2光口，6台百兆/4光口）[2]。过程层由于采取以太网设计，通过SV 和GOOSE 网络传递信息，其中SV 网络进行电压电流信息的传递。因此，针对母线的继电保护，主要采取母线独立设计方式进行保护，采取分段式分布，让智能终端通过网络共享信息，又能保护各个单元，避免个别单元故障引发整条线路故障。通过变压器分布式安装，可保证保护装置有效连接，一旦发生设备故障，差动保护动作会立即响应，且不会影响变压器运行。一旦出现故障可发出跳闸命令，通过光纤电缆启动差动保护，保持跳闸动作，避免干扰其他线路，保证变压器稳定运行。变压器通过对运行状态的监测实现状态检修，应用实时传递方式监控变压器的运行，实现对变压器运行的实时保护。此外管理人员也应展开定时监控巡视和管理，注意监控网络终端的数据文件，最大限度保护变压器稳定运行，积极预防故障问题的发生。

3.2 优化配置措施

3.2.1 明确保护装置

数字化变电站在改革创新期间，将传统化继电保护装置更改为智能化、数字化设备，为实现高效继电保护优化配置，需掌握智能化、数字化继电保护装置的内部结构组成。数字化继电保护装置多由三大单元构成，第一执行单元。内部分为采样单元与光接收单元；第二中央处理单元。内部由从CPU、双端RAM、主CPU 构成；第三接口单元。由通信接口、人机接口、出口单元构成。结合上述结构可见，数字化继电保护装置的采集信息时，可运用光纤接收单元与采样信号获取数据，并借助执行单元内的传输接口进行信息数据传递，将所获取的开关量信息及光电信号转化为采样信号及二进制数据，在装置整体作用下，将完成处理的信息数据传递给主CPU 内，并于该单元中进行运算，而运算结果则进一步传递给出口单元，此时继电保护器将会接收到指令执行保护动作。在中央处理单元存在双端RAM、从CPU 线路，该部分指令则会进入通信接口、人机接口，此时数字化变电站管理人员可通过人机交互功能，直观清晰地了解数字化变电站继电保护情况。继电保护可监测到变电站电力系统内的故障问题，发现异常信息后发出警报，在数字化变电站内，在其智能继电保护装置作用下，可自动隔离故障问题。结合过电流情况来，数字化变电站同样可以实现智能保护判断，按照式（1）计算一次动作电流，得出保护整定值，以此避免事故问题恶化。

式（1）中，Iop-一次动作电流，Kjs、Ijs分别为过电流综合系数、计算电流，其中Kjs多取值1.3[3]。

3.2.2 分布式母线保护

根据数字化变电站智能保护装置运行原理来看，可结合保护装置过程层实际情况进行分布式母线保护。选择母线保护方法后，需对传统化集中式网络进行更新，选择分布式网络，以此提升数字化变电站继电保护体系通信能力，优化系统配置。分布式母线保护方式完善了继电独立保护，且在一定程度上对母差保护逻辑进行了简化，可使继电保护更好地保障数字化变电站电力系统运行情况。

3.2.3 智能变压器保护

传统化变电器进行差动保护时将会形成较大励磁涌流，继而引发拒动、误动故障问题，而在数字化变电站内，其运用智能变压器代替传统化变电器，在变压器原本保护策略基础上，可依据电力系统线路中的实际电流变化、电压变化，对保护整定值进行灵活调整，以此可避免较大励磁涌流的产生，且可有效预防匝间短路故障。

3.2.4 输电线路保护

数字化变电站内增设了电子式互感器，该传感设备可对电力系统线路电压值、电流值进行实时采集，同时还可根据线路实际运行情况，对电流参数及电压参数进行智能化调整，借助输电线路实现智能保护，防止出现过电流、过电压等问题的发生。

3.2.5 优化二次接线

二次接线为继电保护系统重要内容，其装置稳定性、灵敏性可直接影响数字化变电站继电保护整体效果，但结合数字化变电站实际运行情况来看，二次接线具有复杂化特征，为优化配置继电保护系统，可根据现有二次接线情况进行优化配置调节。例如在智能断路器等数字化装置作用下简化分布式母线保护结构，去除复压闭锁元件，简化母差保护逻辑，继而实现二次接线的精简。继电保护系统由多个单元网络构成，可依托于以太网精简继电保护系统网络，对数字化变电站供电系统的层级通信接口进行完善优化，继而起提升继电保护性能的效果。二次接线优化期间，应以电缆功能为依据进行区别标识，提升接线工艺效果，并根据电缆功能情况制定运行标准，以技术工艺为切入点优化二次接线。

4 数字化变电站继电保护优化配置实例分析

4.1 实例概况

为增强数字化变电站继电保护优化配置分析研究实效，此次选取某220kV 数字化变电站为实例展开分析，结合其实际情况进行继电保护优化配置。该数字化变电站主变部分为200MVA 的三相三绕组变压器，110kV、220kV 部分均为单分段、母线接线。数字化变电站原有继电保护体系内存在多个子系统，但各个子系统内设置的SCD 模型综合效果不佳，兼容性不足，且型号不统一，给继电保护调试工作带来极大干扰，且在一定程度上限制了继电保护体系发挥作用，因此需立足于实际，优化配置继电保护体系。在此次优化配置期间，对数字化变电站实际情况进行了调查，共设计出两种继电保护优化配置方案。

4.2 优化方案

第一种方案：采用“点对点”直采方式，将数字化变电站220kV 过程层的SV 网络进行连接，用于削弱其对外部同步的过度依赖，以此提高继电保护体系的母联测控、母线保护、线路保护测控功能[4]。此外，为保障优化配置效果，使异常告警信息、挑战信息、闭锁重合闸信息更好地传输，需在GOOSE 网内设置拓扑结构。结合110kV 过程层来看，其组网形式与220kV 一致，仅在交换机相关参数方面具有差异。方案具体情况见表1。

表1 第一种方案交换机配置情况

第二种方案：以网采网跳形式为手段，将220kV 过程层网络连成一体，将其搭建为组网，数字化变电站智能继电保护装置进行双套配置，并将其连接到A 网、B 网中，同时设置多模光纤口交换机，用于保障继电保护体系通信效果。按照表2，在110kV 过程层内部单套设置保护装置。

表2 第二种方案交换机配置情况

4.3 方案对比

对上述两种方案进行对比，第一种方案组网方式所形成的网络更为可靠，同时在交换机使用数量方面存在优势，故有效节约了成本，但其具有信息不对称、线路复杂的劣势。第二种方案线路简单，信息共享较强，但交换机成本高，且在运行期间形成了较大运行压力。经综合对比后，案例变电站最终选取方案一，以此实现了继电保护体系的优化配置。

综上所述，在信息化时代，变电站必然会趋向智能化、数字化发展，在改革创新期间，需结合实际结构，对继电保护体系进行优化配置。在实际优化配置过程中，需明确继电保护装置结构组成情况，在此基础上，采取分布式母线保护、智能变压器保护、输电线路保护等措施实现继电保护的优化配置。