变电站继电保护就地化整体解决方案研究

崔堂贵

国网内蒙古东部电力有限公司内蒙古超特高压分公司 内蒙古 锡林浩特 026000

引言

变电站是电力系统的核心环节，继电保护作为防止电网事故扩散、保障电力供应稳定的第一道防线，其重要性日益凸显。然而，传统的继电保护系统由于安装位置固定、维护复杂等因素，已经难以满足现代电网对快速响应和高效运维的需求。加之电力设施所处环境的多样性和复杂性，如极端气候条件和电磁干扰等，对继电保护系统的可靠性和适应性提出更高的要求。因此，探索一种能够适应复杂应用环境，提高运维效率和系统可靠性的继电保护新方案，成为电力行业迫切需要解决的问题。

1 可靠性设计要求

1.1 就地化继电保护应用环境的复杂性

就地化的保护装置应该能够与其所处环境的温度和湿度相适应，避免由于空气中的水分和腐蚀性介质的入侵而引起的损害，并且还应该具有抵抗变电站内复杂的静态及暂态电磁干扰的能力。所以，在进行产品设计的时候，应该对环境影响因素进行全面的分析，以此来指导材料、器件的选用、软硬件的冗余、防误设计，还要考虑到抵抗外部复杂气候、电磁、机械环境所造成的破坏，从而提高二次回路的可靠性。

1.2 气候环境适应性

有数据显示，电子元器件的温度每上升2℃，其可靠性将降低10%；当温度上升到50℃时，其使用寿命仅为25℃时的1/6[1]。在所有的电子器件故障中，有55%的原因是温度超出了设定的范围。在新疆吐鲁番地区，夏季极端天气条件下，地表（2m）表面温度高于60℃，部分设备内部温度甚至达到90℃，极大地降低了设备的可靠性。所以，在进行产品设计的时候，可以选择汽车级电子元器件，并且按照有利的散热原则，对内部的功能模块和元器件进行合理的布局，使用导热衬垫和硅脂等材料，将电子元器件的热耗导出到壳体上，然后再由壳体的高密度翅片扩散到装置的外面。电子元器件在湿度较大或其他恶劣的天气条件下，会因腐蚀作用而发生故障。在外界介质中，由于化学因素的影响，物质的性质会发生退化、变化，最终发生劣化破坏。通过对端盖结合面、进出线口、导光件等部位的高效“O”形密封件和密封件结合压差设计，可实现器件的全封闭，并对暴露在外界环境中的部分部位进行致密防护。

1.3 电磁环境适应性

在户外就地安装的继电保护装置，其所处的电磁环境更为复杂和恶劣，它不仅要经受变电站内各一次设备正常运行产生的静态电磁波的感应骚扰，同时，还需抵御高压开关动作、雷电等现场产生的暂态电磁波的冲击。当前，对继电器等设备提出了不少于6kV的快速暂态和6kV的冲击测试要求。为了保证继电保护设备不会在外界扰动下发生误动、拒动等异常情况，必须在设备内部设置高效的泄放回路，以保证各种扰动引起的危害能被及时地释放出来。

1.4 机械性能

继电器在迁移到室外安装时，由于没有了原来在室内安装的屏蔽箱的支撑与保护，其受到的力学环境更加复杂与恶劣。在极端天气条件下，由于冰雹、台风和飞石等突发事件，可能会对室外继电保护设备造成损坏，严重时可能造成设备和线路的故障。计算结果显示，在外力作用下，5mm厚的原位继电器在不被破坏的情况下，其最大塑性变形可以控制在0.3mm之内。但是，因为设备的外表面受到撞击，跌落而造成的对内部元件的冲击伤害就比较明显了，尤其是对印制线路板上焊接的各种元件。所以，在原位化继电器的内部布置中，应该依据应力和变形分布，合理规避故障危险点。

1.5 二次回路的可靠性

以“六统一”的技术规范为依据，按照“区间内电缆直接取入、直接跳入、跨区间内信息GOOSE传送”的原理，进一步简化设备界面，以达到二次线路最优的目的[2]。利用现场电缆采集交流量和重要开关量的信息，并利用电缆直接进行跳闸，从而降低在智能变电站中原有的智能终端的连接。用特殊的航空插入式连接器来代替常规的接线柱，具有较高的保护和较高的电气特性，可以有效地抵抗外界的严酷天气和电磁环境。在使用的时候，要按照电气功能分类，将其接入专用航插连接器，通过防误插键位设计及辅助辨识色带，可以有效地杜绝现场误操作，避免出现不同回路误接的风险，最终实现快速可靠插接、即插即用、方便维护。

2 变电站继电保护就地化问题

2.1 继电保护的可靠性及速动性有待进一步提高

普通变电站继电保护的接线方式比较烦琐，易形成“寄生”回路，影响继电器的可靠性；二次回路长度较大，且有杂散电容，易引起继电器的误开、误动；智能变电站合并单元和智能终端的应用，使得保护采样和跳闸回路变长，可靠性下降，而且还人为地增加了保护动作延时。电网短路容量的增大，直流接地点的密集程度的增加，都给电网的安全和可靠性带来了很大的威胁。

2.2 继电保护运行维护复杂，技术门槛过高

继电保护，特别是智能变电站保护的运行维护比较复杂，它取消了传统的电缆接线，使用IEC61850规约实现纯数字通信后保护信号模型化、抽象化，这就造成了现场运行人员的技术能力很难及时跟上，同时厂家所提供的运维工具的友好性和实用性也需要进一步提升。所以，在变电站二次设备的调试、检修和消缺等方面，更多地依靠厂家，这对设备的有效管理产生了一定的影响。

2.3 变电站建设周期长，占用土地资源多

目前的变电站，基本上都是从基础建设开始，到保护屏柜入室，再到一次和二次设备的联调。变电站在建设中的二次系统线路复杂，施工和调试周期较长；而且，继电保护设备都是采用屏柜在保护小室中的安装方式，这种方式会对土地资源造成很大的占用。在征地变得更加困难的情况下，变电站的建设，特别是在市区繁华地段的建设，也会变得更加困难。

2.4 一、二次设备分散，难以纵向融合

继电保护装置和被保护目标一个位于保护室内部，另一个位于开关区，全部信号通过电缆或光缆相连，彼此间隔几百米。此外，与保护室相比，开关场内的电磁、气象条件更为恶劣，传统的继电保护装置无法在此工作，且其与一次装置之间存在较大的融合难度。

3 变电站继电保护就地化整体解决方案

3.1 跨间隔设备的就地化技术

3.1.1 分布式环网配置设计。跨区间保护是由多区间的电压和电流数据构成，而传统的集中式保护由于次级线路配线复杂、能耗高，很难实现不受保护的状态。因此，研究人员必须使用一种新的方式，一种新的结构，来实现原位保护。文中提出了一种基于无主度的分布式保护策略。每一个空间单元布置一个辅助设备，并在相邻的空间单元之间采用光导纤维连接，互为补充。每台子机旁边都设有一旁路开关，当间歇维修完毕离开时，可以关闭该开关，这样就能确保其他子机的正常工作。

3.1.2 环网可靠性设计采用HSR技术。通过对网络中的数据进行封装，对网络中的数据进行备份和配置。环网中将资料传给各子机，各子机接收和分析，如果资料是由其他子机发来的，就会对资料进行逻辑保护；如果是本主机所提供的，那么就说明该数据已经过了整个环形网络，可以将这一报文丢弃。

3.2 自动测试系统

利用航电插头连接继电器原位设备和自动化试验系统，实现了继电器原位设备的自动鉴别和分析，并实现了对继电器原位设备的自动检测和分析。该系统包括测试主机、交换机、服务器和测试终端四大模块。①从被测物体的环境信息中获得有关的信息指数，并产生能够按照用户要求进行选择和确认的自动测试模板。②选择的模板能够自动启动试验，并且能够与控制试验端子相连。试验终端根据主机发出的指令，将所得到的信息进行反馈，并将其传送到主机，从而形成闭环控制。然后，让计算机来判断每一项指标的数值，到底有没有达到要求。③测试完成后，由主机自动产生并上载至服务器存储，最终纳入被测对象的账目管理。

3.3 就地继电保护现场检修

在就地继电保护装置运行中，由于缺乏人机接口，只能通过智能管理装置来实现对其的遥控，这给施工现场的运行与维修带来了一定的困难，并且牵扯到了更多的问题[3]。要解决上述问题，智能运维终端可以进行数据信息的自动化采集和处理，作为信息资料传递的基础载体，根据实际状况，开发App来完成设备的运行、维护和检修，并将数据信息传送到数据系统中，以推动系统的自动化管理和控制。通过智能运维终端，可以实现自动化检修、巡视和回路映射，对各项工作进行协调，并通过信息网络技术辅助工作，降低了运营维护的压力，提升了工作效率，增强了智慧运维的运行可靠性。

3.4 “即插即用”技术

“即插即用”技术是一种行业标准化技术的概念，它指的是在新的外部设备自动接入系统中，系统在无须人为干预的情况下，自动地识别出配置的改变，它已经被广泛地应用于各个领域，并且使用“即插即用”技术，可以让整个系统操作起来更加简单、更加高效。将“即插即用”技术应用到现场继电器设备中，既有硬件的意义，也有软件的意义。在硬件层次上，为了实现设备间的相互交换，同一种保护应该有一个统一的、标准化的接口。标准接口不仅在硬件层次上很好地解决了插拔问题，还增加了在野外工作的安全性：使用了技术上的防误设计，使用了分色条码和容错键，在野外有效地避免了“误接线”；接线端子采用密封性设计，可避免“误碰”事故发生。

3.5 高防护等级、电磁兼容、热设计技术

为解决就地化保护在下放到开关场中所要面对的交变电磁环境和恶劣的户外气象环境，就地化保护使用了一种新的设计，即：坚固耐用的机箱结构、高防护的输入输出航插接口，其耐受电磁干扰能力超过1000kV特高压标准的要求，气象环境的适应性满足IP67级防水，在-40～70℃的极端天气、高海拔和高湿度天气环境下，机械特性满足冲击、振动、碰撞试验国家2级标准的要求等[4]。通过对所开发的线路保护装置的试验，证明了以上要求是完全符合的。

4 继电保护发展现状以及未来发展

智能电网的出现，改变了继电保护的传统运行方式。在技术水平上，随着现代信息监测与保护技术的不断发展，继电保护工作已有了很大的改变。随着WAMS系统的应用，继电保护必然会产生巨大的变化，在未来，智能变电站必然会建设一个变电站信息采集中心，并能够利用系统所收集到的数据，对其进行智能化的保护。而且，随着大规模的保护体系的出现，各系统之间的联系也会越来越紧密，这将是一场革命性的变革。因此，要实现对继电保护的有效管理，就必须有一个完善的继电保护管理体系。

5 结束语

总之，变电站继电保护就地化的实施对于提升电力系统的安全性和稳定性具有不可替代的作用，因此，电力行业的从业者和研究人员必须紧跟技术发展趋势，积极探索和应用新的技术和方法，通过优化设计、提高设备的环境适应能力和电磁兼容性，同时采用先进的“即插即用”技术和自动化测试系统，提高继电保护的可靠性和维护效率。同时，加强与现代智能技术的融合，确保变电站继电保护系统的高效运行，促进电力系统向智能化、网络化的方向发展。