智能变电站继电保护系统可靠性分析

熊 迪

（中油电能供电公司，黑龙江 大庆 163000）

0 引 言

由于电力系统建设的不断完善，供电网络的规模和电压等级不断提高，所以对电力系统的安全性、可靠性提出了更高要求。电力行业为人们提供高质量、安全和经济的电能是当前首要解决的问题，智能电网建设是国家提出的战略布局，智能变电站是把通信网络技术和控制技术进行结合的产物，二次系统在信息传输模式上产生了很大的转变，实现了对变电站运行信息进行采集、测量、保护及控制等功能，可以与电网自动化进行结合，为实现在线分析决策和智能调整提供依据。

1 智能化变电站继电保护系统构成

传统的变电站继电保护系统是站控层、间隔层两个层次的框架。随着智能断路器、电子式互感装置技术的不断成熟，智能变电站继电保护系统发展为站控层、间隔层及过程层三个层次的框架。运行数据信息的采集利用电子互感器替代了电磁式互感器，把数据信息通过合并单元处理，并采用特定的数据格式把信号通过网络系统送到继电保护中。保护动作控制单元中，智能终端主要用于接收测量控制装置及保护装置生成的跳合闸信号来驱动断路器动作，再把断路器跳合闸运行信息回馈给继电保护装置[1]。

1.1 电子式互感器

传统变电站互感器装置采用电磁结构方式，随着光电子技术的发展进步，数字化电气测量装置不断应用到变电站。电子互感器替代了电磁互感器，该互感器会根据是否应用传感头来决定电源，可分为有源和无源两个种类，可以克服传统互感器在使用过程中存在的问题，没有磁饱和现象，从而提高对故障测量的准确程度，使保护装置可以准确地动作，可以保护电力系统的安全运行。光缆取代了原来的电缆，绝缘方式比较简单。此外，电子互感器占用的体积较小，重量较轻，可以输出数字信号，使电站的二次系统实现集中控制，为实现变电站的智能化创造条件，满足了电气计量和智能化发展的要求。不需要采用油质进行绝缘，提高了使用的安全性，避免出现火灾和爆炸事故。

1.2 合并单元

合并单元的主要作用是把电子互感器传输过来的数据信息进行组合，采用一致的时间标签和指定的数据传输格式把采集到的数据信息发送到保护控制装置，是过程层级数据传输的重要元器件。合并单元与电子互感器可以实现很好的配合，是过程层关键的电气元件，也是智能变电站重要的环节，并防止互感器和继电保护装置相互间产生复杂的接线，进一步减少了建设成本，可以实现二次设备的数据共享。

1.3 交换机

智能变电站应用交换机建立网络平台来实现数据信息交换，取代了传统变电站利用电缆进行数据传输的方式。交换机是通信网络中重要的设备。网络交换技术是数据链路层级的信息技术，实现数据信息帧的转发。传输数据信息时，交换机可以形成可靠的数据渠道，控制网络数据的流量，从而保证数据帧可以实现快速交互，并通过交换地址表使信息在局域网中实现传输。生成树协议的应用，有效解决了交换机不形成环路的问题，防止出现广播风暴，使交换机相互间产生冗余链路，有效提升了智能电站稳定性和安全性。

1.4 智能终端

电子式互感器技术的成熟和应用，再结合计算机控制技术，可以实现对变电站断路器运行温度、机构动作情况等的监测；通过对运行数据的采集和处理，可以准确地识别出断路的运行状态；科学安排检修时间，可以做到设备的状态检修，取代了原有的定期检查和预防性试验。智能终端是变电站一次设备的智能控制组件，可以接收和处理继电保护装置传输的跳合闸控制命令，采用断路器装置进行开断。断路器装置上的运行信息可以输送到监测装置或站控层，工程技术人员采用远程方式了解断路器的实时状态。

2 智能变电站继电保护系统可靠性分析

为分析智能变电站继电保护系统可靠性，需要组建可靠性数学模型。组建模型的方法很多，蒙特卡罗模拟比较常见，主要是采用计算机实现控制元件的随机选用，可以对继电保护系统进行抽样检测，从而对失效的概率进行统计分析，然后再通过系统实现对可靠性的计算。该种建模方式并不适用于所有的智能变电站，特别电气元件复杂的电站系统。马尔柯夫模型用于复杂电站系统，会使模型变得更为繁杂，无法很好地解决问题。可靠性图框法可以实现复杂智能电站系统的数学模型建立，模型结构虽然简单，但可以实现对变电站系统电气元件相互逻辑关系的划分，计算较简单，结合智能电站过程层以及GOOSE报文结构，组建起继电保护可靠性模型。

3 智能电站继电保护系统可靠性计算

智能变电站采用双重保护系统，两个系统之间是相互独立的，不存在任何联系，并配备双网并行冗余通信协议，从而保证SV采样数据信息以及GOOSE保护跳合闸保护信号可以实现在电站过程层的无损传输。两套配置方式使继电保护装置可以满足冗余设计要求，从而更好地保护继电系统的可靠性。主变压器智能保护终端、合并单元采用组网方式实现连接，从而对GOOSE双网进行很好地保护。该通信网络可以实现对变电站系统开关量的采集以及发出传输跳闸保护命令，采用IEC标准通信协议实现SV网络对采集数据信息的传送[2]。

为使智能变电站可以在应用层面实现智能化，主变压器继电保护应用CPU控制器实现相关的控制功能，测量和采样可当作继电保护启动和识别的依据，从而更好地提升继电保护系统的可靠性。主变压器的保护可靠性，可利用最小路集和最小割集不交化控制算法，把每个电气元件正常工作概率引入，从而获取主变器可靠性函数为其中，P是it变电站智能控制终端正常条件下概率，Pem则为网络通信介质正常条件下概率，Psm是交换机设置正常工作概率，Ppr是继电保护在正常条件下达到的概率，Pmu是合并单元在正常工作条件下的概率。把各种电气元件的故障率引入，t取值为50年，从而得到主变压器保护可靠度为09.999 999 911。为了对最小路径集法进行科学合理地验证，可以对可靠性函数准确性进行验证，对多个继电保护可靠性进行串联简化，将其转变为公式进行计算。220 kV供电线路需要多个继电保护单元，系统的结构型式比较复杂，一些线路SV网络为冗余结构方式，需要应用4台SV数据交换机，但是110 kV供电线路只采用了2台SV数据交换机，可以看出前者具有更好的可靠性。

4 提高智能变电站继电保护系统可靠性策略

智能变电站母线保护是断电保护系统的关键环节，母线装置的可靠性会对智能变电站的正常运行带来影响。为提高智能变电站保护系统的可靠性，需要使保护系统具备合理的冗余结构。冗余性会受保护装置和通信网络的冗余度的影响。对于物理层次，对控制网络拓扑结构实现灵活组网，可以发挥出特有的优势；采用双以太网并行的保护技术，可以使其具备的冗余优势得到更好地体现。智能变电站通信网络拓扑结构可以采取多种型式，科学合理地选用结构型式可以更好地提高冗余度。

冗余装置是提升继电保护系统的关键措施，任何型式的变电站都离不开冗余设计。可以利用两套继电保护系统，并设计终端保护设置、数据交换机及合并单元，以提高系统的保护性能。

4.1 变压器继电保护配置

电力系统供电电压是设定好的，如果运行电压值出现波动，会使配电系统正常运行受到影响。智能变电站控制运行电压时，需要采用主变压器来完成。变压器是变电站重要的电力设施，电压的控制采用分布配置的办法来实现，从而起到对变压器的保护，可以采用差动断电保护的措施。保护变压器时，可以采用集中配置的办法，保证继电保护安装可以独立完成，实现对非电量的继电保护功能。断路器和电缆连接完成后，可以把继电保护的性能充分发挥，变压器的可靠性得以显著提升。

4.2 可视化技术的运用

为提高智能变电站继电保护可靠性，需要对故障实现有效处理。虽然信息技术得到了巨大进步，但是很多继电保护装置的运行故障监测和处理还采用表格和数据方式。智能变电站引入可视化技术对继电保护装置进行监控是十分必要的，可以实时对继电保护装置运行情况，实现故障预警和运行数据采集。智能变电站运行时可能由于数据信息传输问题而引发故障，所以需要对通信系统错误信息进行全面、系统地排查，以保护继电保护装置。继电保护装置动作时，生成的中间节点文件和故障波形相符。继电保护装置产生运行故障时，需要对中间节点文件形成的数据信息进行准确采集，以全面分析故障，从而确定故障原因。为工程技术人员提供准确的排查记录信息，针对故障情况制定切实可行解决措施。

5 结 论

为提高智能变电站继电保护可靠性，需要工作人员对继电保护系统进行深入了解，结合变电站的实际情况，制定提升可靠性的措施。