王 倩，華 勇

（1.濟(jì)南供電公司，濟(jì)南 250002；2.濟(jì)南魯能集團(tuán)，濟(jì)南 250002）

0 引言

社會(huì)的進(jìn)步賦予了電網(wǎng)建設(shè)新的任務(wù)和發(fā)展方向，以結(jié)構(gòu)合理、技術(shù)先進(jìn)、安全經(jīng)濟(jì)、高效節(jié)能為新的發(fā)展需求，各電力集團(tuán)在此倡導(dǎo)下，紛紛進(jìn)行技術(shù)革新，數(shù)字化變電站的建設(shè)成為電網(wǎng)建設(shè)的主流，以自愈能力和兼容能力兼?zhèn)涞淖冸娬窘ㄔO(shè)為主導(dǎo)思想，推進(jìn)智能化電網(wǎng)的建設(shè)，電網(wǎng)設(shè)備的繼電改造，是網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化水平提高的關(guān)鍵，本文以此為目的對(duì)數(shù)字化模式下的繼電保護(hù)工作展開討論。

1 數(shù)字化變電站的內(nèi)涵

所謂數(shù)字化變電站是指建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)體系，將變電站的信息采集、傳送、處理和輸出過(guò)程中產(chǎn)生的模擬信息轉(zhuǎn)化成為數(shù)字信息，進(jìn)行智能化控制。

數(shù)字化變電站主要設(shè)備及特征如下：

1.1 光學(xué)互感器

光學(xué)互感器包括光學(xué)電流互感器和光學(xué)電壓互感器兩部分，光學(xué)電流互感器是運(yùn)用法拉第理論基礎(chǔ)，利用光在晶體中偏振角度對(duì)導(dǎo)線周圍的磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，從而測(cè)得電流。而光學(xué)電壓互感器則是在波克爾效應(yīng)的基礎(chǔ)之上，以光在晶體中的入射角和出射角的角度差異衡量導(dǎo)線電場(chǎng)，從而獲得導(dǎo)線電壓。

1.2 智能斷路器

所謂智能斷路器是指運(yùn)用數(shù)字化的接口代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬接線，監(jiān)控?cái)嗦菲鞯臓顟B(tài)，并及時(shí)對(duì)斷路器的健康狀況進(jìn)行評(píng)估，采取及時(shí)維護(hù)措施。

2 繼電保護(hù)技術(shù)

變電站的繼電保護(hù)裝置主要由以下幾部分組成：

1）線路的保護(hù)：傳統(tǒng)的電路保護(hù)模式主要分為二段或三段式的電流保護(hù)，分別為電流的速斷保護(hù)，對(duì)限時(shí)電流的速斷保護(hù)以及過(guò)電流的保護(hù)。

2）母聯(lián)保護(hù)：即電流速斷保護(hù)、過(guò)電流的保護(hù)。

3）主變保護(hù)：由主保護(hù)和后備保護(hù)構(gòu)成，前者又由重瓦斯保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)組成。數(shù)字化時(shí)代的繼電保護(hù)則更可靠、靈敏。

3 數(shù)字化變電站在繼電保護(hù)上的優(yōu)越性體現(xiàn)

數(shù)字化電氣測(cè)量系統(tǒng)，是在電流和電壓采集上實(shí)現(xiàn)電氣量，將第一、二次系統(tǒng)上存在的電氣進(jìn)行有效隔離，同時(shí)擴(kuò)大電氣量的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍以及準(zhǔn)確度，這一特點(diǎn)已經(jīng)成為數(shù)字化變電站的標(biāo)志，也使得變電站信息冗余轉(zhuǎn)變成為可能，促進(jìn)信息的高效集成運(yùn)用。新型繼電保護(hù)技術(shù)在數(shù)字化變電站運(yùn)用的現(xiàn)狀可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行闡述：

3.1 智能變電站繼電保護(hù)測(cè)試儀

在數(shù)字化變電站的實(shí)踐成果上，已研制成功并成功推廣DRT-802測(cè)試儀，其特點(diǎn)在于能夠針對(duì)數(shù)字化變電站的特征而制定的一款繼電保護(hù)的測(cè)試儀器，其功能特點(diǎn)相對(duì)于傳統(tǒng)的繼電保護(hù)測(cè)試儀器，功能豐富，能兼容IEC 61850-9-1/9-2、GOOSE收發(fā)、對(duì)小信號(hào)能夠進(jìn)行模擬輸出，能對(duì)數(shù)字化變電站不同電壓等級(jí)下的繼電保護(hù)相關(guān)裝置進(jìn)行檢測(cè)。

3.2 數(shù)字化變電站動(dòng)態(tài)仿真系統(tǒng)

數(shù)字化變電站的特點(diǎn)是高度的信息化、數(shù)字化，且智能自動(dòng)化強(qiáng)，對(duì)智能電網(wǎng)的建設(shè)起著關(guān)鍵作用，從目前數(shù)字化變電站的發(fā)展現(xiàn)狀上看，在二級(jí)設(shè)備如繼電保護(hù)等相關(guān)設(shè)備的檢測(cè)手段上，還有待提高。

3.3 智能開關(guān)與非常規(guī)互感器技術(shù)

傳統(tǒng)繼電保護(hù)設(shè)置中往往采用的是PT和CT，在數(shù)字化變電站的繼電保護(hù)模式上則采用功率低、智能的數(shù)字化的新型互感器對(duì)其進(jìn)行替代，這樣一來(lái)，不僅僅將危險(xiǎn)的高電壓以及大電流轉(zhuǎn)換成了數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳導(dǎo)，還在此基礎(chǔ)上構(gòu)建成了數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)母咝Чぷ飨到y(tǒng)。與此同時(shí)采用新型電子材料和技術(shù)制成的斷路器系統(tǒng)，其數(shù)字化接口能通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)起到保護(hù)、控制命令的傳輸功能。

數(shù)字化變電站的繼電保護(hù)采用的保護(hù)方案是數(shù)字式同步發(fā)電機(jī)定子繞組差動(dòng)方案，該方案是在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，由兩個(gè)前向的網(wǎng)絡(luò)組成。分別起著故障檢測(cè)以及內(nèi)部故障的識(shí)別作用，該模式的理想工作模型如圖1所示。

圖1 保護(hù)主要邏輯板塊圖

由圖1可以發(fā)現(xiàn)，此設(shè)計(jì)是運(yùn)用線路的側(cè)段和中點(diǎn)的電流采樣值來(lái)補(bǔ)充網(wǎng)絡(luò)采樣的不足，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)的檢測(cè)原理是根據(jù)故障發(fā)生時(shí)，網(wǎng)絡(luò)電流的采集值的基波以及二次諧波分量發(fā)生的相應(yīng)改變來(lái)判斷的，這樣的改變則是由發(fā)電機(jī)的內(nèi)外部非正常狀態(tài)引起的，與電流波改變關(guān)系緊密，因此此方法較為準(zhǔn)確。

4 數(shù)字化變電站繼電保護(hù)方案

4.1 母線保護(hù)

4.1.1 簡(jiǎn)化母差保護(hù)邏輯

從以上對(duì)繼電保護(hù)的相關(guān)設(shè)施介紹中可以得知，母差保護(hù)為母線保護(hù)的主保護(hù)，傳統(tǒng)的母線保護(hù)為了防止振動(dòng)或一些人為損壞導(dǎo)致差動(dòng)元件出口的繼電器出現(xiàn)短路或者斷路情況，其邏輯模式上對(duì)復(fù)合電壓元件設(shè)計(jì)閉鎖。而相對(duì)而言數(shù)字化變電站則智能很多，能及時(shí)智能的識(shí)別障礙從而自動(dòng)斷電，對(duì)復(fù)合電壓元件解鎖，使得母差保護(hù)的邏輯清晰明了。

4.1.2 加強(qiáng)母差保護(hù)時(shí)效性

對(duì)于母線外區(qū)域的故障處理上，傳統(tǒng)的變電站支出TA會(huì)發(fā)生飽和，其余部分并沒(méi)有，使得保護(hù)出現(xiàn)保護(hù)誤動(dòng)；此時(shí)若區(qū)內(nèi)出現(xiàn)故障，母差保護(hù)無(wú)法進(jìn)行靈敏的檢測(cè)。在對(duì)故障的判別從元件到計(jì)算TA飽和的軟件上都耗時(shí)過(guò)大，使得母差保護(hù)時(shí)效性不強(qiáng)。如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)母差保護(hù)模式邏輯圖

而數(shù)字化的繼電保護(hù)在故障判別上采用了智能的光學(xué)互感器作為判別元件，無(wú)需使用TA飽和，擴(kuò)大了檢測(cè)范圍，測(cè)頻較廣，撤銷了母差保護(hù)中TA飽和以及判別元件，從而縮減了判別過(guò)程，使得母差保護(hù)時(shí)效性增強(qiáng)。

4.1.3 調(diào)整傳統(tǒng)母差保護(hù)差動(dòng)元件

傳統(tǒng)的母差保護(hù)中差動(dòng)元件可以分為啟動(dòng)元件和比率制動(dòng)元件，數(shù)字化變電站繼電保護(hù)對(duì)其可進(jìn)行如下調(diào)節(jié)。

傳統(tǒng)模式下：

啟動(dòng)元件：按處于穩(wěn)態(tài)時(shí)平衡電流的最大躲避值，即：

其中 Krel—可靠系數(shù)；Ker—TA的相對(duì)誤差；K2—保護(hù)裝置的通道傳輸及調(diào)整誤差；K3—TA暫態(tài)特性不同引起的誤差。

比率制動(dòng)元件：對(duì)區(qū)域外故障的最大不平衡電流承受最大值：

由于數(shù)字化變電站運(yùn)用光纖進(jìn)行等數(shù)字里量電流電壓的信息轉(zhuǎn)化傳輸，使得采樣誤差較小，與此同時(shí)，光學(xué)互感器的特質(zhì)，使得其對(duì)差動(dòng)原則進(jìn)行一定的調(diào)節(jié)：

從兩個(gè)原則的對(duì)比不難看出，調(diào)整后的原則比之前的適用范圍廣，靈敏度強(qiáng)。

4.2 線路保護(hù)

傳統(tǒng)的繼電保護(hù)模式，基于管理和調(diào)試方便的目的，使用與同桿并架雙回線配套的線路對(duì)其進(jìn)行微機(jī)保護(hù)，其保護(hù)的功效較低，針對(duì)采樣線路的電氣量進(jìn)行，只能發(fā)出簡(jiǎn)單的如跳閘、合閘的命令。其次采用接地阻抗的接線方式使得2回線之間出現(xiàn)電流互感，而又未得到鄰近的其他線路進(jìn)行補(bǔ)償，而當(dāng)1回線的出現(xiàn)接地故障，導(dǎo)致接地阻抗的測(cè)量阻抗降低，使得保護(hù)的范圍不實(shí)，增長(zhǎng)，誤動(dòng)產(chǎn)生；2線路中存在的電壓等級(jí)并不是相同的，電磁感應(yīng)大于電流本身，使得1路出現(xiàn)誤動(dòng)。再次，當(dāng)障礙出現(xiàn)在跨線間，一系列的連鎖反應(yīng)將出現(xiàn)合閘動(dòng)作不到位等，如圖3所示。

圖3 同桿并架雙回線跨線障礙

對(duì)于數(shù)字化變電站的繼電保護(hù)，由于采用信息的數(shù)字化傳輸及處理，整個(gè)過(guò)程中將數(shù)字化進(jìn)行完全的貫徹，使得同桿并架雙回線保護(hù)效率提高，實(shí)行雙回線的多項(xiàng)電流保護(hù)，同時(shí)能對(duì)1、2線路進(jìn)行斷路器的跳閘、合閘命令，采用另一回線對(duì)電流損失進(jìn)行補(bǔ)償，使得誤動(dòng)減少，測(cè)量準(zhǔn)確。

I回線B相阻抗繼電器電壓調(diào)整為UMB,電流為IMB+K3I01+K'3I0Ⅱ,測(cè)量阻抗：ZmMB=ZIK(K'=Zm/ZIK，Zm為在ZIK范圍內(nèi)2回線間互感作用)。

增加了Ⅱ回線電氣量，使得故障的判斷精確，能在故障處理之后，正?；謴?fù)，當(dāng)判斷為永久故障時(shí)，進(jìn)一步確定其余相的健全，根據(jù)結(jié)果對(duì)故障進(jìn)行處理，當(dāng)剩余相完整則切除，雖然并不是完全運(yùn)行但可以維持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4.3 變壓器保護(hù)

差動(dòng)保護(hù)作為變壓器保護(hù)的主保護(hù)，當(dāng)變壓器出現(xiàn)空投和對(duì)區(qū)外的短路進(jìn)行切除的情況時(shí)，電路中電流磁感應(yīng)增強(qiáng)，使得差動(dòng)保護(hù)出現(xiàn)誤動(dòng)情況，因此為避免這一現(xiàn)象，傳統(tǒng)變電站繼電保護(hù)模式中設(shè)置了閉鎖元件，即處理內(nèi)部故障惡化下，TA飽和以及二次電流波發(fā)生畸變。但這一過(guò)程往往產(chǎn)生諧波的分量使得判別誤動(dòng)，使得變壓器的差動(dòng)保護(hù)失效，基于此模式中的差流速段元件的功能隨之產(chǎn)生。

相對(duì)于如此復(fù)雜的變壓器保護(hù)邏輯，數(shù)字化的變電站往往采用的是光學(xué)互感器，其中的TA不會(huì)出現(xiàn)飽和，同時(shí)感應(yīng)頻增寬，使得差流速斷元件成為多余的元件，從而簡(jiǎn)化了保護(hù)邏輯，與此同時(shí)，其智能的斷路器設(shè)置在斷開和合并的時(shí)候能對(duì)電壓進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，對(duì)變壓器的分合閘角度進(jìn)行調(diào)整而達(dá)到控制電流磁效應(yīng)的作用，當(dāng)電壓器出現(xiàn)正?？蛰d，電流也為空載電流，電壓瞬間達(dá)到最大，磁通量最小，此時(shí)分閘，較為理想，當(dāng)再一次的變壓器進(jìn)行空投時(shí)，可以對(duì)其電壓最大值進(jìn)行控制，選擇同樣時(shí)間合閘，則可以控制判別元件的誤判，使其保護(hù)的靈敏性增大。

圖4 變壓器空投時(shí)鐵心中最大磁通量可能的波形

5 數(shù)字化變電站繼電保護(hù)的完善措施--數(shù)字化變電站繼電保護(hù)容錯(cuò)方法

數(shù)字化變電站同傳統(tǒng)的變電站相比，靈敏性、安全性、穩(wěn)定性等大大提高，但是數(shù)據(jù)的失真?zhèn)鬏斎匀淮嬖?，且潛在的通信故障以及網(wǎng)絡(luò)入侵等也可能導(dǎo)致保護(hù)接收到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)而產(chǎn)生誤動(dòng)[3～5]，部分學(xué)者則在IEEE 10節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對(duì)其容錯(cuò)方式進(jìn)行了有效性和實(shí)時(shí)性的仿真分析，分析結(jié)果顯示，此方法對(duì)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤傳輸引起的誤動(dòng)，將信息整理和保護(hù)措施算法進(jìn)行一并處理，在不影響保護(hù)速度性的同時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行高效的控制。

5.1 容錯(cuò)方法的基本原理

繼電保護(hù)裝置可以對(duì)互感器收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，其結(jié)果與保護(hù)算法形成了匹配的結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)的故障從信息融合算法和繼電保護(hù)算法上進(jìn)行雙重判定，只有判定一致時(shí)則實(shí)行保護(hù)。繼電保護(hù)容錯(cuò)方法原理如圖5所示。

圖5 繼電保護(hù)容錯(cuò)方法原理圖

5.2 容錯(cuò)的有效性體現(xiàn)

這一算法的提出使得數(shù)字化變電站的采樣數(shù)據(jù)出錯(cuò)而引起的誤動(dòng)問(wèn)題得到解決，還是一種基于證據(jù)理論上對(duì)復(fù)雜信息進(jìn)行整合判斷的新方法，此法是在數(shù)字化變電站的優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上，運(yùn)用信息網(wǎng)絡(luò)的傳送、對(duì)資源實(shí)行共享，并且利用冗余信息間的互補(bǔ)性以減輕有誤數(shù)據(jù)產(chǎn)生的惡性結(jié)果。

6 結(jié)束語(yǔ)

自新中國(guó)成立以來(lái)，電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)處于不斷發(fā)展的狀態(tài)，經(jīng)歷了四個(gè)主要的時(shí)期，隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)的融入為繼電保護(hù)提供了新的發(fā)展平臺(tái)，但數(shù)字化變電站的繼電模式仍然有待完善，如在提高容錯(cuò)方面的研究已初有成效，在今后的發(fā)展中必然向著智能化繼電保護(hù)模式進(jìn)一步深入。

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