韓衛(wèi)恒，樊麗琴，慕國行

（國網(wǎng)山西省電力公司調(diào)度控制中心，山西太原 030001）

智能變電站繼電保護(hù)全過程管理

韓衛(wèi)恒，樊麗琴，慕國行

（國網(wǎng)山西省電力公司調(diào)度控制中心，山西太原 030001）

通過對(duì)智能變電站與常規(guī)變電站的繼電保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行差異化對(duì)比分析，結(jié)合智能變電站建設(shè)和運(yùn)維的實(shí)際，分析了智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)全過程管理中的關(guān)鍵點(diǎn)，并探討了未來繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展方向。

智能變電站;繼電保護(hù)系統(tǒng);全過程管理

0 引言

智能變電站作為智能電網(wǎng)建設(shè)重要一環(huán)，其建設(shè)速度和建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，其安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的重要性不言而喻。

繼電保護(hù)系統(tǒng)作為保障電力設(shè)備安全和防止電網(wǎng)大面積停電的最基本、最有效的技術(shù)手段，為電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮著巨大的作用。近年來，智能變電站繼電保護(hù)新技術(shù)的大量應(yīng)用，完全改變了常規(guī)變電站信息交互模式，以光纖代替二次電纜、以全站二次系統(tǒng)配置文件SCD（Substation Configuration Description）描述二次信息連接關(guān)系，對(duì)繼電保護(hù)全過程管理提出了新的要求，而正確地分析智能站繼電保護(hù)技術(shù)的特點(diǎn)，準(zhǔn)確把握其全過程管理的重點(diǎn)，對(duì)智能變電站的優(yōu)質(zhì)高效建設(shè)、運(yùn)維具有重要的作用。

1 智能變電站概述

智能變電站運(yùn)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)，采用低碳、環(huán)保的智能設(shè)備及材料，融入綠色環(huán)保的理念，以全站信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求，自動(dòng)完成信息采集、測(cè)量、控制、保護(hù)、計(jì)量和監(jiān)測(cè)等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動(dòng)等高級(jí)功能的變電站[1]。

智能站一次設(shè)備智能化目前采用互感器+合并單元、斷路器+智能終端的過渡方式，合并單元、智能終端就地化布置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)同步和數(shù)字化信息傳輸。智能站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用三層兩網(wǎng)模式，三層包括過程層、間隔層、站控層，兩網(wǎng)是過程層網(wǎng)絡(luò)和站控層網(wǎng)絡(luò)。繼電保護(hù)系統(tǒng)主要分布在過程層和間隔層，跨間隔信息交互通過過程層網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。

2 與常規(guī)變電站差異分析

與常規(guī)變電站相比，最明顯的區(qū)別是光纖代替電纜，信息傳輸由模擬量轉(zhuǎn)為數(shù)字量，提高了信息共享程度，但由此帶來的更大差異則表現(xiàn)在繼電保護(hù)裝置內(nèi)部數(shù)據(jù)處理原理、運(yùn)行維護(hù)、檢修以及管理等方面。

2.1 二次回路

常規(guī)變電站從一次設(shè)備到二次保護(hù)自動(dòng)化設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸采用電纜連接，模擬量傳輸，物理邏輯清晰，每根電纜傳輸內(nèi)容單一、可辨，二次回路隱患排查、故障查找方法簡單、容易。同時(shí)，二次電纜傳輸?shù)目垢蓴_防護(hù)對(duì)電纜的鋪排、絕緣、屏蔽層以及銅網(wǎng)接地等都有嚴(yán)格的要求。

智能變電站互感器到合并單元、斷路器到智能終端之間的信息傳輸仍采用電纜硬接線，合并單元、智能終端到保護(hù)自動(dòng)化設(shè)備之間的信息傳輸采用光纖數(shù)字量傳輸。二次信息連接關(guān)系及相關(guān)通信參數(shù)配置全部由SCD文件確定[2]。

與常規(guī)站相比，主要有以下差異。

a）以光纖代替大量電纜，同時(shí)增配交換機(jī)。

b） 數(shù)字量傳輸本身不存在干擾和接地問題。因此，二次回路抗干擾防護(hù)措施、回路接地等只需在一次設(shè)備到合智裝置間考慮，距離大大縮減。

c）信息高度集成。常規(guī)站電纜傳輸內(nèi)容單一，而智能站單根光纖可傳輸多組數(shù)據(jù)，如一根采樣光纖可同時(shí)傳輸三相電壓、電流采樣值。

d） 信息全站共享。數(shù)字量接入過程層網(wǎng)絡(luò)，相關(guān)設(shè)備直接從網(wǎng)絡(luò)采集、發(fā)布信息，裝置間信息交互依靠網(wǎng)絡(luò)傳輸。

2.2 合并單元和智能終端

智能變電站增加合并單元和智能終端設(shè)備。合并單元主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)同步，智能終端主要實(shí)現(xiàn)開關(guān)量的采集和跳合閘、遙控命令的執(zhí)行。

2.3 繼電保護(hù)裝置

繼電保護(hù)裝置本身的差異主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)采樣和同步原理、輸入輸出插件方面。

2.3.1 數(shù)據(jù)采樣和同步原理

常規(guī)保護(hù)裝置為模擬量輸入輸出，數(shù)據(jù)采樣和同步由保護(hù)裝置內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，其功能實(shí)現(xiàn)不依賴于外部時(shí)鐘。其數(shù)據(jù)采集、處理流程圖如圖1所示，數(shù)據(jù)同步采用脈沖同步法，即由保護(hù)裝置本身定時(shí)發(fā)出采樣脈沖，實(shí)現(xiàn)對(duì)各間隔模擬量采樣的同步[3]。

圖1 常規(guī)繼電保護(hù)數(shù)據(jù)采樣和同步流程圖

相比較，智能變電站數(shù)據(jù)采樣由各間隔合并單元實(shí)現(xiàn)，采樣頻率一般為4 000 Hz。

為保證保護(hù)裝置各間隔數(shù)據(jù)的同步性，其中一種方法是全站同步對(duì)時(shí)法，如圖2所示，保證各間隔在同一時(shí)刻采樣并傳送至保護(hù)裝置，缺點(diǎn)是保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)依賴于外部對(duì)時(shí)。

圖2 全站同步對(duì)時(shí)示意圖

另一種方法是采用插值同步法。合并單元采集的離散數(shù)據(jù)經(jīng)額定延時(shí)后發(fā)送到保護(hù)裝置，由于保護(hù)裝置采用直采方式，傳輸延時(shí)固定且較小，故其接收到的數(shù)據(jù)為等間隔離散數(shù)據(jù)，保護(hù)定時(shí)發(fā)采樣脈沖（時(shí)間間隔應(yīng)大于所接入各間隔的數(shù)據(jù)時(shí)延），通過插值計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)各間隔數(shù)據(jù)的同步重采樣。如果保護(hù)裝置的采數(shù)脈沖時(shí)間小于某間隔的數(shù)據(jù)時(shí)延，則保護(hù)裝置在脈沖時(shí)刻取不到該間隔的數(shù)據(jù)，會(huì)報(bào)異常。同樣，如某間隔采樣值SV（Sampled Value）光纖斷鏈，保護(hù)裝置采集不到數(shù)據(jù)，無法插值同步，將報(bào)異常閉鎖保護(hù)功能。

2.3.2 硬件差異

硬件差異主要是裝置開入、開出插件和壓板。智能站保護(hù)裝置開入不再需要交流變換和濾波，開入、開出插件全部變?yōu)镾V和面向通用對(duì)象事件GOOSE（Generic Object Oriented Substation Event）通信插件。壓板僅保留檢修硬壓板，其余硬壓板全改為軟壓板，并具備遠(yuǎn)方操作功能，出口硬壓板下放智能終端,詳見表1。

表1 硬件對(duì)比表

常規(guī)站檢修壓板僅作閉鎖信息用，投入檢修壓板后相關(guān)試驗(yàn)信息不上送后臺(tái)及遠(yuǎn)方。而智能站檢修壓板投入時(shí)，檢修信息將攜帶檢修標(biāo)志上傳后臺(tái)及遠(yuǎn)方（但不彈出畫面），且檢修壓板具有檢修機(jī)制作用，即當(dāng)裝置接收到信息時(shí)，將檢測(cè)自身檢修壓板狀態(tài)與接收信息的檢修標(biāo)志是否一致，一致則接收并處理信息，不一致將只接收不處理。

3 全過程管理分析

從差異分析著手，智能變電站繼電保護(hù)的安全主要保證其運(yùn)行安全和檢修、改擴(kuò)建的安全。

運(yùn)行安全包括裝置硬件安全可靠、邏輯功能正確、二次回路信息正確、功能投退正確和定值正確。邏輯功能和定值管理與常規(guī)站一樣，經(jīng)過多年積累，其可靠性已較高。因此，智能站保證運(yùn)行安全的特殊管理重點(diǎn)應(yīng)包括裝置硬件、全站二次配置信息和壓板，該部分也正是智能站的主要變革部分。

檢修、改擴(kuò)建的安全則是如何正確將停電設(shè)備與運(yùn)行設(shè)備物理隔離，而隔離的手段主要有斷光纖、斷電源、投退軟/硬壓板和檢修硬壓板。其中關(guān)鍵是壓板的投退管理。

3.1 裝置本體管理

繼電保護(hù)系統(tǒng)的主要設(shè)備包括繼電保護(hù)裝置、合并單元、智能終端、交換機(jī)、光纖和電源系統(tǒng)。它們的質(zhì)量直接關(guān)系著繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。交換機(jī)和光纖在軍工、工業(yè)等領(lǐng)域已應(yīng)用廣泛，其技術(shù)已較成熟。合并單元、智能終端是智能變電站的新運(yùn)行設(shè)備，沒有大量的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)積累。智能站繼電保護(hù)裝置變化較多，一是其數(shù)據(jù)采樣和同步方法發(fā)生變化，要求SV數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)固定，而交換機(jī)數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)的不穩(wěn)定性決定了保護(hù)裝置必須采用直采，直跳是為了滿足保護(hù)動(dòng)作快速、可靠性的要求；二是裝置插件變化，增加了很多通信類插件，且這類插件內(nèi)部有處理器，在進(jìn)行插件更換的同時(shí)還需要進(jìn)行軟件配置，從運(yùn)行情況看，此類插件的故障幾率遠(yuǎn)高于其他插件。因此，合并單元、智能終端、保護(hù)裝置的質(zhì)量合格性管理對(duì)智能站的全過程管理尤為重要。

3.2 SCD配置文件

二次回路是繼電保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，其正確性和完整性直接關(guān)系著繼電保護(hù)裝置的可靠性和正動(dòng)率。智能變電站以光纖代替電纜后，信息高度集成和共享，二次回路的信息流向、連接關(guān)系全部由SCD配置文件配置決定，因此對(duì)SCD文件完整性、正確性的全過程把控顯得非常重要。SCD文件的把控分為兩部分，一是文件本身正確性把控，二是文件執(zhí)行結(jié)果正確性把控，即對(duì)裝置實(shí)例化配置文件的正確性把控。

目前的把控手段主要有試驗(yàn)驗(yàn)證和離線可視化審查。除了應(yīng)用可視化工具對(duì)SCD文件進(jìn)行離線審查外，虛端子表、MAC地址分配表、VLAN劃分表作為SCD文件組態(tài)、配置完成的基礎(chǔ)，它們的正確性審查也可間接作為SCD文件正確性把控的依據(jù)。

SCD配置文件執(zhí)行結(jié)果的正確性把控目前只能通過試驗(yàn)驗(yàn)證，沒有有效的離線審查手段。

3.3 軟壓板

保護(hù)裝置的所有硬壓板除檢修壓板外，其余全改為軟壓板，增加SV接收、GOOSE接收等軟壓板，且可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方投退。

軟壓板的管理重點(diǎn)應(yīng)包括壓板配置正確性、保護(hù)裝置與監(jiān)控后臺(tái)壓板一致性、壓板投退等管理。

壓板配置正確性為裝置內(nèi)部輸入輸出端子與軟壓板配置要對(duì)應(yīng)正確、一致。否則可能導(dǎo)致某輸入輸出不受正確的軟壓板控制。

保護(hù)裝置與監(jiān)控后臺(tái)軟壓板一致性是指監(jiān)控后臺(tái)配置的軟壓板應(yīng)與保護(hù)裝置內(nèi)部軟壓板對(duì)應(yīng)一致，否則將導(dǎo)致遠(yuǎn)方投退錯(cuò)誤。

軟壓板投退管理主要是指對(duì)在運(yùn)設(shè)備軟壓板的投退管理，包括設(shè)備本身功能投退軟壓板管理，以500 kV某母線保護(hù)為例，由于沒有電壓閉鎖，當(dāng)某間隔停電檢修需要退出母線保護(hù)該間隔SV接收軟壓板時(shí)，如果一旦錯(cuò)誤退出在運(yùn)間隔SV接收軟壓板，則保護(hù)裝置可能因產(chǎn)生差流并達(dá)到定值而直接跳閘；在運(yùn)設(shè)備與檢修設(shè)備隔離軟壓板投退管理，如裝置間的啟失靈、聯(lián)跳、遠(yuǎn)跳的軟壓板的管理。

3.4 檢修機(jī)制

智能變電站檢修壓板因具有檢修機(jī)制作用而顯得尤為重要。繼電保護(hù)裝置、合并單元、智能終端設(shè)置有檢修硬壓板。

檢修機(jī)制的基本原則是當(dāng)接收數(shù)據(jù)的檢修標(biāo)志位與設(shè)備本身的檢修態(tài)一致時(shí)，接收并處理該數(shù)據(jù)；不一致時(shí)只接收該數(shù)據(jù)，但不做任何處理。在設(shè)備檢修時(shí)應(yīng)注意檢修壓板與相關(guān)裝置SV/GOOSE開入軟壓板的配合，如投退不當(dāng)，可能導(dǎo)致保護(hù)裝置誤動(dòng)。

4 智能站繼電保護(hù)技術(shù)發(fā)展研究

繼電保護(hù)原理經(jīng)過多年的發(fā)展已較成熟，繼續(xù)深入研究的空間有限，而智能變電站的發(fā)展主要是給繼電保護(hù)引入了更多的數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)，如何更好地利用該新技術(shù)以實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)系統(tǒng)在線、離線自檢和風(fēng)險(xiǎn)分析將是未來發(fā)展的方向。

目前智能變電站繼電保護(hù)信息的集成和共享給繼電保護(hù)調(diào)試、檢修工作帶來了諸多的困難和不確定性，其調(diào)試檢修工作量也完全不亞于常規(guī)變電站。如智能站調(diào)試除了常規(guī)的保護(hù)功能測(cè)試外，增加諸多延時(shí)和同步性能的測(cè)試、軟壓板功能測(cè)試、檢修機(jī)制測(cè)試、丟幀斷鏈測(cè)試、光衰耗和光功率測(cè)試和網(wǎng)絡(luò)測(cè)試等，且目前很多功能沒有較好的測(cè)試手段或者無法測(cè)試，如網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴、交換機(jī)性能、涉多間隔保護(hù)裝置數(shù)據(jù)同步測(cè)試。對(duì)全站系統(tǒng)配置的驗(yàn)證，需要SCD配置文件離線審查和現(xiàn)場調(diào)試相結(jié)合，很可能因某一參數(shù)設(shè)置沒審查到或某一細(xì)微項(xiàng)目沒調(diào)試到位而導(dǎo)致保護(hù)裝置誤動(dòng)或拒動(dòng)，另可能因人為原因?qū)е伦罱K保存的SCD配置文件與現(xiàn)場裝置實(shí)際配置不一致，給后期檢修、改擴(kuò)建帶來隱患。因此未來智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)應(yīng)重點(diǎn)研究全站配置在線/離線反校驗(yàn)和更好的調(diào)試驗(yàn)證技術(shù)、方法。

全站配置在線反校驗(yàn)是利用鏡像技術(shù)將繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備及相關(guān)輔助設(shè)備實(shí)例配置信息鏡像備份，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立傳輸至集中分析系統(tǒng)，由集中分析系統(tǒng)進(jìn)行反組態(tài)形成SCD配置文件，再與最終保存的SCD文件進(jìn)行對(duì)比分析，檢測(cè)實(shí)際運(yùn)行的配置信息與最終確認(rèn)的配置是否一致，一方面防止人為因素導(dǎo)致配置不一致發(fā)生，一方面可檢測(cè)設(shè)備配置是否遭遇外界破壞或網(wǎng)絡(luò)沖擊而修改。離線反校驗(yàn)是通過工具將各設(shè)備配置鏡像備份，離線進(jìn)行反組態(tài)和比對(duì)分析，缺點(diǎn)是無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)配置文件的任何變動(dòng)。

5 結(jié)論

本文通過智能站繼電保護(hù)與常規(guī)站的分析對(duì)比，指出了在全過程管理當(dāng)中應(yīng)重點(diǎn)把控的幾個(gè)方面，如SCD配置、軟壓板投退管理、檢修機(jī)制等。最后討論了今后智能站繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展方向，配置文件反校驗(yàn)是對(duì)全站實(shí)際配置正確性管控的有效手段之一。

[1] 馮軍.智能變電站原理及測(cè)試技術(shù) [M].北京：中國電力出版社，2011：1-4.

[2] 曹團(tuán)結(jié)，黃國方.智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)與應(yīng)用 [M].北京：中國電力出版社，2012：1-4.

[3] 孟恒信，馬振國.智能變電站信號(hào)同步技術(shù)與應(yīng)用分析[J].山西電力，2013(4)：13-16.

Whole Process Management Analysis of Smart Substation Relay Protection System

HAN Weiheng，F(xiàn)AN Liqin，MU Guoxing

（State Grid Shanxi Electric Power Corporation Dispatch&Control Center, Taiyuan,Shanxi 030001,China)

Based on the comparative analysis of relay protection system in smart substation and conventional substation, the key points to the whole process management of smart substation relay protection system are analyzed, combining with the actual situation of smart substation construction and operation. Besides, the future development of relay protection technology is discussed.

smart substation; relay protection system; whole process management

TM77

A

1671-0320（2016）01-0035-04

2015-12-01，

2015-12-09

韓衛(wèi)恒（1986），男，山西運(yùn)城人，2011年畢業(yè)于四川大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，工程師，從事繼電保護(hù)工作；樊麗琴（1963），女，山西忻州人，1993年畢業(yè)于西安交通大學(xué)繼電保護(hù)專業(yè)，高級(jí)工程師，從事繼電保護(hù)工作；

慕國行（1972），男，山西陽曲人，1994年畢業(yè)于太原電力高等?？茖W(xué)校電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，高級(jí)工程師，從事繼電保護(hù)工作。