黃菁

摘要：智能電力網(wǎng)架中的繼電保護(hù)配置是目前數(shù)字化變電站發(fā)展的關(guān)鍵，本文主要對(duì)數(shù)字化變電站中配電系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置進(jìn)行研究，在分析已有的兩種繼電保護(hù)配置方案的基礎(chǔ)上，對(duì)某電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)的繼電保護(hù)配置現(xiàn)狀加以分析，對(duì)于其存在的一系列問題提出一種新的解決方案，并具體探討了方案中主變保護(hù)、間隔保護(hù)以及電子式互感器保護(hù)配置方案的實(shí)現(xiàn)過程。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化變電站;10kV配電系統(tǒng);繼電保護(hù);配置方案

1.城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)中繼電保護(hù)的簡介

繼電保護(hù)是對(duì)電力系統(tǒng)中發(fā)生的故障或異常情況進(jìn)行監(jiān)測，在有異常情況時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，或直接將故障部分隔離、切除的一種重要措施。

在10kV配電系統(tǒng)中，通過安裝繼電保護(hù)裝置，對(duì)相關(guān)元件的運(yùn)行質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測，一旦電路出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí)，要求繼電保護(hù)裝置及時(shí)做出反映，防止電氣事故的波及范圍擴(kuò)大。城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)中的繼電保護(hù)裝置在技術(shù)上一般應(yīng)滿足四個(gè)基本要求，即可靠性、選擇性、靈敏性和速動(dòng)性。由于城市電力系統(tǒng)容量的持續(xù)擴(kuò)大，同時(shí)要求繼電保護(hù)裝置擁有合格的通信技術(shù)，確保各繼電保護(hù)裝置間的高效配合。

2. 城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)繼電保護(hù)配置的分析

2.1數(shù)字化配電系統(tǒng)繼電保護(hù)優(yōu)勢(shì)

母線承擔(dān)著變電站內(nèi)各級(jí)電壓配電裝置和各種電氣設(shè)備的連接任務(wù)，分布式母線保護(hù)在信息的一致性與通信功能上均提出了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，但常規(guī)變電站體系的構(gòu)造無法實(shí)現(xiàn)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字化變電站中母線的保護(hù)在設(shè)計(jì)上清理了出口繼電器與復(fù)壓閉鎖式單元等設(shè)備，精簡了母線的保護(hù)邏輯。針對(duì)主變壓器的智能保護(hù)，其采用雙套保護(hù)的配置和直接采樣的模式，通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)將分段斷路器及閉鎖備用自投進(jìn)行連接，接受失靈保護(hù)的跳闡命令，實(shí)現(xiàn)失靈保護(hù)各側(cè)斷路器的跳閘功能。在線路保護(hù)方面，GOOSE網(wǎng)絡(luò)還能實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)斷路器后完成斷路器失靈保護(hù)及重合閘等功能。

2.2配電系統(tǒng)繼電保護(hù)方案的選擇

2.2.1常規(guī)數(shù)字化保護(hù)配置

常規(guī)保護(hù)方案中的裝置通常以互感器為核心在間隔層中進(jìn)行裝配和組裝，其在結(jié)構(gòu)上主要分為變壓器保護(hù)、母線保護(hù)等邏輯結(jié)構(gòu)，有的保護(hù)裝置中需要對(duì)交流插件進(jìn)行替換，通過GOOSE等數(shù)據(jù)采集光纖實(shí)現(xiàn)接口插件的替換，包括模擬量等接口插件也需要經(jīng)由CPU插件實(shí)現(xiàn)替換。

常規(guī)的數(shù)字化保護(hù)配置方案作為向系統(tǒng)數(shù)字化保護(hù)的過渡方案，其以單個(gè)元件的保護(hù)作為基礎(chǔ)，具有豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，但是其技術(shù)缺陷在于具有相對(duì)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和設(shè)備，一定程度上減弱了數(shù)字化變電站的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但其在實(shí)際中擁有較為廣泛的應(yīng)用場景，具體布置見下圖2-1。

2.2.2系統(tǒng)數(shù)字化保護(hù)配置

智能變電站技術(shù)在IEC61850通信規(guī)約得以使用后有了重大突破和進(jìn)展，許多變電站的內(nèi)部元件借助該規(guī)約可以實(shí)現(xiàn)信息互通與共享，從而變成了系統(tǒng)的數(shù)字化保護(hù)。系統(tǒng)數(shù)字化保護(hù)配置方案要求各設(shè)備的組裝遵循雙重化原則，不同設(shè)備的繼電保護(hù)均需配備保護(hù)屏和測控屏，且在線路保護(hù)和變電器保護(hù)中還增加了A、B兩套保護(hù)方案，彼此均可獨(dú)立發(fā)揮相應(yīng)邏輯保護(hù)功能。因此該繼電保護(hù)配置方案在不同設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建上更加簡單，而且可以實(shí)現(xiàn)信息共享，實(shí)現(xiàn)更高的可靠性。具體部署結(jié)構(gòu)如下圖2-2所示。

下面將重點(diǎn)以某城市電網(wǎng)中采用的系統(tǒng)數(shù)字化保護(hù)配置方案進(jìn)行論述，說明該方案的配置實(shí)現(xiàn)和技術(shù)特點(diǎn)。

3.某電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)繼電保護(hù)方案及優(yōu)化實(shí)現(xiàn)

3.1某電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)繼電保護(hù)現(xiàn)狀分析

3.1.1某電網(wǎng)繼電保護(hù)配置情況

某電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)采用的是階段式保護(hù)方式，由于該電網(wǎng)的負(fù)荷多為一類負(fù)荷，對(duì)供電的可靠性要求很高，為了避免因瞬時(shí)故障導(dǎo)致輸電線路停電，某電網(wǎng)采用了階段式保護(hù)的II、III段，具體配置情況如下：

（1）一般出線保護(hù)配置為：

1）電流II、III段保護(hù);2）帶后加速的三相一次重合閘;3）過負(fù)荷保護(hù);

（2）雙側(cè)電源線路和站與站之間的互為備用線路保護(hù)配置為：

1）方向閉鎖電流II、III段保護(hù);2）低電壓方向閉鎖電流III段保護(hù);3）過負(fù)荷保護(hù);

（3）變電站之間的聯(lián)絡(luò)線保護(hù)配置為：

1）線路縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù);2）方向閉鎖電流III段保護(hù);3）過負(fù)荷保護(hù)。

某電網(wǎng)采用階段式電流II段保護(hù)作為線路的主保護(hù)，電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，故障切除時(shí)間最短0.3秒，最長0.6秒，繼電保護(hù)的快速性能尚有可以完善的空間。

3.1.2某電網(wǎng)配電系統(tǒng)繼電保護(hù)存在的故障與問題

某電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)所遇到的故障及存在的問題主要包括如下幾點(diǎn)：

1）10kV配電系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)短路電流，很容易導(dǎo)致電流互感器的變比誤差出現(xiàn)持續(xù)增大，進(jìn)而使得二次側(cè)電流難以反映配電系統(tǒng)中的真實(shí)故障電流;

2）由于沒有采用自動(dòng)化開關(guān)，且配電系統(tǒng)多使用負(fù)荷開關(guān)加熔斷器組合實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的開關(guān)保護(hù)，運(yùn)行線路故障跳閘后會(huì)使得備用線路難以自動(dòng)投入，最終導(dǎo)致用戶側(cè)停電時(shí)間過長;

3）配電系統(tǒng)中帶時(shí)限速斷保護(hù)的保護(hù)范圍因?yàn)橥卣怪磷冸娬咀儔浩鲀?nèi)部，使得動(dòng)作開關(guān)跳閘后，難以對(duì)故障點(diǎn)的準(zhǔn)確位置進(jìn)行判斷，進(jìn)而使得運(yùn)行人員對(duì)故障的處理難度增加，變電站供電時(shí)間的恢復(fù)時(shí)間也相應(yīng)延長;

4）帶時(shí)限的速斷保護(hù)在配電系統(tǒng)的線路中作為主保護(hù)，其保護(hù)動(dòng)作時(shí)間最長達(dá)到0.6s，難以實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)的速動(dòng)性，一旦電網(wǎng)出現(xiàn)斷電故障，電網(wǎng)低壓的時(shí)間過長，對(duì)電機(jī)正常運(yùn)行轉(zhuǎn)速有較大影響。

3.2某電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)繼電保護(hù)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)

為有效解決上述某電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)繼電保護(hù)中存在的現(xiàn)實(shí)問題，本文認(rèn)為在10kV配電系統(tǒng)中可通過系統(tǒng)數(shù)字化配置方案對(duì)其繼電保護(hù)部分進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，具體實(shí)現(xiàn)如下：

3.2.1相關(guān)設(shè)備及選型

10kV配電系統(tǒng)繼電保護(hù)配置方案的核心設(shè)備采用復(fù)合絕緣小型化智能開關(guān)柜，內(nèi)裝真空斷路器，受電及分段回路額定電流3150A，額定短路開斷電流31.5kA;其它回路額定電流1250A，額定短路開斷電流25kA。

其中10kV限流電抗器選用干式空芯設(shè)備，戶內(nèi)安裝，額定電流3000A，電抗率8%。

10kV旁路限流器選擇10kV限流電抗器并接旁路限流器方式，額定電流3000A。

10kV限流電抗器前安裝干式電流互感器，具體參數(shù)為6000/1A，精度為5P10，容量10VA。

10kV隔離開關(guān)選用戶內(nèi)型設(shè)備，額定電流6000A。

10kV電容器組選用成套框架式裝置，采用單星形接線、不平衡。

10kV并聯(lián)電抗器選用干式鐵芯設(shè)備，戶內(nèi)安裝，容量為10000kvar。

電壓保護(hù)方案為：每臺(tái)主變補(bǔ)償3組，每組容量為8016kvar，2組串12%干式鐵芯電抗器，另1組串5%干式鐵芯電抗器。

3.2.2繼電保護(hù)配置方案的實(shí)現(xiàn)

為了確?？煽啃?，將10kV及以上主變與線路的測控、保護(hù)功能分為兩個(gè)裝置來實(shí)現(xiàn)，繼電保護(hù)配置方案示意圖如圖3-1。繼電保護(hù)配置方案具體如下：

（1）主變保護(hù)配置方案

1）主變保護(hù)單套配置包括主保護(hù)獨(dú)立配置和具有集成測控的后備保護(hù)獨(dú)立配置，其中數(shù)字化電度表配置位于主變保護(hù)各側(cè)，同時(shí)配備了設(shè)備組屏。

2）保護(hù)裝置中，設(shè)置MMS以太網(wǎng)通訊接口實(shí)現(xiàn)同站控層之間的通訊過程。

3）保護(hù)直接采樣和跳閘，其中保護(hù)裝置接口應(yīng)符合直采直跳技術(shù)要求，并通過9-2規(guī)約實(shí)現(xiàn)保護(hù)單元與合并單元之間的通信過程，其中GOOSE規(guī)約則用于完成同智能終端間的通信過程。

4）主變本體的端子箱中配置智能終端，在本體內(nèi)實(shí)現(xiàn)主變的電量保護(hù)、檔位遙控以及溫度采集，非電量保護(hù)的跳閘則通過電纜直跳各側(cè)斷路器來完成。

（2）線路間隔保護(hù)配置方案

1）保護(hù)測控的一體化裝置在10kv配電系統(tǒng)的線路、分段、站控層以及電容器中進(jìn)行配置，而合并單元和終端各項(xiàng)智能功能則通過在間隔開關(guān)柜內(nèi)進(jìn)行安裝完成集成，具體如下圖3-2。

2）保護(hù)測控裝置通過站控層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同各設(shè)備之間進(jìn)行通信。

3）不同間隔處均配備有電度表，其支持小信號(hào)的模擬輸入，在開關(guān)柜中負(fù)責(zé)顯示。

（3）電子式互感器配置方案

由于運(yùn)用調(diào)節(jié)信息接口的采集周期，電子式互感器可精確、實(shí)時(shí)的進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和記錄。

1）主變進(jìn)線間隔GIS以及10kV線路均配置電子式電流互感器。電子式電流互感器為數(shù)字量輸出模式;

2）10kV母線配置電子式電壓互感器;電子式電壓互感器為數(shù)字量輸出模式。

3）10kV線路、分段、站用變和電容器間隔均配置電壓電流一體化互感器，該互感器模擬小信號(hào)輸出，各間隔開關(guān)柜內(nèi)均安裝該互感器，采集所需電氣量。

4.結(jié)語

總體而言，在未來為了保障城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，必須正確設(shè)置繼電保護(hù)裝置，并準(zhǔn)確整定各項(xiàng)相關(guān)定值，確保城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)的合理運(yùn)行。

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