國網(wǎng)四川省電力公司天府新區(qū)供電公司 王士明

1 引言

智能變電站的規(guī)劃與建設(shè)是我國能源改革與創(chuàng)新的重要發(fā)展方向，指的是借助以太網(wǎng)絡(luò)完成信息傳輸，在智能化設(shè)備的支持下實現(xiàn)信號自動采集、保護(hù)跳閘、實時監(jiān)控等動作。在不斷地技術(shù)發(fā)展中，許多新型電子式互感器以及智能終端開始在智能變電站中得到應(yīng)用，這雖然促進(jìn)了變電站信息共享以及智能化的發(fā)展，但是復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也降低了繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性，如何更快速、高效地對繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行分析勢在必行。

2 智能變電站繼保系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

與傳統(tǒng)變電站繼保系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，由于電子式互感器、智能終端等元件、設(shè)備的引入，使得繼保系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜，尤其是過程層設(shè)備的增多，加大了對繼電保護(hù)可靠性的影響。智能變電站的繼保系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能變電站的繼保系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 智能變電站系統(tǒng)可靠性分析

3.1 智能變電站繼保系統(tǒng)中影響可靠性的元件

3.1.1 電子式互感器

在智能變電站繼保系統(tǒng)中，電子式互感器并沒有十分明確的界定，概念范圍較寬泛，除了部分常規(guī)的互感器外，還包括了一系列半常規(guī)及非常規(guī)的互感器。在實際應(yīng)用中，大部分智能變電站繼保系統(tǒng)采用的均是基于光電轉(zhuǎn)換和電磁感應(yīng)原理的互感器。其中，有源式電子互感器需對高壓傳感部分進(jìn)行電源供電，反之則是無源式電子互感器。相比于一般的互感器，電子式互感器的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾點。

一是與普通的互感器相比，因為鐵芯的缺乏，使得電子式互感器并不會出現(xiàn)諸如磁飽、鐵磁諧振等問題。

二是在測量準(zhǔn)度、反應(yīng)速度方面，電子式互感器均存在優(yōu)勢。

三是在結(jié)構(gòu)方面，電子式互感器因為設(shè)計相對簡單，因此成本較低，加之絕緣性較強(qiáng)，故有助于普遍裝設(shè)。

四是由于ECT 高低壓間采用的是光纖連接方式，因此能對電磁干擾現(xiàn)象形成有效防護(hù)。

五是由于電子式互感器避免了運用放置油的方式進(jìn)行絕緣，且采用的是光纖，因此在安全性能方面得到了顯著提高，并不會發(fā)生爆炸等安全事故。

經(jīng)分析論證，當(dāng)前重點需要分析和研究的節(jié)約用水立法問題主要是節(jié)水“三同時”制度和計劃用水管理。對節(jié)水立法的重點問題應(yīng)分析存在的原因，給出改進(jìn)的對策，在節(jié)水法不能很快出臺的情況下，可以考慮分批分層次對節(jié)水立法中面對的這些重點問題制定節(jié)水管理單項制度，一步步完善節(jié)水立法。

六是在連接方式上，由于能同時連接多個智能設(shè)備，使得電子式互感器在一體化程度方面表現(xiàn)更好，方便數(shù)字量的傳輸。

3.1.2 合并單元

在繼電保護(hù)系統(tǒng)中，合并單元的功能作用主要是形成與電子式互感器之間的配合。在過去傳統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置中，采樣功能的實現(xiàn)主要是借助電纜完成與互感器的直接接入；而在智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)中，由于合并單元的存在使得采樣方式出現(xiàn)了很大的變化，即借助通信接口完成對采樣值數(shù)字量的接收，大大簡化了繼電保護(hù)裝置的采樣程序，轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵?、高效的通信傳輸。除此之外，由于合并單元的加入，在降低造價的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了數(shù)字信息的共享。智能變電站信息采集過程如圖2所示。

圖2 智能變電站信息采集過程

3.1.3 交換機(jī)

相比于傳統(tǒng)變電站，雖然由于合并單元的加入，使得智能變電站信息采集過程出現(xiàn)了變化，但是也間接使得交換機(jī)相比原來需要承擔(dān)起更多的功能，即除了基礎(chǔ)的通信功能外，還需要以交換機(jī)為核心搭建專門的網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)對過去電纜的替代，組成一、二次設(shè)備的核心部分，使得交換機(jī)在智能變電站中的重要性得到了充分提升，也給其功能的可靠性提出了更高、更嚴(yán)格的要求。

從交換機(jī)在智能變電站中的功能作用來看，主要體現(xiàn)在連接各個智能單元以及各元件之間的網(wǎng)絡(luò)信息通道作用，實現(xiàn)了帶寬的合理分配以及對數(shù)字信號傳輸?shù)母咝Э刂?。而想要確保交換機(jī)功能正常且穩(wěn)定地發(fā)揮，就需要嚴(yán)格遵守《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》，并滿足相應(yīng)要求。

一是需優(yōu)先傳輸級別更高的用戶；二是需完成對流量的監(jiān)測與控制；三是需確保交換機(jī)的冗余性；四是需具備自動修復(fù)與自動故障診斷的能力；五是需利用網(wǎng)絡(luò)保證對時系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。除此之外，在實際應(yīng)用中，交換機(jī)的工作環(huán)境也需得到嚴(yán)格控制，盡可能避免溫濕度、絕緣性能以及電源等因素所造成的負(fù)面影響。

3.1.4 智能終端

在繼電保護(hù)系統(tǒng)中，實現(xiàn)斷路器智能化的路徑主要有兩條，一是在智能組件安裝中，將其完全內(nèi)置在斷路器里，從而形成智能化的控制；二是在傳統(tǒng)斷路器的基礎(chǔ)上，加入智能終端并進(jìn)行連接，這樣便能實現(xiàn)整個一次設(shè)備的智能化。相較而言，無論是經(jīng)濟(jì)性還是智能化改造的簡便程度，第二種方式均占據(jù)優(yōu)勢，因此在大部分的智能變電站中，使用的均為這種改造方式。

過去傳統(tǒng)的跳合閘的模式主要通過將繼電器與斷路器經(jīng)過電纜進(jìn)行接通，從而實現(xiàn)對斷路器動作的控制；而在智能變電站中，其跳合閘模式則是避免了對電纜的使用，主要借助光纖網(wǎng)絡(luò)完成對智能終端的接入。因此在智能變電站中，智能終端除了需要接收由保護(hù)單元傳輸?shù)奶祥l命令外，還需要對斷路器的正確動作進(jìn)行控制，并實時向站控層傳輸信息。

3.1.5 同步時鐘源

對于智能變電站中繼電保護(hù)系統(tǒng)來說，如何實現(xiàn)對時間的精確計量是影響其穩(wěn)定性的重要因素之一，如果未能保證這一點很容易造成故障的發(fā)生，尤其會對向量測量裝置造成較大影響。就目前來看，當(dāng)前我國智能變電站普遍將GPS 以及北斗時鐘作為基準(zhǔn)源，通過接收機(jī)的設(shè)置，經(jīng)由主時鐘完成對其他設(shè)備裝置的時鐘同步信號傳輸，以此保證變電站內(nèi)所有設(shè)備裝置均在同一時間標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)[2]。

3.2 可靠性分析方法

建立分析模型是完成可靠性分析的前提與基礎(chǔ)，當(dāng)下的建模研究方法大致包括模擬法與分析法兩類，本文所選擇可靠性框圖分析法應(yīng)歸屬于解析法范疇。由于可靠性框圖法具備簡明的邏輯關(guān)系，可以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡潔清楚，便于工作人員更高效地得到系統(tǒng)和其內(nèi)部智能元件之間的邏輯關(guān)系，故選擇了以可靠性框圖法為基礎(chǔ)的建模方式，以實現(xiàn)對繼保系統(tǒng)可靠性的分析。在對可靠性進(jìn)行計算時，選擇了可靠度、平均失效前時間以及誤動概率等指標(biāo)[3]。

3.3 繼電保護(hù)可靠性評價依據(jù)

在對可靠性進(jìn)行評價時，主要的參考指標(biāo)為可靠度平均失效時間以及實用性。其中，可靠度指的是在所指定的時間t 以及特定的條件下，執(zhí)行預(yù)先設(shè)定功能的概率。

如果將系統(tǒng)或元件壽命通過變量（非負(fù)數(shù)）來表示，通過預(yù)期壽命分布函數(shù)，便可以得到繼電保護(hù)系統(tǒng)在所指定的時間t 內(nèi)發(fā)生故障的概率，其可靠度函數(shù)則可表示為：

實用性則是指當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，能夠自動修復(fù)的能力。平均失效時間指的是系統(tǒng)在穩(wěn)定的情況下再次發(fā)生故障的時間。通過參量即可對智能變電站中繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行有效判斷。

4 提升繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性的方法研究

4.1 提高交換機(jī)冗余度

從交換機(jī)的分析來看，對于部分處于特殊位置的交換機(jī)，其作用與功能在整個繼電保護(hù)系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。這是因為繼電保護(hù)系統(tǒng)十分依賴交換機(jī)物理編碼、錯誤查詢等功能，如果一旦發(fā)生故障，就會使整個系統(tǒng)處于失靈狀態(tài)。因此，為有效避免單個交換機(jī)故障而導(dǎo)致的整體系統(tǒng)崩潰，就需要采取雙重化配置，提升交換機(jī)的冗余度。這樣一來，當(dāng)單個交換機(jī)處于失靈狀態(tài)時，雙重化配置就能避免整個系統(tǒng)崩潰，從而實現(xiàn)繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性的提高。

4.2 提升光纜線路的可靠性

相比于傳統(tǒng)變電站，智能變電站由于將光纜線路取代了電纜，使得光纜線路的部分特征會對系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響。由于光纜魯棒性較弱，一旦遭遇輕微折損就有可能對信息數(shù)據(jù)傳輸造成影響[4]。因此在對線路進(jìn)行鋪設(shè)的過程中，需確保光纜線路的筆直度，從而通過減小曲度實現(xiàn)對光纜的有效防護(hù)。同時，還可以專門將阻燃的樹脂槽盒置于光纜支架上，然后再將光纜鋪設(shè)在內(nèi)，實現(xiàn)對線路的保護(hù)。此外，還需加強(qiáng)對光纜端部的保養(yǎng)，定期做好清潔工作，以此確保光纜的傳輸能力，實現(xiàn)系統(tǒng)可靠性的提高。

4.3 盡可能采取直采直跳”技術(shù)

由于交換機(jī)頻繁使用難以避免地會產(chǎn)生延時過長的情況，從而導(dǎo)致斷路器難以及時工作，危害整個系統(tǒng)。因此在繼電保護(hù)系統(tǒng)中，需要盡可能地減少交換機(jī)使用頻率，通過采取“直采直跳”技術(shù)實現(xiàn)采樣速度、跳閘可靠性的提高。

在Q/GDW441—2010《智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范》中確立了“直采直跳”技術(shù)的優(yōu)先性，這對于整個繼電保護(hù)系統(tǒng)的可靠性十分重要，因為這一技術(shù)的應(yīng)用能使交換機(jī)避開回路中的網(wǎng)絡(luò)交流，從而降低交換機(jī)的使用頻率，具體傳輸路線如圖3所示。“直采直跳”技術(shù)如圖3所示。

圖3 “直采直跳”技術(shù)

5 結(jié)語

為有效提升智能變電站運行穩(wěn)定性，實現(xiàn)更高效的繼電保護(hù)系統(tǒng)可靠性分析，就需要強(qiáng)化對內(nèi)部電子元件的研究，借助建模分析手段以及可靠性評價依據(jù)對系統(tǒng)不斷進(jìn)行調(diào)整，并通過提高交換機(jī)冗余度、提升光纜線路可靠性、采用“直采直跳”技術(shù)為繼電保護(hù)系統(tǒng)運行提供更有效的保障，從而推動我國變電站智能化的發(fā)展。