数字化变电站继电保护及自动化系统设计
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【摘 要】我国作为一个工业大国，人们生活生产的各方面都离不开电力资源，由于经济的发展，人们的需求也在不断增加，所以变电站的改革就十分必要。变电站的数字化发展模式已经成为必然趋势，这其中就包括继电保护系统的智能化，继电保护系统直接关系着整个变电站的稳定运行，因此分析研究数字化变电站继电保护系统的可靠性与稳定性就具有十分重要的意义。
【关键词】数字化变电站；继电保护；自动化系统；设计
引言
在配电网络中，变电站是直接连通用户和电力系统网络的重要单元，对变电站的实时监测有利于实现对电能质量的实时控制，提高用电设备的运行效率。我国现行中低压配电网变电站主要以220/110/10 kV电压等级为主，变电站不但能够保障电能质量，并且还具备较高的经济性，因此运用广泛。
1继电保护的基本原理
继电保护装置的功能一般要根据电力系统发生故障前后的电气物理量的变化来通过相应的原理实现。在实际的电力系统运行过程中，电力系统发生故障后，其前后电气物理量的变化有———电流增大、电压降低、测量阻抗发生变化以及电流和电压之间的相位角发生改变等。根据这些变化，继电保护装置会构成各种原理的继电保护，如母线继电保护、变压器继电保护、发电机继电保护等。
2数字化变电站继电保护
2.1接线系统设计
电力系统的正常运行是安全生产的重要条件，线缆必须布局合理，可以保证设备的正常用电需求，同时，满足生产的灵活性和经济性要求，供电系统的主接线方案主要包括：单母线、单母线分段、桥型接法。结合生产负荷，某煤矿的35 kV供电系统的母线接线方式选择为单母线接线方案。该母线接线方案的优点如下。（1）在母线上通过一组断路器的配合使用，将单母线分成两段，同时按照平均分配的原则，将变电站的负荷分成两个部分，分别接在两个母线上，当煤矿中的某一个用电设备出现故障或者发生停电故障时，可以将改路中的重要负荷切换到另一路母线上，减小对煤矿生产的影响，保证重要负荷的持续供电，从而提高系统的供电可靠性。（2）在需要检修时，可以将两路负荷相互到彼此的母线上，方便检修，增加灵活性。（3）设备简单，运维成本低，出现故障时，自动切换负荷。
2.2提高系统冗余性
提高系统冗余性可以维护继电保护系统的可靠性和安全性，具体的措施为：利用以太网交换机的数据链的路层技术对变电站实时监控；在三个基础网络的基础上形成网络架构的需求，其中，总线结构利用交换机进行数据信息的传送，有减少接线的作用，但是冗余度比较差，所以在使用中，可以通过延长时间增加敏感度，提高冗余性；环形结构环路上的任何点都可以提供冗余，如果和以太网的交换机进行有机结合就可以形成树协议，也可以提高继电系统的冗余度，同时还可以在一定的时间范围内实现对网络重构的控制，但是环形结构使用时需要的收敛时间比较长，完成任务的速度比较慢，还会对系统重构产生影响；星型结构的等待时间比较短，所以适用于比较高的场合，不存在冗余度，其缺点是一旦主交换机的过程中有了故障，就会对信息传送产生影响，可靠性相比下来就比较低，所以并不适合进一步推广普及。想要提高变电站继电保护系统的可靠性，就要提高系统冗余性，所以选择继电保护系统的网络构架就要注意结合实际情况，并对比不同架构的优缺点，进而选择出合适的架构。此外，由于环形结构自身的可靠性比较强，所以可以把环形结构应用于母线的保护装置中，以增强继电保护系统的可靠性与稳定性。环形结构对母线的保护的可靠性高，可以满足继电保护系统对可靠性的要求，且对元件的损害比较小，所以更可以提高继电保护系统的可靠性与稳定性。
2.3电子式互感器
电子式互感器是一种将正比于被测量的电压、电流等传输给测量仪器的装置。与传统互感器相比，它的绝缘结构更为简单，且没有采用油这类易燃液体进行绝缘，因此能够从根本上避免火灾、爆炸等危险，提高整个继电保护系统的安全性。另外，电子式互感器所采用的连接线缆为光缆，而非传统的电缆，这种改变也直接避免了互感器在运行过程中出现电磁饱和现象，有利于提高测量的准确性。
2.4做好继电保护装置版本及软压板的校对工作
在优化改进数字化变电站继电保护的过程中，应做好继电保护装置版本的校对工作，以确保设备的硬件和软件版本是否为国家电网系统检测的版本，如若不是，则应及时上报更改。此外，还应加强机电保护装置软压板的校对工作。在智能变电站中，除了置检修状态這一功能使用硬压板外，其他的都应改为软压板形式，并增加SV接收软压板。在此之前，应认真核对软压板的正确性，从而实现继电保护装置的稳定运行。
2.5电容器保护
在生产、生活中，会使用到很多感性设备。此时，为了保证数字化变电站供电电能的功率因数在正常范围内，需要配备实地电容器，消耗供电系统中无功功率，调节供电系统的功率因数。当电力系统中的电容器发生故障时，会严重影响电力系统中的功率因数，破坏系统的稳定性，针对电容器的外部故障，制定以下保护方案：采用电流速断保护，微机采集两相电流信息构建不完全星形接法。
K k：可靠系数；I ec：短路电流整定值；K n：电流互感器变比。动作时限取1.5 s，灵敏度校检计算如下：
3自动化系统设计
3.1变电站系统结构
数字化变电站自动化系统结构主要包括三个方面组成：站控层、间隔层、过程层。站控层是变电站自动化的最顶层，包含了服务器、监测界面等部分，可以向操作机构发出指令，监测整个配电网络的运行状态。采用IEC61850以太网组成站控层网络。监控主机连接了通信监控机、通信交换机、通信网络等各类节点；在变电站的间隔层，中低压线路负荷涉及安全生产，应配置综合测控单元实时监控，拟配置深瑞公司智能仪表EPM5500P。采集模拟量、状态量、告警量，并发出控制操作状态，EPM5500智能仪表I/O组态灵活，支持ICE61850协议；在过程层的单元配置中，通过许继公司BDH-806合并单元，合并和处理常规电流、电压互感器的信号，通过IEC16850协议，将数据转化为以太网数据，并通过ML2400网络交换机与间隔层网络通信。通过站控层、间隔层、过程层三个层面网络结构的合理配置，使检测信息在网络中高速传输，实现变电站的自动化。 3.2状态检测技术
在数字化变电站设计中应用状态检测技术，能够将以往的定期检修逐渐转为维护检修，将目前的定期检修制度加以优化和改革，有效节约人力物力等资源。利用状态检测技术对设备进行故障检测，能夠有效降低故障维修使用的时间，保障设备快速恢复正常运行状态，同时通过该技术还能及时检测到设备异常以及缺陷等早期信号，为设备正常、可靠的运行提供重要支持和保障。当前变电站很多设备上都已经应用了状态检测技术，未来也有重要的应用发展空间。
3.3数字化网络选型功能
在变电站自动化系统中，若想发挥其数字化功能，需在功能模块构建过程中融合数据库技术，对变电站设备、系统的运行数据进行储存、记录，对运行数据进行分析。数据库技术应用比较有限，在系统运行过程中需要人员手动输入对比数据、维修数据等，当系统中的感应器能够对参数进行辨别时，其通过与数据库之间的数据对比，观察其是否超出了数据库的额定范围，并对设备、系统的故障情况进行分析、判断，并对其故障的原因进行分析。在变电站设备运行过程中，若出现电磁波干扰现象，则需要借助数字化功能，对数字信号进行传输，将信号传输至控制系统之中，并借助系统的自动化处理功能，对设备发送控制指令，对其进行科学调控。在此过程中，需要重视网络选型的科学性，以上功能均是借助网络选型功能实现，科学的网络选型不仅能够增加信号的传输效率，还能保障系统、设备信号传输的稳定性。为了对其进行科学优化，在变电站自动化系统数字化应用过程中，需要在设计阶段采取科学的优化策略，在系统设计阶段，对通信插件质量进行科学控制，提高整体系统的兼容性，使其能够在与科学网络选型的共同作用下，优化自动化系统的控制功能。
3.4数据通信功能
这一功能包括现场级通信和远方通信，由于数字化变电站的场景不同于普通环境，站内的电磁环境比较复杂，对通信设备及计算机等会产生较强的电磁干扰。通过选择合适的通信设备和介质并采取适当防范措施，来保障通信的正常进行，避免造成传输错误或误动作。例如，选用光纤通信、组建双机双网系统、增加电磁屏蔽罩、采用光耦器件、与高压电缆保持充足的距离等等都属于针对变电站环境下的特殊考虑。
3.5系统维护可视化
通过将常规变电站电缆回路大量地转换成虚拟回路，达到简化了二次回路设计的目的。但是因虚拟回路缺乏直观的展示方式，导致运维人员无法掌握电站的物理链路、二次虚回路以及装置间的关联关系。因此，为了简化运行、维护流程，降低虚端子关联的复杂程度，减少虚端子和装置数量，对实现数字化电站设备科学的整合和集成有重要的意义。
结语
数字化变电站是智能电网系统建设过程中的重要组成部分，继电保护技术是智能变电站中的核心技术，对数字化变电站的安全、稳定运行有着至关重要的作用，在新形势下，相关人员应积极面对当前数字化变电站继电保护实际运行过程中的问题，并积极采取相应的措施进行优化改进，从而有效保证设备和工作人员的安全，并为数字化变电厂的安全、稳定运行提供保障。
参考文献：
[1]李碧辉，田丰.数字化变电站设计及运行中的问题探讨[J].湖北电力，2008（02）：10-12.
[2]李暖群.110 kV数字化变电站设计探讨[J].广东输电与变电技术，2008（02）：64-67.
[3]贾立荣.35 kV变电站设计研究[J].中国高新技术企业，2013（29）：100-101.
作者简介：
张俊亮（1983-），男，壮族，籍贯：广西南宁市人，本科，工程师，主要从事电力行业设计工作。
（作者单位：广西百源建设工程设计咨询有限公司）
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