淺聊智能變電站繼電保護與自動化系統(tǒng)的應用方案

張繼冬

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801 

摘要：智能電力系統(tǒng)的興起和電力需求的不斷增長推動了電力行業(yè)向智能化、自動化方向的迅速發(fā)展。在這一趨勢下，智能變電站繼電保護與自動化系統(tǒng)作為電力系統(tǒng)中的關鍵組成部分，扮演著至關重要的角色。對智能變電站繼電保護與自動化系統(tǒng)進行了一定論述，在此基礎上，進一步探討了繼電保護與自動化系統(tǒng)的關鍵組成部分，并分析了其在智能變電站中的具體應用與性能評估，有助于推動繼電保護與自動化系統(tǒng)在智能變電站中應用的不斷深入。

關鍵詞：智能變電站；繼電保護與自動化系統(tǒng)；網(wǎng)絡化和數(shù)據(jù)通信

0引言

電力系統(tǒng)是現(xiàn)代社會的重要支撐，它為工業(yè)、商業(yè)和居民提供電力供應。為了滿足不斷增長的電力需求，電力行業(yè)一直在不斷創(chuàng)新和改進，其中一個關鍵的領域是智能變電站技術(shù)。智能變電站采用先進的繼電保護與自動化系統(tǒng)，以實現(xiàn)電力系統(tǒng)的高度智能化和自動化，不僅可以實時監(jiān)測電力設備的狀態(tài)和參數(shù)，還可以自主地做出決策和控制操作，以確保電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。

1智能變電站繼電保護與自動化系統(tǒng)概述

1.1繼電保護與自動化系統(tǒng)的基本功能

繼電保護系統(tǒng)的基本功能在于監(jiān)測電力系統(tǒng)中的各種異常情況和故障，當檢測到故障或異常時，及時采取措施。例如，切斷電路或發(fā)出警報，以防止事故擴大，降低電力系統(tǒng)的損失。這意味著繼電保護系統(tǒng)具有快速響應和高度可靠的特點，能夠在毫秒級別內(nèi)采取行動，確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。與此同時，自動化系統(tǒng)的任務是監(jiān)視、控制和協(xié)調(diào)電力系統(tǒng)的運行。它利用先進的傳感器技術(shù)、實時數(shù)據(jù)采集和遠程控制，以實現(xiàn)電力系統(tǒng)的運行。自動化系統(tǒng)可以自動調(diào)整設備操作參數(shù)、實時優(yōu)化電力負載分配、管理電力設備的運行模式，并通過智能算法來預測電力系統(tǒng)可能出現(xiàn)的問題，不僅提高了電力系統(tǒng)的效率，還有助于減少能源浪費、降低運營成本。

1.2智能變電站的特點

首先，智能變電站采用了先進的信息技術(shù)、通信技術(shù)和自動化控制技術(shù)。與傳統(tǒng)的變電站相比，它具有更高的自動化程度和智能化水平，意味著智能變電站能夠更加靈活地監(jiān)測和控制電力設備，實時獲取電力系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，并對系統(tǒng)進行遠程監(jiān)視和調(diào)整，從而提高了運行的和可操作性。其次，智能變電站在設備配置和結(jié)構(gòu)上有所不同。它采用了分布式控制系統(tǒng)，利用網(wǎng)絡通信技術(shù)將各個設備連接在一起，形成一個高度互聯(lián)的系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于可以實現(xiàn)設備之間的實時信息交互和數(shù)據(jù)共享，同時能夠更容易地擴展和升級系統(tǒng)，以適應電力系統(tǒng)的不斷變化。

2繼電保護與自動化系統(tǒng)的關鍵組成部分

2.1一次設備智能化和自動化控制

首先，一次設備的智能化使得設備能夠?qū)崟r監(jiān)測自身狀態(tài)和性能。傳感器和監(jiān)測裝置可以連續(xù)地收集設備的電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)傳輸給繼電保護自動化系統(tǒng)，使得系統(tǒng)可以實時了解設備的運行狀況，及時檢測到潛在的問題或故障。如果出現(xiàn)異常情況，智能信息系統(tǒng)工程系統(tǒng)實踐控制系統(tǒng)可以自動采取措施。例如切斷電路或調(diào)整設備參數(shù)，以確保電力系統(tǒng)的安全運行。其次，一次設備的自動化控制允許系統(tǒng)對設備進行遠程操作和調(diào)整，操作員可以通過繼電保護與自動化系統(tǒng)遠程監(jiān)視和控制一次設備，而不必親臨現(xiàn)場，不僅提高了操作的便捷性，還降低了操作員的風險，特別是在危險環(huán)境中。

2.2二次設備網(wǎng)絡化和數(shù)據(jù)通信

首先，二次設備的網(wǎng)絡化意味著各個繼電保護裝置、控制器和監(jiān)測設備之間通過網(wǎng)絡連接在一起，形成一個高度互聯(lián)的系統(tǒng)。網(wǎng)絡化結(jié)構(gòu)使得設備之間可以實現(xiàn)實時的信息傳遞和數(shù)據(jù)共享。例如，繼電保護裝置可以將電流、電壓等數(shù)據(jù)傳輸給其他設備，以協(xié)同保護電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。同時，網(wǎng)絡化還允許設備之間進行遠程操作和控制，從而提高了系統(tǒng)的和可操作性。其次，數(shù)據(jù)通信是確保繼電保護與自動化系統(tǒng)正常運行的關鍵。數(shù)據(jù)通信需要具備高帶寬、低延遲和高可靠性的特點，以確保數(shù)據(jù)的及時傳輸和準確接收，對于及時檢測電力系統(tǒng)中的異常情況、做出快速反應至關重要。因此，采用先進的通信技術(shù)，如光纖通信和高速以太網(wǎng)，是實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的關鍵。

2.3信息交互標準化和數(shù)據(jù)處理技術(shù)

首先，信息交互標準化意味著制定統(tǒng)一的標準和協(xié)議，以確保不同廠家生產(chǎn)的設備之間可以互相通信和協(xié)作。電力系統(tǒng)涉及多種設備，包括繼電保護裝置、開關設備、監(jiān)測儀器等，它們通常由不同廠家生產(chǎn)，因此需要一套通用的通信協(xié)議來實現(xiàn)設備之間的數(shù)據(jù)傳輸和信息共享。通過標準化的信息交互，不僅降低了設備之間的兼容性問題，還提高了系統(tǒng)的可維護性和可擴展性。其次，數(shù)據(jù)處理技術(shù)涉及對大量數(shù)據(jù)的采集、存儲、分析和處理。繼電保護與自動化系統(tǒng)需要處理來自多個設備的數(shù)據(jù)流，包括電流、電壓、溫度等多種參數(shù)。數(shù)據(jù)處理技術(shù)可以對這些數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測和分析，以便快速檢測潛在的問題或異常情況。數(shù)據(jù)處理還可以用于事件記錄和歷史數(shù)據(jù)分析，幫助系統(tǒng)運維人員了解電力系統(tǒng)的性能和歷史運行情況，為系統(tǒng)的優(yōu)化和改進提供依據(jù)。

3繼電保護與自動化系統(tǒng)的關鍵組成部分

3.1故障檢測與定位

故障檢測與定位的主要目標是及時發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)中的故障并確定其發(fā)生位置，以便采取必要的措施來隔離故障，確保電力系統(tǒng)的可靠運行。

首先，故障檢測是通過對電流、電壓等參數(shù)的實時監(jiān)測和分析來實現(xiàn)的。繼電保護裝置可以不斷地監(jiān)測電力系統(tǒng)中的參數(shù)變化，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況，如電流超過設定值或電壓異常，就會觸發(fā)故障檢測功能。故障檢測有助于及時識別可能的故障，并迅速做出反應。其次，故障定位是確定故障發(fā)生位置的關鍵步驟。一旦故障被檢測到，繼電保護系統(tǒng)會利用數(shù)據(jù)分析和計算技術(shù)來確定故障的位置。通常涉及測量電流和電壓的相位差、時序信息等，以定位故障點。這個過程不僅有助于快速隔離故障區(qū)域，還可以避免不必要的停電范圍擴大，保障電力系統(tǒng)的連續(xù)供電。

3.2狀態(tài)監(jiān)測與控制 

狀態(tài)監(jiān)測與控制的主要目標是實時監(jiān)測電力設備和電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)采取自動化控制措施，以確保電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和運行。

首先，狀態(tài)監(jiān)測涉及對各種電力設備的運行參數(shù)進行實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，包括變壓器、斷路器、發(fā)電機、輸電線路等設備的電流、電壓、溫度、濕度等多個參數(shù)。通過不斷收集和分析這些數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以了解設備的工作狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)潛在問題或異常情況。其次，狀態(tài)監(jiān)測還包括對電力系統(tǒng)整體運行狀態(tài)的監(jiān)測，包括對電力系統(tǒng)的電壓、頻率、功率因數(shù)等參數(shù)的監(jiān)測，以及對系統(tǒng)中潛在問題的預警。例如，當電壓或頻率超出正常范圍時，系統(tǒng)可以自動發(fā)出警報，并采取措施來調(diào)整電力系統(tǒng)的運行，以避免可能的故障或損壞?？刂乒δ芊矫妫坏┍O(jiān)測數(shù)據(jù)表明存在問題或潛在風險，系統(tǒng)可以自動采取控制措施來應對，包括切斷故障區(qū)域的電力供應、切換備用電源、調(diào)整設備的運行參數(shù)等，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

3.3數(shù)據(jù)分析與決策支持

數(shù)據(jù)分析與決策支持的主要任務是對大量的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析和處理，以深入洞察有關電力系統(tǒng)運行狀態(tài)，并支持運維人員做出明智的決策。首先，這一功能通過對歷史和實時數(shù)據(jù)的分析，可以識別電力系統(tǒng)的趨勢和模式。例如，它可以分析設備的運行歷史數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)設備可能存在的周期性故障或逐漸惡化的趨勢。這種預測性分析有助于提前采取維護措施，以避免設備的突發(fā)故障。其次，數(shù)據(jù)分析與決策支持功能可以幫助運維人員識別異常情況。當監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示與正常情況不符時，系統(tǒng)可以自動發(fā)出警

報，指示運維人員關注可能的問題。實時監(jiān)測和異常檢測有助于快速響應電力系統(tǒng)的緊急情況，減少潛在的風險。這一功能還可以為決策制定提供支持。通過對大量數(shù)據(jù)的深入分析，系統(tǒng)可以生成各種報告和建議，幫助運維人員制定維護計劃、升級設備或調(diào)整電力系統(tǒng)的運行參數(shù)，有助于提高電力系統(tǒng)的效率、可靠性和安全性。

3.4安全保護與故障處理

安全保護與故障處理的主要任務是確保電力系統(tǒng)的安全運行，并在出現(xiàn)故障或異常情況時采取適當?shù)拇胧詼p少損失和維護電力系統(tǒng)的可用性。首先，這一功能通過監(jiān)測電力系統(tǒng)的各種參數(shù)和狀態(tài)，可以迅速檢測到任何異常情況。一旦系統(tǒng)出現(xiàn)故障、短路、過載或其他問題，繼電保護系統(tǒng)可以立即發(fā)出信號，切斷受影響的設備或電路，從而防止故障擴散并保護設備免受損害，有助于維護電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。其次，安全保護與故障處理功能還包括自動故障定位和恢復功能。一旦故障發(fā)生，系統(tǒng)可以自動識別故障的位置，以便維修人員能夠快速準確地定位問題并采取適當?shù)拇胧?，有助于減少故障的停電時間，提高電力系統(tǒng)的可用性。這一功能還可以提供遠程監(jiān)控和控制能力。運維人員可以通過遠程訪問繼電保護系統(tǒng)，如遠程開關合閘或調(diào)整設備參數(shù)，監(jiān)視電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)。這種遠程控制功能提供了更靈活的運式，減少了人員在現(xiàn)場的工作量，并提高了運維的效率。

4智能變電站繼電保護與自動化系統(tǒng)的性能評估

4.1可靠性分析和故障模擬

可靠性分析是對繼電保護系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性進行評估的過程，包括對系統(tǒng)的各種組件和設備的可靠性指標進行分析。例如，通過分析繼電保護裝置的平均運行時（MTBF）和平均時間（MTTR）等指標，可以評估系統(tǒng)的可用性和可靠性，以確定系統(tǒng)是否滿足設計要求。其次，故障模擬是一種通過模擬不同故障情況來評估繼電保護系統(tǒng)應對能力的方法。在這個過程中，各種故障情況，如短路、過載、設備故障等，會被模擬并注入系統(tǒng)中，然后評估繼電保護系統(tǒng)的響應時間、正確性和性。模擬故障情況有助于發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中可能存在的問題，并進行相應的改進和調(diào)整?？煽啃苑治龊凸收夏M還可以用于制定預防性維護計劃。通過分析系統(tǒng)的可靠性數(shù)據(jù)和故障模擬結(jié)果，確定哪些組件或設備可能更容易發(fā)生故障，從而可以提前進行維護，減少系統(tǒng)的停機時間。

4.2效率和能源消耗評估 

效率評估涉及對繼電保護與自動化系統(tǒng)的運行效率進行分析，包括系統(tǒng)響應時間、數(shù)據(jù)處理速度、自動化控制的準確性等方面。通過評估系統(tǒng)的效率，可以確定系統(tǒng)是否能夠在合理的時間內(nèi)響應各種情況，例如故障或異常情況，以確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。如果系統(tǒng)的效率較低，可能需要進行優(yōu)化和改進，以提高其性能。其次，能源消耗評估是為了了解繼電保護與自動化系統(tǒng)在運行時對能源的需求情況，包括系統(tǒng)所需的電力供應、冷卻設備的能耗以及其他能源消耗。通過評估能源消耗情況，可以確定系統(tǒng)的能效，即在運行時所消耗的能源與其性能之間的關系，有助于發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中可能存在的能源浪費問題，并采取相應的措施來減少能源消耗，提高系統(tǒng)的節(jié)能性。

4.3安全性和可維護性考慮

首先，安全性是評估系統(tǒng)性能的關鍵因素之一。繼電保護與自動化系統(tǒng)的主要任務之一是確保電力系統(tǒng)的安全運行。因此，系統(tǒng)具備足夠的安全性，以應對各種潛在的風險和威脅。評估安全性包括對系統(tǒng)的抗干擾能力、防護措施的性以及對外部攻擊的抵御能力等方面的考查。通過分析系統(tǒng)的安全性，可以確定是否需要進一步改進系統(tǒng)的安全性措施，以確保電力系統(tǒng)不受潛在威脅的影響。其次，可維護性與系統(tǒng)的可靠性和維護成本密切相關。一個良好的繼電保護與自動化系統(tǒng)應該易于維護和管理，以便在需要時進行和升級。評估可維護性包括對系統(tǒng)組件的易用性、維護人員的培訓需求以及維護成本的估算等方面的考慮。通過評估可維護性，可以確定系統(tǒng)是否需要改進以減少維護時間和成本，從而提高系統(tǒng)的可持續(xù)性和可靠性。

5 安科瑞Acrel-1000變電站綜合自動化系統(tǒng)

5.1方案綜述

Acrel-1000變電站綜合自動化監(jiān)控系統(tǒng)在邏輯功能上由站控層、間隔層二層設備組成，并用分層、開放式網(wǎng)絡系統(tǒng)實現(xiàn)連接。站控層設備包括監(jiān)控主機，提供站內(nèi)運行的人機聯(lián)系界面，實現(xiàn)管理控制間隔層設備等功能，形成全站監(jiān)控，并與遠方監(jiān)控、調(diào)度通信；間隔層由若干個二次子系統(tǒng)組成，在站控層及站控層網(wǎng)絡失效的情況下，仍能獨立完成間隔層設備的就地監(jiān)控功能。

針對工程具體情況，設計方案具有高可靠性，易于擴充和友好的人機界面，性能價格，監(jiān)控系統(tǒng)由站控層和間隔層兩部分組成，采用分層分布式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，站控層網(wǎng)絡采用TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)。站控層網(wǎng)絡采用單網(wǎng)雙機熱備配置。

5.2應用場所

適用于公共建筑、工業(yè)建筑、居住建筑等各行業(yè)35kV以下電壓等級的用戶端配、用電系統(tǒng)運行監(jiān)視和控制管理。

5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5.4系統(tǒng)功能

5.4.1 實時監(jiān)測

Acrel-1000變電站綜合自動化系統(tǒng)，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態(tài)，實時監(jiān)測各回路電壓、電流、功率、功率因數(shù)等電參數(shù)信息，動態(tài)監(jiān)視各配電回路斷路器、隔離開關、地刀等合、分閘狀態(tài)及有關故障、告警等信號。

5.4.2 報警處理

監(jiān)控系統(tǒng)具有事故報警功能。事故報警包括非正常操作引起的斷路器跳閘和保護裝置動作信號；預告報警包括一般設備變位、狀態(tài)異常信息、模擬量或溫度量越限等。

1）事故報警。事故狀態(tài)方式時，事故報警立即發(fā)出音響報警（報警音量任意調(diào)節(jié)），操作員工作站的顯示畫面上用顏色改變并閃爍表示該設備變位，同時彈窗顯示紅色報警條文，報警分為實時報警和歷史報警，歷史報警條文具備選擇查詢并打印的功能。

事故報警通過手動，每次確認一次報警。報警一旦確認，聲音、閃光即停止。

次事故報警發(fā)生階段，允許下一個報警信號進入，即次報警不覆蓋上一次的報警內(nèi)容。報警處理具備在主計算機上予以定義或退出的功能。

2）對每一測量值（包括計算量值），由用戶序列設置四種規(guī)定的運行限值（物理下限、告警下限、告警上限、物理上限），分別定義作為預告報警和事故報警。

3）開關事故跳閘到次數(shù)或開關拉閘到次數(shù)，推出報警信息，提示用戶檢修。

4）報警方式。

報警方式具有多種表現(xiàn)形式，包括彈窗、畫面閃爍、聲光報警器、語音、短信、電話等但不限于以上幾種方式，用戶根據(jù)自己的需要添加或修改報警信息。

5.4.3 調(diào)節(jié)與控制

操作員對需要控制的電氣設備進行控制操作。監(jiān)控系統(tǒng)具有操作監(jiān)護功能，允許監(jiān)護人員在操作員工作站上實施監(jiān)護，避免誤操作。

操作控制分為四級：

第控制，設備就地檢修控制。具有優(yōu)先的控制權(quán)。當操作人員將就地設備的遠方/就地切換開關放在就地位置時，將閉鎖所有其他控制功能，只進行現(xiàn)場操作。

級控制，間隔層后備控制。其與第三級控制的切換在間隔層完成。

第三級控制，站控層控制。該級控制在操作員工作站上完成，具有遠方/站控層的切換。

第四級控制，遠方控制，優(yōu)先。

原則上間隔層控制和設備就地控制作為后備操作或檢修操作手段。為防止誤操作，在任何控制方式下都需采用分步操作，即選擇、返校、執(zhí)行，并在站級層設置操作員、監(jiān)護員口令及線路代碼，以確保操作的性和正確性。對任何操作方式，保證只有在上一次操作步驟完成后，才進行下一步操作。同一時間只允許一種控制方式。

納入控制的設備有：35kV及以下斷路器；35kV及以下隔離開關及帶電動機構(gòu)的接地開關；站用電380V斷路器；主變壓器分接頭；繼電保護裝置的遠方復歸及遠方投退連接片。

3）定時控制。操作員對需要控制的電氣設備進行定時控制操作，設定啟動和關閉時間，完成定時控制。

4）監(jiān)控系統(tǒng)的控制輸出。控制輸出的接點為無源接點，接點的容量對直流為110V（220V）、5A，對交流為220V、5A。

5.4.4 用戶權(quán)限管理

系統(tǒng)設置了用戶權(quán)限管理功能，通過用戶權(quán)限管理能夠防止未經(jīng)授權(quán)的操作系統(tǒng)可以定義不同操作權(quán)限的權(quán)限組（如管理員、維護員、值班員組等），在每個權(quán)限組里添加用戶名和密碼，為系統(tǒng)運行、維護、管理提供可靠的保障。

6 系統(tǒng)硬件配置

7 結(jié)語

綜上所述，智能變電站繼電保護與自動化系統(tǒng)是電力系統(tǒng)領域的一項重要創(chuàng)新，為電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和運行提供了強大的支持。然而，智能變電站技術(shù)仍面臨著一些挑戰(zhàn)，如網(wǎng)絡安全和標準化等問題，需要不斷研究和改進，進而為電力行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展貢獻更大的力量。

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作者介紹：

張繼冬，男，現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司