1、5數字化變電站繼電保護配置方案5.1繼電保護概述在電力系統中，除應采取各項積極措施消除或減少發生故障的可能性以外，故障一旦發生，必須迅速而有選擇性地切除故障元件，這是保證電力系統安全運行的最有效方法之一。切除故障的時間常常要求小到十分之幾甚至百分之幾秒，實踐證明只有裝設在每個電氣元件上的保護裝置才有可能滿足這個要求。這種保護裝置直到目前為止，大多是由單個繼電器或繼電器與其附屬設備的組合構成的，故稱為繼電保護裝置。在電力式靜態保護裝置和數字式保護裝置出現以后，雖然繼電器已被電力元件計算機所代替，但仍沿用此名稱。在電業部門常用繼電保護一詞泛指繼電保護技術式由各種繼電保護裝置組成的繼電保護系統。繼電

2、保護裝置一詞則指各種具體的裝置。繼電保護裝置，就是指能反應電力系統中電氣元件發生故障或不正常運行狀態，并動作于斷路器跳閘或發出信號的一種自動裝置。它的基本任務是：（1）自動、迅速、有選擇性地將故障元件從電力系統中切除，使故障元件免于繼續遭到破壞，保證其它無故障部分迅速恢復正常運行；（2）反應電氣元件的不正常運行狀態，并根據運行維護的條件（例如有無經常值班人員），而動作于發出信號、減負荷或跳閘。此時一般不要求保護迅速動作，而是根據對電力系統及其元件的危害程度規定一定的延時，以免不必要的動作和由于干擾而引起的誤動作。5.2數字化變電站對繼電保護的影響 數字化變電站可分為過程層、間隔層和站控層，分別

3、實現不同的功能。過程層設備主要包括電子式電流互感器（electronic current transformer，ECT）、電子式電壓互感器（electronic voltage transformer，EVT）、智能開關、智能變壓器等智能一次設備。目前采用常規開關加智能操作箱的過渡方案，也屬于過程層。過程層設備具有自檢測、自描述功能。通過過程層網絡給間隔層設備提供一次設備信息，接受間隔層設備的控制命令。間隔層設備包括保護及測控設備、測量表計等。站控層設備包括管理機、遠動工作站、監控系統等，主要功能是為變電站提供運行、管理、工程配置的界面，記錄變電站內的相關信息，同時，可將站內信息轉化為遠動和

4、集控設備所能接受的協議規范，實現監控中心遠方控制。站控層設備建立在 IEC 61850 的模型基礎上，具有面向對象的統一數據建模。 數字化變電站對繼電保護的影響主要體現在兩個方面： （1）簡化二次接線設計。 ECT 和 EVT 實現了數字化輸出，并借助光纖傳輸，不僅增強了抗干擾能力，也完全摒棄了傳統互感器的二次交流回路，不再有二次回路開路及短路接地的傳統概念，真正實現了一、二次系統之間的電氣隔離。由于智能開關的應用，現場執行機構的控制與主控室的保護及測控設備之間已沒有直接的電聯系，現場的智能開關單元作為終端設備接受并執行控制命令，各單元之間界限分明，可減少現場繼保工作人員誤接線、誤觸碰等情況，

5、同時也可簡化斷路器控制回路的二次接線設計，減少繼電保護裝置的 I/O 插件。 （2）簡化變電站繼電保護的配置。由于面向變電站事件的通用對象（generic object oriented substation event，GOOSE）通信技術的應用，可以實現同一標準平臺上的實時信息數據共享，從而簡化了繼電保護的配置。5.3數字化變電站繼電保護配置特點繼電保護的 GOOSE需求分析電力系統繼電保護有4個基本要求,即選擇性、速動性、靈敏性和可靠性。其中選擇性和靈敏性與繼電保護系統(包括量測和保護通信)相關,GOOSE主要影響繼電保護的速動性和可靠性。在相同的一次、二次設備條件下,與傳統保護接點直接

6、跳閘方式相比,繼電保護采用GOOSE報文經網絡發信給智能操作箱的方式增加了中間環節,保護總動作時間有所延長,關鍵在于這段延時能否穩定地控制在一定的時間范圍內。采用 GOOSE 后 ,繼電保護通過網絡傳輸跳閘和相互之間的啟動閉鎖信號。與傳統回路方式相比 ,可靠性主要體現在網絡的可靠性和運行檢修及擴建的安全性上。5.3.2 分布式保護和控制主保護由多功能的保護裝置提供，所采用的保護元件、邏輯由保護裝置的功能和用戶所選擇的保護邏輯確定。后備保護選用取決于系統元件或設備的重要性，可選用近后備或遠后備原則，在高壓輸電網絡系統一般采取兩套主保護方案。變電站內唯一需要集中的保護設備是母差保護，基于分布式保護

7、應用的局域網，可以利用多功能IED方向檢測功能構成新型母線保護方案。分布式母差保護方案基于對等通信方式的GOOSE信息傳輸機制，小于1周波的快速方向檢測。如果信息表示反向故障或無故障，并且沒有任何正方向故障的判別，母線保護元件判斷為母線故障，向所有該母線上的元件發出跳閘命令信號。為了保護所有的出線IED有足夠的時間判斷故障，需要有一定的時延。連接在母線上的所有IED在這種應用模式下作為信息發送端，而間隔層計算機或可編程邏輯控制器PLC（programmable logic controller）作為信息接收端，見下圖5-1。PIED母線保護PIEDPIEDPIEDPIED 圖5-1母線故障時的

8、GOOSE信息傳送示意圖5.3.3電子式互感器接入保護裝置設計方案以220kV線路保護要求雙重化配置為例，即配置兩套相互獨立的全線速動保護，這就需要兩套相互獨立的合并單元為同一條線路的不同220kv線路保護提供電流電壓信號，并且要求兩個合并單元使用不同的電流傳感器及電壓傳感器(如下圖5-2所示)。GIS開關一次轉換器(Rogowski線圈電容分壓器等一次轉換器(Rogowski線圈電容分壓器等A/DA/DA/DFPGAA/DA/DA/DFPGA保護數據合并單元保護1測量數據合并單元測控/電能表保護數據合并單元保護2圖5-2電子式互感器接入保護裝置設計方案5.4保護配置方案數字化變電站是變電站綜

9、合自動化技術的發展方向，其基本特征包括采用電子式互感器和智能開關實現設備智能化、采用光纖通信替代二次電纜實現信息傳輸網絡化以及按照IEC61850標準實現信息模型、通信協議標準變化。目前的數字化變電站保護配置方案可以分為常規保護配置方案和系統保護配置方案：（1）常規保護配置方案和采用常規互感器時的保護配置一樣，按對象進行配置，如主變保護、線路保護、母線保護、開關保護等。將原來保護裝置的交流量輸入插件更換為數據采集光纖通信接口，I/O接口插件換為GOOSE光纖通信接口，CPU插件的模擬量處理更換為通信接口處理。原來的操作插件轉移到智能操作箱上，保留部分開入作為壓板投退，開出的壓板投退取消或轉移到

10、智能操作箱上。（2）系統保護配置方案采用雙重化配置原則，每一套系統保護裝置都可以完成全站所有設備的繼電保護功能，同時可以完成測控功能。每一套系統保護都包括所有主變、線路及母線的保護與測控等，保護在原理上兩套完全一樣，可互為備用，可獨立投退。5.4.1常規保護配置方案（如下圖5-3）（1）常規保護配置方案和采用常規互感器的保護配置一樣,按對象進行配置,如主變保護、線路保護、母線保護、開關保護等（2）將原來保護裝置的交流量輸入插件更換為數據采集光纖通信接口，I/O接口插件換為GOOSE光纖通信接口，CPU插件模擬量處理更換為通信接口處理。（3）原來的操作插件轉移到智能操作箱上，保留部分開入作為壓板

11、投退取消或轉移到智能操作箱上。主保護線路保護母線保護智能操作箱MU常規開關電子式互感器智能操作箱常規開關MU電子式互感器圖5-3常規保護配置5.4.2系統保護配置方案（如下圖5-4）（1）系統保護配置方案采用雙重化配置原則，每一套系統保護裝置都可以完成全站所有設備的繼電保護功能，同時可以完成測控功能。（2）每一套系統保護都包括所有主變、線路及母線的保護與測控等，保護在原理上兩套完全一樣，可互為備用，可獨立投退。電子式互感器MU智能操作箱智能操作箱MU常規開關電子式互感器常規開關系統保護及測控2系統保護及測控1 圖5-4系統保護配置5.4.3保護配置方案比較與常規保護配置方案比較，系統保護配置方案可以保護多個對象元件，將信息共享綜合利用，設備數量少，網絡結構簡單，但目前還缺少運行經驗。表5-1 保護配置方案比較比較內容常規保護配置系統保護配置保護對象單個元件多個元件保護邏輯是否改變否是是否需要動模試驗、試運行否是運行經驗是否豐富是否信息共享綜合利用否是網絡結構復雜是否設備數量多少系統保護配置方案對保護配置進行了一次全面的改革，多套保護功能運行于一套裝置內，便于系統分析故障行為及全站信息集中共享，有利于進行綜合判斷。該方案保護裝置的數量很少，站控層的網絡結構簡單，但對保護裝置的要求高。另外，由于運行經驗少，現場運行調試人員對此