摘要：智能变电站采用由就地间隔保护、站域保护和区域电网保护构成的继电保护系统后，电力系统安全性、可靠性、稳定性得到了保障，可满足智能变电站发展需要，基于智能变电站结构上的差异性，在具体实践中还需结合智能变电站实际制定继电保护方案。
关键词：变电站；继电保护；就地化
随着智能电网与分布式继电保护设备的发展，使得就地化继电保护装置站控层设备与间隔层设备间距离加大，为减少电缆铺设成本、后期运维复杂程度及信息远程控制等问题，将无线通信技术应用于变电站就地化保护站控层，具有一定优势。
1设备软硬件高可靠性设计要求
1.1就地化继电保护应用环境的复杂性
就地化的保护装置应能适应其所处环境的温度、湿度，防止空气中的水分及腐蚀性介质侵入造成的损坏，同时还应具备抵御变电站内复杂的静态及暂态电磁干扰的功能。因此，在进行产品设计时，应充分开展环境影响因素分析，用于指导材料、器件的选用以及软硬件的冗余、防误设计，同时考虑抵御外部复杂气候、电磁、机械环境造成的破坏，提高二次回路可靠性。
1.2气候环境适应性
统计资料表明电子元器件温度每升高2℃，可靠性就会下降10%；温升为50℃时电子元器件的寿命只有温升为25℃时的1／6。55%的电子设备失效是由温度超过规定的值引起的。我国新疆吐鲁番地区夏天极端情况下，近地面（2m）温度超过60℃，装置内部局部最高温度可达90℃以上，严重影响装置的可靠性。因此，在进行产品设计时，可选用汽车级电子元器件，并根据有利散热原则合理布局内部功能模块及元器件，采用导热衬垫及硅脂等材料将电子元器件的热耗导出至壳体，并通过壳体的高密度翅片散至装置外部。当电子设备经历潮湿或其他恶劣气候环境时，有可能由于腐蚀效应而失效。材料受环境介质的化学作用而发生性能下降，状态改变，直至变质损坏。为防止腐蚀介质侵入装置内部，在端盖结合面、进出线口、导光零件等处采用高性能的“O”型密封圈或密封胶结合压力分布设计实现装置的整体密封，同时将直接裸露于外部环境的零部件表面镀涂致密的防护层抵御腐蚀。
1.3电磁环境适应性
户外就地安装的继电保护装置所处的电磁环境更为复杂、恶劣，其不仅要经受变电站内各一次设备正常运行产生的静态电磁波的感应骚扰，同时，还需抵御高压开关动作、雷电等现场产生的暂态电磁波的冲击。目前，要求继电保护装置等承受不低于6kV快速瞬变和6kV浪涌的试验要求。为确保继电保护装置不因受到干扰而造成误动、拒动或其他不正常工作状态，装置内部需要设置有效的泄放回路，确保将各类干扰所产生的有害能量及时导出。
1.4机械性能
继电保护装置被移至户外安装后，不再受原有户内安装的屏柜的支撑及保护，其所受的机械环境变得更为复杂和恶劣。在极端情况下，户外继电保护装置会受到冰雹、台风、飞石等偶发现象的破坏，严重的会直接导致装置及相关电路的失效。计算表明，就地化继电保护装置的5mm厚铝制外壳在受到20J的外部冲击时，其最大塑性形变可控制在0.3mm以内而不受损坏。不过，由于装置外表面受到冲撞、跌落而引起的对内部构件的冲击危害更为显著，特别是印刷电路板上焊接的各类元器件。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆因此在进行就地化继电保护装置的内部布局时，应根据应力及形变分布合理避让失效风险位置。在空间允许的情况下，可采用辅助支撑增加强刚度，或采用弹性材料吸收瞬间作用产生的能量，对内部构件进行防护。
1.5二次回路的可靠性
基于“间隔信息电缆直采直跳，跨间隔信息GOOSE传输”的原则，就地化继电保护装置在“六统一”标准规范的基础上，通过进一步简化装置接口，实现二次回路接线的优化。交流量及重要开关量信息都采用就地电缆采集，同时通过电缆直接跳闸减少了智能变电站原有的智能终端环节。就地直采直跳解决了原有的保护小室安装时，长电缆带来的电流互感器饱和、多点接地、分布式电容放电等问题，大幅提高了保护的可靠性。就地化继电保护装置采用高防护及高电气性能的专用航插连接器取代传统的接线端子，可有效抵御外部恶劣气候及电磁环境。在使用时，按电气功能分组接入专用航插连接器，采用防误插键位设计及辅助辨识色带可有效杜绝现场误操作，避免不同回路误接的风险，最终实现快速可靠插接、即插即用、便捷维护。
2跨间隔设备就地化技术
2.1分布式保护环网配置方案
跨间隔保护装置需要同时获取多间隔的电压和电流数据，传统集中式保护需要将所有间隔的采样回路和开入开出回路连接在1台继电保护装置上，导致二次回路接线复杂，且单台保护装置的外部接口众多，软、硬件资源压力都很大，功耗较大，极难实现就地无防护安装。为实现继电保护的就地化，必须采用新架构、新模式，本文提出一种基于环网的无主分布式跨间隔保护方案。
每个间隔配置1台独立的保护子机（本文方案为与间隔保护集成），每台子机与其左右相邻的2台子机采用2对千兆光纤连接，最终连接成2组独立的光纤环网，二者互为冗余，各子机采集本间隔的交流数据和开关量，并上送环网，同时从环网上实时获取其他子机的数据，基于这些数据，各台子机独立地进行保护逻辑运算，判断本间隔的保护行为，输出开关量。并且每台子机配备光旁路开关，在本间隔检修退出时，将本间隔从环网中旁路掉，从而不影响其他间隔子机的运行。为方便管理，在所面向的间隔类型相似的情况下，子机的软硬件宜相同。
2.2环网可靠性设计
环网可靠性设计采用高可用性无缝冗余环网HSR技术。采用内部协议将数据打包，每个数据包由子机在2个环网上同时发送，做到数据的冗余备份。由于每个数据都是双份，所以需要配置丢弃策略。环网上的数据包经过每个子机节点，子机解析收到的数据，若是其他子机发送的数据，则将获取的数据解析后提供给保护逻辑使用，并转发给后面的节点；若是本子机发送的数据，则证明该数据包已经走完整个环网，其生存周期结束，将其丢弃。
2.3环网数据同步技术
环网的采样同步技术是本文方案的关键技术之一。本文方案首先在基于链路收发回路延时一致的前提下，采用对称法计算相邻节点间的链路传输延时Tlink，借鉴IEEE1588协议的请求报文和回复报文，计算节点之间的链路延时；然后，增加1个报文在每个节点中转发时的驻留修正延时Tstay，则第n和m间隔之间的延时Tmn可通过式（1）计算。在计算得到2台子机之间的延时后，再采用插值同步算法实现各个间隔的采样值同步。为了保证同步的精度，环网接口带宽为千兆，通信接口采用Serdes接口，总延时和延时抖动不大于15ns。报文收、发时标计数器频率为125MHz，由报文时标引起的最大延时误差为16ns。按环内30个节点计算，由以太网口、报文时标引起的累计延时误差最大为930ns，完全满足同步精度±10μs的要求。跨间隔保护既可采用无主模式，即每台子机都独立地进行保护逻辑判断；也可采用有主模式，在环网中设置主机，主机可以由某一间隔的子机担任，或者在环网中单独安放不面向任一间隔的装置作为主机，负责保护逻辑的计算和与后台通信，其余子机只负责采集间隔信息和执行主机的指令。
结论
继电保护就地化思路是对多年来智能变电站技术的总结提升，通过简化回路提高了保护可靠性，精简设备提高了保护的速动性，提高设计裕度改善了保护的可靠性；通过小型化、就地化安装可以取消保护小室，节约土地征用；通过标准化设计和预制式接口，真正实现继电保护即插即用，大幅降低了运维难度，有效提升了工作效率。
参考文献:
[1]蔡小玲，王礼伟，林传伟。基于智能变电站的站域保护原理和实现[J].电力系统及其自动化学报，2012（12）：128-133.
[2]卢孟杰。智能变电站继电保护技术优化研究[D].北京：华北电力大学，2013.
[3]卢孟杰。新一代智能变电站继电保护的研究与探讨[J].科技风，2013（1）：22.
论文作者:祁春莲
论文发表刊物:《防护工程》2017年第25期
论文发表时间:2018/1/2
标签：间隔论文; 变电站论文; 回路论文; 环网论文; 保护装置论文; 可靠性论文; 继电论文; 《防护工程》2017年第25期论文;