智能變電站中的繼電保護關鍵技術

■ 文/徐文彬

隨著社會經濟的發展，對電力系統自動化的需求日益增加。繼電保護系統作為智能變電站安全、穩定運行的關鍵保障，能夠及時檢測電力系統中的故障和異常情況，并做出相應的保護動作，避免故障擴大和系統崩潰。

智能變電站的優勢

隨著電力系統的規模和復雜性不斷增加，傳統的變電站已經無法滿足電網安全、可靠、高效運行的要求。智能變電站的發展作為電力系統智能化的重要組成部分，能夠實現電力系統的智能感知、智能調度和智能控制，提升電力系統的運行效率和安全性。

●自動化與智能化

智能變電站采用先進的自動化技術和智能算法，能夠更有效地監測、控制和管理電力系統，實現自動化操作和控制，降低了人工干預的需求，提高了系統的可靠性和效率。智能變電站具有遠程監控和管理功能，運維人員可以通過遠程系統實時監測和控制設備的狀態，大大減少現場操作和維護的需求，提高了運維的效率和安全性。智能變電站具有更高的系統容量和可擴展性，可以適應不同規模電力系統的需求。

●交互性

智能變電站利用先進的通信和網絡技術，實現各種設備之間的互聯互通、數據傳輸和信息共享，并根據電力系統的需求和負荷情況，優化能源的分配和使用。隨著可再生能源的快速發展，具備接納、轉換和調度多種能源能力的智能變電站，能夠更加高效地集成分布式能源，實現對清潔能源的優化利用。

●可靠性

智能變電站通過大數據分析和智能算法，能夠對電網運行數據進行實時監測和分析，提供決策支持和智能推薦?；跀祿念A測和預警能力，智能變電站可以提前發現潛在故障和問題，采取相應措施，降低故障風險，提高設備的可靠性和使用壽命。智能變電站具有智能化的繼電保護和自動裝置，能夠及時、準確地檢測故障和異常情況，自動切除故障設備，避免事故擴大，并迅速對電網進行恢復。此外，智能變電站的安全措施和網絡防護機制，可以提升系統的抗干擾能力，保障電網的穩定運行和安全性。

繼電保護關鍵技術的分類

●線路中的繼電保護技術

線路中的繼電保護技術是用于保護電力系統中的線路設備免受過流、短路、接地故障等損壞的技術手段。繼電保護裝置通常與線路中的傳感器（如電流互感器、電壓互感器）配合使用，監測電流、電壓、頻率等參數，根據預設的保護邏輯和特定的動作條件，切斷電源或發出報警信號。線路保護裝置主程序是以數字信號處理（DSP）芯片為主中央處理器（CPU）來運行的。DSP 芯片是一種專門設計用于數字信號處理的芯片，具有高性能的運算能力和實時響應的特點。此外，在線路保護裝置中，DSP 芯片常與ARM 芯片結合使用，這樣可以充分利用DSP 芯片的高性能、實時性和信號處理能力，同時利用ARM 芯片的控制和管理功能，實現復雜的保護算法和功能，并提供友好的用戶界面和系統集成能力。

●變壓器的繼電保護技術

變壓器的繼電保護技術是指一系列檢測和響應變壓器設備內部或外部的各種故障和異常情況的保護手段和技術措施，主要包括過載保護和短路保護等。過載保護用于監測變壓器的負載電流，當電流超過預設的額定值或設定時間內持續超負荷時，繼電器會觸發動作，切斷電源或采取其他保護措施。短路保護主要是監測和比較變壓器不同側（高壓側和低壓側）的電流和相位差等參數，一旦檢測到短路情況，繼電器會迅速采取動作，切斷電源或斷開短路故障部分。此外，變壓器中的氣體繼電器可用于監測變壓器油箱中的氣體濃度，一旦氣體濃度超過預設的閾值，繼電器會觸發警報或保護動作。

●限定電流輸出保護技術

限定電流輸出保護技術是一種用于保護電源輸出回路的技術手段，通過將電流限制在安全范圍內，防止過載或短路等故障造成設備損壞或安全問題。常用的限定電流輸出保護裝置包括電流限制器、電流互感器、電子限流器和斷路器。電流限制器是一種用于限制電流的保護器件，當電流超過設定閾值時，電流限制器會自動調節或切斷電路。電流互感器是一種用于測量電流的傳感器，可將電路中的電流轉換為與之成比例的電流輸出，主要用于監測電流并觸發保護動作。電子限流器通過控制電流的傳遞或采取電子調節手段，將電流限制在設定的范圍內，以保護電源輸出回路，具有快速響應和精確控制的特性。斷路器在電路中起斷開電路的作用，它具有過流保護功能，當電流超過額定值時，斷路器會自動切斷電源。

●微分欠壓保護技術

微分欠壓保護技術是一種電力系統保護技術，主要應用于變壓器和發電機等設備，用于監測電流或電壓的差異情況，以實現故障的快速檢測和保護。微分欠壓保護技術的應用能夠有效地檢測并保護設備免受內部故障和供電異常帶來的損害，并在故障發生時迅速采取適當的措施。

微分欠壓保護技術基于微分保護原理和欠壓保護原理。微分保護通過比較變壓器或發電機高壓側和低壓側的電流或電壓差異來判斷設備是否存在內部短路、相間短路以及大地故障等。當差異超過設定的閾值時，會觸發保護裝置，切斷電源或采取其他保護措施。欠壓保護技術還可以檢測到電壓異常下降或欠壓的情況。當電壓低于設定的閾值時，會觸發保護裝置，切斷電源或采取其他保護措施，以避免設備的過載或其他故障。

繼電保護關鍵技術的實現

●采樣

采樣是指從電力系統中獲取電流和電壓的樣本值，并用于保護設備和系統的動作判據。采樣通常使用模擬電路或數字電路進行。在數字采樣中，電流和電壓的模擬信號首先通過數字轉換器（ADC）轉換為數字信號，然后由數字電路進行采樣和處理。以采樣值傳輸會不會經過網絡交換機為基準，采樣可分成網采與直采兩種。網采適用于大規模的電力系統，可以通過通信網絡將采樣數據從變電站傳輸到遠方的保護裝置；直采適用于局部的保護需求，保護裝置直接采樣附近的電流和電壓信號，無須傳輸數據。

●跳合閘

跳合閘是指電力系統中出現故障或異常情況時，保護裝置通過控制斷路器或刀閘等設備進行跳閘（斷開電路）或合閘（閉合電路）操作。跳閘操作的主要目的是迅速切斷電流，以保護設備或電路的安全。直跳和網跳是兩種常見的跳合閘方式。直跳適用于局部故障的快速隔離，減少對整個系統的影響；網跳適用于系統范圍內的故障或超負荷情況，需要關閉整個系統以保護設備和確保系統穩定。

●對時

對時是指對各個保護裝置的時鐘進行同步，以確保它們在故障發生時能夠基于統一的時間標準進行協調動作和保護決策。時間同步方法包括使用全球定位系統 (GPS)、國家的標準時間源、時鐘同步協議（如PTP 等）。PTP 是一種基于網絡的時鐘同步協議，旨在實現高精度的時間同步，多應用于需要高精度時間同步的工業自動化和電力系統領域。一般的電力配電系統可以使用更簡化的時間同步方法，如網絡時間協議（NTP）。

●通信

智能變電站繼電保護中的通信技術對于實現高效、可靠的數據傳輸和遠程管理非常關鍵。智能變電站繼電保護中常見的通信技術包括IEC 61850 通信技術、無線局域網（WLAN）通信技術、光纖通信技術和無線傳感器網絡（WSN）通信技術等。

IEC 61850 是一種基于以太網的國際標準通信協議，廣泛應用于智能變電站中。它提供了一種開放、標準化的通信架構，用于實現保護設備之間的數據交換和互操作，能夠滿足保護裝置的高速通信需求。WLAN 通信技術可以在智能變電站內部實現無線數據傳輸。它提供了高速的數據通信能力，可以連接各個繼電保護設備、監控系統和管理平臺，同時也支持遠程訪問和監控。通過光纖可以實現高速、大容量的通信，光纖通信技術可以用于連接智能變電站內部的設備，如繼電保護裝置、監控設備和管理系統，并支持長距離的數據傳輸和遠程訪問。在智能變電站中，WSN通信技術通過無線傳感器節點的布置，可以實現對變電站內各個設備的監測和采集，從而實現智能化的繼電保護和設備管理。

常用的遠程數據通信網絡包括互聯網、虛擬專用網（VPN）和專用線路等。通過這些網絡可以實現智能變電站與企業級監控系統或上級調度中心之間的數據傳輸和遠程控制。

繼電保護測試和運維

在繼電保護的測試和運維過程中，通常結合使用軟壓板和硬壓板這兩種裝置。軟壓板主要用于遠程管理、配置和監控繼電保護裝置，實現對設備參數的修改和診斷；硬壓板主要用于現場操作和手動控制，提供快速響應和準確控制的方式。綜合使用軟壓板和硬壓板能夠更好地滿足測試和運維操作的需求，保證繼電保護系統的穩定性和可靠性。

綜上所述，發展智能變電站對于提升電力系統智能化水平、促進清潔能源發展、提高供電可靠性和降低運營成本具有重要意義。智能變電站繼電保護技術可以降低運營成本和提高運維效率，減少人工巡檢和操控的工作量，提高能源的使用效率和節能減排，降低運營成本。同時，智能化的數據分析和預測功能，可以幫助運維人員進行繼電保護設備的維護和故障排查，減少故障損失和維修時間，提高運維效率，保障智能變電站運行的安全性。