變電站自動化保護的優(yōu)化設(shè)計思路

1　 引言

變電站自動化技術(shù)近年來發(fā)展迅速，各地有不少變電站自動化系統(tǒng)投入運行。作為變電站自動化系統(tǒng)重要環(huán)節(jié)的微機保護也取得了迅猛發(fā)展。使微機保護裝置在動作速度、動作正確率及運行可靠性和易用性等方面取得了令人矚目的成績，傳統(tǒng)的模擬式保護已與之不可同日而語，但在充分發(fā)揮微機的特點和優(yōu)勢等方面仍有較大發(fā)展?jié)摿?，在實現(xiàn)繼電保護功能的同時兼具其他功能（如控制、測量、通信等功能）來構(gòu)成微機綜合保護裝置方面、在與變電站自動化系統(tǒng)中其他二次設(shè)備之間進行配置和管理方面，仍有較大進行優(yōu)化設(shè)計的空間。本文根據(jù)國內(nèi)外變電所站自動化中微機綜合保護的現(xiàn)狀，用優(yōu)化設(shè)計思路論述其系統(tǒng)構(gòu)成和功能配置，提出其優(yōu)化設(shè)計若干設(shè)想。

2　 變電站自動化系統(tǒng)對微機保護的功能要求

2．1 保護功能應(yīng)相對獨立

保證繼電保護安全、穩(wěn)定運行是設(shè)計變電站自動化系統(tǒng)的基本要求。由于繼電保護的特殊性，自動化系統(tǒng)絕不能降低繼電保護的可靠性。由于要求微機保護裝置快速決策、快速反應(yīng)，需要更高的可靠性和靈敏性，因而它在功能和作用上仍需保持相對的獨立性。在系統(tǒng)運行中，繼電保護單元的可靠性應(yīng)僅與其保護裝置本身有關(guān)，與同保護單元相關(guān)的其他裝置（如通信口、網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控單元等）無關(guān)。這就要求在自動化的功能設(shè)置中，保護單元相對獨立，即使與保護裝置相連的網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，也應(yīng)不影響繼電保護本身的可靠性。

2．2 信息共享

在保證安全運行的前提下，在變電站自動化系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)盡量做到信息資源共享。在測量回路方面，保護、錄波、儀表、計量、遠(yuǎn)動等，可按CT二次特性的不同要求分類優(yōu)化組合，減少測量環(huán)節(jié)，減輕二次回路負(fù)載，提高測量精度。
　　
從整個電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域來看，計算機的通信技術(shù)帶動了各種模擬裝置或系統(tǒng)向數(shù)字式方向發(fā)展，而數(shù)字信號處理的應(yīng)用則進一步促成了這些裝置的信息化，而信息化的主要特點是信息的有效利用和共享，這樣可極大提高裝置或系統(tǒng)的性能價格比，對于繼電保護，將通過信息共享，實現(xiàn)多種保護功能的集成，同時也有利于變電站的綜合自動化優(yōu)化設(shè)計的實現(xiàn)。

3 采用面向?qū)ο蟮姆植际皆O(shè)計思想

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，無論是電力系統(tǒng)的分析和應(yīng)用軟件，還是管理、監(jiān)視和控制等系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，如果仍采用傳統(tǒng)的面向功能的設(shè)計方法，就會使這些系統(tǒng)的開發(fā)、修改和擴充越來越困難，不必要的重復(fù)設(shè)置越來越多，生產(chǎn)效率很難提高，而面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法是解決這些問題的最好選擇。
　　
早期的變電站由于計算機硬件水平的限制，保護功能與遠(yuǎn)動功能等分別單獨集中實現(xiàn)，基本上按信息類型（即按專業(yè)）劃分功能單元。隨著過程控制體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展以及計算機通信技術(shù)的進步，在變電站內(nèi)采用面向?qū)ο蟮姆植际浇Y(jié)構(gòu)組成現(xiàn)場保護控制系統(tǒng)，越來越顯示出其強大的生命力。
　　
所謂面向?qū)ο蟮姆植际浇Y(jié)構(gòu)，是將現(xiàn)場級單元按一次設(shè)備和二次保護設(shè)備對應(yīng)配置原則，一個一次設(shè)備間隔對應(yīng)一個二次保護監(jiān)控單元，保護就地下放，減少了CT負(fù)擔(dān)，大大節(jié)省二次電纜、二次回路負(fù)載將進一步減輕，控制室面積進一步縮小，使系統(tǒng)組態(tài)和操作更為方便，提高了系統(tǒng)排除故障及調(diào)整操作的速度。同時各保護單元通過總線連至站控級設(shè)備，利用保護工程師站承上啟下，使現(xiàn)場維護過程概念清晰、責(zé)任明確。變電站對下除了完成常規(guī)自動化的保護管理功能外，還可以通過現(xiàn)場高速總線實現(xiàn)保護單元的自適應(yīng)調(diào)整；對上設(shè)立開放式站級網(wǎng)絡(luò)接口，可方便地與管理級建立聯(lián)系，充分保證了體系的可互動性和可擴充性。這樣，繼電保護重要的快速決策功能在現(xiàn)場級即可實現(xiàn)，而涉及多點的綜合保護及與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相關(guān)的自適應(yīng)功能則由工程師站及現(xiàn)場總線協(xié)調(diào)完成。

4 繼電保護的模塊化設(shè)計

標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化是保證變電站自動化系統(tǒng)獨立性與擴展性相統(tǒng)一的基本要求。但是，國內(nèi)在這方面由于缺乏統(tǒng)一的設(shè)計方案和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，這種百花齊放的局面也在一定程度上給電力研究與生產(chǎn)行業(yè)告成了重復(fù)勞動，不同廠家的產(chǎn)品很多都是自成一體，相互之間缺乏很好的兼容性與可擴充性，給用戶帶來很大麻煩。因此，應(yīng)確立保護軟、硬件設(shè)計的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化來保證該系統(tǒng)自身的獨立性和與其他系統(tǒng)的兼容性。

4．1 模塊確定的原則

4．1．1 分解模塊以功能為核心

模塊是以通用部件（模塊）組合的一種產(chǎn)品構(gòu)成模式。模塊是具有確定功能的獨立單元，功能是構(gòu)成模塊的依據(jù)，也是系統(tǒng)分解的基礎(chǔ)。模塊分解應(yīng)呈現(xiàn)層次性。如：（1）基本模塊（如電源插件等）。以插件為單元的功能部件，是具有特定功能的獨立單元。（2）插箱級模塊。由插件模塊組成具有獨立綜合功能的插箱組成。（3））產(chǎn)品級模塊。可由插箱級模塊組成，具有多種保護控制、測量功能的柜屏。

4．1．2 模塊應(yīng)典型化

把各種保護裝置間許多相似功能的要求，經(jīng)過簡化、統(tǒng)一，歸并成為一種或幾種典型的功能單元，然后把這些典型的功能單元從產(chǎn)品中分離出來，使之成為在功能、參數(shù)和接口方面能通用于多種產(chǎn)品系統(tǒng)的具有特定功能的獨立單元。這種典型化的意義在于消除模塊在功能上的不必要的重復(fù)和多樣性。

4．2 硬件的模塊化

硬件的模塊化從基本模塊做起，在將系統(tǒng)分解為模塊時，模塊的內(nèi)聚度應(yīng)最大，而把分解點選在接口最少、最弱的部位，這樣可簡化接口結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)易于分解，又易于組合基本模塊設(shè)計為插件式，不同保護間可通用硬件，這樣，縮短了開發(fā)周期，保證了生產(chǎn)、調(diào)試、維護的方便。主要插件有：電源插件、交流插件、CPU插件、開入開出插件等。硬件的不同基本模塊組合可構(gòu)成插箱級模塊，不同插箱級模塊組合可構(gòu)成產(chǎn)品級模塊。

4．3 軟件的模塊化

同硬件一樣，各處理模塊的軟件也采用模塊化結(jié)構(gòu)，在整體上軟件模塊與硬件模塊配套設(shè)置，要充分發(fā)揮軟件開發(fā)和復(fù)制率高、靈活、一致性好和可靠性高的優(yōu)點，通過軟件派生新的產(chǎn)品，即硬件相同通過軟件派生出新的品種或滿足用戶的特殊要求。同時，軟件的模塊化也有利于縮短軟件的開發(fā)周期。對于保護共用的主程序、中斷采樣程序、人機接口程序、啟動中斷程序通信程序以及GPS同步里程序等模塊，可使保護裝置靈活復(fù)制利用。
　　
需要指出的是：實際應(yīng)用中的模塊化產(chǎn)品系統(tǒng)是動態(tài)的，模塊化不僅有一個形成、完善和成熟的過程，而且隨著技術(shù)的不斷更新，人們的認(rèn)識在不斷深化，產(chǎn)品的可靠性要求在不斷提高。因此，模塊系統(tǒng)對實施推陳出新，及時改型與更新而言，不僅是不可避免的，而且是必要的，但就改型與更新而言，無論在電路還是在機械結(jié)構(gòu)上都有繼承性，有其獨特的優(yōu)越性。這也是模塊化設(shè)計的優(yōu)勢所在。

5 通信技術(shù)

5．1 變電站微機綜合保護信息流分析

變電站與微機綜合保護有關(guān)的數(shù)據(jù)有三個流向：第一個流向是保護設(shè)備到變電站上位監(jiān)控機，主要傳遞反映一次系統(tǒng)運行狀態(tài)的信息：第二個流向是從上位監(jiān)控機到保護設(shè)備，通常為上位監(jiān)控機下達對保護設(shè)備的修改整定參數(shù)命令及一些其它控制信息；第三個流向是保護設(shè)備之間的橫向數(shù)據(jù)交換，此類數(shù)據(jù)視系統(tǒng)設(shè)計及功能劃分而定，例如：若要求保護設(shè)備間同步采樣，則橫向的數(shù)據(jù)交換量較大。在目前階段，考慮到保護單元的獨立性，減少系統(tǒng)對通信的依賴性，對保護設(shè)備間的通信主要考慮分散的保護設(shè)備與單元監(jiān)控設(shè)備之間的通信問題。由于這兩個設(shè)備之間通常處于非?？拷奈恢?，可采用常規(guī)的串行通信技術(shù)來解決。

5．2 通信系統(tǒng)配置原則

變電站通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)配置，應(yīng)按照分布式系統(tǒng)的設(shè)計原則，盡量將計算處理能力安排到信息源點，就近進行采集與處理，就近控制，只有參與協(xié)調(diào)控制的必要的信息才進行相互間的傳遞，以提高系統(tǒng)運行效率，減少系統(tǒng)對通信的依賴性，提高整體系統(tǒng)的可靠性。

5．3 通信方式選擇

變電站內(nèi)局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要采用星形和總線型連接方式。
　　
星形通信方式以上位監(jiān)控機為中心點，以發(fā)散的方式分別通過通信線纜與分散于每一個開關(guān)柜上的控制I/O設(shè)備和保護設(shè)備連接。其介質(zhì)一般選用光纖，因此具有光通信的自然隔離、高抗干擾性、高安全性的特點，適合在變電站這種惡劣環(huán)境下使用，且各I/O單元及保護單元都與站級計算機獨立通信，獨占通信線路，可維護性好。因此，目前有不少變電站自動化系統(tǒng)選用星型通信系統(tǒng)方案。但是，星型連接所需鋪設(shè)的電纜總長度要比其它結(jié)構(gòu)的多，尤其是站級計算機接線較多時，施工復(fù)雜；各I/O單元及保護設(shè)備之間的橫向通信必須通過站級計算機進行，復(fù)雜且效率不高；當(dāng)采用光纖通信技術(shù)時，因為光纖本身難以實現(xiàn)T形連接，不能實現(xiàn) 總線結(jié)構(gòu)，除非采用光纖環(huán)網(wǎng)技術(shù)。因此，必須用到有源的光電轉(zhuǎn)換設(shè)備，勢必造成通信系統(tǒng)的可靠性受制于各連接點的可靠性。所以，建議在選用星型通信系統(tǒng)方案時需慎重考慮。
　　
隨著通信技術(shù)的發(fā)展，針對變電站自動化技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境，關(guān)于現(xiàn)場級通信有一點已為越來越多的人達成共識，即采用總線型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成多冗余系統(tǒng)，網(wǎng)上每個節(jié)點都可以與其它節(jié)點通信；所需電纜總長度較短，可靠性較高，不象星開連接方式有一個中央控制節(jié)點（站級計算機）形成的可靠性瓶頸。這里推薦國際上新一代的現(xiàn)場測控網(wǎng)絡(luò)CAN?；贑AN網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)方案易于實現(xiàn)雙網(wǎng)備用，可以與I/O單元、保護單元集成實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)交換，可以確保緊急信息的實時性，并且抗干擾能力強、成本低、施工簡便。
　　
需要指出的是，目前變電站中不同廠家的設(shè)備之間的通信，在國內(nèi)還未制定統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，通信規(guī)約種類繁多，不僅費了大量的軟硬件開發(fā)人力，也給用戶的設(shè)備選型、運行、維護等帶來諸多不便。規(guī)約選擇的好壞，不僅影響通信系統(tǒng)的可靠性和效率，而且還會影響通信系統(tǒng)的可靠性和效率，而且還會影響系統(tǒng)功能的正常發(fā)揮。所以應(yīng)抓緊抓好變電站自動化系統(tǒng)中通信系統(tǒng)規(guī)約的標(biāo)準(zhǔn)化工作，加快實施等效采用IEC870-5系列國際標(biāo)準(zhǔn)的國家標(biāo)準(zhǔn)的制定與宣傳貫徹工作，避免重復(fù)勞動，提高勞動生產(chǎn)率，以充分發(fā)揮自動化的技術(shù)優(yōu)勢。

6 擴充微機綜合保護功能

微機保護是今后保護的發(fā)展方向?，F(xiàn)有的國產(chǎn)微機保護裝置，已很好地完成了保護從模擬式向數(shù)字式的轉(zhuǎn)化，但在充分發(fā)揮微機優(yōu)勢、增強保護功能方面，仍有很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

6．1 擴展定值存儲能力

在電力系統(tǒng)中，電網(wǎng)的運行方式是經(jīng)常發(fā)生改變，為了滿足不同運行方式下繼電保護裝置動作的可靠性、靈活性、速動性的選擇性，就要求保護在不同的運行方式下執(zhí)行不同的整定值，如果采取在運行方式改變時，現(xiàn)場臨時輸入新定值的方法，將帶來諸多不便，主要體現(xiàn)在（1）復(fù)雜的定值需要繼電保護維護人員前往變電站現(xiàn)場進行更改，增加了維護量；（2）系統(tǒng)更改定值的時間長，不利于系統(tǒng)運行安全，特別是事故處理期間方式的改變需要定值更改時；（3）簡單定值由操作人員更改，容易出錯。
　　
所以，對于微機保護裝置，應(yīng)能預(yù)選制定出多種最常用、最重要的運行方式，以此制定出相應(yīng)的電網(wǎng)保護定值整定方案，并就這些方案對應(yīng)的值存儲在保護的多個定值區(qū)內(nèi)，當(dāng)運行方式改變時，由操作人員通過調(diào)整現(xiàn)場保護裝置的定值區(qū)區(qū)號，來實現(xiàn)繼電保護的定值改變。這樣既快又準(zhǔn)，又解決了現(xiàn)場重新輸入定值的不便。提高了各種運行方式下保護的配合能力，減少了改變定值的出錯率。

6．2 記錄保護裝置自身工作信息

傳統(tǒng)的模擬式繼電保護在完成某種邏輯判斷后，僅能以信號燈的形式記錄輸出結(jié)果或曾發(fā)生的事件，信息含量較小。當(dāng)前微機保護裝置雖然能輸出保護動作和自檢信息，但在提供工作信息方面與傳統(tǒng)的模擬式保護大體相似。對于微機保護來說，它有強大的運算、邏輯判斷和存儲能力，使詳細(xì)記錄保護裝置自身工作信息成為可能。
　　
記錄保護裝置自身工作信息，主要有以下作用：（1）通過記錄自身工作信息，結(jié)合故障錄波，可以做到科學(xué)、公正、實事求是地確定保護的動作行為，而不僅僅是推斷；（2）不僅對保護裝置的運行維護有著重要的現(xiàn)實意義，而且對產(chǎn)品的研制、開發(fā)及改進和提高產(chǎn)品性能具有指導(dǎo)意義；（3）即使保護裝置正確動作，自身工作信息也有參考價值，如可以分析保護的動作速度和動作過程是否符合產(chǎn)品的性能要求，其保護動作行為與故障發(fā)展過程是否吻合等。
　　
保護裝置需記錄的自身工作詳細(xì)的內(nèi)容有：（1）產(chǎn)生某一自檢或是動作結(jié)果時的實際程序走向（可按需要通過打印機或串口輸出）；（2）保護動作時執(zhí)行的定值區(qū)號，各保護功能動作點的數(shù)據(jù)；（3）各主要元件或功能的動作時間和動作時的開入、開出時序圖；（4）多個啟動量中，指明是因滿足哪些條件而啟動等。這些信息應(yīng)在掉電后不丟失，并能通過內(nèi)置Modem送至調(diào)度端。

6．3 外部輸入信息記錄

微機保護能根據(jù)不同的外部信息，正確地做出相應(yīng)的邏輯判斷。由于這些外部信息對微機保護工作時的程序流程，甚至動作行為有至關(guān)重要的影響，因此為準(zhǔn)確分析保護的動作行為，特別是復(fù)雜工況下可能出現(xiàn)的不正確動作，有必要詳細(xì)記錄，并能按需輸出帶有標(biāo)準(zhǔn)GPS時標(biāo)、精確到毫秒的外部開入量時序圖。從中應(yīng)能看出各個外部信息何時輸入、持續(xù)多長時間、中間是否有間斷等。

6．4 利用GPS統(tǒng)一同步時鐘

全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）具有十分廣泛的用途，人們正在探索利用它卓越的時間同步性能來開發(fā)電力系統(tǒng)監(jiān)測、保護和控制的各種新方法。

從GPS可以獲得兩種時間信號：一是秒脈沖信號，二是與每個秒脈沖前沿對應(yīng)的日期和時間代碼，即秒脈沖信號的時間標(biāo)記。為滿足事故分析的需要，應(yīng)采用GPS獲取同步時鐘，通過內(nèi)置GPS對時接口電路，為保護裝置的工作提供標(biāo)準(zhǔn)時間，如用GPS的對時脈沖控制保護的采樣脈沖，從而可保證全網(wǎng)同型號裝置的采樣數(shù)據(jù)在時間上的一致性。

7 結(jié)束語

變電站自動化研究的現(xiàn)狀與發(fā)展，要求構(gòu)成自動化的微機綜合保護即能可靠獨立運行，又能擴展為更大的系統(tǒng)、更強的功能，因此必須加強微機保護的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計。

由于科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，新產(chǎn)品的研制、開發(fā)周期越來越短。所以，在新產(chǎn)品的開發(fā)構(gòu)成中應(yīng)綜合考慮產(chǎn)品的可靠性、先進性及經(jīng)濟性，采用新思想、新原理、新技術(shù)開發(fā)出可靠性高、功能強大的新型微機保護?？梢灶A(yù)測，隨著我國電力工業(yè)的發(fā)展及電子技術(shù)、工業(yè)自動化信息工程等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進步，人機界面更好，運行更加安全可靠的新一代微機保護裝置將獲得迅猛發(fā)展。

參考文獻

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