電網繼電保護綜合自動化系統的研究論文
摘要：提出電網繼電保護綜合自動化系統的概念，闡述系統結構，功能及實現方法。
關鍵詞：電網繼電保護 綜合自動化系統 研究
一、概述
隨著微機繼電保護裝置的廣泛應用和變電站綜合自動化水平的不斷提高，各種智慧裝置採集的模擬量、開關量、一次裝置狀態量大大增加，執行人員可以從中獲取更多的一、二次裝置的實時資訊。但是，由於目前的微機型二次裝置考慮較多的是對以往裝置功能的替代，導致這些裝置基本上是獨立執行，致使它們採集的大量資訊白白流失，未能得到充分利用。
電網是一個不可分割的整體，對整個電網的一、二次裝置資訊進行綜合利用，對保證電網安全穩定執行具有重大的意義。近幾年，計算機和網路技術的飛速發展，使綜合利用整個電網的一、二次裝置資訊成為可能。電網繼電保護綜合自動化系統就是綜合利用整個電網智慧裝置所採集的資訊，自動對資訊進行計算分析，並調整繼電保護的工作狀態，以確保電網執行安全可靠的自動化系統，它可以實現以下主要功能。
1.實現繼電保護裝置對系統執行狀態的自適應。
2.實現對各種複雜故障的準確故障定位。
3.完成事故分析及事故恢復的繼電保護輔助決策。
4.實現繼電保護裝置的狀態檢修。
5.對線路縱聯保護退出引起的系統穩定問題進行分析，並提供解決方案。
6.對系統中執行的繼電保護裝置進行可靠性分析。
7.自動完成線路引數修正。
二、系統構成
站在電網的角度，我們來分析電網繼電保護綜合自動化系統獲取資訊的途徑。電網的結構和引數，可以從排程中心獲得；一次裝置的執行狀態及輸送潮流，可以透過EMS系統實時獲得；保護裝置的投退資訊，由於必須透過排程下令，由現場執行，因此可以從排程管理系統獲得，並從變電站監控系統得到執行情況的驗證；保護裝置故障及異常，可以從微機保護裝置獲得；電網故障資訊，可以從微機保護及微機故障錄波器獲得。
透過以上分析，可以看出，實現電網繼電保護綜合自動化系統的資訊資源是充分的。為了更好的利用資訊資源，應建立客戶/伺服器體系的系統結構，按此結構將系統分解成幾個部分，由客戶機和伺服器協作來實現上述七種主要功能。這樣就可以實現最佳的資源分配及利用，減少網路的通訊負擔，提高系統執行的總體效能。
客戶機設在變電站，主要實現以下功能：
1.管理與保護及故障錄波器的介面，實現對不同廠家的保護及故障錄波器的資料採集及轉換功能。在正常情況下巡檢保護的執行狀態，接收保護的異常報告。在電網發生故障後接收保護和故障錄波器的事故報告。
2.管理與監控系統主站的介面，查詢現場值班人員投退保護的操作。
3.管理與遠動主站的介面，將裝置異常、保護投退及其它關鍵資訊透過遠動主站實時上送排程端。
4.執行資料處理、篩選、分析功能。實現對保護採集資料正確性的初步分析，篩選出關鍵資訊。
5.管理及修改保護定值。
6.向伺服器發出應用請求，並接收伺服器反饋資訊。
7.主動或按伺服器要求傳送事故報告，執行伺服器對指定保護和故障錄波器的查詢。
伺服器設在排程端，可由一臺或多臺高效能計算機組成，主要實現以下功能：
1.向客戶機發送指令，接收並回答客戶機的請求。
2.接收客戶機傳送的事故報告。
3.控制對EMS系統共享資料庫的存取。獲得一次裝置狀態、輸送潮流及客戶機透過遠動主站上送排程端的資訊。
4.透過排程執行管理資訊系統獲得排程員對保護的投退命令、裝置檢修計劃等資訊。
5.與繼電保護管理資訊系統交換保護配置、定值、服役時間、各種保護裝置的正動率及異常率等資訊，實現繼電保護裝置的可靠性分析。
6.執行故障計算程式、繼電保護定值綜合分析程式、事故分析程式、保護執行狀態監測程式、穩定分析程式等應用軟體。
在實現了變電站綜合自動化的廠站，客戶機可在保護工程師站的基礎上進行功能擴充，併成為變電站綜合自動化系統的組成部分。在沒有保護工程師站的廠站，可透過保護改造工程，建立變電站保護資訊處理系統，使之成為客戶機。
由以上功能劃分可以看出，客戶機與伺服器之間的資料交換量並不大，僅在電網發生故障後，由於與故障裝置有關聯的廠站的客戶機需要向伺服器傳送詳細的故障報告，才會出現較大的資訊量。因此，客戶機和伺服器之間的聯絡，在目前條件下，完全可以採用調變解調器進行非同步通訊。將來如有條件，建議儘量採用廣域網交換資料。
三、功能分析
1.實現繼電保護裝置對系統執行狀態的自適應。
電網繼電保護的整定計算十分複雜，由於傳統的繼電保護以預先整定、實時動作為特徵，保護定值必須適應所有可能出現的執行方式的變化。假如一個變電站有15個元件，僅考慮本站檢修2個元件的組合方式就已經達到100多個，而周圍系統機組停運、500KV自耦變的檢修及系統開環對短路電流和分支系數的影響甚至可能比本站元件檢修還要大，它們均需做為組合方式加以考慮，這就使組合方式之多達到難以想像的數量。
為使預先整定的保護定值適應所有可能出現的執行方式的變化，必然出現以下問題：
A. 縮短了保護範圍，延長了保護動作延時。
B. 被迫退出某些受執行方式變化影響較大的保護。如四段式的零序電流保護僅能無配合的使用其最後兩段。
C. 可能還存在由於執行方式考慮不周而出現失去配合。
D. 被迫限制一次系統執行方式。
電網繼電保護綜合自動化系統可以徹底改變這種局面。只要在排程端的伺服器安裝故障計算及繼電保護定值綜合分析程式，依靠從EMS系統獲得的系統一次裝置的執行狀態，就可以迅速準確的判斷出當前繼電保護裝置整定值的可靠性，如出現部分後備保護定值不配合時，根據從排程管理系統獲得的線路縱聯保護及母差保護的投入情況，確定是否需要調整定值。如需要調整，可透過排程端伺服器向變電站的.客戶機下達指令，由客戶機動態修改保護定值，從而實現繼電保護裝置對系統執行狀態的自適應。以上所有計算分析工作，均依靠排程端伺服器實時自動完成，這樣，繼電保護整定值就無需預先考慮那些出現機率很小的組合方式，從而解決困擾繼電保護整定計算工作的不同執行方式下可靠性與選擇性存在矛盾的問題。
目前，系統中執行的保護裝置可分為三類：第一類為非微機型保護；第二類為具備多個定值區並可切換的微機保護，一般不具備遠方改定值的功能；第三類為新型微機保護，具備遠方改定值的功能。對非微機型保護，在排程端可以將其設定為不能自動調整定值的保護，依靠周圍保護裝置的定值調整，實現與此類保護的配合。對第二類保護，可以事先設定多套整定值，排程端只是透過變電站客戶機，控制其在當前執行方式下采用那套整定值來實現定值的自適應。
為提高可靠性，保護定值的自適應可與排程系統的檢修申請相結合。當電網繼電保護綜合自動化系統從排程管理系統獲得計劃檢修工作申請後，即透過計算分析，事先安排定值的調整，並做相應的事故預想（如在檢修基礎上再發生故障時保護的配合關係計算），從而大大提高系統繼電保護裝置的效能和安全水平。
2.實現對各種複雜故障的準確故障定位。
目前的保護和故障錄波器的故障測距演算法，一般分為故障分析法和行波法兩類。其中行波法由於存在行波訊號的提取和故障產生行波的不確定性等問題而難以在電力生產中得到較好的運用。而故障分析法如果想要準確進行故障定位，必須得到故障前線路兩端綜合阻抗、相鄰線執行方式、與相鄰線的互感等資訊，很顯然，僅利用保護或故障錄波器自己採集的資料，很難實現準確的故障定位。另外，對於比較複雜的故障，比如跨線異名相故障，單端分析手段已經無法正確判斷故障性質和故障距離，因此，往往出現誤報。
我們知道，得到的系統故障資訊愈多，則對故障性質、故障位置的判斷和故障距離的檢測愈準確，因此，透過電網繼電保護綜合自動化系統，可以徹底解決這個問題。排程端資料庫中，已經儲備了所有一次裝置引數、線路平行距離、互感情況等資訊，透過共享EMS系統的資料，可以獲得故障前系統一次裝置的執行狀態。故障發生後，線路兩端變電站的客戶機可以從保護和故障錄波器蒐集故障報告，上送到伺服器。排程端伺服器將以上資訊綜合利用，透過比較簡單的故障計算，就可確定故障性質並實現準確的故障定位。
3.完成事故分析及事故恢復的繼電保護輔助決策。
系統發生事故後，往往有可能伴隨著其它保護的誤動作。傳統的事故分析由人完成，受經驗和水平的影響，易出現偏差。由於電網繼電保護綜合自動化系統蒐集了故障前後系統一次裝置的執行狀態和變電站保護和故錄的故障報告，可以綜合線路兩端保護動作資訊及同一端的其它保護動作資訊進行模糊分析，並依靠保護和故錄的取樣資料精確計算，從而能夠迅速準確的做出判斷，實現事故恢復的繼電保護輔助決策。
當系統發生較大的事故時，由於在較短時間內跳閘線路較多，一般已經超過了繼電保護能夠適應的執行方式，此時保護可能已經處於無配合的狀態。此時進行事故恢復，不僅需要考慮一次執行方式的合理，還需要考慮保護是否能夠可靠並有選擇的切除故障。藉助電網繼電保護綜合自動化系統，可以分析當前執行方式下保護的靈敏度及配合關係，並透過遠端改定值，完成繼電保護裝置對系統事故執行狀態的自適應。
4.實現繼電保護裝置的狀態檢修。
根據以往的統計分析資料，設計存在缺陷、二次迴路維護不良、廠家製造質量不良往往是繼電保護裝置誤動作的主要原因。由於微機型繼電保護裝置具有自檢及儲存故障報告的能力，因此，可以透過電網繼電保護綜合自動化系統實現繼電保護裝置的狀態檢修。具體做法如下：
A. 依靠微機保護的自檢功能，可以發現保護裝置內部的硬體異常。變電站的客戶機蒐集到保護的異常報告後，立即向相應的排程端發出告警，從而使裝置故障能夠得到及時處理，縮短保護裝置退出時間。
B. 保護的開入量一般有開關輔助節點、通訊裝置收信、合閘加速、啟動重合閘、其他保護動作等幾種，這些開入量對保護的可靠執行起關鍵作用。變電站的客戶機可以監視保護裝置的開關量變位報告。當發現保護的開入量發生變位時，可以透過查詢變電站一次系統狀態以及其他保護和錄波器的動作資訊確定變位的正確性。這樣，就可以及早發現問題，預防一部分由設計缺陷或二次迴路維護不良引起的誤動作。
C. 為防止由於PT、CT兩點接地、保護裝置交流輸入迴路異常、取樣迴路異常等引起保護誤動作，可以由變電站的客戶機將保護啟動以後的報告進行分析，首先可以判斷取自同一CT的兩套保護取樣值是否一致，其次，可以判斷本站不同PT對同一故障的取樣值是否一致。另外，還可以將從保護故障報告中篩選出的故障電流基波穩態值及相位等資訊上傳到排程端，與線路對側的資料進行比較，以發現PT兩點接地等問題。
透過以上措施，可以加強狀態檢修，相應延長定期檢修週期，使保護裝置工作在最佳狀態。同時，還可以提高維護管理水平，減輕繼電保護工作人員的勞動強度，減少因為人員工作疏漏引起的誤動作。
5.對線路縱聯保護退出引起的系統穩定問題進行分析，並提供解決方案。
隨著電網的發展，系統穩定問題日益突出。故障能否快速切除成為系統保持穩定的首要條件，這就對線路縱聯保護的投入提出較高要求。但是，在目前情況下，由於通道或其它因素的影響，導致線路雙套縱聯保護退出時，只能斷開線路以保證系統穩定和後備保護的配合。這種由於二次裝置退出而影響一次裝置執行的狀況是我們所不願意看到的。
藉助電網繼電保護綜合自動化系統，我們可以完成以下工作。
A. 根據系統當前執行狀態校驗保護的配合關係。
B. 根據線路兩側定值確定不同點故障保護的切除時間。
C. 根據系統當前的執行方式、輸送潮流、系統及機組的引數，結合故障切除時間，判斷線路不同點故障時系統能否保持穩定。
D. 判斷能否透過控制輸送潮流保持系統穩定。
E. 反推系統保持穩定需要的故障切除時間。
F. 透過遠端改定值，保證系統穩定及周圍系統後備保護的配合。
這樣，我們就可以大大減輕縱聯保護的退出給系統一次裝置的執行帶來的影響，並提供縱聯保護的退出的整體解決方案。
6.對系統中執行的繼電保護裝置進行可靠性分析。
透過與繼電保護管理資訊系統交換保護配置、服役時間、各種保護裝置的正動率及異常率等資訊，電網繼電保護綜合自動化系統可以實現對繼電保護裝置的可靠性分析。特別是當某種保護或保護訊號傳輸裝置出現問題，並暫時無法解決時，透過將此類裝置的可靠性評價降低，減輕系統對此類保護的依賴，透過遠端調整定值等手段，實現周圍系統保護的配合，防止因此類保護的拒動而擴大事故。
7.自動完成線路引數修正。
由於徵地的限制，新建線路往往與原有線路共用線路走廊，線路之間電磁感應日益增大，造成新線路引數測試的不準確以及原有線路引數的變化。現在，依靠電網繼電保護綜合自動化系統，可以將每次故障周圍系統保護的取樣資料進行收集，利用線路兩端的故障電流、故障電壓，校核並修正線路引數，實現線路引數的自動線上測量，從而提高繼電保護基礎引數的可靠性，保證系統安全。
四、實現本系統的難點分析
1.管理問題
從技術上說，實現電網繼電保護綜合自動化系統的條件已經成熟，無論是變電站客戶機對保護資訊的蒐集、資訊的網路傳輸還是排程端伺服器對EMS系統共享資料的讀取、故障及穩定分析計算，都可以得到解決。主要的實施難度在於此係統需要綜合繼電保護、排程、方式、遠動、通訊以及變電站綜合自動化等各個專業的技術，並且涉及到控制執行裝置，其它專業一般不願牽扯其中，因此只有解決好管理問題，才可能順利實施。例如，目前變電站客戶機對資訊的蒐集，完全可以也應該納入到變電站綜合自動化系統，但是，由於管理介面的劃分，有些執行單位希望保護專業獨立組網蒐集資訊，這樣就造成資源的分割和浪費，不利於今後對系統的擴充套件。為了保證電力系統的安全執行，希望在將來的保護設計導則中，對此類問題統一予以規範。
2.安全性問題
由於電網繼電保護綜合自動化系統的功能強大，並且可以控制執行裝置，與電網的安全穩定執行息息相關，因此在設計之初，就必須對系統的安全性問題給予足夠重視。可以說，安全性解決的好壞，將是本系統能否運用的關鍵。初步設想，排程端伺服器必須採用雙機熱備用方式保證硬體安全；透過遠方修改保護定值時，客戶機必須透過加密的數字簽名核實排程端傳送定值的可信度，並透過校驗碼及資料回送保證定值的可靠性。並且，當客戶機向保護傳送定值時，必須不能影響保護的正常效能。在這方面，還需要做大量的工作。
3.規約問題
由於本系統將全網所有微機保護及故障錄波器聯絡到了一起，如果能夠解決好資訊的組織及傳輸規約，將對系統實施起到事半功倍的作用。因此，希望參照國外標準，儘快建立國內繼電保護資訊組織規約。
五、結束語
透過以上分析，我們可以看到電網繼電保護綜合自動化系統的實現，將給電網繼電保護工作帶來一次質的飛躍，它將能大大加強繼電保護的效能和可靠性，對保證電網安全穩定執行具有重大的意義。希望今後科研、執行、設計人員加強對綜合利用整個電網的一、二次裝置資訊的研究，爭取儘快將此類系統投入電網執行。
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