智能變電站繼電保護相關技術問題

1、智能變電站繼電保護相關技術問題 智能變電站繼電保護相關技術問題 智能變電站概述 電子式互感器的應用問題 采樣同步問題 合并單元數(shù)據(jù)品質處理 智能變電站的改擴建問題智能變電站概述智能變電站的概念：采用先進、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設備，以全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡化、信息共享標準化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監(jiān)測等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能的變電站。智能變電站概述變電站的智能化是一個不斷發(fā)展的過程。就目前技術發(fā)展現(xiàn)狀而言，智能變電站是： 由電子式互感器、智能化開關等智能化一次設備、網(wǎng)絡化二次設備分層構建，

2、建立在IEC 61850通信規(guī)范基礎上，能夠實現(xiàn)變電站內(nèi)智能電氣設備間信息共享和互操作的現(xiàn)代化變電站。 智能變電站概述 一次設備智能化：電子式互感器 智能終端（過渡）、智能開關 在線監(jiān)測、狀態(tài)檢修 二次設備網(wǎng)絡化：站控層網(wǎng)絡MMSGOOSE、SMV 設備對象模型化：一次設備對象 二次設備功能模塊 通信模型智能變電站概述 信息采集、傳輸、處理、輸出過程完全數(shù)字化的變電站，設備間交換的信息用數(shù)字編碼表示： 通信網(wǎng)絡減少連接線數(shù)量 光纜取代電纜：抗干擾、不傳輸干擾 可檢錯糾錯 不產(chǎn)生附加誤差與傳統(tǒng)變電站的比較傳統(tǒng)變電站數(shù)字變電站智能變電站的優(yōu)勢 簡化二次接線 少量光纖代替大量電纜 提升測量精度數(shù)字信

3、號傳輸和處理無附加誤差 提高信息傳輸?shù)目煽啃?CRC校驗、通信自檢光纖通信無電磁兼容問題 可采用電子式互感器無CT飽和、CT開路、鐵磁諧振等問題絕緣結構簡單、干式絕緣、免維護智能變電站的優(yōu)勢 一、二次設備間無電聯(lián)系無傳輸過電壓和兩點接地等問題 一次設備電磁干擾不會傳輸?shù)郊厥?各種功能共享統(tǒng)一的信息平臺監(jiān)控、遠動、保護信息子站、電壓無功控制VQC和五防等一體化 減小變電站集控室面積二次設備小型化、標準化、集成化二次設備可靈活布置智能變電站發(fā)展歷程第一步：IEC61850實現(xiàn)監(jiān)控層通訊第二步：GOOSE應用 220kV紹興外陳變 500kV金華蘭溪變第三步：電子式互感器應用（IEC60044-8

4、點對點通訊） 220kV青島午山變第四步：過程層全面網(wǎng)絡化 110kV紹興大侶變（ GOOSE、IEC61850-9-2、IEEE1588精密時鐘同步協(xié)議標準、GMRP組播注冊協(xié)議） 220kV延壽變 220KV大石橋變、220KV王鐵變（集中式保護測控系統(tǒng)的應用）智能變電站繼電保護相關技術問題 智能變電站概述 電子式互感器的應用問題 采樣同步問題 合并單元數(shù)據(jù)品質處理 智能變電站的改擴建問題電子式互感器電子式互感器通常由傳感模塊和合并單元兩部分構成，傳感模塊又稱遠端模塊,安裝在高壓一次側，負責采集、調(diào)理一次側電壓電流并轉換成數(shù)字信號。合并單元安裝在二次側，負責對各相遠端模塊傳來的信號做同步合

5、并處理。電壓等級越高電子式互感器優(yōu)勢越明顯。比較項目常規(guī)互感器電子式互感器絕緣復雜絕緣簡單體積及重量大、重體積小、重量輕CT動態(tài)范圍范圍小、有磁飽和范圍寬、無磁飽和PT諧振易產(chǎn)生鐵磁諧振PT無諧振現(xiàn)象CT二次輸出不能開路可以開路輸出形式模擬量輸出數(shù)字量輸出電子式互感器的原理和分類 按一次傳感部分是否需要供電劃分 有源式電子互感器 無源式電子互感器 按應用場合劃分 GIS結構的電子互感器 AIS結構(獨立式)電子互感器 直流用電子式互感器電子式互感器的原理和分類電子式互感器有源電子式互感器現(xiàn)狀及存在問題： 國內(nèi)主流廠家的產(chǎn)品總體來說其運行情況較好，部分廠家由于技術積累較少，產(chǎn)品運行暴露出的問題相

6、對多些。存在問題： 一類是產(chǎn)品設計及選用器件有關的問題，例如開關操作引起電子式互感器采樣異常甚至造成采集器損壞、測量誤差波動較大等。 另一類是與生產(chǎn)工藝、生產(chǎn)過程的質量控制不嚴、產(chǎn)品安裝調(diào)試規(guī)程不完善及現(xiàn)場施工不規(guī)范等有關，例如接線松動引起信號不穩(wěn)、光纖損耗偏大等。電子式互感器武高所曾于2011年9月-2011年12月進行了戶外有源及無源式電子式互感器測試工作，共測試24個廠家的41臺樣品，測試結果如下表：電子式互感器測試結果互感器類型樣品總數(shù)測試結果ABC有源電子式電流互感器14275有源電子式電壓互感器10181無源電子式電流互感器150132無源電子式電壓互感器2101A通過全部試驗的樣

7、品數(shù)；B測試過程中出現(xiàn)問題但不影響后續(xù)試驗，最終完成全部試驗的樣品數(shù)；C測試過程中出現(xiàn)問題導致試驗無法進行，最終退出試驗的樣品數(shù)。電子式互感器有源電子式互感器：對比測試情況電子式互感器 純光學互感器現(xiàn)狀：光學電流互感器已在國內(nèi)數(shù)十個變電站中投運，應用電壓等級涵蓋66kV500kV，安裝方式包括AIS（支柱式）、GIS、套管式等，積累了較多的運行經(jīng)驗。多數(shù)的光學互感器運行狀況良好，也有部分廠家的光學互感器暴露了較多的問題，運行中曾出現(xiàn)光學互感器告警導致保護閉鎖，甚至出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤引起保護誤動的情況。電子式互感器 存在問題：精度問題，光學互感器小信號傳變精度、線性度較差，離散度大，多數(shù)光學電流互感器

8、在一次電流較小時難以達到0.2s級的精度要求。產(chǎn)品穩(wěn)定性問題，部分廠家的光學互感器長期運行穩(wěn)定性差，運行一段時間后其輸出電流值可能產(chǎn)生較大偏差。同時振動對其有一定的影響。電子式互感器溫度問題，光學電流互感器易受溫度影響，需采用專門措施解決。供貨方面,光學互感器采用部分進口元器件，供貨時間和供貨能力受到限制。成本方面，光學互感器需要用兩套光路實現(xiàn)雙AD功能，與其它原理互感器相比，其成本高出不少。電子式互感器應用建議電子式互感器小規(guī)模試點使用，總結經(jīng)驗。跟蹤現(xiàn)場運行設備，增加監(jiān)視手段。 現(xiàn)階段建議推廣常規(guī)互感器+模擬采樣MU方式。（技術簡單、可與智能終端合并節(jié)省設備、減少電纜，降低負載提高傳統(tǒng)互感

9、器性能）二次設備廠家的算法改進工作（MU、保護）。智能變電站繼電保護相關技術問題 智能變電站概述 電子式互感器的應用問題 采樣同步問題 合并單元數(shù)據(jù)品質處理 智能變電站的改擴建問題采樣數(shù)據(jù)同步問題三相電流、電壓需要同步：三相平衡間隔內(nèi)電流電壓之間需要同步：功率、阻抗不同間隔的電流之間需要同步：差動(變壓器差動保護從不同電壓等級的多個間隔獲取數(shù)據(jù)存在同步問題,母線差動保護從多個間隔獲取數(shù)據(jù)也存在同步)采樣數(shù)據(jù)同步方案1. 基于GPS秒脈沖同步的同步采樣（IEC 61850-9-1/2，基于以太網(wǎng)的采樣值傳輸延時無法確定，只能采用同步時鐘法）同步方法簡單對交換機要求高秒脈沖丟失時存在危險同步時鐘不

10、等于對時時鐘，可以不依賴于GPS插值數(shù)據(jù)同步的原理2.二次設備通過再采樣技術(插值算法)實現(xiàn)同步(IEC 60044-8,基于采樣值傳輸延時是確定的，采用插值同步法) 采樣率要求高 硬件軟件要求高，實現(xiàn)難度較大 不依賴于GPS和秒脈沖傳輸系統(tǒng)插值數(shù)據(jù)同步的原理IEEE 1588同步對時同步對時 “網(wǎng)絡測量和控網(wǎng)絡測量和控制系統(tǒng)的精密時制系統(tǒng)的精密時鐘同步協(xié)議標準鐘同步協(xié)議標準” 以太網(wǎng)傳輸，需硬件支持； 與采樣值傳輸共用鏈路，可靠性高； 需交換機支持。IEEE 1588同步對時同步對時Delay+Offset = t2-t1Delay-Offset = t4-t3其中:Offset為時間偏差

11、Delay為傳輸延時經(jīng)過推導，可以得到：Offset = (t2-t1)-(t4-t3)/2Delay = (t2-t1)+(t4-t3)/2采樣同步問題 網(wǎng)采方式：依賴公共時鐘秒沖，各合并單元需要有同步脈沖接入，并具備依據(jù)時鐘輸入信號給定的時間狀態(tài)取得對應采樣樣本，即公共時鐘采樣同步法。網(wǎng)采方式通過交換機實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，采樣同步依賴于外部時鐘，時鐘丟失或異常（對同步源信號輸出品質的依賴性）將影響保護正常運行。組網(wǎng)方式受交換機環(huán)節(jié)影響。采樣同步問題 直采方式：直采使用已知的延遲時間來推算采樣樣本，通過插值法實現(xiàn)同步。直采方式取消采樣和跳閘回路的交換機有源環(huán)節(jié)，采樣同步不依賴外部時鐘。但往往光纖

12、鏈路較為復雜（尤其是母線保護等跨間隔設備）。直采方式不方便采樣原始數(shù)據(jù)的分析記錄。采樣同步問題對于跨間隔設備（如母線保護），為實現(xiàn)“直接采樣、直接跳閘”，需提供大量的采樣值及GOOSE接口，帶來的直接問題是保護光口多，設備功耗及發(fā)熱量大，故障概率高。對于間隔多的應用場合，母線保護可能需要采用分布式方案，帶來的問題是增加了主機和子機的通訊環(huán)節(jié)，影響保護的整體可靠性。直采直跳優(yōu)化方案繼電保護之間的聯(lián)閉鎖信息、失靈啟動等信息宜采用GOOSE網(wǎng)絡傳輸方式。所以，保護裝置除具備直跳端口外，還有組網(wǎng)口與過程層交換機相連。如果保護裝置具備SV組網(wǎng)口（或SV與GOOSE共網(wǎng)），將組網(wǎng)口作為直采端口的備用端口，

13、正常情況下通過直采端口完成保護采樣，在直采端口出現(xiàn)問題的情況下，把組網(wǎng)口作為備用端口完成采樣，也將極大地提高保護設備采樣接口的可靠性。采樣同步問題網(wǎng)采方式問題及解決思路：問題1：同步信號可能受衛(wèi)星信號影響解決思路：1、規(guī)范同步問題細節(jié)處理方案2、同步時鐘和對時時鐘分開配置，防止同步時鐘受到衛(wèi)星影響采樣同步問題網(wǎng)采方式問題及解決思路：問題2：主保護同步依賴性強解決思路：1、研究對同步性需求更為弱化的算法，在合并單元失步的情況下，保證嚴重故障依然可以快速切除（線路差動保護轉縱聯(lián)保護，基于公共坐標的失步補償算法）2、研究等延時網(wǎng)絡設備，實現(xiàn)過程層網(wǎng)絡傳輸延時一致或延時可測。智能變電站繼電保護相關技術

14、問題 智能變電站概述 電子式互感器的應用問題 采樣同步問題 合并單元數(shù)據(jù)品質處理 智能變電站的改擴建問題合并單元與保護接口 合并單元需要提供給保護的數(shù)據(jù)品質1）數(shù)據(jù)無效（包含遠端模塊數(shù)據(jù)錯誤、與遠端模塊通訊錯誤等）2）MU時鐘同步標志3）檢修狀態(tài)（檢修間隔試驗不影響運行設備）合并單元與保護接口 保護對合并單元數(shù)據(jù)的相關處理方式1、保護裝置應處理MU上送的數(shù)據(jù)品質位（無效、檢修等），及時準確提供告警信息。在異常狀態(tài)下，利用MU的信息合理地進行保護功能的退出和保留，瞬時閉鎖可能誤動的保護，延時告警，并在數(shù)據(jù)恢復正常之后盡快恢復被閉鎖的保護功能，不閉鎖與該異常采樣數(shù)據(jù)無關的保護功能。2、采用電子式互

15、感器中雙保護數(shù)據(jù)分別用于保護元件和啟動元件，以減少單一環(huán)節(jié)異常造成保護誤動的可能性；在此基礎上為防止單一通道數(shù)據(jù)無效導致整個保護裝置被閉鎖，應按照各數(shù)據(jù)通道的無效狀態(tài)有選擇性地閉鎖相關的保護元件合并單元與保護接口3、針對MU數(shù)據(jù)同步標志，根據(jù)保護對同步的需求選擇是否閉鎖保護除縱差外的線路保護線路縱差保護母差保護（失靈保護）主變保護（后備保護）數(shù)據(jù)無效對線路保護的影響保護電流通道數(shù)據(jù)無效，閉鎖保護（如距離和零序過流、PT斷線過流） 保護電壓通道數(shù)據(jù)無效，處理同保護PT斷線，即閉鎖與電壓相關的保護（如距離保護），退出方向元件（如零序過流自動退出方向），自動投入PT斷線過流。起動電流通道數(shù)據(jù)無效，保

16、護啟動條件切換到保護電流通道計算的結果數(shù)據(jù)無效對線路保護的影響同期電壓通道數(shù)據(jù)無效不閉鎖保護，當重合閘檢定方式與同期電壓無關時（如不檢重合），不報同期電壓數(shù)據(jù)無效。當同期電壓數(shù)據(jù)無效時，閉鎖與同期電壓相關的重合檢定方式（如檢同期）。即處理方式同同期PT斷線（線路PT斷線）。 電壓MU和電流MU任一失步，處理同保護PT斷線，即閉鎖與電壓相關的保護（如距離保護），退出方向元件（如零序過流自動退出方向），自動投入PT斷線過流。 數(shù)據(jù)無效對母線保護的影響母線電壓通道數(shù)據(jù)無效或失步不閉鎖差動保護，閉鎖該母線電壓對保護有影響的判據(jù)（如電壓開窗）。雙保護數(shù)據(jù)分別用于保護和啟動，支路保護電流無效或失步閉鎖差動

17、保護，母聯(lián)保護電流無效或失步不閉鎖差動自動置互聯(lián)；支路啟動電流無效不閉鎖差動保護，此時閉鎖差動電流相關的啟動判據(jù)，保留母線電壓變化的啟動判據(jù)。 數(shù)據(jù)無效對母線保護的影響支路通道數(shù)據(jù)無效閉鎖相應支路的失靈保護，其他支路的失靈保護不受影響；支路通道數(shù)據(jù)失步不閉鎖失靈保護。 母聯(lián)支路電流通道數(shù)據(jù)無效，閉鎖母聯(lián)保護；母聯(lián)支路電流通道數(shù)據(jù)失步不閉鎖母聯(lián)保護。 數(shù)據(jù)無效對變壓器保護的影響任意側相電流數(shù)據(jù)無效時，僅閉鎖差動保護及本側過流保護，如果整定用自產(chǎn)零序情況下閉鎖該側相應零序過流保護段。任意側零序電流數(shù)據(jù)無效時，僅閉鎖該側整定為外接零序的零序過流保護段。任意側間隙電流數(shù)據(jù)無效時，僅該側閉鎖間隙零序過流

18、保護。任意側電壓數(shù)據(jù)無效時，閉鎖該側零序過壓保護，該側所有與電壓相關的判據(jù)自動不滿足條件，復壓元件可以通過其他側起動，方向過流自動退出。 數(shù)據(jù)無效對變壓器保護的影響任一側相電流數(shù)據(jù)失步時，閉鎖差動保護，如果本側采用和電流作為后備保護電流時同時閉鎖后備保護。任意側外接零序電流數(shù)據(jù)失步時，對保護行為無影響。任意側間隙電流數(shù)據(jù)失步時，對保護行為無影響。后備保護中的電流和電壓相對失步時，方向元件不滿足條件。SV數(shù)據(jù)檢修品質對保護的影響IEC61850工程繼電保護應用模型中有關SV報文檢修處理機制的描述：1、當合并單元裝置檢修壓板投入時，發(fā)送采樣值報文中采樣值數(shù)據(jù)的品質的Test位應置True； 2、S

19、V 接收端裝置應將接收的SV報文中的test位與裝置自身的檢修壓板狀態(tài)進行比較，只有兩者一致時才將該信號用于保護邏輯，否則應不參加保護邏輯的計算。對于狀態(tài)不一致的信號，接收端裝置仍應計算和顯示其幅值； 3、若保護配置為雙重化，保護配置的接收采樣值控制塊的所有合并單元也應雙重化。兩套保護和合并單元在物理和保護上都完全獨立，一套合并單元檢修不影響另一套保護和合并單元的運行。SV數(shù)據(jù)檢修品質對保護的影響實際工程中SV數(shù)據(jù)檢修品質的處理方式：1、在接收軟壓板投入的情況下，如果本地檢修和發(fā)送方檢修位不一致時，無流或數(shù)據(jù)無效情況下將本MU發(fā)送的模擬量從保護中剔除，有流情況下發(fā)送方投檢修壓板發(fā)檢修異常告警信

20、號，該報警信號返回前本MU模擬量繼續(xù)參與保護邏輯運算。 2、在接收軟壓板投入的情況下，如果本地檢修和發(fā)送方檢修位不一致時，裝置報警且閉鎖相關保護，所以MU投檢修前應將相應的接收壓板退出。智能變電站繼電保護相關技術問題 智能變電站概述 電子式互感器的應用問題 采樣同步問題 合并單元數(shù)據(jù)品質處理 智能變電站的改擴建問題通過GOOSE、SV檢修機制實現(xiàn)在線檢測擴建間隔SCD文件更改影響的評估（過程層通信CRC校驗）擴建工程交換機配置問題改造站母線保護方案智能變電站改擴建問題智能變電站中母線保護改造問題的解決：方案一：全數(shù)字化接口母線保護+常規(guī)互感器及一次開關的數(shù)字接口設備（專用母差子站）實現(xiàn)同時具備

21、模擬量及數(shù)字化接口的母線保護裝置。智能變電站母線保護改造方案智能變電站母線保護改造方案退出運行中的傳統(tǒng)母差保護，并逐一將各間隔的電流、電壓、刀閘輔助接點、失靈起動接點等回路轉接入母差保護子站裝置。帶負荷測試數(shù)字化接口母差保護，測試結果合格后將數(shù)字化母差保護及子站裝置投入運行。此時舊的傳統(tǒng)母差保護不再投入運行。智能變電站母線保護改造方案改造任一支路時都短時退出數(shù)字化母差保護，完成接入本支路尾纖、拆除子站裝置本支路傳統(tǒng)電流（或電壓）回路的工作。新接入的支路帶電運行后，測試數(shù)字化母差保護是否正常，測試結果合格后即可重新投入數(shù)字化母差保護，改造過程中母差也能夠投入，直至改造間隔帶電。智能變電站母線保護改造方案重復步驟2直到全部支路間隔更換了電子式互感器，數(shù)字化母差保護的更換就完成了。方案一主要的優(yōu)點是全數(shù)字化接口母線保護和母差子站實現(xiàn)了同時具備模擬量及數(shù)字化接口的母線保