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電力檢測技術

變電站自動化保護的優化設計思路

時間：2013-08-27

1 引言
　　變電站自動化技術近年來發展迅速，各地有不少變電站自動化系統投入運行。作為變電站自動化系統重要環節的微機保護也取得了迅猛發展。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，傳統的模擬式保護已與之不可同日而語，但在充分發揮微機的特點和優勢等方面仍有較大發展潛力，在實現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)來構成微機綜合保護裝置方面、在與變電站自動化系統中其他二次設備之間進行配置和管理方面，仍有較大進行優化設計的空間。本文根據國內外變電所站自動化中微機綜合保護的現狀，用優化設計思路論述其系統構成和功能配置，提出其優化設計若干設想。
　　2 變電站自動化系統對微機保護的功能要求
　　2.1 保護功能應相對獨立
　　保證繼電保護安全、穩定運行是設計變電站自動化系統的基本要求。由于繼電保護的特殊性，自動化系統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，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。在系統運行中，繼電保護單元的可靠性應僅與其保護裝置本身有關，與同保護單元相關的其他裝置(如通信口、網絡、監控單元等)無關。這就要求在自動化的功能設置中，保護單元相對獨立，即使與保護裝置相連的網絡出現故障，也應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設計中應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、遠動等，可按CT二次特性的不同要求分類優化組合，減少測量環節，減輕二次回路負載，提高測量精度。
　　從整個電力系統自動化領域來看，計算機的通信技術帶動了各種模擬裝置或系統向數字式方向發展，而數字信號處理的應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的性能價格比，對于繼電保護，將通過信息共享，實現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化設計的實現。
　　3 采用面向對象的分布式設計思想
　　隨著電力系統的發展，無論是電力系統的分析和應用軟件，還是管理、監視和控制等系統的規模越來越大，如果仍采用傳統的面向功能的設計方法，就會使這些系統的開發、修改和擴充越來越困難，不必要的重復設置越來越多，生產效率很難提高，而面向對象的設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，保護功能與遠動功能等分別單獨集中實現，基本上按信息類型(即按專業)劃分功能單元。隨著過程控制體系結構的發展以及計算機通信技術的進步，在變電站內采用面向對象的分布式結構組成現場保護控制系統，越來越顯示出其強大的生命力。
　　所謂面向對象的分布式結構，是將現場級單元按一次設備和二次保護設備對應配置原則，一個一次設備間隔對應一個二次保護監控單元，保護就地下放，減少了CT負擔，大大節省二次電纜、二次回路負載將進一步減輕，控制室面積進一步縮小，使系統組態和操作更為方便，提高了系統排除故障及調整操作的速度。同時各保護單元通過總線連至站控級設備，利用保護工程師站承上啟下，使現場維護過程概念清晰、責任明確。變電站對下除了完成常規自動化的保護管理功能外，還可以通過現場高速總線實現保護單元的自適應調整;對上設立開放式站級網絡接口，可方便地與管理級建立聯系，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場級即可實現，而涉及多點的綜合保護及與系統結構相關的自適應功能則由工程師站及現場總線協調完成。
　　4 繼電保護的模塊化設計
　　標準化和模塊化是保證變電站自動化系統獨立性與擴展性相統一的基本要求。但是，國內在這方面由于缺乏統一的設計方案和產品標準，這種百花齊放的局面也在一定程度上給電力研究與生產行業告成了重復勞動，不同廠家的產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，應確立保護軟、硬件設計的模塊化、標準化來保證該系統自身的獨立性和與其他系統的兼容性。
　　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)組合的一種產品構成模式。模塊是具有確定功能的獨立單元，功能是構成模塊的依據，也是系統分解的基礎。模塊分解應呈現層次性。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 模塊應典型化
　　把各種保護裝置間許多相似功能的要求，經過簡化、統一，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品中分離出來，使之成為在功能、參數和接口方面能通用于多種產品系統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，在將系統分解為模塊時，模塊的內聚度應最大，而把分解點選在接口最少、最弱的部位，這樣可簡化接口結構，使系統易于分解，又易于組合基本模塊設計為插件式，不同保護間可通用硬件，這樣，縮短了開發周期，保證了生產、調試、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成插箱級模塊，不同插箱級模塊組合可構成產品級模塊。
　　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構，在整體上軟件模塊與硬件模塊配套設置，要充分發揮軟件開發和復制率高、靈活、一致性好和可靠性高的優點，通過軟件派生新的產品，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制利用。
　　需要指出的是：實際應用中的模塊化產品系統是動態的，模塊化不僅有一個形成、完善和成熟的過程，而且隨著技術的不斷更新，人們的認識在不斷深化，產品的可靠性要求在不斷提高。因此，模塊系統對實施推陳出新，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構上都有繼承性，有其獨特的優越性。這也是模塊化設計的優勢所在。
　　5 通信技術
　　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的數據有三個流向：第一個流向是保護設備到變電站上位監控機，主要傳遞反映一次系統運行狀態的信息：第二個流向是從上位監控機到保護設備，通常為上位監控機下達對保護設備的修改整定參數命令及一些其它控制信息;第三個流向是保護設備之間的橫向數據交換，此類數據視系統設計及功能劃分而定，例如：若要求保護設備間同步采樣，則橫向的數據交換量較大。在目前階段，考慮到保護單元的獨立性，減少系統對通信的依賴性，對保護設備間的通信主要考慮分散的保護設備與單元監控設備之間的通信問題。由于這兩個設備之間通常處于非常靠近的位置，可采用常規的串行通信技術來解決。
　　5.2 通信系統配置原則
　　變電站通信系統的結構配置，應按照分布式系統的設計原則，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，只有參與協調控制的必要的信息才進行相互間的傳遞，以提高系統運行效率，減少系統對通信的依賴性，提高整體系統的可靠性。
　　5.3 通信方式選擇
　　變電站內局域網的網絡拓撲結構主要采用星形和總線型連接方式。
　　星形通信方式以上位監控機為中心點，以發散的方式分別通過通信線纜與分散于每一個開關柜上的控制I/O設備和保護設備連接。其介質一般選用光纖，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選用星型通信系統方案。但是，星型連接所需鋪設的電纜總長度要比其它結構的多，尤其是站級計算機接線較多時，施工復雜;各I/O單元及保護設備之間的橫向通信必須通過站級計算機進行，復雜且效率不高;當采用光纖通信技術時，因為光纖本身難以實現T形連接，不能實現總線結構，除非采用光纖環網技術。因此，必須用到有源的光電轉換設備，勢必造成通信系統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方案時需慎重考慮。
　　隨著通信技術的發展，針對變電站自動化技術的應用環境，關于現場級通信有一點已為越來越多的人達成共識，即采用總線型網絡構成多冗余系統，網上每個節點都可以與其它節點通信;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場測控網絡CAN。基于CAN網絡的技術方案易于實現雙網備用，可以與I/O單元、保護單元集成實現高速數據交換，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備之間的通信，在國內還未制定統一的接口標準，通信規約種類繁多，不僅費了大量的軟硬件開發人力，也給用戶的設備選型、運行、維護等帶來諸多不便。規約選擇的好壞，不僅影響通信系統的可靠性和效率，而且還會影響通信系統的可靠性和效率，而且還會影響系統功能的正常發揮。所以應抓緊抓好變電站自動化系統中通信系統規約的標準化工作，加快實施等效采用IEC870-5系列國際標準的國家標準的制定與宣傳貫徹工作，避免重復勞動，提高勞動生產率，以充分發揮自動化的技術優勢。
　　6 擴充微機綜合保護功能
　　微機保護是今后保護的發展方向。現有的國產微機保護裝置，已很好地完成了保護從模擬式向數字式的轉化，但在充分發揮微機優勢、增強保護功能方面，仍有很大的發展潛力。
　　6.1 擴展定值存儲能力
　　在電力系統中，電網的運行方式是經常發生改變，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行不同的整定值，如果采取在運行方式改變時，現場臨時輸入新定值的方法，將帶來諸多不便，主要體現在(1)復雜的定值需要繼電保護維護人員前往變電站現場進行更改，增加了維護量;(2)系統更改定值的時間長，不利于系統運行安全，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，應能預選制定出多種最常用、最重要的運行方式，以此制定出相應的電網保護定值整定方案，并就這些方案對應的值存儲在保護的多個定值區內，當運行方式改變時，由操作人員通過調整現場保護裝置的定值區區號，來實現繼電保護的定值改變。這樣既快又準，又解決了現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果或曾發生的事件，信息含量較小。當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，結合故障錄波，可以做到科學、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實意義，而且對產品的研制、開發及改進和提高產品性能具有指導意義;(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品的性能要求，其保護動作行為與故障發展過程是否吻合等。
　　保護裝置需記錄的自身工作詳細的內容有：(1)產生某一自檢或是動作結果時的實際程序走向(可按需要通過打印機或串口輸出);(2)保護動作時執行的定值區號，各保護功能動作點的數據;(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。這些信息應在掉電后不丟失，并能通過內置Modem送至調度端。
　　6.3 外部輸入信息記錄
　　微機保護能根據不同的外部信息，正確地做出相應的邏輯判斷。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重要的影響，因此為準確分析保護的動作行為，特別是復雜工況下可能出現的不正確動作，有必要詳細記錄，并能按需輸出帶有標準GPS時標、精確到毫秒的外部開入量時序圖。從中應能看出各個外部信息何時輸入、持續多長時間、中間是否有間斷等。
　　6.4 利用GPS統一同步時鐘
　　全球衛星定位系統(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電力系統監測、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的日期和時間代碼，即秒脈沖信號的時間標記。為滿足事故分析的需要，應采用GPS獲取同步時鐘，通過內置GPS對時接口電路，為保護裝置的工作提供標準時間，如用GPS的對時脈沖控制保護的采樣脈沖，從而可保證全網同型號裝置的采樣數據在時間上的一致性。
　　7 結束語
　　變電站自動化研究的現狀與發展，要求構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、更強的功能，因此必須加強微機保護的標準化設計。
　　由于科學技術的高速發展，新產品的研制、開發周期越來越短。所以，在新產品的開發構成中應綜合考慮產品的可靠性、先進性及經濟性，采用新思想、新原理、新技術開發出可靠性高、功能強大的新型微機保護。可以預測，隨著我國電力工業的發展及電子技術、工業自動化信息工程等相關產業的技術進步，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展。