繼電保護的效能和可靠性-繼電保護測試儀

隨著(zhù)微機繼電保護裝置（繼電保護校驗儀）的廣泛應用和變電站綜合自動(dòng)化水平的不斷提高，各種智能設備采集的模擬量、開(kāi)關(guān)量、一次設備狀態(tài)量大大增加，運行人員可以從中獲取更多的一、二次設備的實(shí)時(shí)信息。但是，由于目前的微機型二次設備考慮較多的是對以往設備功能的替代，導致這些設備基本上是獨立運行，致使它們采集的大量信息白白流失，未能得到充分利用。

電網(wǎng)是一個(gè)不可分割的整體，對整個(gè)電網(wǎng)的一、二次設備信息進(jìn)行綜合利用，對保證電網(wǎng)安全穩定運行具有重大的意義。近幾年，計算機和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的飛速發(fā)展，使綜合利用整個(gè)電網(wǎng)的一、二次設備信息成為可能。電網(wǎng)繼電保護綜合自動(dòng)化系統就是綜合利用整個(gè)電網(wǎng)智能設備所采集的信息，自動(dòng)對信息進(jìn)行計算分析，并調整繼電保護（繼電保護校驗儀）的工作狀態(tài)，以確保電網(wǎng)運行安全可靠的自動(dòng)化系統，它可以實(shí)現以下主要功能。

1.實(shí)現繼電保護裝置（繼電保護校驗儀）對系統運行狀態(tài)的自適應。

2.實(shí)現對各種復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(shí)現繼電保護裝置的狀態(tài)檢修。

5.對線(xiàn)路縱聯(lián)保護退出引起的系統穩定問(wèn)題進(jìn)行分析，并提供解決方案。

6.對系統中運行的繼電保護裝置進(jìn)行可靠性分析。

7.自動(dòng)完成線(xiàn)路參數修正。

二、系統構成

站在電網(wǎng)的角度，我們來(lái)分析電網(wǎng)繼電保護綜合自動(dòng)化系統獲取信息的途徑。電網(wǎng)的結構和參數，可以從調度中心獲得；一次設備的運行狀態(tài)及輸送潮流，可以通過(guò)EMS系統實(shí)時(shí)獲得；保護裝置的投退信息，由于必須通過(guò)調度下令，由現場(chǎng)執行，因此可以從調度管理系統獲得，并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(wǎng)故障信息，可以從微機保護及微機故障錄波器獲得。

通過(guò)以上分析，可以看出，實(shí)現電網(wǎng)繼電保護綜合自動(dòng)化系統的信息資源是充分的。為了更好的利用信息資源，應建立客戶(hù)/服務(wù)器體系的系統結構，按此結構將系統分解成幾個(gè)部分，由客戶(hù)機和服務(wù)器協(xié)作來(lái)實(shí)現上述七種主要功能。這樣就可以實(shí)現*的資源分配及利用，減少網(wǎng)絡(luò )的通信負擔，提高系統運行的總體性能。

客戶(hù)機設在變電站，主要實(shí)現以下功能：

1.管理與保護及故障錄波器的接口，實(shí)現對不同廠(chǎng)家的保護及故障錄波器的數據采集及轉換功能。在正常情況下巡檢保護的運行狀態(tài)，接收保護的異常報告。在電網(wǎng)發(fā)生故障后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接口，查詢(xún)現場(chǎng)值班人員投退保護的操作。

3.管理與遠動(dòng)主站的接口，將裝置異常、保護投退及其它關(guān)鍵信息通過(guò)遠動(dòng)主站實(shí)時(shí)上送調度端。

4.執行數據處理、篩選、分析功能。實(shí)現對保護采集數據正確性的初步分析，篩選出關(guān)鍵信息。

5.管理及修改保護定值。

6.向服務(wù)器發(fā)出應用請求，并接收服務(wù)器反饋信息。

7.主動(dòng)或按服務(wù)器要求傳送事故報告，執行服務(wù)器對保護和故障錄波器的查詢(xún)。

服務(wù)器設在調度端，可由一臺或多臺高性能計算機組成，主要實(shí)現以下功能：

1.向客戶(hù)機發(fā)送指令，接收并回答客戶(hù)機的請求。

2.接收客戶(hù)機傳送的事故報告。

3.控制對EMS系統共享數據庫的存取。獲得一次設備狀態(tài)、輸送潮流及客戶(hù)機通過(guò)遠動(dòng)主站上送調度端的信息。

4.通過(guò)調度運行管理信息系統獲得調度員對保護的投退命令、設備檢修計劃等信息。

5.與繼電保護管理信息系統交換保護配置、定值、服役時(shí)間、各種保護裝置的正動(dòng)率及異常率等信息，實(shí)現繼電保護裝置的可靠性分析。

6.執行故障計算程序、繼電保護定值綜合分析程序、事故分析程序、保護運行狀態(tài)監測程序、穩定分析程序等應用軟件。

在實(shí)現了變電站綜合自動(dòng)化的廠(chǎng)站，客戶(hù)機可在保護工程師站的基礎上進(jìn)行功能擴充，并成為變電站綜合自動(dòng)化系統的組成部分。在沒(méi)有保護工程師站的廠(chǎng)站，可通過(guò)保護改造工程，建立變電站保護信息處理系統，使之成為客戶(hù)機。

由以上功能劃分可以看出，客戶(hù)機與服務(wù)器之間的數據交換量并不大，僅在電網(wǎng)發(fā)生故障后，由于與故障設備有關(guān)聯(lián)的廠(chǎng)站的客戶(hù)機需要向服務(wù)器傳送詳細的故障報告，才會(huì )出現較大的信息量。因此，客戶(hù)機和服務(wù)器之間的聯(lián)絡(luò )，在目前條件下，*可以采用調制解調器進(jìn)行異步通信。將來(lái)如有條件，建議盡量采用廣域網(wǎng)交換數據。

三、功能分析

1.實(shí)現繼電保護裝置對系統運行狀態(tài)的自適應。

電網(wǎng)繼電保護的整定計算十分復雜，由于傳統的繼電保護以預先整定、實(shí)時(shí)動(dòng)作為特征，保護定值必須適應所有可能出現的運行方式的變化。假如一個(gè)變電站有15個(gè)元件，僅考慮本站檢修2個(gè)元件的組合方式就已經(jīng)達到100多個(gè)，而周?chē)到y機組停運、500KV自耦變的檢修及系統開(kāi)環(huán)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運行方式的變化，必然出現以下問(wèn)題：

A.縮短了保護范圍，延長(cháng)了保護動(dòng)作延時(shí)。

B.被迫退出某些受運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(wú)配合的使用其zui后兩段。

C.可能還存在由于運行方式考慮不周而出現失去配合。

D.被迫限制一次系統運行方式。

電網(wǎng)繼電保護綜合自動(dòng)化系統可以*改變這種局面。只要在調度端的服務(wù)器安裝故障計算及繼電保護定值綜合分析程序，依靠從EMS系統獲得的系統一次設備的運行狀態(tài)，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，如出現部分后備保護定值不配合時(shí)，根據從調度管理系統獲得的線(xiàn)路縱聯(lián)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，可通過(guò)調度端服務(wù)器向變電站的客戶(hù)機下達指令，由客戶(hù)機動(dòng)態(tài)修改保護定值，從而實(shí)現繼電保護裝置對系統運行狀態(tài)的自適應。以上所有計算分析工作，均依靠調度端服務(wù)器實(shí)時(shí)自動(dòng)完成，這樣，繼電保護整定值就無(wú)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運行方式下可靠性與選擇性存在矛盾的問(wèn)題。

目前，系統中運行的保護裝置可分為三類(lèi)：*類(lèi)為非微機型保護；第二類(lèi)為具備多個(gè)定值區并可切換的微機保護，一般不具備遠方改定值的功能；第三類(lèi)為新型微機保護，具備遠方改定值的功能。對非微機型保護，在調度端可以將其設置為不能自動(dòng)調整定值的保護，依靠周?chē)Ｗo裝置的定值調整，實(shí)現與此類(lèi)保護的配合。對第二類(lèi)保護，可以事先設置多套整定值，調度端只是通過(guò)變電站客戶(hù)機，控制其在當前運行方式下采用那套整定值來(lái)實(shí)現定值的自適應。

為提高可靠性，保護定值的自適應可與調度系統的檢修申請相結合。當電網(wǎng)繼電保護綜合自動(dòng)化系統從調度管理系統獲得計劃檢修工作申請后，即通過(guò)計算分析，事先安排定值的調整，并做相應的事故預想（如在檢修基礎上再發(fā)生故障時(shí)保護的配合關(guān)系計算），從而大大提高系統繼電保護裝置的效能和安全水平。

2.實(shí)現對各種復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算法，一般分為故障分析法和行波法兩類(lèi)。其中行波法由于存在行波信號的提取和故障產(chǎn)生行波的不確定性等問(wèn)題而難以在電力生產(chǎn)中得到較好的運用。而故障分析法如果想要準確進(jìn)行故障定位，必須得到故障前線(xiàn)路兩端綜合阻抗、相鄰線(xiàn)運行方式、與相鄰線(xiàn)的互感等信息，很顯然，僅利用保護或故障錄波器自己采集的數據，很難實(shí)現準確的故障定位。另外，對于比較復雜的故障，比如跨線(xiàn)異名相故障，單端分析手段已經(jīng)無(wú)法正確判斷故障性質(zhì)和故障距離，因此，往往出現誤報。

我們知道，得到的系統故障信息愈多，則對故障性質(zhì)、故障位置的判斷和故障距離的檢測愈準確，因此，通過(guò)電網(wǎng)繼電保護綜合自動(dòng)化系統，可以*解決這個(gè)問(wèn)題。調度端數據庫中，已經(jīng)儲備了所有一次設備參數、線(xiàn)路平行距離、互感情況等信息，通過(guò)共享EMS系統的數據，可以獲得故障前系統一次設備的運行狀態(tài)。故障發(fā)生后，線(xiàn)路兩端變電站的客戶(hù)機可以從保護和故障錄波器搜集故障報告，上送到服務(wù)器。調度端服務(wù)器將以上信息綜合利用，通過(guò)比較簡(jiǎn)單的故障計算，就可確定故障性質(zhì)并實(shí)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(fā)生事故后，往往有可能伴隨著(zhù)其它保護的誤動(dòng)作。傳統的事故分析由人完成，受經(jīng)驗和水平的影響，易出現偏差。由于電網(wǎng)繼電保護綜合自動(dòng)化系統搜集了故障前后系統一次設備的運行狀態(tài)和變電站保護和故錄的故障報告，可以綜合線(xiàn)路兩端保護動(dòng)作信息及同一端的其它保護動(dòng)作信息進(jìn)行模糊分析，并依靠保護和故錄的采樣數據計算，從而能夠迅速準確的做出判斷，實(shí)現事故恢復的繼電保護輔助決策。

當系統發(fā)生較大的事故時(shí)，由于在較短時(shí)間內跳閘線(xiàn)路較多，一般已經(jīng)超過(guò)了繼電保護能夠適應的運行方式，此時(shí)保護可能已經(jīng)處于無(wú)配合的狀態(tài)。此時(shí)進(jìn)行事故恢復，不僅需要考慮一次運行方式的合理，還需要考慮保護是否能夠可靠并有選擇的切除故障。借助電網(wǎng)繼電保護綜合自動(dòng)化系統，可以分析當前運行方式下保護的靈敏度及配合關(guān)系，并通過(guò)遠程改定值，完成繼電保護裝置對系統事故運行狀態(tài)的自適應。

4.實(shí)現繼電保護裝置的狀態(tài)檢修。

根據以往的統計分析數據，設計存在缺陷、二次回路維護不良、廠(chǎng)家制造質(zhì)量不良往往是繼電保護裝置誤動(dòng)作的主要原因。由于微機型繼電保護裝置具有自檢及存儲故障報告的能力，因此，可以通過(guò)電網(wǎng)繼電保護綜合自動(dòng)化系統實(shí)現繼電保護裝置的狀態(tài)檢修。具體做法如下：

A.依靠微機保護的自檢功能，可以發(fā)現保護裝置內部的硬件異常。變電站的客戶(hù)機搜集到保護的異常報告后，立即向相應的調度端發(fā)出告警，從而使設備故障能夠得到及時(shí)處理，縮短保護裝置退出時(shí)間。

B.保護的開(kāi)入量一般有開(kāi)關(guān)輔助節點(diǎn)、通訊設備收信、合閘加速、啟動(dòng)重合閘、其他保護動(dòng)作等幾種，這些開(kāi)入量對保護的可靠運行起關(guān)鍵作用。變電站的客戶(hù)機可以監視保護裝置的開(kāi)關(guān)量變位報告。當發(fā)現保護的開(kāi)入量發(fā)生變位時(shí)，可以通過(guò)查詢(xún)變電站一次系統狀態(tài)以及其他保護和錄波器的動(dòng)作信息確定變位的正確性。這樣，就可以及早發(fā)現問(wèn)題，預防一部分由設計缺陷或二次回路維護不良引起的誤動(dòng)作。

C.為防止由于PT、CT兩點(diǎn)接地、保護裝置交流輸入回路異常、采樣回路異常等引起保護誤動(dòng)作，可以由變電站的客戶(hù)機將保護啟動(dòng)以后的報告進(jìn)行分析，首先可以判斷取自同一CT的兩套保護采樣值是否一致，其次，可以判斷本站不同PT對同一故障的采樣值是否一致。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(tài)值及相位等信息上傳到調度端，與線(xiàn)路對側的數據進(jìn)行比較，以發(fā)現PT兩點(diǎn)接地等問(wèn)題。

通過(guò)以上措施，可以加強狀態(tài)檢修，相應延長(cháng)定期檢修周期，使保護裝置工作在*狀態(tài)。同時(shí)，還可以提高維護管理水平，減輕繼電保護工作人員的勞動(dòng)強度，減少因為人員工作疏漏引起的誤動(dòng)作。

5.對線(xiàn)路縱聯(lián)保護退出引起的系統穩定問(wèn)題進(jìn)行分析，并提供解決方案。

隨著(zhù)電網(wǎng)的發(fā)展，系統穩定問(wèn)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(xiàn)路縱聯(lián)保護的投入提出較高要求。但是，在目前情況下，由于通道或其它因素的影響，導致線(xiàn)路雙套縱聯(lián)保護退出時(shí)，只能斷開(kāi)線(xiàn)路以保證系統穩定和后備保護的配合。這種由于二次設備退出而影響一次設備運行的狀況是我們所不愿意看到的。

借助電網(wǎng)繼電保護綜合自動(dòng)化系統，我們可以完成以下工作。

A.根據系統當前運行狀態(tài)校驗保護的配合關(guān)系。

B.根據線(xiàn)路兩側定值確定不同點(diǎn)故障保護的切除時(shí)間。

C.根據系統當前的運行方式、輸送潮流、系統及機組的參數，結合故障切除時(shí)間，判斷線(xiàn)路不同點(diǎn)故障時(shí)系統能否保持穩定。

D.判斷能否通過(guò)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(shí)間。

F.通過(guò)遠程改定值，保證系統穩定及周?chē)到y后備保護的配合。

這樣，我們就可以大大減輕縱聯(lián)保護的退出給系統一次設備的運行帶來(lái)的影響，并提供縱聯(lián)保護的退出的整體解決方案。

6.對系統中運行的繼電保護裝置進(jìn)行可靠性分析。

通過(guò)與繼電保護管理信息系統交換保護配置、服役時(shí)間、各種保護裝置的正動(dòng)率及異常率等信息，電網(wǎng)繼電保護綜合自動(dòng)化系統可以實(shí)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信號傳輸裝置出現問(wèn)題，并暫時(shí)無(wú)法解決時(shí)，通過(guò)將此類(lèi)裝置的可靠性評價(jià)降低，減輕系統對此類(lèi)保護的依賴(lài)，通過(guò)遠程調整定值等手段，實(shí)現周?chē)到y保護的配合，防止因此類(lèi)保護的拒動(dòng)而擴大事故。

7.自動(dòng)完成線(xiàn)路參數修正。

由于征地的限制，新建線(xiàn)路往往與原有線(xiàn)路共用線(xiàn)路走廊，線(xiàn)路之間電磁感應日益增大，造成新線(xiàn)路參數測試的不準確以及原有線(xiàn)路參數的變化?，F在，依靠電網(wǎng)繼電保護綜合自動(dòng)化系統，可以將每次故障周?chē)到y保護的采樣數據進(jìn)行收集，利用線(xiàn)路兩端的故障電流、故障電壓，校核并修正線(xiàn)路參數，實(shí)現線(xiàn)路參數的自動(dòng)在線(xiàn)測量，從而提高繼電保護基礎參數的可靠性，保證系統安全。

四、實(shí)現本系統的難點(diǎn)分析

1.管理問(wèn)題

從技術(shù)上說(shuō)，實(shí)現電網(wǎng)繼電保護綜合自動(dòng)化系統的條件已經(jīng)成熟，無(wú)論是變電站客戶(hù)機對保護信息的搜集、信息的網(wǎng)絡(luò )傳輸還是調度端服務(wù)器對EMS系統共享數據的讀取、故障及穩定分析計算，都可以得到解決。主要的實(shí)施難度在于此系統需要綜合繼電保護、調度、方式、遠動(dòng)、通信以及變電站綜合自動(dòng)化等各個(gè)專(zhuān)業(yè)的技術(shù)，并且涉及到控制運行設備，其它專(zhuān)業(yè)一般不愿牽扯其中，因此只有解決好管理問(wèn)題，才可能順利實(shí)施。例如，目前變電站客戶(hù)機對信息的搜集，*可以也應該納入到變電站綜合自動(dòng)化系統，但是，由于管理界面的劃分，有些運行單位希望保護專(zhuān)業(yè)獨立組網(wǎng)搜集信息，這樣就造成資源的分割和浪費，不利于今后對系統的擴展。為了保證電力系統的安全運行，希望在將來(lái)的保護設計導則中，對此類(lèi)問(wèn)題統一予以規范。

2.安全性問(wèn)題

由于電網(wǎng)繼電保護綜合自動(dòng)化系統的功能強大，并且可以控制運行設備，與電網(wǎng)的安全穩定運行息息相關(guān)，因此在設計之初，就必須對系統的安全性問(wèn)題給予足夠重視?？梢哉f(shuō)，安全性解決的好壞，將是本系統能否運用的關(guān)鍵。初步設想，調度端服務(wù)器必須采用雙機熱備用方式保證硬件安全；通過(guò)遠方修改保護定值時(shí)，客戶(hù)機必須通過(guò)加密的數字簽名核實(shí)調度端傳送定值的可信度，并通過(guò)校驗碼及數據回送保證定值的可靠性。并且，當客戶(hù)機向保護傳送定值時(shí)，必須不能影響保護的正常性能。在這方面，還需要做大量的工作。

3.規約問(wèn)題

由于本系統將全網(wǎng)所有微機保護及故障錄波器到了一起，如果能夠解決好信息的組織及傳輸規約，將對系統實(shí)施起到事半功倍的作用。因此，希望參照國外標準，盡快建立國內繼電保護信息組織規約。