KV供電系統的繼電保護方案設計摘要：本論文針對智能變電站及繼電保護技術展開具體研究與分析，從智能變電站繼電保護涵義入手，探索智能變電站展現的技術特點與關鍵部分技術要點，研究變壓器繼電保護，線路保護與母聯保護。其次通過分析目前我國電力系統運行過程中存在的一些問題，提出了智能變電站繼電保護裝置自動化的概念，明確了其重要意義；論述了智能變電站繼電保護自動化技術發展方向。同時，就電氣安全類型分配問題，對智能變電站如何運用新型繼電保護技術進行了深入探究，其中包括保護裝置設計，保護裝置程序化操作等智能變電站繼電保護分配問題，存在常規繼電保護分配方案與系統繼電保護分配方案兩種情況，并對智能變電站繼電保護分配特點進行了概述。最后，，以其自動化實現為目標，設計了10kV供電系統一次接線方式，其中包括二次系統設計要求以及繼電保護模塊設計搭建等，文章分別從原理，實現方式等方面進行深入闡述，與此同時，相關應用投入使得智能繼電保護自動化程度以及智能水平獲得更深一步提升。關鍵詞：智能繼電保護；IEC61850；保護設計目錄TOC\o"1-3"\h\u15258一、引言 332386二、智能變電站繼電保護原理探究 311570（一）智能變電站及其繼電保護裝置 311928（二）繼電保護原理在智能變電站中的運用 4263601.智能變電站實時仿真體系 464792.智能繼電保護測試儀 531825三、智能變電站繼電保護設計方案 632743（一）智能變電站保護配置 6243861.保護裝置的設計 6294472.保護裝置的程序化操作 64522（二）智能變電站保護配置方案 865591.常規保護配置方案 8166622.系統保護配置方案 83038四、總結 910861參考文獻 10一、引言電網建設作為我國社會生產與生活中的關鍵項目，隨著我國能源網絡建設不斷深入，能源需求也日益增加，新技術日益發展與革新的今天，繼電保護裝置的有效監控弱化了傳統能源系統抗干擾能力，給電網安全平穩運行帶來嚴重挑戰，其實質就是能源系統中僅次于系統的主要部分——發電廠能量，通過一系列電力設備元件轉換并輸送高壓電，從而實現電能向不同電氣設備轉換現場安全平穩輸送。隨著電壓等級的提高，變電站數量增多，主變壓器的故障率也隨之增加，特別是主變及充油設備，一旦發生事故，會造成嚴重的后果，甚至威脅人身和財產的安全，給國家的經濟帶來重大損失，影響整個系統安全。因此，如何保證其運行的安全性、可靠性及穩定性已成為保障高壓電網安全穩定運行的關鍵。而變電站作為電力系統中非常重要的部分，其正常工作能夠保障整個電力系統安全、可靠、經濟運行。因此，本文就針對高壓輸電線路保護裝置以及相應的改造方案展開分析論述。以供參考。不論從哪一個角度講，它都對電網中同類主變保護系統相關的研究設計與實現提供了參考依據，在實際工程應用中同樣有著重要意義。當前，化工企業自動化發展的趨勢，一方面是有效地提升化工企業本身的經濟效益和社會效益，另一方面也是企業增加對于電能需求。二、智能變電站繼電保護原理探究（一）智能變電站及其繼電保護裝置智能變電站主要具有以下幾種技術特點：（1）全站信息數字化。全站信息數字化是指要實現一次和二次設備間數據交換不再依賴像傳統變電站那樣的電力電纜，并且這種數據交換仍可以有雙向實時通訊。隨著電力技術不斷發展以及智能化電網建設步伐加快，智能變電站將成為未來變電站發展方向。其不僅可以提高供電可靠性和安全性，而且可使運行維護工作變得更加簡便高效。同時也節省了大量投資。真正智能變電站也使用電子式互感器（ECT），具有不產生飽和現象和其他引起保護裝置拒動或誤動的優點。（2）通信平臺網絡化。最為直接的表現就是將傳統變電站簡單的MMS網絡改為三層兩網組網結構。全站范圍內的三遙數據都是由光纖或網線傳送的，據實例介紹，過去為了達到母差保護的目的，多少回線，就要用多少回線的電力電纜點對點地連接，在智能變電站里，僅需2條網線即可取代原有的大量布線工作。隨著通信技術以及計算機技術的發展，越來越多的應用于電力領域。在此背景下，本文主要介紹了基于IEC61850標準的智能變電站綜合自動化系統。一方面可以有效減少智能變電站建設與運維成本，另一方面對于二次設備運行可靠性具有顯著提高。（3）信息共享標準化。傳統變電站具有十分明顯的缺點，即各個廠商或同一廠商在不同時間內產品間的通信具有較大程度上的不相容性，有時還需額外增加規約轉換裝置來進行不同裝置間的通信，這一方面對于網絡結構來說比較復雜，另一方面網絡結構可靠性較差，經常會出現故障信號遲延或者亂發信件的情況。為了解決這些問題，本文提出一種基于IEC61850標準化規約的通信系統方案。該方案能夠有效地提高網絡信息傳輸效率和安全性。IEC61850標準規約較好的解決了有關問題，各個廠商均以同一標準協議進行設備生產，同一通訊協議中各個廠商基本上可以實現無縫銜接，通訊可靠性得到很大提高。（4）智能應用互動化。例如智能告警，數據辨析，智能錄波器，二次設備的狀態監測等等。由于這些智能應用的實現，需要各個裝置間進行可靠的、高效的通信。傳統變電站以電力電纜為傳輸媒介進行數據傳輸，從實質上看各設備均為數據孤島，不可能做到方便、快捷、穩定、有效地交換數據。隨著電力技術不斷發展和成熟,IEC61850標準被引入到智能電網中，將其與變電站進行無縫集成成為必然的趨勢。這也為實現智能變電站提供了可能。智能變電站本質上的結構決定了設備間可以進行高效通訊，可以通過單純的光纖來進行海量數據傳輸。（二）繼電保護原理在智能變電站中的運用系統硬件上選用高性能高可靠性嵌入式CPU與DSP,分層分布式實時數據通信與處理。該計算機系統已成功地應用于工業采礦機中，并得到用戶的認可與好評，同時也為其它相關領域提供有力的技術支持。系統硬件設計根據實際的應用需求進行了優化設計；數據通信采用具有專利特征的基于HTM內部高速通信總線。分布式I/O設備采用以太網，光纖通信技術以及CAN總線技術來實現。本課題研制了一種基于現場可編程門陣列（FPGA）的礦山安全監測與預警一體化監控系統。并成功地將其用于某大型露天礦山生產中。取得了良好的效果。本設備采用雙數據采集與保護計算方案。1.智能變電站實時仿真體系故障仿真系統是否可靠，完整，是檢驗繼電保護系統是否合格的首要考慮。本文從實際需求出發，提出了基于SV（可恢復二極管）原理的繼電保護系統故障仿真器設計方法，并給出了具體設計方案及相關電路模塊的分析與驗證結果。故障模擬具有故障場景的多樣性、模擬測試過程簡單以及無需外部接口等特點。目前,SV取樣主要用于對基礎木材等材料的檢測，無法滿足現場使用需求，因此需要采用直接取樣方式。經數據測試檢驗及實際應用證明，該智能變電站繼電保護測試儀能滿足以上需求，可以參考自動測試系統中恢復故障模擬子系統進行測試。最后，論文對課題進行總結，指出了下一步研究工作方向和展望。本文設計的基于IEC61850標準的智能變電站保護裝置測試軟件具有通用性好、擴展性強等優點。在今后可以推廣使用。本試驗選用自動測試故障模擬子系統為北京波浪電力公司PNF-1型智能變電站繼電保護中計。2.智能繼電保護測試儀自動測試系統設計之初，測試人員一定要有及時合理的測試用例，并且能夠廣泛應用于現實。傳統的測試方式需要對每個功能都配置相應的測試軟件來實現。這樣會占用大量時間，并且還容易出錯。而采用自動化測試工具則可大大減少測試工作量，提高工作效率。在設計階段,ATS（系統）所提供的測試用例的有效性和合理性將直接影響到測試人員對整個系統運行情況的了解程度以及選擇合適的測試選項。測試用例通過一定的測試方法來驗證其正確性和可行性，從而判斷出可能出現的故障或缺陷，并對這些故障或缺陷進行分析，找出原因，提出改進措施，以便于采取更有針對性的措施解決問題，減少損失，增加收益，提高企業的效益，增加企業的可能性。因此，在實際應用中需要對變電站繼電保護裝置進行測試。自動測試用例由兩大部分組成：一部分是對軟件的總體結構、功能及性能等方面的測試，另一部分是對錯誤應用統計和預期結果分析的測試。錯誤模型是基于邏輯的測試方法中一個重要的組成部分，它為自動測試系統設計提供了基礎。在測試過程中。為了實現對所有可能發生錯誤的風險進行評估，需要建立正確的錯誤模型。組成失效施加的兩部分一般是用來修改用例中固定值或者檢測繼電器，同時將壓力板拋出回去。錯誤參數是一個重要因素。如不同種類錯誤參數，用例錯誤模擬值和切換次數等均對測試結果有影響。IEC61850中配置信息以及不同資料的介入對測試結果均有影響。三、智能變電站繼電保護設計方案（一）智能變電站保護配置1.保護裝置的設計智能變電站防護裝置采用IEC

61850通信統一標準，具有SMV,

MMS,

GOOSE

3項核心功能。SMV的主要功能是傳遞采樣值給過程層；GOOSE的主要功能是進行數據交換，是對傳統變電站二次設計的補充和完善；從保護配置上看,GOOSE由三部分組成：現場總線系統（RTU）、站內監控單元（BAS）和間隔層信息傳輸通道（SCD）。本文討論其中的第一部分。MMS則負責與后臺設備進行數據交互和管理，其核心部分為驅動控制層。對系統的各個模塊都有詳細介紹。變電站中的繼電保護裝置一般包括：后板端子、屏蔽柜和端子排。安全卡的安裝與否需結合實際進行選擇。端子排及二次電纜在屏柜中的布置方式對整個智能變電站具有重要影響,GOOSE功能的實現主要通過二次回路連接和GOOSE網絡通信鏈接來實現。本文在分析智能變電站特點及現有技術的基礎上，提出了一種基于IEC60870-5-104標準的新型智能化變電站GOOSE網絡設計方案。二級設備制造商根據自己的需求進行開發并提供相應的產品，用戶只需在網站上輸入相關信息即可獲得所需要的產品，同時也可通過網站上的GOOSE終端界定出與之對應的設計院或廠家，從而實現對整個GOOSE網絡的控制。設備生產廠家將其設計文件,GOOSE配置文件以及變電站SCD文件發送給設備生產廠家。GOOSE網絡連接到SCD文件的設備端。而GOOSE則是為保護提供故障信息并對其進行監視和處理，這是間隔層到站控層的另一個部分。在本文中介紹了如何利用GOOSE網絡通信技術來解決上述問題。上述數據傳輸過程說明采用GOOSE網絡會明顯降低二次電纜用量。既簡化設計又節約建設及運行成本，有效地減少板柜間布線數量，又減輕現場建設及調試工作量，對縮短變電站建設時間大有裨益。2.保護裝置的程序化操作傳統變電站要求2名操作人員對繼電保護設備壓力板進行操作時，操作人員要對壓力板進行驗算，驗算結束后監護儀要驗算壓力板進入工作狀態。一般情況下，運行一張紙張需1～2

min,但多張紙張的處理需反復運行，這不僅降低了工作效率，也易發生運行錯誤，而智能變電站是以IEC61850通信規約作為規范。軟壓板能夠實現變電站繼電器常規保護全部功能，對二次設備進行程序管理與操作，并能同時對多臺軟板進行后臺運行。本實用新型能夠有效減少作業的時間，避免作業不規范。1）分布式母線保護變電站不同電壓區間以母線為主。它承擔著傳輸電能的重要任務。傳統母線保護不但接線最為復雜，且涉及范圍廣，不便于延伸。而分布式母線保護則可以解決以上問題。分布式母線保護裝置包括兩個層次：1.智能單元；2.數據處理單元（DCU），兩者都是基于IEEE-61850協議設計的。其先決條件是有處理層間隔，分散，加工作用。分布式母線由于其結構簡單、維護方便、成本較低、運行可靠且具有良好的一致性等優點而被廣泛應用于各種需要通信功能的變電站系統中。為能達到以上的要求，因而有許多的要求。配電中主要采用的設備有：變電站母線保護裝置、輸出繼電器、雙電壓鎖定裝置和母線差動保護邏輯等。母線保護有分段執行的作用，但是跳躍成本區間斷路器僅為1臺，基本為集中保護。不具備保護功能。其中包括：1.可靠性；2.實時性；3.靈敏性；4.選擇性；5.可擴充性等。本文著重討論了以上幾個方面的問題。中央處理單元（CPU）和區間單元（間隔單元）之間的通訊連接在分布式母線保護中占有重要地位。2）主變壓器智能保護按照相關條款，智能變電站變壓器保護應該配置成設備保護一體化，備用保護可以配置成監控一體化。智能變電站的安防設備可以是一個獨立的設備，也可以是多個設備的組合，如：變壓器保護中的合并單元（MU）與智能終端之間采用雙配置方式；當發生故障時，通過采集中性點電流或間隙電流來判斷是否需要對MU進行變壓器保護，然后利用直接采樣法檢測到的斷路器動作信息，結合分段斷路器上的鎖緊裝置將其連接到GOOSE網絡中,GOOSE網絡根據接收到的故障保護指令實現斷路器停機功能；本發明將故障保護與斷路器結合起來，利用智能變電站內的變壓器單元采集到的電流和電壓信號進行分析處理，并通過SV網絡傳輸給用戶；此外,

SV網絡的數據并不發送給安全端以確保對信號直接采樣功能。同時還對高壓側與低壓配電網間設置隔離開關或接地刀閘等安全措施提出了具體要求；并建議將所有開關柜都安裝有視頻監視裝置。此外還介紹了相關標準及實施情況。除了GOOSE網絡之外，還在高低壓側設置智能卡鉗與變壓器保護相連，安全設備由智能終端直接開關。3）輸電線路智能保護智能變電站線路保護中，變電站測量，控制及安全功能被整合到單個區間進行配置。在線路保護中增加了直接采樣和即時關機功能。在IEC61850標準下,GOOSE網絡由兩個獨立的子站組成，每個子站都具有相同的通信方式，即現場總線（FF）技術。GOOSE網絡應用于斷路器上，實現了斷路器錯誤保護及重鎖功能。對系統中各模塊之間的通信要求較高。GOOSE網絡中各節點之間進行信息交換時，可根據需要設置不同的監視間隔，采用點對點方式，也可以通過合并單元將數據發送至智能終端。安全測控裝置通過對合并單元進行直接采樣來完成數據傳輸。為滿足這種需求，本文介紹了一種新型的基于IEC61850標準的智能電網通信系統中的數字互感器（DCT），即電子式互感器。該電子式互感器具有體積小、精度高、可靠性高等特點。線路或母線上的電子式變壓器將采集到的電流、電壓信號傳遞給合并單元。將有關數據進行封裝，采集，用光纖輸送到測控設備及SV網絡中。距離信息傳入測控設備后，要求以GOOSE的形式傳輸數據。（二）智能變電站保護配置方案1.常規保護配置方案傳統保護裝置延續了傳統變壓器轉換方案并通過間隔層裝配而成，主要有變壓器保護遠程采集、總線保護等。交流安全插件與數據采集光纖連接；本文介紹了一種基于以太網技術的新型變電站自動化裝置——智能變電站（IED），并對其組成及工作原理作了分析，提出了一套新的智能變電站綜合安全防護措施。1.系統結構。本文設計了一個通用的I/O接口卡和一個基于GOOSE光通信的模擬器,CPU插件以及相應的信息接口。最后對所設計的智能終端控制系統進行了保護原理和仿真實驗。安全配置方案是指通過在一個或多個間接單元上安裝微機繼電保護來實現智能安全。網絡配置簡單，易于維護和擴展，降低了系統運行的復雜性，滿足了智能變電站的要求；10k

V及以上的線路上安裝有電容器等智能電壓開關元件時，還需要實現智能母線電壓開關功能；當出現故障時，可通過自動投切保護來切斷故障點的電流以防止事故擴大。在此基礎上提出了相應的安全措施，保證了整個GOOSE網絡的安全運行。要保證精確地傳輸數據，需要在驅動控制層上設置一個網絡。由于驅動控制層及GOOSE網絡的復雜性，將繼電保護技術轉化為智能安全設備將易于實施。2.系統保護配置方案智能變電站技術在最近幾年中發展步伐很快。IEC61850的通信協議為各個變電站之間的信息共享提供了便利條件。在此背景下,ED作為一種新型的通信方式，已經開始應用到智能變電站中去。通過利用其優勢來提高智能變電站運行過程中的安全性與穩定性。同時也滿足了用戶的需求。在智能變電站中，對繼電保護及ED進行安全配置是必不可少的環節。繼電保護主要由保護屏和測控卡兩部分組成，其中變壓器又分為兩組。不同的設備配置方案使全網的建設變得簡單明了，同時也可以達到信息共享和加強數據保護的目的，這也是今后安全配置趨勢所在。系統安全配置方案主要有以下兩點：一是通過信息集成將各個獨立的驅動器或區段單元進行整合，使每個獨立的驅動器都能與相應的繼電器配合工作，從而達到功能集成的目的，滿足了變電站系統保護、測控等方面的需求；該系統保護配置方案既實現了數據與配置的統一化，又不僅僅限于驅動器內部的隔間單元。因此，該方案設計可以更好地適應變電站自動化系統發展的要求，使其能夠更快、更穩、更大范圍地滿足電力系統繼電保護及自動裝置運行維護的需要。此外，還具有良好的開放性和可擴展性。此外，大大降低變電站工程建設成本，減少變電站值班人員及運維人員工作量，而驅動器兩個系統連接速度更快。四、總結智能變電站在智能電網中占有重要地位，對電網起著必不可少的影響。由于智能電網在全國范圍內不斷發展，智能變電站建設工作也在不斷完善，所以我國智能變電站技術性含量也會不斷提升。本論文通過對智能變電站二次系統工作原理及構建基礎進行闡述，重點對以“三層兩網”為基礎,

IEC61850標準為核心的10kV供電系統智能繼電保護設計進行分析，從系統兼容機拓展等方面均具有常規變電站二次系統所無法比擬的優點，將成為今后的發展趨勢。現階段較為普遍的網絡采樣方式以及直采方式都存在著不同程度上的不足，文章通過介紹延時可測技術來解決相關困難。就智能應用而言，因智能變電站二次系統結構基礎，