淺聊智能變電站繼電保護與自動化系統的應用方案

張繼冬

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801 

摘要：智能電力系統的興起和電力需求的不斷增長推動了電力行業向智能化、自動化方向的迅速發展。在這一趨勢下，智能變電站繼電保護與自動化系統作為電力系統中的關鍵組成部分，扮演著至關重要的角色。對智能變電站繼電保護與自動化系統進行了一定論述，在此基礎上，進一步探討了繼電保護與自動化系統的關鍵組成部分，并分析了其在智能變電站中的具體應用與性能評估，有助于推動繼電保護與自動化系統在智能變電站中應用的不斷深入。

關鍵詞：智能變電站；繼電保護與自動化系統；網絡化和數據通信

0引言

電力系統是現代社會的重要支撐，它為工業、商業和居民提供電力供應。為了滿足不斷增長的電力需求，電力行業一直在不斷創新和改進，其中一個關鍵的領域是智能變電站技術。智能變電站采用先進的繼電保護與自動化系統，以實現電力系統的高度智能化和自動化，不僅可以實時監測電力設備的狀態和參數，還可以自主地做出決策和控制操作，以確保電力系統的安全、穩定運行。

1智能變電站繼電保護與自動化系統概述

1.1繼電保護與自動化系統的基本功能

繼電保護系統的基本功能在于監測電力系統中的各種異常情況和故障，當檢測到故障或異常時，及時采取措施。例如，切斷電路或發出警報，以防止事故擴大，降低電力系統的損失。這意味著繼電保護系統具有快速響應和高度可靠的特點，能夠在毫秒級別內采取行動，確保電力系統的穩定性和安全性。與此同時，自動化系統的任務是監視、控制和協調電力系統的運行。它利用先進的傳感器技術、實時數據采集和遠程控制，以實現電力系統的運行。自動化系統可以自動調整設備操作參數、實時優化電力負載分配、管理電力設備的運行模式，并通過智能算法來預測電力系統可能出現的問題，不僅提高了電力系統的效率，還有助于減少能源浪費、降低運營成本。

1.2智能變電站的特點

首先，智能變電站采用了先進的信息技術、通信技術和自動化控制技術。與傳統的變電站相比，它具有更高的自動化程度和智能化水平，意味著智能變電站能夠更加靈活地監測和控制電力設備，實時獲取電力系統的運行數據，并對系統進行遠程監視和調整，從而提高了運行的和可操作性。其次，智能變電站在設備配置和結構上有所不同。它采用了分布式控制系統，利用網絡通信技術將各個設備連接在一起，形成一個高度互聯的系統。這種結構的優勢在于可以實現設備之間的實時信息交互和數據共享，同時能夠更容易地擴展和升級系統，以適應電力系統的不斷變化。

2繼電保護與自動化系統的關鍵組成部分

2.1一次設備智能化和自動化控制

首先，一次設備的智能化使得設備能夠實時監測自身狀態和性能。傳感器和監測裝置可以連續地收集設備的電壓、電流、溫度等數據，并將這些數據傳輸給繼電保護自動化系統，使得系統可以實時了解設備的運行狀況，及時檢測到潛在的問題或故障。如果出現異常情況，智能信息系統工程系統實踐控制系統可以自動采取措施。例如切斷電路或調整設備參數，以確保電力系統的安全運行。其次，一次設備的自動化控制允許系統對設備進行遠程操作和調整，操作員可以通過繼電保護與自動化系統遠程監視和控制一次設備，而不必親臨現場，不僅提高了操作的便捷性，還降低了操作員的風險，特別是在危險環境中。

2.2二次設備網絡化和數據通信

首先，二次設備的網絡化意味著各個繼電保護裝置、控制器和監測設備之間通過網絡連接在一起，形成一個高度互聯的系統。網絡化結構使得設備之間可以實現實時的信息傳遞和數據共享。例如，繼電保護裝置可以將電流、電壓等數據傳輸給其他設備，以協同保護電力系統的穩定運行。同時，網絡化還允許設備之間進行遠程操作和控制，從而提高了系統的和可操作性。其次，數據通信是確保繼電保護與自動化系統正常運行的關鍵。數據通信需要具備高帶寬、低延遲和高可靠性的特點，以確保數據的及時傳輸和準確接收，對于及時檢測電力系統中的異常情況、做出快速反應至關重要。因此，采用先進的通信技術，如光纖通信和高速以太網，是實現數據通信的關鍵。

2.3信息交互標準化和數據處理技術

首先，信息交互標準化意味著制定統一的標準和協議，以確保不同廠家生產的設備之間可以互相通信和協作。電力系統涉及多種設備，包括繼電保護裝置、開關設備、監測儀器等，它們通常由不同廠家生產，因此需要一套通用的通信協議來實現設備之間的數據傳輸和信息共享。通過標準化的信息交互，不僅降低了設備之間的兼容性問題，還提高了系統的可維護性和可擴展性。其次，數據處理技術涉及對大量數據的采集、存儲、分析和處理。繼電保護與自動化系統需要處理來自多個設備的數據流，包括電流、電壓、溫度等多種參數。數據處理技術可以對這些數據進行實時監測和分析，以便快速檢測潛在的問題或異常情況。數據處理還可以用于事件記錄和歷史數據分析，幫助系統運維人員了解電力系統的性能和歷史運行情況，為系統的優化和改進提供依據。

3繼電保護與自動化系統的關鍵組成部分

3.1故障檢測與定位

故障檢測與定位的主要目標是及時發現電力系統中的故障并確定其發生位置，以便采取必要的措施來隔離故障，確保電力系統的可靠運行。

首先，故障檢測是通過對電流、電壓等參數的實時監測和分析來實現的。繼電保護裝置可以不斷地監測電力系統中的參數變化，一旦發現異常情況，如電流超過設定值或電壓異常，就會觸發故障檢測功能。故障檢測有助于及時識別可能的故障，并迅速做出反應。其次，故障定位是確定故障發生位置的關鍵步驟。一旦故障被檢測到，繼電保護系統會利用數據分析和計算技術來確定故障的位置。通常涉及測量電流和電壓的相位差、時序信息等，以定位故障點。這個過程不僅有助于快速隔離故障區域，還可以避免不必要的停電范圍擴大，保障電力系統的連續供電。

3.2狀態監測與控制 

狀態監測與控制的主要目標是實時監測電力設備和電力系統的運行狀態，并根據監測數據采取自動化控制措施，以確保電力系統的安全、穩定和運行。

首先，狀態監測涉及對各種電力設備的運行參數進行實時監測和數據采集，包括變壓器、斷路器、發電機、輸電線路等設備的電流、電壓、溫度、濕度等多個參數。通過不斷收集和分析這些數據，系統可以了解設備的工作狀態，及時發現潛在問題或異常情況。其次，狀態監測還包括對電力系統整體運行狀態的監測，包括對電力系統的電壓、頻率、功率因數等參數的監測，以及對系統中潛在問題的預警。例如，當電壓或頻率超出正常范圍時，系統可以自動發出警報，并采取措施來調整電力系統的運行，以避免可能的故障或損壞。控制功能方面，一旦監測數據表明存在問題或潛在風險，系統可以自動采取控制措施來應對，包括切斷故障區域的電力供應、切換備用電源、調整設備的運行參數等，以確保系統的穩定性和安全性。

3.3數據分析與決策支持

數據分析與決策支持的主要任務是對大量的監測數據進行分析和處理，以深入洞察有關電力系統運行狀態，并支持運維人員做出明智的決策。首先，這一功能通過對歷史和實時數據的分析，可以識別電力系統的趨勢和模式。例如，它可以分析設備的運行歷史數據，發現設備可能存在的周期性故障或逐漸惡化的趨勢。這種預測性分析有助于提前采取維護措施，以避免設備的突發故障。其次，數據分析與決策支持功能可以幫助運維人員識別異常情況。當監測數據顯示與正常情況不符時，系統可以自動發出警

報，指示運維人員關注可能的問題。實時監測和異常檢測有助于快速響應電力系統的緊急情況，減少潛在的風險。這一功能還可以為決策制定提供支持。通過對大量數據的深入分析，系統可以生成各種報告和建議，幫助運維人員制定維護計劃、升級設備或調整電力系統的運行參數，有助于提高電力系統的效率、可靠性和安全性。

3.4安全保護與故障處理

安全保護與故障處理的主要任務是確保電力系統的安全運行，并在出現故障或異常情況時采取適當的措施，以減少損失和維護電力系統的可用性。首先，這一功能通過監測電力系統的各種參數和狀態，可以迅速檢測到任何異常情況。一旦系統出現故障、短路、過載或其他問題，繼電保護系統可以立即發出信號，切斷受影響的設備或電路，從而防止故障擴散并保護設備免受損害，有助于維護電力系統的穩定性和安全性。其次，安全保護與故障處理功能還包括自動故障定位和恢復功能。一旦故障發生，系統可以自動識別故障的位置，以便維修人員能夠快速準確地定位問題并采取適當的措施，有助于減少故障的停電時間，提高電力系統的可用性。這一功能還可以提供遠程監控和控制能力。運維人員可以通過遠程訪問繼電保護系統，如遠程開關合閘或調整設備參數，監視電力系統的運行狀態。這種遠程控制功能提供了更靈活的運式，減少了人員在現場的工作量，并提高了運維的效率。

4智能變電站繼電保護與自動化系統的性能評估

4.1可靠性分析和故障模擬

可靠性分析是對繼電保護系統的穩定性和可靠性進行評估的過程，包括對系統的各種組件和設備的可靠性指標進行分析。例如，通過分析繼電保護裝置的平均運行時（MTBF）和平均時間（MTTR）等指標，可以評估系統的可用性和可靠性，以確定系統是否滿足設計要求。其次，故障模擬是一種通過模擬不同故障情況來評估繼電保護系統應對能力的方法。在這個過程中，各種故障情況，如短路、過載、設備故障等，會被模擬并注入系統中，然后評估繼電保護系統的響應時間、正確性和性。模擬故障情況有助于發現系統中可能存在的問題，并進行相應的改進和調整。可靠性分析和故障模擬還可以用于制定預防性維護計劃。通過分析系統的可靠性數據和故障模擬結果，確定哪些組件或設備可能更容易發生故障，從而可以提前進行維護，減少系統的停機時間。

4.2效率和能源消耗評估 

效率評估涉及對繼電保護與自動化系統的運行效率進行分析，包括系統響應時間、數據處理速度、自動化控制的準確性等方面。通過評估系統的效率，可以確定系統是否能夠在合理的時間內響應各種情況，例如故障或異常情況，以確保電力系統的穩定運行。如果系統的效率較低，可能需要進行優化和改進，以提高其性能。其次，能源消耗評估是為了了解繼電保護與自動化系統在運行時對能源的需求情況，包括系統所需的電力供應、冷卻設備的能耗以及其他能源消耗。通過評估能源消耗情況，可以確定系統的能效，即在運行時所消耗的能源與其性能之間的關系，有助于發現系統中可能存在的能源浪費問題，并采取相應的措施來減少能源消耗，提高系統的節能性。

4.3安全性和可維護性考慮

首先，安全性是評估系統性能的關鍵因素之一。繼電保護與自動化系統的主要任務之一是確保電力系統的安全運行。因此，系統具備足夠的安全性，以應對各種潛在的風險和威脅。評估安全性包括對系統的抗干擾能力、防護措施的性以及對外部攻擊的抵御能力等方面的考查。通過分析系統的安全性，可以確定是否需要進一步改進系統的安全性措施，以確保電力系統不受潛在威脅的影響。其次，可維護性與系統的可靠性和維護成本密切相關。一個良好的繼電保護與自動化系統應該易于維護和管理，以便在需要時進行和升級。評估可維護性包括對系統組件的易用性、維護人員的培訓需求以及維護成本的估算等方面的考慮。通過評估可維護性，可以確定系統是否需要改進以減少維護時間和成本，從而提高系統的可持續性和可靠性。

5 安科瑞Acrel-1000變電站綜合自動化系統

5.1方案綜述

Acrel-1000變電站綜合自動化監控系統在邏輯功能上由站控層、間隔層二層設備組成，并用分層、開放式網絡系統實現連接。站控層設備包括監控主機，提供站內運行的人機聯系界面，實現管理控制間隔層設備等功能，形成全站監控，并與遠方監控、調度通信；間隔層由若干個二次子系統組成，在站控層及站控層網絡失效的情況下，仍能獨立完成間隔層設備的就地監控功能。

針對工程具體情況，設計方案具有高可靠性，易于擴充和友好的人機界面，性能價格，監控系統由站控層和間隔層兩部分組成，采用分層分布式網絡結構，站控層網絡采用TCP/IP協議的以太網。站控層網絡采用單網雙機熱備配置。

5.2應用場所

適用于公共建筑、工業建筑、居住建筑等各行業35kV以下電壓等級的用戶端配、用電系統運行監視和控制管理。

5.3系統結構

5.4系統功能

5.4.1 實時監測

Acrel-1000變電站綜合自動化系統，以配電一次圖的形式直觀顯示配電線路的運行狀態，實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各配電回路斷路器、隔離開關、地刀等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。

5.4.2 報警處理

監控系統具有事故報警功能。事故報警包括非正常操作引起的斷路器跳閘和保護裝置動作信號；預告報警包括一般設備變位、狀態異常信息、模擬量或溫度量越限等。

1）事故報警。事故狀態方式時，事故報警立即發出音響報警（報警音量任意調節），操作員工作站的顯示畫面上用顏色改變并閃爍表示該設備變位，同時彈窗顯示紅色報警條文，報警分為實時報警和歷史報警，歷史報警條文具備選擇查詢并打印的功能。

事故報警通過手動，每次確認一次報警。報警一旦確認，聲音、閃光即停止。

次事故報警發生階段，允許下一個報警信號進入，即次報警不覆蓋上一次的報警內容。報警處理具備在主計算機上予以定義或退出的功能。

2）對每一測量值（包括計算量值），由用戶序列設置四種規定的運行限值（物理下限、告警下限、告警上限、物理上限），分別定義作為預告報警和事故報警。

3）開關事故跳閘到次數或開關拉閘到次數，推出報警信息，提示用戶檢修。

4）報警方式。

報警方式具有多種表現形式，包括彈窗、畫面閃爍、聲光報警器、語音、短信、電話等但不限于以上幾種方式，用戶根據自己的需要添加或修改報警信息。

5.4.3 調節與控制

操作員對需要控制的電氣設備進行控制操作。監控系統具有操作監護功能，允許監護人員在操作員工作站上實施監護，避免誤操作。

操作控制分為四級：

第控制，設備就地檢修控制。具有優先的控制權。當操作人員將就地設備的遠方/就地切換開關放在就地位置時，將閉鎖所有其他控制功能，只進行現場操作。

級控制，間隔層后備控制。其與第三級控制的切換在間隔層完成。

第三級控制，站控層控制。該級控制在操作員工作站上完成，具有遠方/站控層的切換。

第四級控制，遠方控制，優先。

原則上間隔層控制和設備就地控制作為后備操作或檢修操作手段。為防止誤操作，在任何控制方式下都需采用分步操作，即選擇、返校、執行，并在站級層設置操作員、監護員口令及線路代碼，以確保操作的性和正確性。對任何操作方式，保證只有在上一次操作步驟完成后，才進行下一步操作。同一時間只允許一種控制方式。

納入控制的設備有：35kV及以下斷路器；35kV及以下隔離開關及帶電動機構的接地開關；站用電380V斷路器；主變壓器分接頭；繼電保護裝置的遠方復歸及遠方投退連接片。

3）定時控制。操作員對需要控制的電氣設備進行定時控制操作，設定啟動和關閉時間，完成定時控制。

4）監控系統的控制輸出。控制輸出的接點為無源接點，接點的容量對直流為110V（220V）、5A，對交流為220V、5A。

5.4.4 用戶權限管理

系統設置了用戶權限管理功能，通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作系統可以定義不同操作權限的權限組（如管理員、維護員、值班員組等），在每個權限組里添加用戶名和密碼，為系統運行、維護、管理提供可靠的保障。

6 系統硬件配置

7 結語

綜上所述，智能變電站繼電保護與自動化系統是電力系統領域的一項重要創新，為電力系統的安全、穩定和運行提供了強大的支持。然而，智能變電站技術仍面臨著一些挑戰，如網絡安全和標準化等問題，需要不斷研究和改進，進而為電力行業的可持續發展貢獻更大的力量。

參考文獻

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作者介紹：

張繼冬，男，現任職于安科瑞電氣股份有限公司