智能变电站中的继电保护关键技术

■ 文/徐文彬

随着社会经济的发展，对电力系统自动化的需求日益增加。继电保护系统作为智能变电站安全、稳定运行的关键保障，能够及时检测电力系统中的故障和异常情况，并做出相应的保护动作，避免故障扩大和系统崩溃。

智能变电站的优势

随着电力系统的规模和复杂性不断增加，传统的变电站已经无法满足电网安全、可靠、高效运行的要求。智能变电站的发展作为电力系统智能化的重要组成部分，能够实现电力系统的智能感知、智能调度和智能控制，提升电力系统的运行效率和安全性。

●自动化与智能化

智能变电站采用先进的自动化技术和智能算法，能够更有效地监测、控制和管理电力系统，实现自动化操作和控制，降低了人工干预的需求，提高了系统的可靠性和效率。智能变电站具有远程监控和管理功能，运维人员可以通过远程系统实时监测和控制设备的状态，大大减少现场操作和维护的需求，提高了运维的效率和安全性。智能变电站具有更高的系统容量和可扩展性，可以适应不同规模电力系统的需求。

●交互性

智能变电站利用先进的通信和网络技术，实现各种设备之间的互联互通、数据传输和信息共享，并根据电力系统的需求和负荷情况，优化能源的分配和使用。随着可再生能源的快速发展，具备接纳、转换和调度多种能源能力的智能变电站，能够更加高效地集成分布式能源，实现对清洁能源的优化利用。

●可靠性

智能变电站通过大数据分析和智能算法，能够对电网运行数据进行实时监测和分析，提供决策支持和智能推荐。基于数据的预测和预警能力，智能变电站可以提前发现潜在故障和问题，采取相应措施，降低故障风险，提高设备的可靠性和使用寿命。智能变电站具有智能化的继电保护和自动装置，能够及时、准确地检测故障和异常情况，自动切除故障设备，避免事故扩大，并迅速对电网进行恢复。此外，智能变电站的安全措施和网络防护机制，可以提升系统的抗干扰能力，保障电网的稳定运行和安全性。

继电保护关键技术的分类

●线路中的继电保护技术

线路中的继电保护技术是用于保护电力系统中的线路设备免受过流、短路、接地故障等损坏的技术手段。继电保护装置通常与线路中的传感器（如电流互感器、电压互感器）配合使用，监测电流、电压、频率等参数，根据预设的保护逻辑和特定的动作条件，切断电源或发出报警信号。线路保护装置主程序是以数字信号处理（DSP）芯片为主中央处理器（CPU）来运行的。DSP 芯片是一种专门设计用于数字信号处理的芯片，具有高性能的运算能力和实时响应的特点。此外，在线路保护装置中，DSP 芯片常与ARM 芯片结合使用，这样可以充分利用DSP 芯片的高性能、实时性和信号处理能力，同时利用ARM 芯片的控制和管理功能，实现复杂的保护算法和功能，并提供友好的用户界面和系统集成能力。

●变压器的继电保护技术

变压器的继电保护技术是指一系列检测和响应变压器设备内部或外部的各种故障和异常情况的保护手段和技术措施，主要包括过载保护和短路保护等。过载保护用于监测变压器的负载电流，当电流超过预设的额定值或设定时间内持续超负荷时，继电器会触发动作，切断电源或采取其他保护措施。短路保护主要是监测和比较变压器不同侧（高压侧和低压侧）的电流和相位差等参数，一旦检测到短路情况，继电器会迅速采取动作，切断电源或断开短路故障部分。此外，变压器中的气体继电器可用于监测变压器油箱中的气体浓度，一旦气体浓度超过预设的阈值，继电器会触发警报或保护动作。

●限定电流输出保护技术

限定电流输出保护技术是一种用于保护电源输出回路的技术手段，通过将电流限制在安全范围内，防止过载或短路等故障造成设备损坏或安全问题。常用的限定电流输出保护装置包括电流限制器、电流互感器、电子限流器和断路器。电流限制器是一种用于限制电流的保护器件，当电流超过设定阈值时，电流限制器会自动调节或切断电路。电流互感器是一种用于测量电流的传感器，可将电路中的电流转换为与之成比例的电流输出，主要用于监测电流并触发保护动作。电子限流器通过控制电流的传递或采取电子调节手段，将电流限制在设定的范围内，以保护电源输出回路，具有快速响应和精确控制的特性。断路器在电路中起断开电路的作用，它具有过流保护功能，当电流超过额定值时，断路器会自动切断电源。

●微分欠压保护技术

微分欠压保护技术是一种电力系统保护技术，主要应用于变压器和发电机等设备，用于监测电流或电压的差异情况，以实现故障的快速检测和保护。微分欠压保护技术的应用能够有效地检测并保护设备免受内部故障和供电异常带来的损害，并在故障发生时迅速采取适当的措施。

微分欠压保护技术基于微分保护原理和欠压保护原理。微分保护通过比较变压器或发电机高压侧和低压侧的电流或电压差异来判断设备是否存在内部短路、相间短路以及大地故障等。当差异超过设定的阈值时，会触发保护装置，切断电源或采取其他保护措施。欠压保护技术还可以检测到电压异常下降或欠压的情况。当电压低于设定的阈值时，会触发保护装置，切断电源或采取其他保护措施，以避免设备的过载或其他故障。

继电保护关键技术的实现

●采样

采样是指从电力系统中获取电流和电压的样本值，并用于保护设备和系统的动作判据。采样通常使用模拟电路或数字电路进行。在数字采样中，电流和电压的模拟信号首先通过数字转换器（ADC）转换为数字信号，然后由数字电路进行采样和处理。以采样值传输会不会经过网络交换机为基准，采样可分成网采与直采两种。网采适用于大规模的电力系统，可以通过通信网络将采样数据从变电站传输到远方的保护装置；直采适用于局部的保护需求，保护装置直接采样附近的电流和电压信号，无须传输数据。

●跳合闸

跳合闸是指电力系统中出现故障或异常情况时，保护装置通过控制断路器或刀闸等设备进行跳闸（断开电路）或合闸（闭合电路）操作。跳闸操作的主要目的是迅速切断电流，以保护设备或电路的安全。直跳和网跳是两种常见的跳合闸方式。直跳适用于局部故障的快速隔离，减少对整个系统的影响；网跳适用于系统范围内的故障或超负荷情况，需要关闭整个系统以保护设备和确保系统稳定。

●对时

对时是指对各个保护装置的时钟进行同步，以确保它们在故障发生时能够基于统一的时间标准进行协调动作和保护决策。时间同步方法包括使用全球定位系统 (GPS)、国家的标准时间源、时钟同步协议（如PTP 等）。PTP 是一种基于网络的时钟同步协议，旨在实现高精度的时间同步，多应用于需要高精度时间同步的工业自动化和电力系统领域。一般的电力配电系统可以使用更简化的时间同步方法，如网络时间协议（NTP）。

●通信

智能变电站继电保护中的通信技术对于实现高效、可靠的数据传输和远程管理非常关键。智能变电站继电保护中常见的通信技术包括IEC 61850 通信技术、无线局域网（WLAN）通信技术、光纤通信技术和无线传感器网络（WSN）通信技术等。

IEC 61850 是一种基于以太网的国际标准通信协议，广泛应用于智能变电站中。它提供了一种开放、标准化的通信架构，用于实现保护设备之间的数据交换和互操作，能够满足保护装置的高速通信需求。WLAN 通信技术可以在智能变电站内部实现无线数据传输。它提供了高速的数据通信能力，可以连接各个继电保护设备、监控系统和管理平台，同时也支持远程访问和监控。通过光纤可以实现高速、大容量的通信，光纤通信技术可以用于连接智能变电站内部的设备，如继电保护装置、监控设备和管理系统，并支持长距离的数据传输和远程访问。在智能变电站中，WSN通信技术通过无线传感器节点的布置，可以实现对变电站内各个设备的监测和采集，从而实现智能化的继电保护和设备管理。

常用的远程数据通信网络包括互联网、虚拟专用网（VPN）和专用线路等。通过这些网络可以实现智能变电站与企业级监控系统或上级调度中心之间的数据传输和远程控制。

继电保护测试和运维

在继电保护的测试和运维过程中，通常结合使用软压板和硬压板这两种装置。软压板主要用于远程管理、配置和监控继电保护装置，实现对设备参数的修改和诊断；硬压板主要用于现场操作和手动控制，提供快速响应和准确控制的方式。综合使用软压板和硬压板能够更好地满足测试和运维操作的需求，保证继电保护系统的稳定性和可靠性。

综上所述，发展智能变电站对于提升电力系统智能化水平、促进清洁能源发展、提高供电可靠性和降低运营成本具有重要意义。智能变电站继电保护技术可以降低运营成本和提高运维效率，减少人工巡检和操控的工作量，提高能源的使用效率和节能减排，降低运营成本。同时，智能化的数据分析和预测功能，可以帮助运维人员进行继电保护设备的维护和故障排查，减少故障损失和维修时间，提高运维效率，保障智能变电站运行的安全性。