繼電保護(hù)的效能和可靠性-繼電保護(hù)測試儀
隨著微機(jī)繼電保護(hù)裝置（繼電保護(hù)校驗儀 ）的廣泛應(yīng)用和變電站綜合自動化水平的不斷提高，各種智能設(shè)備采集的模擬量、開關(guān)量、一次設(shè)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(shè)備的實時信息。但是，由于目前的微機(jī)型二次設(shè)備考慮較多的是對以往設(shè)備功能的替代，導(dǎo)致這些設(shè)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)是一個不可分割的整體，對整個電網(wǎng)的一、二次設(shè)備信息進(jìn)行綜合利用，對保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行具有重大的意義。近幾年，計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，使綜合利用整個電網(wǎng)的一、二次設(shè)備信息成為可能。電網(wǎng)繼電保護(hù)綜合自動化系統(tǒng)就是綜合利用整個電網(wǎng)智能設(shè)備所采集的信息，自動對信息進(jìn)行計算分析，并調(diào)整繼電保護(hù)（繼電保護(hù)校驗儀 ）的工作狀態(tài)，以確保電網(wǎng)運行安全可靠的自動化系統(tǒng)，它可以實現(xiàn)以下主要功能。
1.實現(xiàn)繼電保護(hù)裝置（繼電保護(hù)校驗儀 ）對系統(tǒng)運行狀態(tài)的自適應(yīng)。
2.實現(xiàn)對各種復(fù)雜故障的準(zhǔn)確故障定位。
3.完成事故分析及事故恢復(fù)的繼電保護(hù)輔助決策。
4.實現(xiàn)繼電保護(hù)裝置的狀態(tài)檢修。
5.對線路縱聯(lián)保護(hù)退出引起的系統(tǒng)穩(wěn)定問題進(jìn)行分析，并提供解決方案。
6.對系統(tǒng)中運行的繼電保護(hù)裝置進(jìn)行可靠性分析。
7.自動完成線路參數(shù)修正。
二、系統(tǒng)構(gòu)成
站在電網(wǎng)的角度，我們來分析電網(wǎng)繼電保護(hù)綜合自動化系統(tǒng)獲取信息的途徑。電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，可以從調(diào)度中心獲得；一次設(shè)備的運行狀態(tài)及輸送潮流，可以通過EMS系統(tǒng)實時獲得；保護(hù)裝置的投退信息，由于必須通過調(diào)度下令，由現(xiàn)場執(zhí)行，因此可以從調(diào)度管理系統(tǒng)獲得，并從變電站監(jiān)控系統(tǒng)得到執(zhí)行情況的驗證；保護(hù)裝置故障及異常，可以從微機(jī)保護(hù)裝置獲得；電網(wǎng)故障信息，可以從微機(jī)保護(hù)及微機(jī)故障錄波器獲得。
通過以上分析，可以看出，實現(xiàn)電網(wǎng)繼電保護(hù)綜合自動化系統(tǒng)的信息資源是充分的。為了更好的利用信息資源，應(yīng)建立客戶/服務(wù)器體系的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，按此結(jié)構(gòu)將系統(tǒng)分解成幾個部分，由客戶機(jī)和服務(wù)器協(xié)作來實現(xiàn)上述七種主要功能。這樣就可以實現(xiàn)*的資源分配及利用，減少網(wǎng)絡(luò)的通信負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)運行的總體性能。
客戶機(jī)設(shè)在變電站，主要實現(xiàn)以下功能：
1.管理與保護(hù)及故障錄波器的接口，實現(xiàn)對不同廠家的保護(hù)及故障錄波器的數(shù)據(jù)采集及轉(zhuǎn)換功能。在正常情況下巡檢保護(hù)的運行狀態(tài)，接收保護(hù)的異常報告。在電網(wǎng)發(fā)生故障后接收保護(hù)和故障錄波器的事故報告。
2.管理與監(jiān)控系統(tǒng)主站的接口，查詢現(xiàn)場值班人員投退保護(hù)的操作。
3.管理與遠(yuǎn)動主站的接口，將裝置異常、保護(hù)投退及其它關(guān)鍵信息通過遠(yuǎn)動主站實時上送調(diào)度端。
4.執(zhí)行數(shù)據(jù)處理、篩選、分析功能。實現(xiàn)對保護(hù)采集數(shù)據(jù)正確性的初步分析，篩選出關(guān)鍵信息。
5.管理及修改保護(hù)定值。
6.向服務(wù)器發(fā)出應(yīng)用請求，并接收服務(wù)器反饋信息。
7.主動或按服務(wù)器要求傳送事故報告，執(zhí)行服務(wù)器對保護(hù)和故障錄波器的查詢。
服務(wù)器設(shè)在調(diào)度端，可由一臺或多臺高性能計算機(jī)組成，主要實現(xiàn)以下功能：
1.向客戶機(jī)發(fā)送指令，接收并回答客戶機(jī)的請求。
2.接收客戶機(jī)傳送的事故報告。
3.控制對EMS系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)庫的存取。獲得一次設(shè)備狀態(tài)、輸送潮流及客戶機(jī)通過遠(yuǎn)動主站上送調(diào)度端的信息。
4.通過調(diào)度運行管理信息系統(tǒng)獲得調(diào)度員對保護(hù)的投退命令、設(shè)備檢修計劃等信息。
5.與繼電保護(hù)管理信息系統(tǒng)交換保護(hù)配置、定值、服役時間、各種保護(hù)裝置的正動率及異常率等信息，實現(xiàn)繼電保護(hù)裝置的可靠性分析。
6.執(zhí)行故障計算程序、繼電保護(hù)定值綜合分析程序、事故分析程序、保護(hù)運行狀態(tài)監(jiān)測程序、穩(wěn)定分析程序等應(yīng)用軟件。
在實現(xiàn)了變電站綜合自動化的廠站，客戶機(jī)可在保護(hù)工程師站的基礎(chǔ)上進(jìn)行功能擴(kuò)充，并成為變電站綜合自動化系統(tǒng)的組成部分。在沒有保護(hù)工程師站的廠站，可通過保護(hù)改造工程，建立變電站保護(hù)信息處理系統(tǒng)，使之成為客戶機(jī)。
由以上功能劃分可以看出，客戶機(jī)與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交換量并不大，僅在電網(wǎng)發(fā)生故障后，由于與故障設(shè)備有關(guān)聯(lián)的廠站的客戶機(jī)需要向服務(wù)器傳送詳細(xì)的故障報告，才會出現(xiàn)較大的信息量。因此，客戶機(jī)和服務(wù)器之間的聯(lián)絡(luò)，在目前條件下，*可以采用調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行異步通信。將來如有條件，建議盡量采用廣域網(wǎng)交換數(shù)據(jù)。
三、功能分析
1.實現(xiàn)繼電保護(hù)裝置對系統(tǒng)運行狀態(tài)的自適應(yīng)。
電網(wǎng)繼電保護(hù)的整定計算十分復(fù)雜，由于傳統(tǒng)的繼電保護(hù)以預(yù)先整定、實時動作為特征，保護(hù)定值必須適應(yīng)所有可能出現(xiàn)的運行方式的變化。假如一個變電站有15個元件，僅考慮本站檢修2個元件的組合方式就已經(jīng)達(dá)到100多個，而周圍系統(tǒng)機(jī)組停運、500KV自耦變的檢修及系統(tǒng)開環(huán)對短路電流和分支系數(shù)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(dá)到難以想像的數(shù)量。
為使預(yù)先整定的保護(hù)定值適應(yīng)所有可能出現(xiàn)的運行方式的變化，必然出現(xiàn)以下問題：
A. 縮短了保護(hù)范圍，延長了保護(hù)動作延時。
B. 被迫退出某些受運行方式變化影響較大的保護(hù)。如四段式的零序電流保護(hù)僅能無配合的使用其zui后兩段。
C. 可能還存在由于運行方式考慮不周而出現(xiàn)失去配合。
D. 被迫限制一次系統(tǒng)運行方式。
電網(wǎng)繼電保護(hù)綜合自動化系統(tǒng)可以*改變這種局面。只要在調(diào)度端的服務(wù)器安裝故障計算及繼電保護(hù)定值綜合分析程序，依靠從EMS系統(tǒng)獲得的系統(tǒng)一次設(shè)備的運行狀態(tài)，就可以迅速準(zhǔn)確的判斷出當(dāng)前繼電保護(hù)裝置整定值的可靠性，如出現(xiàn)部分后備保護(hù)定值不配合時，根據(jù)從調(diào)度管理系統(tǒng)獲得的線路縱聯(lián)保護(hù)及母差保護(hù)的投入情況，確定是否需要調(diào)整定值。如需要調(diào)整，可通過調(diào)度端服務(wù)器向變電站的客戶機(jī)下達(dá)指令，由客戶機(jī)動態(tài)修改保護(hù)定值，從而實現(xiàn)繼電保護(hù)裝置對系統(tǒng)運行狀態(tài)的自適應(yīng)。以上所有計算分析工作，均依靠調(diào)度端服務(wù)器實時自動完成，這樣，繼電保護(hù)整定值就無需預(yù)先考慮那些出現(xiàn)機(jī)率很小的組合方式，從而解決困擾繼電保護(hù)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題。
目前，系統(tǒng)中運行的保護(hù)裝置可分為三類：*類為非微機(jī)型保護(hù)；第二類為具備多個定值區(qū)并可切換的微機(jī)保護(hù)，一般不具備遠(yuǎn)方改定值的功能；第三類為新型微機(jī)保護(hù)，具備遠(yuǎn)方改定值的功能。對非微機(jī)型保護(hù)，在調(diào)度端可以將其設(shè)置為不能自動調(diào)整定值的保護(hù)，依靠周圍保護(hù)裝置的定值調(diào)整，實現(xiàn)與此類保護(hù)的配合。對第二類保護(hù)，可以事先設(shè)置多套整定值，調(diào)度端只是通過變電站客戶機(jī)，控制其在當(dāng)前運行方式下采用那套整定值來實現(xiàn)定值的自適應(yīng)。
為提高可靠性，保護(hù)定值的自適應(yīng)可與調(diào)度系統(tǒng)的檢修申請相結(jié)合。當(dāng)電網(wǎng)繼電保護(hù)綜合自動化系統(tǒng)從調(diào)度管理系統(tǒng)獲得計劃檢修工作申請后，即通過計算分析，事先安排定值的調(diào)整，并做相應(yīng)的事故預(yù)想（如在檢修基礎(chǔ)上再發(fā)生故障時保護(hù)的配合關(guān)系計算），從而大大提高系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的效能和安全水平。
2.實現(xiàn)對各種復(fù)雜故障的準(zhǔn)確故障定位。
目前的保護(hù)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。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(zhǔn)確進(jìn)行故障定位，必須得到故障前線路兩端綜合阻抗、相鄰線運行方式、與相鄰線的互感等信息，很顯然，僅利用保護(hù)或故障錄波器自己采集的數(shù)據(jù)，很難實現(xiàn)準(zhǔn)確的故障定位。另外，對于比較復(fù)雜的故障，比如跨線異名相故障，單端分析手段已經(jīng)無法正確判斷故障性質(zhì)和故障距離，因此，往往出現(xiàn)誤報。
我們知道，得到的系統(tǒng)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(zhǔn)確，因此，通過電網(wǎng)繼電保護(hù)綜合自動化系統(tǒng)，可以*解決這個問題。調(diào)度端數(shù)據(jù)庫中，已經(jīng)儲備了所有一次設(shè)備參數(shù)、線路平行距離、互感情況等信息，通過共享EMS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，可以獲得故障前系統(tǒng)一次設(shè)備的運行狀態(tài)。故障發(fā)生后，線路兩端變電站的客戶機(jī)可以從保護(hù)和故障錄波器搜集故障報告，上送到服務(wù)器。調(diào)度端服務(wù)器將以上信息綜合利用，通過比較簡單的故障計算，就可確定故障性質(zhì)并實現(xiàn)準(zhǔn)確的故障定位。
3.完成事故分析及事故恢復(fù)的繼電保護(hù)輔助決策。
系統(tǒng)發(fā)生事故后，往往有可能伴隨著其它保護(hù)的誤動作。傳統(tǒng)的事故分析由人完成，受經(jīng)驗和水平的影響，易出現(xiàn)偏差。由于電網(wǎng)繼電保護(hù)綜合自動化系統(tǒng)搜集了故障前后系統(tǒng)一次設(shè)備的運行狀態(tài)和變電站保護(hù)和故錄的故障報告，可以綜合線路兩端保護(hù)動作信息及同一端的其它保護(hù)動作信息進(jìn)行模糊分析，并依靠保護(hù)和故錄的采樣數(shù)據(jù)計算，從而能夠迅速準(zhǔn)確的做出判斷，實現(xiàn)事故恢復(fù)的繼電保護(hù)輔助決策。
當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生較大的事故時，由于在較短時間內(nèi)跳閘線路較多，一般已經(jīng)超過了繼電保護(hù)能夠適應(yīng)的運行方式，此時保護(hù)可能已經(jīng)處于無配合的狀態(tài)。此時進(jìn)行事故恢復(fù)，不僅需要考慮一次運行方式的合理，還需要考慮保護(hù)是否能夠可靠并有選擇的切除故障。借助電網(wǎng)繼電保護(hù)綜合自動化系統(tǒng)，可以分析當(dāng)前運行方式下保護(hù)的靈敏度及配合關(guān)系，并通過遠(yuǎn)程改定值，完成繼電保護(hù)裝置對系統(tǒng)事故運行狀態(tài)的自適應(yīng)。
4.實現(xiàn)繼電保護(hù)裝置的狀態(tài)檢修。
根據(jù)以往的統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，設(shè)計存在缺陷、二次回路維護(hù)不良、廠家制造質(zhì)量不良往往是繼電保護(hù)裝置誤動作的主要原因。由于微機(jī)型繼電保護(hù)裝置具有自檢及存儲故障報告的能力，因此，可以通過電網(wǎng)繼電保護(hù)綜合自動化系統(tǒng)實現(xiàn)繼電保護(hù)裝置的狀態(tài)檢修。具體做法如下：
A. 依靠微機(jī)保護(hù)的自檢功能，可以發(fā)現(xiàn)保護(hù)裝置內(nèi)部的硬件異常。變電站的客戶機(jī)搜集到保護(hù)的異常報告后，立即向相應(yīng)的調(diào)度端發(fā)出告警，從而使設(shè)備故障能夠得到及時處理，縮短保護(hù)裝置退出時間。
B. 保護(hù)的開入量一般有開關(guān)輔助節(jié)點、通訊設(shè)備收信、合閘加速、啟動重合閘、其他保護(hù)動作等幾種，這些開入量對保護(hù)的可靠運行起關(guān)鍵作用。變電站的客戶機(jī)可以監(jiān)視保護(hù)裝置的開關(guān)量變位報告。當(dāng)發(fā)現(xiàn)保護(hù)的開入量發(fā)生變位時，可以通過查詢變電站一次系統(tǒng)狀態(tài)以及其他保護(hù)和錄波器的動作信息確定變位的正確性。這樣，就可以及早發(fā)現(xiàn)問題，預(yù)防一部分由設(shè)計缺陷或二次回路維護(hù)不良引起的誤動作。
C. 為防止由于PT、CT兩點接地、保護(hù)裝置交流輸入回路異常、采樣回路異常等引起保護(hù)誤動作，可以由變電站的客戶機(jī)將保護(hù)啟動以后的報告進(jìn)行分析，首先可以判斷取自同一CT的兩套保護(hù)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(hù)故障報告中篩選出的故障電流基波穩(wěn)態(tài)值及相位等信息上傳到調(diào)度端，與線路對側(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以發(fā)現(xiàn)PT兩點接地等問題。
通過以上措施，可以加強(qiáng)狀態(tài)檢修，相應(yīng)延長定期檢修周期，使保護(hù)裝置工作在*狀態(tài)。同時，還可以提高維護(hù)管理水平，減輕繼電保護(hù)工作人員的勞動強(qiáng)度，減少因為人員工作疏漏引起的誤動作。
5.對線路縱聯(lián)保護(hù)退出引起的系統(tǒng)穩(wěn)定問題進(jìn)行分析，并提供解決方案。
隨著電網(wǎng)的發(fā)展，系統(tǒng)穩(wěn)定問題日益突出。故障能否快速切除成為系統(tǒng)保持穩(wěn)定的首要條件，這就對線路縱聯(lián)保護(hù)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(dǎo)致線路雙套縱聯(lián)保護(hù)退出時，只能斷開線路以保證系統(tǒng)穩(wěn)定和后備保護(hù)的配合。這種由于二次設(shè)備退出而影響一次設(shè)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(hù)綜合自動化系統(tǒng)，我們可以完成以下工作。
A. 根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前運行狀態(tài)校驗保護(hù)的配合關(guān)系。
B. 根據(jù)線路兩側(cè)定值確定不同點故障保護(hù)的切除時間。
C. 根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的運行方式、輸送潮流、系統(tǒng)及機(jī)組的參數(shù)，結(jié)合故障切除時間，判斷線路不同點故障時系統(tǒng)能否保持穩(wěn)定。
D. 判斷能否通過控制輸送潮流保持系統(tǒng)穩(wěn)定。
E. 反推系統(tǒng)保持穩(wěn)定需要的故障切除時間。
F. 通過遠(yuǎn)程改定值，保證系統(tǒng)穩(wěn)定及周圍系統(tǒng)后備保護(hù)的配合。
這樣，我們就可以大大減輕縱聯(lián)保護(hù)的退出給系統(tǒng)一次設(shè)備的運行帶來的影響，并提供縱聯(lián)保護(hù)的退出的整體解決方案。
6.對系統(tǒng)中運行的繼電保護(hù)裝置進(jìn)行可靠性分析。
通過與繼電保護(hù)管理信息系統(tǒng)交換保護(hù)配置、服役時間、各種保護(hù)裝置的正動率及異常率等信息，電網(wǎng)繼電保護(hù)綜合自動化系統(tǒng)可以實現(xiàn)對繼電保護(hù)裝置的可靠性分析。特別是當(dāng)某種保護(hù)或保護(hù)信號傳輸裝置出現(xiàn)問題，并暫時無法解決時，通過將此類裝置的可靠性評價降低，減輕系統(tǒng)對此類保護(hù)的依賴，通過遠(yuǎn)程調(diào)整定值等手段，實現(xiàn)周圍系統(tǒng)保護(hù)的配合，防止因此類保護(hù)的拒動而擴(kuò)大事故。
7.自動完成線路參數(shù)修正。
由于征地的限制，新建線路往往與原有線路共用線路走廊，線路之間電磁感應(yīng)日益增大，造成新線路參數(shù)測試的不準(zhǔn)確以及原有線路參數(shù)的變化。現(xiàn)在，依靠電網(wǎng)繼電保護(hù)綜合自動化系統(tǒng)，可以將每次故障周圍系統(tǒng)保護(hù)的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，利用線路兩端的故障電流、故障電壓，校核并修正線路參數(shù)，實現(xiàn)線路參數(shù)的自動在線測量，從而提高繼電保護(hù)基礎(chǔ)參數(shù)的可靠性，保證系統(tǒng)安全。
四、實現(xiàn)本系統(tǒng)的難點分析
1.管理問題
從技術(shù)上說，實現(xiàn)電網(wǎng)繼電保護(hù)綜合自動化系統(tǒng)的條件已經(jīng)成熟，無論是變電站客戶機(jī)對保護(hù)信息的搜集、信息的網(wǎng)絡(luò)傳輸還是調(diào)度端服務(wù)器對EMS系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)的讀取、故障及穩(wěn)定分析計算，都可以得到解決。主要的實施難度在于此系統(tǒng)需要綜合繼電保護(hù)、調(diào)度、方式、遠(yuǎn)動、通信以及變電站綜合自動化等各個專業(yè)的技術(shù)，并且涉及到控制運行設(shè)備，其它專業(yè)一般不愿牽扯其中，因此只有解決好管理問題，才可能順利實施。例如，目前變電站客戶機(jī)對信息的搜集，*可以也應(yīng)該納入到變電站綜合自動化系統(tǒng)，但是，由于管理界面的劃分，有些運行單位希望保護(hù)專業(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(tǒng)的擴(kuò)展。為了保證電力系統(tǒng)的安全運行，希望在將來的保護(hù)設(shè)計導(dǎo)則中，對此類問題統(tǒng)一予以規(guī)范。
2.安全性問題
由于電網(wǎng)繼電保護(hù)綜合自動化系統(tǒng)的功能強(qiáng)大，并且可以控制運行設(shè)備，與電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行息息相關(guān)，因此在設(shè)計之初，就必須對系統(tǒng)的安全性問題給予足夠重視?？梢哉f，安全性解決的好壞，將是本系統(tǒng)能否運用的關(guān)鍵。初步設(shè)想，調(diào)度端服務(wù)器必須采用雙機(jī)熱備用方式保證硬件安全；通過遠(yuǎn)方修改保護(hù)定值時，客戶機(jī)必須通過加密的數(shù)字簽名核實調(diào)度端傳送定值的可信度，并通過校驗碼及數(shù)據(jù)回送保證定值的可靠性。并且，當(dāng)客戶機(jī)向保護(hù)傳送定值時，必須不能影響保護(hù)的正常性能。在這方面，還需要做大量的工作。
3.規(guī)約問題
由于本系統(tǒng)將全網(wǎng)所有微機(jī)保護(hù)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(guī)約，將對系統(tǒng)實施起到事半功倍的作用。因此，希望參照國外標(biāo)準(zhǔn)，盡快建立國內(nèi)繼電保護(hù)信息組織規(guī)約。
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