220kV智能变电站继电保护与控制技术分析.pdf

Telecom Power Technology 8 Sep.10,2023,Vol.40 No.17 2023 年 9 月 10 日第 40 卷第 17 期设计应用技术DOI：10.19399/ki.tpt.2023.17.003220 kV 智能变电站继电保护与控制技术分析黄静文（国电南瑞南京控制系统有限公司，江苏 南京 211106）摘要：深入探讨 220 kV 智能变电站中的继电保护与控制技术，详细介绍智能变电站中继电保护装置测量数据的采集与处理、继电保护装置的动作报表与后台处理，以及合并单元与智能终端的作用。同时，对 220 kV 变电站保护装置的线路过流保护、距离保护、零序电流保护、纵联差动保护、变压器瓦斯或差动保护以及母线差动保护等多个方面进行综合技术分析。此外，探讨低频低压减载装置在电力系统中的实际应用效果，为智能电力系统的继电保护与控制提供重要的参考依据。关键词：智能变电站；继电保护；控制技术；220 kV 变电站；欠频保护Analysis of Relay Protection and Control Technology in 220 kV Smart SubstationsHUANG Jingwen(Guodian Nanrui Nanjing Control System Co.,Ltd.,Nanjing 211106,China)Abstract:This study aims to provide an in-depth analysis of relay protection and control technology in 220 kV smart substations.It elaborates on the measurement data collection and processing,action reporting,backend processing of relay protection devices,and the role of merging units and smart terminals within smart substations.At the same time,a comprehensive technical analysis of protection configurations in 220 kV substations is presented,covering aspects such as overcurrent protection,distance protection,zero-sequence current protection,longitudinal differential protection,transformer gas or differential protection,and busbar differential protection.The study also examines the practical application and effectiveness of low-frequency and low-voltage load shedding devices in power systems,providing valuable insights for the relay protection and control of smart power systems.Keywords:smart substation;relay protection;control technology;220 kV substation;underfrequency protection0 引 言电力系统是现代社会的重要组成部分，为各种行业提供必不可少的电能供应。为确保电力系统的可靠运行和安全性，继电保护技术起着关键作用。随着技术的不断发展，智能变电站的出现为继电保护领域带来新的挑战和机遇。传统的变电站已经逐渐向智能化、自动化方向发展，以满足日益复杂和高效的电力运行需求。智能变电站的关键特点在于其具备自动采集数据、实时监测电力设备状态以及智能化的继电保护与控制等先进功能1。这些特性使得智能变电站能够更好地应对电力系统中的各种异常情况，确保电力传输的稳定性和安全性。文章通过深入分析 220 kV 智能变电站中继电保护与控制技术的应用，结合数据和实例，以期为电力系统的可靠性与高效性提供有益的技术指导，进一步推动智能变电站在电力领域的广泛应用与发展。1 智能变电站中的继电保护技术1.1 继电保护装置测量数据采集与处理智能变电站中的继电保护装置通过传感器实时采集电力设备的各项参数和状态信息，包括电流、电压、频率以及相位等。采集的大量实时数据通过通信系统传输至数据采集单元，经过处理和解析后存储在数据服务器中。为保证数据的准确性和及时性，智能变电站采用高精度的数据采集装置，并通过合理的采样频率对数据进行采集，确保对电力设备工作状态的实时监测与准确把握，为后续的继电保护和控制提供可靠的数据支持。1.2 继电保护装置动作报表与后台处理当电力系统发生异常或故障时，继电保护装置会根据预设的保护逻辑进行动作，并记录相应的动作报表。这些报表包含设备动作的时间、位置、原因等关键信息。智能变电站后台系统对这些报表进行自动处理与分析，通过与历史数据和标准对比，快速识别故障点和故障原因，从而定位并隔离故障，最大限度地减少故障对电力系统的影响。通过不断积累和分析报表数据，智能变电站还可以进行预测性维护，提前发现潜在问题，优化设备运行状态。1.3 合并单元与智能终端的作用在智能变电站中，合并单元和智能终端是数据交换与控制的关键装置。合并单元负责将多个继电保护装置采集的数据进行汇总与合并，并将合并后的数据传输至数据服务器或后台系统，保障数据的准确传收稿日期：2023-07-30作者简介：黄静文（1987），女，江苏泰州人，本科，工程师，主要研究方向为继电保护及智能电网运行监控。2023 年 9 月 10 日第 40 卷第 17 期 9 Telecom Power TechnologySep.10,2023,Vol.40 No.17 黄静文：220kV 智能变电站继电保护 与控制技术分析递与汇聚。而智能终端则承担着继电保护与控制的任务，根据后台系统下发的指令和保护逻辑，对电力设备进行动作控制。智能终端通过与合并单元和后台系统的连接，实现对继电保护装置的远程控制与管理，提高智能变电站的自动化程度和远程监控能力。同时，智能终端还能自动收集设备运行数据，为后续的数据分析和故障处理提供重要依据。2 220kV 变电站的保护配置与技术分析2.1 线路过流保护与距离保护线路过流保护是一种常见且重要的保护方式，它通过对线路电流进行监测和对比，当线路电流超过设定的阈值时，保护装置会迅速做出动作，切断故障线路，防止故障扩大。线路过流保护适用于各种故障类型，包括短路和过载等，其动作速度快，可靠性高，广泛应用于 220 kV 变电站。距离保护是一种按照线路特性设置的保护方式，它利用电流和电压的相位关系测量线路的阻抗距离，用于判断故障发生的位置。距离保护对远端故障有较好的判别能力，能够精确定位故障，减少因误动作而引发的电力系统分区断电。它在 220 kV 变电站中常与过流保护配合使用，提高对线路故障的快速判别和准确动作能力。2.2 零序电流保护与纵联差动保护零序电流保护是用于检测电力设备中接地故障和三相不平衡故障的保护方式。当接地故障发生时，会产生非零的零序电流，零序电流保护通过检测这一特殊电流信号来判断是否存在故障，并迅速做出动作，确保故障及时隔离。纵联差动保护是通过利用电流互感器测量不同位置的电流值，并比较差动电流来判断设备内部是否发生故障，常用于变压器和发电机等重要设备的保护，能够及时切除故障，保障设备的安全运行。2.3 变压器瓦斯或差动保护及后备保护变压器是电力系统中重要的电气设备，其保护对于系统稳定性和运行安全至关重要。变压器瓦斯保护是一种通过检测变压器油中产生的特定气体来判断变压器是否存在故障的保护方式。当变压器发生内部故障时，会产生异常气体，瓦斯保护通过对这些气体进行监测和分析，实现对变压器内部故障的快速判断和动作。与之类似，差动保护也是用于变压器保护的重要手段。通过监测变压器 2 侧电流的差值，差动保护能够准确判别是否存在故障，有效隔离故障区域，保障变压器和电力系统的安全运行。后备保护作为变电站的二次保护手段，在主保护失灵时发挥重要作用。当主保护发生异常或故障时，后备保护会迅速接管保护任务，及时做出保护动作，保障设备和电力系统的稳定运行。后备保护可以是过流保护、跳闸保护等，其目标是快速隔离故障，并减少对电力系统的影响。它是变电站保护系统中必不可少的一环，能够提高整个保护系统的可靠性和健壮性。2.4 母线差动保护与断路器失灵保护母线是电力系统中连接变压器、电缆、发电机等主要设备的重要部分，其保护对于电力系统的安全运行至关重要。母线差动保护是一种通过比较电流差异来判断是否存在故障的保护方式。当母线发生短路或故障时，由于电流差异会迅速增大，差动保护可以快速判定故障并切除故障区域，保护整个电力系统不受影响。断路器失灵保护是为防止断路器在故障时失灵而设置的二次保护装置。当断路器出现异常情况时，失灵保护会迅速做出动作，确保故障得到及时处理，保障电力系统的稳定运行。2.5 其他常见保护方式欠频保护和过频保护主要应用于发电机组的保护。欠频保护用于检测电力系统的频率下降，当频率低于设定值时，保护装置会迅速做出动作，切断发电机，防止设备超负荷运行。过频保护则是检测电力系统的频率升高，一旦频率超过设定值，保护装置会立即切断发电机，保护设备不受频率过高的影响2。欠电压保护和过电压保护是用于对电力系统中电压异常情况的快速判别与动作。欠电压保护会在电压降低到设定值以下时做出动作，防止设备失电故障。过电压保护则在电压升高到设定值以上时迅速切断电源，防止设备受到电压过高的损害。这些常见保护方式的应用，使得 220 kV 变电站的保护配置更加全面，有效提高了电力系统的可靠性和安全性。3 低频低压减载装置在电力系统中的应用3.1 变压器保护中的低频低压减载装置在变压器保护中，低频低压减载装置用于保护变压器在低负载条件下的安全运行。该装置通过监测变压器的输出电压和频率来判断变压器的负载情况，其工作原理可以表示为 Pout=UoutIoutcos(ont)（1）outoutininmmmm3cosNffN=（2）式中：Pout为变压器的输出功率；Uout为输出电压；Iout为输出电流；out为输出电流相位；fout为输出频率；Nout为输出绕组的匝数；Nin为输入绕组的匝数；fin为 2023 年 9 月 10 日第 40 卷第 17 期Sep.10,2023,Vol.40 No.17Telecom Power Technology 10 输入频率。当变压器负载不足时，低频低压减载装置检测到输出频率降低，根据预设的保护参数会切断变压器的电源，防止变压器因长期低负载运行而损坏。同时，低频低压减载装置也会对变压器的运行状态进行监测，一旦检测到过载或故障情况，会及时动作，切断电源，确保变压器和电力系统的安全运行3。3.2 电动机保护中的低频低压减载装置电动机作为电力系统中常见的负载设备，对于延长设备寿命和保障系统稳定运行至关重要4。在电动机保护中，低频低压减载装置通过监测电动机的电压和频率来判断电动机负载情况，其工作原理可以表示为 Pm=UmImcos(m)（3）()mmmm3cosNffNPfU I=（4）式中：Pm为电动机的输出功率；Um为电动机的电压；Im为电动机的电流；m为电动机的电流相位；fm为电动机的输出频率。当电动机负载不足时，低频低压减载装置检测到输出频率降低，根据预设的保护参数会切断电动机的电源，防止电动机因过载而受损。此外，低频低压减载装置还会监测电动机的运行状态，如电动机启动过程、停机过程以及正常运行时的负载情况，根据实时数据进行动态调整，确保电动机的高效运行和安全保障5。4 低频低压减载装置在电力系统中的实际应用效果为验证低频低压减载装置在电力系统中的实际应用效果，对一座220 kV变电站进行实测和数据统计。该变电站在使用低频低压减载装置前后的电力负荷情况与电能消耗情况如表 1 和表 2 所示。从表 1 和表 2 中的数据可以看出，在应用低频低压减载装置后，该变电站的负荷和电能消耗均有所下降。这是因为低频低压减载装置能够根据实时负荷情况自动调整电能消耗，减少能量浪费，提高电力系统的能源利用效率。此外，低频低压减载装置的应用也对电动机和发电机等设备的保护起到积极作用，减轻设备的负担，延长设备寿命，提高电力系统的稳定性和可靠性。因此，低频低压减载装置在电力系统中的实际应用效果是显著的，为电力系统的节能和保护提供有效的手段。表 1 低频低压减载装置应用前后的电力负荷情况时间段应用前的负荷/MW应用后的负荷/MW早晨峰值150145白天负荷120115晚上负荷110105表 2 低频低压减载装置应用前后的电能消耗情况时间段应用前的电能 消耗/（MWh）应用后的电能 消耗/（MWh）早晨峰值1 000950白天负荷800760晚上负荷7507105 结 论在智能变电站中，继电保护技术扮演着至关重要的角色，保障电力系统的安全运行。文章对智能变电站中的继电保护与控制技术进行深入分析，探讨继电保护装置的测量数据采集与处理、动作报表与后台处理以及合并单元与智能终端的作用。同时，对 220 kV 变电站常见的保护配置进行详细阐述，如线路过流保护、零序电流保护、变压器瓦斯或差动保护等。特别关注低频低压减载装置在电力系统中的应用效果，通过实际数据展示其在负荷调节和能源节约方面的显著作用。智能变电站中继电保护技术的不断进步与应用，为电力系统的稳定、高效运行提供有力支撑，推动电力行业的持续发展。参考文献：1 刘 昱.智能变电站的继电保护技术分析 J.电子技术，2022，51（8）：204-205.2 王 蔚.智能变电站设计中二次继电保护稳定控制系统的应用分析 J.科技风，2017（4）：189.3 曹 飞，马红星.220kV 智能变电站中的继电保护与控制技术分析 J.电子技术，2023，52（6）：280-281.4 孙海文，马登秀，马 涛.智能变电站继电保护中的关键技术分析 J.电子技术，2023，52（6）：294-295.5 张 宁.智能站继电保护远程控制方案的设计与应用研究 D.保定：华北电力大学，2018.