陳翔宇

（國家能源集團(tuán)泰州發(fā)電有限公司，江蘇 泰州 225300）

0 引 言

我國從20世紀(jì)90年代以來開始在電力系統(tǒng)中應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)及半導(dǎo)體芯片技術(shù)，進(jìn)入21世紀(jì)后，又開始應(yīng)用現(xiàn)代化通信技術(shù)普及了分散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS），繼電保護(hù)綜合自動化水平也隨之不斷提高。隨著智能化和物聯(lián)化發(fā)展趨勢的影響，電氣系統(tǒng)開始應(yīng)用從控制室連接現(xiàn)場設(shè)備的雙向串行數(shù)字通信現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS），通過提高設(shè)備可靠性進(jìn)一步提高繼電保護(hù)綜合自動化水平。

1 電氣系統(tǒng)繼電保護(hù)綜合自動化的發(fā)展形勢

1.1 電氣系統(tǒng)自動化的現(xiàn)狀

繼電器保護(hù)系統(tǒng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分。當(dāng)前，在我國用電容量大、電氣參數(shù)高、設(shè)備控制任務(wù)和動作復(fù)雜的電力系統(tǒng)中，以分層分布為主要特征的綜合自動化技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，除了一些監(jiān)測任務(wù)較少和控制任務(wù)較為簡單的小型電氣系統(tǒng)中仍保留部分集中模式的控制系統(tǒng)以外，大部分電氣系統(tǒng)均采用了操作簡單、控制效率高的數(shù)字化控制系統(tǒng)，使得繼電器保護(hù)系統(tǒng)的自動化技術(shù)也發(fā)展成熟，成為電氣自動化領(lǐng)域里的一個比較受關(guān)注的技術(shù)熱點(diǎn)。

1.2 繼電保護(hù)綜合自動化的發(fā)展趨勢

當(dāng)前我國應(yīng)用于電氣系統(tǒng)的繼電保護(hù)綜合自動化技術(shù)依托于以太網(wǎng)的現(xiàn)場總線技術(shù)，采用實時通信的傳輸數(shù)據(jù)。綜合自動化技術(shù)多采用站內(nèi)獨(dú)立監(jiān)控和采集數(shù)據(jù)的分散控制模式，事故分析與處理界面可實現(xiàn)分層控制，具有信息傳輸速度快與數(shù)據(jù)傳輸量大等優(yōu)勢，體現(xiàn)了電氣自動化系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。目前，主要發(fā)達(dá)國家已經(jīng)在分散控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上普及了現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，結(jié)合集中控制與分散控制的優(yōu)勢，節(jié)省了遙控與執(zhí)行等人工操作環(huán)節(jié)[1]。

2 電氣系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的系統(tǒng)作用

2.1 保證電力系統(tǒng)的有效運(yùn)行

繼電保護(hù)裝置能夠及時發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)中如變壓器、輸配電線以及高壓開關(guān)等關(guān)鍵設(shè)備設(shè)施的運(yùn)行問題，降低了系統(tǒng)安全受到的影響，避免了設(shè)備故障和工作事故等破壞性的損害。繼電保護(hù)裝置通過關(guān)閉故障設(shè)備、隔離故障元件以及切斷系統(tǒng)線路等保護(hù)措施保護(hù)發(fā)電機(jī)、變壓器與配電箱等關(guān)鍵設(shè)備設(shè)施，從而保證電力系統(tǒng)整體功能不受影響地正常運(yùn)行[2]。我國應(yīng)用大規(guī)模電力系統(tǒng)的企業(yè)如發(fā)電廠、變電所以及開閉所等通過設(shè)置繼電保護(hù)裝置，可以進(jìn)一步維護(hù)用電安全與用電效率，推動組織與企業(yè)電力系統(tǒng)的有效運(yùn)行，推進(jìn)國家電力事業(yè)的信息化與自動化進(jìn)程。

2.2 提升了電力系統(tǒng)的工作效率

繼電保護(hù)裝置可以及時反應(yīng)電力系統(tǒng)中的設(shè)備設(shè)施故障，及時將數(shù)據(jù)反饋信息傳輸?shù)街蛋嗍医K端計算機(jī)或中央計算機(jī)，中央控制系統(tǒng)通過判斷信息等級確定系統(tǒng)故障的危害等級。繼電保護(hù)裝置設(shè)備根據(jù)中央控制系統(tǒng)反饋回的控制信號實現(xiàn)連鎖控制或聯(lián)動控制，作出相應(yīng)的保護(hù)動作，將系統(tǒng)故障影響控制在萌芽之中，使設(shè)備維修人員及時維護(hù)和檢修，保證電力系統(tǒng)的正常工作與運(yùn)行，提升電力系統(tǒng)工作效率。在智能化與網(wǎng)絡(luò)化的繼電保護(hù)裝置大規(guī)模應(yīng)用以后，繼電保護(hù)系統(tǒng)相關(guān)的工作已經(jīng)實現(xiàn)了自動化和智能化，進(jìn)一步降低了系統(tǒng)性故障的發(fā)生率，減少了維護(hù)人員的工作流程和工作時間[3]。

2.3 降低電氣系統(tǒng)故障的發(fā)生風(fēng)險

繼電保護(hù)裝置綜合自動化工作狀態(tài)的實現(xiàn)依托在計算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)，具有對電力系統(tǒng)正常工作運(yùn)營進(jìn)行設(shè)備監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場操控以及系統(tǒng)保護(hù)等功能，在工作中所處的狀態(tài)的是觀察與發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)健康程度的晴雨表。除正常運(yùn)行和檢修狀態(tài)以外，錯誤動作、拒動作以及故障狀態(tài)都能反應(yīng)當(dāng)前電力系統(tǒng)中出現(xiàn)了某種問題。繼電保護(hù)裝置為了保護(hù)電力系統(tǒng)的安全而執(zhí)行了保護(hù)功能，提醒管理人員或設(shè)備維護(hù)人員系統(tǒng)特定設(shè)備已經(jīng)發(fā)生了故障風(fēng)險，需要立即檢修，排除故障[4]。當(dāng)前較為前沿的智能化的繼電保護(hù)裝置設(shè)備還具備自我診斷、自動控制以及自動操作等先進(jìn)功能，進(jìn)而降低設(shè)備維護(hù)人員的工作量，能夠進(jìn)一步降低電力系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險，為維修人員指明故障設(shè)備與故障現(xiàn)場，減少設(shè)備維護(hù)人員面臨的工作危險。

3 電氣自動控制系統(tǒng)概述

3.1 監(jiān)控模式

3.1.1 集中控制模式

集中控制模式以電纜為媒介，系統(tǒng)中預(yù)設(shè)置電氣模擬量，采用設(shè)置空接點(diǎn)的方式通過硬接點(diǎn)傳輸標(biāo)準(zhǔn)直流信號，在輸入/輸出模件柜鏈接開關(guān)量信號燈以監(jiān)控電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)[5]。集中模式的工作原理是變強(qiáng)電信號為弱電信號，具有集中采集電氣量、管理組屏便捷、技術(shù)成熟以及響應(yīng)速度快等優(yōu)勢，但也存在電纜安裝工程量較大、投入成本高、系統(tǒng)干擾影響大以及系統(tǒng)輸入信息不完整等劣勢[6]。幾種模式的系統(tǒng)風(fēng)險主要體現(xiàn)在信息的集中處理上，復(fù)雜而煩瑣的運(yùn)行管理工作對系統(tǒng)的處理能力要求很高，目前尚缺乏較為完善的控制系統(tǒng)，集中模式下的繼電器保護(hù)綜合自動化的穩(wěn)定性尚顯不足，難以作為優(yōu)選方案。

3.1.2 分層分布模式

分層分布模式下的電氣系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置控制系統(tǒng)劃分為站級監(jiān)控層、通信層以及間隔層3個層次。站級監(jiān)控層通過通信網(wǎng)絡(luò)對間隔層進(jìn)行信息交換與管理，通信層主要以電纜為通信媒介，間隔層設(shè)有終端測控保護(hù)單元，每個間隔層將一次設(shè)備劃分為一個單位，形成電氣一次回路或電氣間隔，并配有開關(guān)柜或可靠性強(qiáng)的測控單元與保護(hù)單元。系統(tǒng)數(shù)據(jù)匯集、傳輸協(xié)議轉(zhuǎn)換以及控制命令等功能通過現(xiàn)場總線技術(shù)實現(xiàn)，如圖1所示[7]。分層分布模式的優(yōu)勢體現(xiàn)在系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定和對運(yùn)行管理工作分層處理，因此該模式下的繼電器裝置自動化運(yùn)行較為穩(wěn)定，是當(dāng)前電氣系統(tǒng)繼電器裝置自動化應(yīng)用的主要技術(shù)手段。

圖1 分層分布控制模式示意圖

3.1.3 現(xiàn)場總線模式

現(xiàn)場總線控制模式的基礎(chǔ)是分散控制模式，其創(chuàng)新點(diǎn)主要在于“現(xiàn)場”概念超越了工作環(huán)境，囊括了所有現(xiàn)場設(shè)備。現(xiàn)場設(shè)備實現(xiàn)了數(shù)字化、智能化以及網(wǎng)絡(luò)化，使得工作環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒒幚憩F(xiàn)場?，F(xiàn)場總線控制模式也采用固定類型的總線標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議是其核心，構(gòu)建開放式的通信網(wǎng)絡(luò)，總線協(xié)議下的技術(shù)與設(shè)備高度互聯(lián)，有別于分層控制模式的局域網(wǎng)模式，可見采用標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議的分散控制結(jié)構(gòu)比分層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)性能更加穩(wěn)定，信息準(zhǔn)確度高，便于安裝與維護(hù)管理?，F(xiàn)場總線控制模式示意如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場總線控制模式示意圖

3.2 監(jiān)控方式

3.2.1 集中監(jiān)控

采用集中控制方式的電氣系統(tǒng)采用高度集成的信息處理模式，所有數(shù)據(jù)傳輸功能集中在總控制室中央計算機(jī)中。集中監(jiān)控方式系統(tǒng)設(shè)計簡單，操作難度低，對信息數(shù)據(jù)實施統(tǒng)一批復(fù)與處理，系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)比較便捷，控制站系統(tǒng)安全和防護(hù)等級的要求也相對較低。對于設(shè)置小型電氣系統(tǒng)而言，采取集中模式系統(tǒng)并應(yīng)用集中監(jiān)控是經(jīng)濟(jì)且合理的，對于大型復(fù)雜化電氣系統(tǒng)而言，集中監(jiān)控方式“一帶多”容易導(dǎo)致中央計算機(jī)處理器任務(wù)增加和數(shù)量處理速度下降，也不利于子系統(tǒng)的構(gòu)建與設(shè)計，系統(tǒng)的擴(kuò)展能力不強(qiáng)[8]。例如，電氣系統(tǒng)中增設(shè)開關(guān)，與之匹配的繼電保護(hù)裝置也隨之增加，系統(tǒng)要求增設(shè)電纜數(shù)量，這些新增電氣設(shè)備進(jìn)一步提高了中央計算機(jī)處理器的功能，但強(qiáng)電電纜產(chǎn)生的電流電壓干擾也會影響計算機(jī)工作效率和使用壽命。

3.2.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控

分層分布模式下的遠(yuǎn)程監(jiān)控方式是較早出現(xiàn)的數(shù)字化設(shè)備與自動化系統(tǒng)的應(yīng)用方式，采用的是封閉式通信協(xié)議，屬于內(nèi)部局域網(wǎng)而非開放式網(wǎng)絡(luò)。其自動控制由硬件設(shè)備發(fā)出數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程計算機(jī)完成數(shù)據(jù)的收集、判斷及反饋功能。遠(yuǎn)程監(jiān)控方式下的繼電保護(hù)裝置相互獨(dú)立，有利于實現(xiàn)連鎖控制和聯(lián)動控制，設(shè)備故障后無法自動診斷與處理，在電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求方面與自動控制要求還有一定距離。遠(yuǎn)程監(jiān)控方式對電纜的要求不高，成本費(fèi)用相對較低，系統(tǒng)設(shè)計易于搭建，組態(tài)靈活，目前是實際應(yīng)用較高的自動化監(jiān)控方式[9]。

3.2.3 現(xiàn)場總線監(jiān)控

FCS模式下監(jiān)控方式更加便捷高效，其標(biāo)準(zhǔn)化信息技術(shù)及設(shè)備運(yùn)行效率主要由標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議確定。信息化的繼電保護(hù)裝置能夠精確地反映設(shè)備運(yùn)行狀況與效率，系統(tǒng)設(shè)計也更有針對性，可以根據(jù)不同間隔評估設(shè)備最小應(yīng)用數(shù)量與性能指標(biāo)。與DCS模式相比，現(xiàn)場總線監(jiān)控方式能夠精確計算維持繼電保護(hù)裝置的最低設(shè)備數(shù)量，有利于減少冗余設(shè)備如控制柜、I/0卡件以及模擬量變送器的數(shù)量。

4 提升電氣系統(tǒng)繼電保護(hù)綜合自動化的具體措施

4.1 設(shè)備安裝在提升電氣系統(tǒng)繼電保護(hù)綜合自動化中的具體措施

4.1.1 安裝措施

繼電保護(hù)裝置系統(tǒng)的保護(hù)效果最大程度反映了電氣系統(tǒng)的安保效果，屬于重要設(shè)備設(shè)施，企業(yè)或機(jī)構(gòu)在選擇安裝模式中應(yīng)首選DCS模式安裝，企業(yè)實力雄厚可以考慮FCS模式，應(yīng)用智能化設(shè)備以提升繼電保護(hù)系統(tǒng)的自動化水平與性能。安裝要點(diǎn)在于系統(tǒng)設(shè)備每個開關(guān)處都要落實安裝繼電保護(hù)器，普及計算機(jī)控制方式保證對每個繼電保護(hù)設(shè)備元件的控制與管理，通過信號傳輸與反饋確定故障位置。小型電氣系統(tǒng)中可以考慮采用集控模式或在分控模式中應(yīng)用集控模式，以減少電力與人力資源浪費(fèi)，此外要根據(jù)企業(yè)用電規(guī)模與資源配置選擇繼電保護(hù)裝置安裝模式，或者根據(jù)實際生產(chǎn)現(xiàn)場條件進(jìn)行安排，充分體現(xiàn)智能化設(shè)備的應(yīng)用價值。

4.1.2 調(diào)試措施

繼電保護(hù)裝置的系統(tǒng)調(diào)試一般采用差動保護(hù)極性校驗法，設(shè)備維護(hù)檢修人員可通過控制中心計算機(jī)對調(diào)試數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和分析?？刹捎脤Ρ确▽^電保護(hù)裝置中主變電流的差流相數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ然蚩v向?qū)Ρ?，判斷主變壓器的差動極性是否合理，也可以通過給主變壓器增加一定負(fù)荷，通過主變壓器的差動極性變化判斷繼電保護(hù)裝置是否穩(wěn)定工作、正常運(yùn)行。

4.2 設(shè)備管理在提升電氣系統(tǒng)繼電保護(hù)綜合自動化中的具體措施

4.2.1 報警裝置的構(gòu)建管理

報警裝置是繼電保護(hù)裝置實現(xiàn)其維護(hù)安全功能的核心裝置，對于繼電保護(hù)裝置穩(wěn)定運(yùn)營及負(fù)載起到安全評估的作用。日常管理中，一定要排除因外部撞擊和設(shè)備震動產(chǎn)生的誤報情況。維護(hù)人員和管理人員還要定期檢查報警裝置內(nèi)部構(gòu)件，保持報警裝置觸動點(diǎn)動作的靈敏度，積極清理內(nèi)部積灰，檢查螺絲的穩(wěn)固性等。當(dāng)報警裝置發(fā)出信號時，應(yīng)立即檢測繼電保護(hù)裝置內(nèi)的所有設(shè)備零部件是否出現(xiàn)焊接部位脫落和絕緣材料的老化等問題。

4.2.2 系統(tǒng)檢測核查

繼電保護(hù)裝置的日常維護(hù)管理應(yīng)提高檢查力度，包括信息化系統(tǒng)的檢測與設(shè)備檢測兩方面，操作人員要對比系統(tǒng)評價與設(shè)備實際調(diào)試運(yùn)行之間有無出入，現(xiàn)場總線系統(tǒng)是否真實反應(yīng)了設(shè)備的運(yùn)行狀況與穩(wěn)定狀況，以作為優(yōu)化系統(tǒng)的形式與依據(jù)。在檢查設(shè)備時，要先明確調(diào)試技術(shù)與調(diào)試方法，并對系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行全方位檢測與調(diào)試，真實紀(jì)錄每一次調(diào)試記錄，對調(diào)試運(yùn)行過程排查出的故障和缺陷做好記錄并留存電子文檔，及時上傳到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)維修操作人員和現(xiàn)場管理人員之間的信息共享，分享設(shè)備維護(hù)經(jīng)驗與技術(shù)，進(jìn)一步降低與預(yù)防事故概率。

4.2.3 人員維護(hù)管理

電力系統(tǒng)維保人員的專業(yè)素質(zhì)對繼電保護(hù)裝置穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，要正視維保人員系統(tǒng)維護(hù)方面的貢獻(xiàn)，而不僅僅是繼電保護(hù)設(shè)備出現(xiàn)問題之后的補(bǔ)救[10]。在系統(tǒng)安裝工作中，維保人員要按規(guī)范接線和調(diào)試，保證線路與部件安裝牢固，確保系統(tǒng)二次回路的正常穩(wěn)定工作。在日常檢測工作中要對巡視工作認(rèn)真負(fù)責(zé)，強(qiáng)化線路連接的穩(wěn)固性，確保繼電保護(hù)裝置在日常運(yùn)行中沒有出現(xiàn)部件過熱和噪音異常等特殊情況，同時在階段性維保時及時消除設(shè)備安全隱患，避免繼電保護(hù)裝置帶故障運(yùn)行。

5 結(jié) 論

繼電保護(hù)綜合自動化是電氣系統(tǒng)內(nèi)的重點(diǎn)研究方向之一，主要體現(xiàn)在繼電保護(hù)裝置的自動化方面，對電氣系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供了有力保障，增強(qiáng)系統(tǒng)功能的網(wǎng)絡(luò)化和智能化程度，對電氣系統(tǒng)繼電保護(hù)綜合自動化發(fā)展有著積極意義。通過對繼電保護(hù)系統(tǒng)的研究和實踐，有助于降低電氣設(shè)備的維護(hù)成本，保證系統(tǒng)功能實現(xiàn)與安全運(yùn)行。