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0引言
电力系统是现代社会的重要支撑，它为工业、商业和居民提供了不能缺少的电力供应。为了满足不断增长的电力需求，电力行业一直在不断创新和改进，其中一个关键的领域是智能变电站技术。智能变电站采用先进的继电保护与自动化系统，以实现电力系统的高度智能化和自动化，不仅可以实时监测电力设备的状态和参数，还可以自主地做出决策和控制操作，以确保电力系统的安全、稳定运行。
1智能变电站继电保护与自动化系统概述
1.1继电保护与自动化系统的基本功能
继电保护系统的基本功能在于监测电力系统中的各种异常情况和故障，当检测到故障或异常时，及时采取措施。例如，切断电路或发出警报，以防止事故扩大，降低电力系统的损失。这意味着继电保护系统具有快速响应和高度可靠的特点，能够在毫秒级别内采取行动，确保电力系统的稳定性和安全性。与此同时，自动化系统的任务是监视、控制和协调电力系统的运行。它利用先进的传感器技术、实时数据采集和远程控制，以实现电力系统的运行。自动化系统可以自动调整设备操作参数、实时优化电力负载分配、管理电力设备的运行模式，并通过智能算法来预测电力系统可能出现的问题，不仅提高了电力系统的效率，还有助于减少能源浪费、降低运营成本。
1.2智能变电站的特点
首先，智能变电站采用了先进的信息技术、通信技术和自动化控制技术。与传统的变电站相比，它具有更高的自动化程度和智能化水平，意味着智能变电站能够更加灵活地监测和控制电力设备，实时获取电力系统的运行数据，并对系统进行远程监视和调整，从而提高了运行的和可操作性。其次，智能变电站在设备配置和结构上有所不同。它采用了分布式控制系统，利用网络通信技术将各个设备连接在一起，形成一个高度互联的系统。这种结构的优势在于可以实现设备之间的实时信息交互和数据共享，同时能够更容易地扩展和升级系统，以适应电力系统的不断变化。
2继电保护与自动化系统的关键组成部分
2.1一次设备智能化和自动化控制
首先，一次设备的智能化使得设备能够实时监测自身状态和性能。传感器和监测装置可以连续地收集设备的电压、电流、温度等数据，并将这些数据传输给继电保护自动化系统，使得系统可以实时了解设备的运行状况，及时检测到潜在的问题或故障。如果出现异常情况，智能信息系统工程系统实践控制系统可以自动采取措施。例如切断电路或调整设备参数，以确保电力系统的安全运行。其次，一次设备的自动化控制允许系统对设备进行远程操作和调整，操作员可以通过继电保护与自动化系统远程监视和控制一次设备，而不必亲临现场，不仅提高了操作的便捷性，还降低了操作员的风险，特别是在危险环境中。
2.2二次设备网络化和数据通信
首先，二次设备的网络化意味着各个继电保护装置、控制器和监测设备之间通过网络连接在一起，形成一个高度互联的系统。网络化结构使得设备之间可以实现实时的信息传递和数据共享。例如，继电保护装置可以将电流、电压等数据传输给其他设备，以协同保护电力系统的稳定运行。同时，网络化还允许设备之间进行远程操作和控制，从而提高了系统的和可操作性。其次，数据通信是确保继电保护与自动化系统正常运行的关键。数据通信需要具备高带宽、低延迟和高可靠性的特点，以确保数据的及时传输和准确接收，对于及时检测电力系统中的异常情况、做出快速反应至关重要。因此，采用先进的通信技术，如光纤通信和高速以太网，是实现数据通信的关键。
2.3信息交互标准化和数据处理技术
首先，信息交互标准化意味着制定统一的标准和协议，以确保不同厂家生产的设备之间可以互相通信和协作。电力系统涉及多种设备，包括继电保护装置、开关设备、监测仪器等，它们通常由不同厂家生产，因此需要一套通用的通信协议来实现设备之间的数据传输和信息共享。通过标准化的信息交互，不仅降低了设备之间的兼容性问题，还提高了系统的可维护性和可扩展性。其次，数据处理技术涉及对大量数据的采集、存储、分析和处理。继电保护与自动化系统需要处理来自多个设备的数据流，包括电流、电压、温度等多种参数。数据处理技术可以对这些数据进行实时监测和分析，以便快速检测潜在的问题或异常情况。数据处理还可以用于事件记录和历史数据分析，帮助系统运维人员了解电力系统的性能和历史运行情况，为系统的优化和改进提供依据。
3继电保护与自动化系统的关键组成部分
3.1故障检测与定位
故障检测与定位的主要目标是及时发现电力系统中的故障并确定其发生位置，以便采取必要的措施来隔离故障，确保电力系统的可靠运行。
首先，故障检测是通过对电流、电压等参数的实时监测和分析来实现的。继电保护装置可以不断地监测电力系统中的参数变化，一旦发现异常情况，如电流超过设定值或电压异常，就会触发故障检测功能。故障检测有助于及时识别可能的故障，并迅速做出反应。其次，故障定位是确定故障发生位置的关键步骤。一旦故障被检测到，继电保护系统会利用数据分析和计算技术来确定故障的位置。通常涉及测量电流和电压的相位差、时序信息等，以定位故障点。这个过程不仅有助于快速隔离故障区域，还可以避免不必要的停电范围扩大，保障电力系统的连续供电。
3.2状态监测与控制
状态监测与控制的主要目标是实时监测电力设备和电力系统的运行状态，并根据监测数据采取自动化控制措施，以确保电力系统的安全、稳定和运行。
首先，状态监测涉及对各种电力设备的运行参数进行实时监测和数据采集，包括变压器、断路器、发电机、输电线路等设备的电流、电压、温度、湿度等多个参数。通过不断收集和分析这些数据，系统可以了解设备的工作状态，及时发现潜在问题或异常情况。其次，状态监测还包括对电力系统整体运行状态的监测，包括对电力系统的电压、频率、功率因数等参数的监测，以及对系统中潜在问题的预警。例如，当电压或频率超出正常范围时，系统可以自动发出警报，并采取措施来调整电力系统的运行，以避免可能的故障或损坏。控制功能方面，一旦监测数据表明存在问题或潜在风险，系统可以自动采取控制措施来应对，包括切断故障区域的电力供应、切换备用电源、调整设备的运行参数等，以确保系统的稳定性和安全性。
3.3数据分析与决策支持
数据分析与决策支持的主要任务是对大量的监测数据进行分析和处理，以深入洞察有关电力系统运行状态，并支持运维人员做出明智的决策。首先，这一功能通过对历史和实时数据的分析，可以识别电力系统的趋势和模式。例如，它可以分析设备的运行历史数据，发现设备可能存在的周期性故障或逐渐恶化的趋势。这种预测性分析有助于提前采取维护措施，以避免设备的突发故障。其次，数据分析与决策支持功能可以帮助运维人员识别异常情况。当监测数据显示与正常情况不符时，系统可以自动发出警报，指示运维人员关注可能的问题。实时监测和异常检测有助于快速响应电力系统的紧急情况，减少潜在的风险。这一功能还可以为决策制定提供支持。通过对大量数据的深入分析，系统可以生成各种报告和建议，帮助运维人员制定维护计划、升级设备或调整电力系统的运行参数，有助于提高电力系统的效率、可靠性和安全性。
3.4安全保护与故障处理
安全保护与故障处理的主要任务是确保电力系统的安全运行，并在出现故障或异常情况时采取适当的措施，以减少损失和维护电力系统的可用性。首先，这一功能通过监测电力系统的各种参数和状态，可以迅速检测到任何异常情况。一旦系统出现故障、短路、过载或其他问题，继电保护系统可以立即发出信号，切断受影响的设备或电路，从而防止故障扩散并保护设备免受损害，有助于维护电力系统的稳定性和安全性。其次，安全保护与故障处理功能还包括自动故障定位和恢复功能。一旦故障发生，系统可以自动识别故障的位置，以便维修人员能够快速准确地定位问题并采取适当的措施，有助于减少故障的停电时间，提高电力系统的可用性。这一功能还可以提供远程监控和控制能力。运维人员可以通过远程访问继电保护系统，如远程开关合闸或调整设备参数，监视电力系统的运行状态。这种远程控制功能提供了更灵活的运式，减少了人员在现场的工作量，并提高了运维的效率。
4智能变电站继电保护与自动化系统的性能评估
4.1可靠性分析和故障模拟
可靠性分析是对继电保护系统的稳定性和可靠性进行评估的过程，包括对系统的各种组件和设备的可靠性指标进行分析。例如，通过分析继电保护装置的平均无*障运行时间（MTBF）和平均时间（MTTR）等指标，可以评估系统的可用性和可靠性，以确定系统是否满足设计要求。其次，故障模拟是一种通过模拟不同故障情况来评估继电保护系统应对能力的方法。在这个过程中，各种故障情况，如短路、过载、设备故障等，会被模拟并注入系统中，然后评估继电保护系统的响应时间、正确性和性。模拟故障情况有助于发现系统中可能存在的问题，并进行相应的改进和调整。可靠性分析和故障模拟还可以用于制定预防性维护计划。通过分析系统的可靠性数据和故障模拟结果，确定哪些组件或设备可能更容易发生故障，从而可以提前进行维护，减少系统的停机时间。
4.2效率和能源消耗评估
效率评估涉及对继电保护与自动化系统的运行效率进行分析，包括系统响应时间、数据处理速度、自动化控制的准确性等方面。通过评估系统的效率，可以确定系统是否能够在合理的时间内响应各种情况，例如故障或异常情况，以确保电力系统的稳定运行。如果系统的效率较低，可能需要进行优化和改进，以提高其性能。其次，能源消耗评估是为了了解继电保护与自动化系统在运行时对能源的需求情况，包括系统所需的电力供应、冷却设备的能耗以及其他能源消耗。通过评估能源消耗情况，可以确定系统的能效，即在运行时所消耗的能源与其性能之间的关系，有助于发现系统中可能存在的能源浪费问题，并采取相应的措施来减少能源消耗，提高系统的节能性。
4.3安全性和可维护性考虑
首先，安全性是评估系统性能的关键因素之一。继电保护与自动化系统的主要任务之一是确保电力系统的安全运行。因此，系统具备足够的安全性，以应对各种潜在的风险和威胁。评估安全性包括对系统的抗干扰能力、防护措施的性以及对外部攻击的抵御能力等方面的考查。通过分析系统的安全性，可以确定是否需要进一步改进系统的安全性措施，以确保电力系统不受潜在威胁的影响。其次，可维护性与系统的可靠性和维护成本密切相关。一个良好的继电保护与自动化系统应该易于维护和管理，以便在需要时进行和升级。评估可维护性包括对系统组件的易用性、维护人员的培训需求以及维护成本的估算等方面的考虑。通过评估可维护性，可以确定系统是否需要改进以减少维护时间和成本，从而提高系统的可持续性和可靠性。
5 安科瑞Acrel-1000变电站综合自动化系统
5.1方案综述
Acrel-1000变电站综合自动化监控系统在逻辑功能上由站控层、间隔层二层设备组成，并用分层、开放式网络系统实现连接。站控层设备包括监控主机，提供站内运行的人机联系界面，实现管理控制间隔层设备等功能，形成全站监控，并与远方监控、调度通信；间隔层由若干个二次子系统组成，在站控层及站控层网络失效的情况下，仍能独立完成间隔层设备的就地监控功能。
针对工程具体情况，设计方案具有高可靠性，易于扩充和友好的人机界面，性能价格比优*，监控系统由站控层和间隔层两部分组成，采用分层分布式网络结构，站控层网络采用TCP/IP协议的以太网。站控层网络采用单网双机热备配置。
5.2应用场所
适用于公共建筑、工业建筑、居住建筑等各行业35kV以下电压等级的用户端配、用电系统运行监视和控制管理。
5.3系统结构
5.4系统功能
5.4.1 实时监测
Acrel-1000变电站综合自动化系统，以配电一次图的形式直观显示配电线路的运行状态，实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息，动态监视各配电回路断路器、隔离开关、地刀等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。
5.4.2 报警处理
监控系统具有事故报警功能。事故报警包括非正常操作引起的断路器跳闸和保护装置动作信号；预告报警包括一般设备变位、状态异常信息、模拟量或温度量越限等。
1）事故报警。事故状态方式时，事故报警立即发出音响报警（报警音量任意调节），操作员工作站的显示画面上用颜色改变并闪烁表示该设备变位，同时弹窗显示红色报警条文，报警分为实时报警和历史报警，历史报警条文具备选择查询并打印的功能。
事故报警通过手动，每次确认一次报警。报警一旦确认，声音、闪光即停止。事故报警发生阶段，允许下一个报警信号进入，即次报警不覆盖上一次的报警内容。报警处理具备在主计算机上予以定义或退出的功能。
2）对每一测量值（包括计算量值），由用户序列设置四种规定的运行限值（物理下限、告警下限、告警上限、物理上限），分别定义作为预告报警和事故报警。
3）开关事故跳闸到次数或开关拉闸到次数，推出报警信息，提示用户检修。
4）报警方式。报警方式具有多种表现形式，包括弹窗、画面闪烁、声光报警器、语音、短信、电话等但不限于以上几种方式，用户根据自己的需要添加或修改报警信息。
5.4.3 调节与控制
操作员对需要控制的电气设备进行控制操作。监控系统具有操作监护功能，允许监护人员在操作员工作站上实施监护，避免误操作。
操作控制分为四级：
一级控制，设备就地检修控制。具有优先的控制权。当操作人员将就地设备的远方/就地切换开关放在就地位置时，将闭锁所有其他控制功能，只进行现场操作。
二级控制，间隔层后备控制。其与第三级控制的切换在间隔层完成。
三级控制，站控层控制。该级控制在操作员工作站上完成，具有远方/站控层的切换。
四级控制，远方控制，优先。
原则上间隔层控制和设备就地控制作为后备操作或检修操作手段。为防止误操作，在任何控制方式下都需采用分步操作，即选择、返校、执行，并在站级层设置操作员、监护员口令及线路代码，以确保操作的性和正确性。对任何操作方式，保证只有在上一次操作步骤完成后，才进行下一步操作。同一时间只允许一种控制方式。
纳入控制的设备有：35kV及以下断路器；35kV及以下隔离开关及带电动机构的接地开关；站用电380V断路器；主变压器分接头；继电保护装置的远方复归及远方投退连接片。
3）定时控制。操作员对需要控制的电气设备进行定时控制操作，设定启动和关闭时间，完成定时控制。
4）监控系统的控制输出。控制输出的接点为无源接点，接点的容量对直流为110V（220V）、5A，对交流为220V、5A。
5.4.4 用户权限管理
系统设置了用户权限管理功能，通过用户权限管理能够防止未经授权的操作系统可以定义不同操作权限的权限组（如管理员、维护员、值班员组等），在每个权限组里添加用户名和密码，为系统运行、维护、管理提供可靠的保障。
6 系统硬件配置
| 应用场合 | 型号 | 图 片 | 保护功能 |
| 35kV变电站综合自动化系统 | Acrel- 1000 |
| 可显示变电站主接线图，模拟配电网络运行，实现无人值班模式；根据顺序事件记录、历史曲线、故障录波，协助运维人员实现快速故障分析、定位和排除问题，尽量缩短停电时间；实时采集各回路、设备的电流、电压、功率、电能以及谐波、电压波动等参数，对配电系统和用电设备进行用能分析和能效管理 |
| 网关 | ANet- 2E8S1 |
| 8路RS485串口，光耦隔离，2路以太网接口，支持ModbusRtu、ModbusTCP、DL/T645-1997、DL/T645-2007、CJT188-2004、OPC UA等协议的数据接入，ModbusTCP（主、从）、104（主、从）、建筑能耗、SNMP、MQTT 等协议上传，支持断点续传、XML、JSON进行数据传输、支持标准8GB SD卡（32GB）、支持不同协议向多平台转发数据；每个设备的多个报警设置。输入电源：AC/DC 220V，导轨式安装。 |
| 35kV/10kV/6kV 弧光保护 | ARB5-M |
| 主控单元，可接20路弧光信号或4个扩展单元，配置弧光保护（8组）、失灵保护（4组）、TA断线监测（4组）、11个跳闸出口； |
| ARB5-E | 扩展单元，多可以插接6块扩展插件，每个扩展插件可以采集5路弧光信号： | ||
| ARB5-S |
| 弧光探头，可安装于中压开关柜的母线室、断路器室或电缆室，也可于低压柜。弧光探头的检测范围为180°，半径0.5m的扇形区域； | |
| 35kV/10kV/6kV 进线柜电能质量 在线监测 | APView500 |
| 相电压电流＋零序电压零序电流，电压电流不平衡度，有功无功功率及电能、事件告警及故障录波，谐波（电压/电流63次谐波、63组间谐波、谐波相角、谐波含有率、谐波功率、谐波畸变率、K因子）、波动/闪变、电压暂升、电压暂降、电压瞬态、电压中断、1024点波形采样、触发及定时录波，波形实时显示及故障波形查看，PQDIF格式文件存储，内存32G，16D0＋22D1，通讯2RS485＋1RS232＋1GPS，3以太网接口（＋1维护网口）＋1USB接口支持U盘读取数据，支持61850协议。 |
| 35kV/100kV/6kV 间隔智能操控、 节点测温 | ASD500 |
| 5寸大液晶彩屏动态显示一次模拟图及弹簧储能指示、高压带电显示及闭锁、验电、核相、3路温温度控制及显示、远方/就地、分合闸、储能旋钮预分预合闪光指示、分合闸完好指示、分合闸回路电压测量、人体感应、柜内照明控制、1路以太网、2路RS485、1路USB接口、GPS对时、高压柜内电气接点无线测温、全电参量测温、脉冲输出、4～20mA输出； |
| 35kV/10kV/ 6kV传感器 | ATE400 |
| 合金片固定，CT感应取电，启动电流大于5A，测温范围-50-125℃，测量精度±1℃；无线传输距离空旷150米； |
| 35kV/10kV/6kV 间隔电参量测量 | APM830 |
| 三相（1、U、kW、kvar、kWh、kvarh、Hz、cosΦ），零序电流In，四象限电能，实时及需量，本月和上月值，电流、电压不平衡度，66种报警类型及外部事件（SOE）各16条事件记录，支持SD卡扩展记录，2-63次谐波，2D1＋2D0，RS485/Modbus，LCD显示； |
| 变压器绕组 温度检测 | ARTM-8 |
| 8路温度巡检，预埋PT100，RS485接口，2路继电器输出； |
| 变压器接头测温低压进出线柜接头测温 | ARTM-Pn-E |
| 无线测温采集可接入60个无线测温传感器；U、I、P、Q等全电参量测量；2路告警输出；1路RS485通讯； |
| ATE400 |
| 合金片固定，CT感应取电，启动电流大于5A，测温范围-50-125C，测量精度±1℃；无线传输距离空旷150米； | |
| 柜内环境温湿度 | AHE100 |
| 无线温湿度传感器，温度精度：±1℃，湿度精度：±3％RH，发射频率：5min，传输距离：200m，电池寿命：≥3年（可更换） |
| ATC600 |
| 两种工作模式：终端、中继。ATC600-Z做中继透传，ATC600-Z到ATC600-C的传输距离空旷1000m，ATC600-C可接收AHE传输的数据，1路485,2路报警出口。 |
| 应用场合 | 型号 | 图 片 | 保护功能 | 其他功能 |
| 35kV/10kV/ 6kV进线 | AM6-L |
| 三段式过流保护（带方向、低压闭锁）、过负荷保护、PT断线告警、逆功率保护、三相一次重合闸、低频减载、检同期、合环保护、断路器失灵保护； | 操作回路、 双以太网口、 双485口、 2路4-20mA变 送输出、 故障录波、 GPS对时、 全电量测量 直流量测量
|
| 35kV/10kV/ 6kV馈线 | AM6-L | 三段式过流保护（带方向、低压闭锁）、过负荷保护、PT断线告警、逆功率保护、三相一次重合闸、低频减载、检同期、合环保护、断路器失灵保护； | ||
| 35kV主变 （2000kVA以上） | AM6-D2/ AM-3 | 两圈变/三圈变差动速断保护、比例制动差动保护； | ||
| AM6-TB | 变压器后备保护测控、三段式过流保护（带方向、复合电压闭锁）、非电量保护、启动通风保护、PT断线告警、遥调升档、遥调降档、遥调急停； | |||
| 35kV/10kV/ 6kV厂用变 | AM6-S | 三段式过流保护（带方向、复合电压闭锁）、零序过流、过负荷保护（告警/跳闸）、控故障告警、PT断线告警、非电量保护； | ||
| 35kV电机 （2000kW以上） | AM6-MD | 差动速断保护、比例差动保护、过流、过负荷、堵转等电机综合保护； | ||
| 10kV/6kV 异步电机 | AM6-M | 两段式过流/零序过流/负序过流保护、过负荷保护（告警/跳闸）、低电压保护、PT断线告警、堵转保护、启动超时、热过载保护、电压不平衡； | ||
| 35kV/10kV/6kV PT监测 | AM6-UB | PT并列/解列、PT监测； | ||
| 10kV/6kV 电容器 | AM6-C | 两段式过流/零序过流保护、过负荷保护（告警/跳闸）、PT断线告警、过电压/欠电压跳闸、不平衡电压/电流保护； | ||
| 35kV/10kV/ 6kV母联 | AM6-B | 两进线备投/母联备投/自适应备投、联切备投、三段式过流保护（带方向、复合电压闭锁）、PT断线告警、过负荷联切/告警、检同期、合环保护； |
7 结语
综上所述，智能变电站继电保护与自动化系统是电力系统领域的一项重要创新，为电力系统的安全、稳定和运行提供了强大的支持。然而，智能变电站技术仍面临着一些挑战，如网络安全和标准化等问题，需要不断研究和改进，进而为电力行业的可持续发展贡献更大的力量。
参考文献
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