光伏发电站中继电保护及自动化装置的运行维护

　　孙文超

　　【摘 要】光伏发电站在日常运行中会出现各种故障，极易对发电站的运行造成影响。本研究以继电保护及自动化装置作为运维管理对象，分析站内装置配置方案以及装置可靠性的影响因素，探讨装置各组成部分失效对光伏发电站整体运行工况造成的影响，证明继电保护及自动化装置在光伏发电站项目中的重要作用，重点提出装置运行维护的优化路径，包括失效检测、冗余容错、多源信息在线监测、明确检修试验标准、健康指数评价等，旨在切实改善继电保护及自动化装置运行条件，预防装置拒动和误动问题发生。

　　【关键词】光伏发电站；继电保护；自动化装置；运行维护

　　引言

　　为贯彻落实绿色可持续发展战略，全面开发利用新能源已成为我国电力事业的主要发展方向。新建大量光伏发电项目，对于降低发电成本、缓解能源供需矛盾、保护生态环境具有重要的现实意义。新建光伏发电站系统往往结构复杂，面临着运行环境恶劣、继电保护及自动化装置投运效果不理想、装置失效以及各类电气故障问题。只有优化继电保护及自动化装置运行维护模式，才能减少故障发生，保证光伏发电站稳定安全运行。

　　一、光伏发电站继电保护及自动化装置概述

　　（一）配置方案

　　光伏发电站项目的继电保护及自动化装置包括线路保护、防孤岛保护以及一体化保护测控。各类装置的功能定位、工作原理及维护要求不同。其中，线路保护的主要对象是电缆导线，其保护策略包括以光纤总差保护装置作为主保护手段，同时辅以阶段式过流保护作为后备措施。这种保护配置能够精确检测到线路的异常工况，并迅速触发相应的保护动作，确保在尽可能短的时间内切除线路故障。保护架空线路时，需在两侧部署电压互感器，以满足重合闸需求。防孤岛保护是在逆变器内加装保护装置，或直接设置具备防孤岛保护功能的逆变器。光伏发电站脱离外部电网时，与站域负荷形成稳定自供给电力系统，要求保护动作时限不超过2s；必要时在专线两侧部署故障解列装置、增设联跳功能，用于增强保护[1]。一体化保护是配备同时具备检测、动作与报警等诸多功能的综合装置，可用于向主变压器等光伏发电站一次设备提供保护。站用变保护测控装置具备高压侧接地保护、高压侧正反时限保护、低电压保护在内的多项保护功能，在检测到变压器出现异常工况后，同步发送告警信号，如接地超温报警、过负荷报警。

　　（二）装置可靠性影响因素

　　经过长时间的运行，继电保护及自动化装置的可靠性主要受到硬件老化、软件异常、错误操作三方面因素影响，如果出现故障，可能会导致装置失效。

　　第一，在硬件老化方面，考虑到现场环境条件恶劣，一些装置长期处于高强度工作状态，实际老化速度超出正常水平，在投运使用一定年限后，保护插件、二次电缆等部件老化程度加剧，装置整体工作性能不断下滑；而组织开展维护保养功能仅能延缓老化速度，无法彻底解决装置持续老化问题。

　　第二，在软件异常方面，由于光伏发电站在不同阶段的运行控制需求发生变化，需要定期对现有控制系统进行升级，升级期间时常会出现软件程序不兼容问题；而在一次设备、二次设备台数持续增多的背景下，也会加重系统运行负担，可能出现系统瘫痪、崩溃的情况。

　　第三，在错误操作方面，装置运行维护是一项专业性较强的活动，如果工作人员违反操作准则，或因错误判断引起整定值设定有误等问题，也会导致装置误动或拒动[2]。

　　（三）装置失效影响

　　光伏发电站继电保护系统由保护硬件、保护软件、二次回路组成，不同组成部分失效期间对站域整体保护性能造成的影响不同。为利用有限资源，提高运维管理效果，工作人员必须明确掌握装置失效造成的影响，从而明确重点运行维护的对象，制定科学的运维管理方案。一般情况下，以二次回路作为最高优先级的运行维护对象，以监测、控制、调节一次设备作为功能定位；如果二次回路本身出现异常情况，将导致所采集电气量失真，进而影响装置保护动作性能。由于二次回路涉及面广，在外部环境干扰下，失效率可能明显超出保护装置，因此必须将其作为维护检修作业的重点关注项目。

　　二、光伏发电站继电保护及自动化装置的运行维护策略

　　（一）失效检测

　　失效检测也被称为专家诊断，通过提前收集继电保护及自动化装置的历史故障数据，以历史数据作为样本案例，长期进行机器学习，准确掌握故障问题客观发生规律，再将故障规律导入专家知识库内。知识库类型包括缺陷处理经验库、标准规范中心、运用知识库、运行维护知识库等。光伏发电站运行期间，通过在线监测与离线监测方式，定期采集继电保护及自动化装置运行数据，对原始数据进行预处理，将处理后的有效信息提交到专家知识库内。确定实时数据、故障数据相似度超出规定限值后，初步判定装置存在失效风险，迅速出具故障诊断报告，帮助工作人员了解失效性质、锁定故障位置，立即采取应对措施，尽量缩短装置失效持续时间。在采取失效检测技术时，为了进一步提升检测精确度并防止现场测量数据出现偏差，工作人员需要不断充实知识库内容，并进行动作判别特性的协同检验。

　　第一，丰富知识库内容。专家知识库关系着失效检测精度，知识库内容越丰富，越能全面掌握各类故障问题客观发生规律，降低误判概率。例如，继电保护配置知识库必须收集安全技术协议、出厂试验报告、技术说明书、验收报告、设备监造数据在内的相关信息；继电保护缺陷处理经验库，则以线路保护、变压器保护、电容器保护、故障录波等多类别继电保护缺陷处理方法及历史缺陷案例作为信息收集内容，应尽量提供更详细的故障分析过程。

　　第二，动作判别特性配合检验。失效检测系统基于二次回路来采集现场数据，如果二次回路本身处于绝缘能力降低、松动等异常状态，就会导致测量数据失真、检测结果失准。针对此类问题，技术人员需要配合应用失效检测、动作判别特性两种方法，按照历史故障案例与装置运行特点，把保护动作特性平面拆分为区内故障区、区外故障区、异常运行区和正常运行区，根据当前所处区域来执行相应的失效检测策略。例如，光伏发电站处在正常运行状态时，以可靠不动作当作继电保护要求；而当光伏发电站处在区内故障状态时，则要求继电保护装置迅速跳闸[3]。

　　（二）冗余容错

　　早期光伏发电站项目仅配备单套继电保护及自动化装置，可以降低项目造价成本、减轻运维管理工作量，但也降低了继电保护系统的可靠性。在装置处于失效状态的情况下，光伏发电站处于无防护状态，电气故障长期存在，会导致站内一次设备遭受不同程度的损伤。对此，项目应采取冗余容错措施，设置一套备用的继电保护及自动化装置，并在装置层面增加互校信息来强化纠错能力。光伏发电站运行期间，两套保护装置互为备用，相互检校实时测量数据，消除失真数据对保护动作准确性造成的影响，如果主装置故障失效，立即把备用装置投入使用，工作人员同步对故障装置进行维护检修。除去主备用装置一同失效等小概率事件外，装置失效问题基本不会对光伏发电站的总体运行工况造成实际影响。例如，对于站内交流公共电压回路，早期光伏发电站采取单路直流供电方式，其中某一组重动继电器损坏失效，都会失去该组交流电压，并在直流电源消失期间失去所有交流电压。此时需要改进切换回路，配备双位置继电器作为重动装置，如果直流电源消失，双位置继电器接电状态不发生变化，则正常接入交流电压。发电站可以选择对直流电源、切换回路和重动回路均进行双重冗余改造，以普通中间继电器作为重动装置，各台重动继电器节点并联接入交流电压回路。如此，某一路直流电源消失、重动继电器损坏，都不会失去交流电压。

　　（三）多源信息在线监测

　　继电保护及自动化装置失效问题存在随机性、突发性特征，很难提前预判到可能出现的故障问题，因此需要不断收集分析实时数据，争取在第一时间察觉故障、采取应对措施。为实现这一目标，缩短故障持续时间，发电站需要构建基于多源信息的在线监测系统，以继电保护及自动化装置为监测对象，定期采集、分析自检信号，准确评定装置运行状态，并根据监测数据变化趋势来推演未来运行状态。在线监测系统具备状态评价、行为分析两项核心功能，分别基于站域信息、广域信息来实现。

　　第一，状态评价功能。系统以运行环境、软件、硬件以及二次回路作为装置自检范围，设定各项自检指标的警戒值，定期比对测量值和警戒值，确定测量值临近或超出警戒限值后，初步判定装置出现失效问题，向工作人员发送报警信号。以运行环境自检为例，自检指标包括装置内部温度、站内环境温度与空气湿度。在高温高湿条件下，电容器等装置容易出现超温失效故障，配套显示屏老化程度加剧。

　　第二，行为分析功能。系统全面采集若干光伏发电站与并入电网的相关数据，对数据加以筛选分析，按照时间、保护事件、多端信息、录波数据进行智能分群处理，评估保护动作正确性及分析诊断装置故障；重点解决录波信息建模问题，模型同时包含数据与描述数据语义的信息，建立模型、保护跳闸等失效事件的内在关系[4]；主要采取inf文件来保存三层模型信息，首层信息为一次设备层或间隔层，第二层信息为交流组层，第三层信息为通道层。

　　（四）明确检修试验标准

　　状态检修是继电保护及自动化装置的一项重要运行维护手段，包括定期开展各项检修试验，根据试验报告消除潜在故障隐患，判断装置使用性能是否满足实际需求等。在传统运维管理模式下，检修试验规定内容不够详尽，没有明确规定巡检周期、检修要求等关键信息，主要依赖工作人员自身经验；检修过程缺乏规范性，实际检修效果偏离预期。因此，为改善运行维护效果，检修作业的标准有必要提高。通常，检修试验分为日常巡检、例行试验和诊断性试验三大类别。针对继电保护及二次回路作为检修对象时，需要补充以下相关信息：巡检的具体项目、巡检的周期以及巡检的详细要求。

　　第一，日常巡检。其主要内容为定期对装置运行工况进行巡视检查，同步开展一些简单维护工作，以改善装置状态。日常巡检项目包括现场环境检查、装置面板与外观检查、整定值检查、保护差流检查、光纤通道与高频通道检查等[5]。例如，现场环境检查项目，要求现场环境温度保持在5℃~30℃区间，环境湿度不超过75%。工作人员要记录现场环境温湿度数据，根据光伏发电站电压等级来确定巡视周期。对于110 kV及以下光伏发电站，每月需要至少开展1次现场环境检查作业。

　　第二，例行试验。装置投运使用年限超过1年，或因各类原因停运使用6个月以上时，在装置重新投运期间，必须开展例行试验，判断装置可靠性与工作性能是否满足使用需求。试验项目包括对地绝缘电阻检测、整组传动试验、模数转换系统检查、开入回路检查等。以对地绝缘电阻检测项目为例，该项目使用摇表作为测试设备，要求交流回路绝缘电阻不小于10MΩ，直流控制回路绝缘电阻值不小于1MΩ。

　　第三，诊断性试验。装置出现异常情况，以及故障装置检修后，都需要开展诊断性试验，分别以判定故障性质、判定故障处理效果作为试验目的。试验项目包括操作箱及辅助继电器校验、逆变电源性能检验、带负荷试验、保护定值与保护逻辑检验等。以操作箱及辅助继电器校验项目为例，该项目逐一检测出口继电器和防跳继电器动作电流，要求出口继电器动作值保持在额定电压的55%～70%范围以内，防跳继电器动作电流不超过额定跳合闸电流的1/2。

　　（五）健康指数评价

　　随着使用年限增加，继电保护及自动化装置老化程度持续加剧，健康程度不断恶化。工作人员应采取健康评价法，根据装置所处的使用阶段，科学设计相匹配的评价指标，定期对装置健康程度进行评价打分。装置健康程度越低，运行维护力度应越大。同时，无法使用的装置应进行强制报废。例如，在装置首次投运使用前，工作人员需要对装置本体和二次回路的健康状态进行评价，评价指标包括设计图纸、制造工艺、施工安装与投产验收，4项指标权重分值占比均为1/4。

　　结语

　　综上所述，为确保光伏发电站安全平稳运行，避免因二次设备失控而引发一系列问题，发电站工作人员必须重点加强对继电保护及自动化装置的运行维护力度，采取失效检测、冗余容错、多源信息在线监测等策略，提高运行维护水平，保证继电保护及自动化装置的稳定运行。

　　参考文献：

　　[1] 张旭,张超.光伏发电站中继电保护及自动化装置的运行维护分析[J].光源与照明,2022(09):51-53.

　　[2] 秦年.继电保护与配电自动化配合的故障处理措施[J].中华纸业,2024,45(01):103-105.

　　[3] 陈晚.继电保护及自动化装置相关技术应用[J].轻合金加工技术,2021,49(04):76.

　　[4] 熊飞,董蓓蓓,刘艳丽,等.分布式光伏电站接入系统后的继电保护配置[J].内蒙古电力技术,2021,39(01):64-67.

　　[5] 余小宇.探析继电保护在自动化变电站中的运行及维护[J].科学技术创新,2020(04):189-190.