110kV及以下电压等级智能变电站系统的过电压防护研究

110kV及以下电压等级智能变电站系统的过电压防护研究
防护工作在各地变电站中非常重要，当前110kV及以下电压等级智能变电站影响范围大，防护水平也有待提升。

基于此，文章以110kV及以下电压等级智能变电站系统的过电压类型以及原因作为切入点，给予简述，并以此为基础，论述过电压防护措施，给出防护系统化、防护智能化等建议，最后以模拟实验方式对相关理论作系统论证，以期通过分析为后续具体工作提供必要参考。

标签：智能变电站；过电压；降维训练；防护系统化
Abstract：Protection work is very important in various substations. The current 110kV and below voltage level intelligent substation has a wide range of influence，and the level of protection also needs to be improved. Based on this，the paper takes the overvoltage type and reason of 110kV and below voltage level intelligent substation system as the breakthrough point，gives the brief introduction. Then，taking this as the foundation，it discusses the over-voltage protection measure，and gives the protection systematization，the protection intelligence and so on the suggestion. Finally，the simulation experiment is used to make a systematic demonstration of the relevant theory，in order to provide the necessary reference for the follow-up specific work through the analysis.
Keywords：intelligent substation；overvoltage；dimensionality reduction training；protection systematization
前言
过电压（over voltage）是指工频下交流电压均方根值升高，超过额定值的10%，并且持续时间大于1分钟的长时间电压变动现象，是负荷投切的瞬间的结果，正常使用时在感性或容性负载接通或断开情况下发生。

我国各地110kV及以下电压等级智能变电站的建设工程较多，这也对防护工作提出了较高要求，针对过电压类型以及原因展开分析，并探讨防护措施，具有较为突出的现实意义。

1 110kV及以下电压等级智能变电站系统的过电压类型以及原因
1.1 变电站系统的过电压类型
就110kV及以下电压等級智能变电站系统而言，其过电压类型可大致分为两种，即外部过电压和内部过电压。

外部过电压的发生率较低，也被称为大气过电压、雷电过电压，在变电站的工作中，直击雷和感应雷均有可能造成过电压，此时变电站可看做一个整体性的导体，雷电经变电站的避雷系统被导入地下[1]。

外部过电压往往具有脉冲特点，持续时间较短。

内部过电压也称为工频电压升高，包括空载长线电容效应、不对称短路接地、甩负荷过电压、空载线路合闸和重合闸过电压、切除空载线路过电压、线性谐振过电压、参量谐振过电压等。

内部过
电压发生原因复杂，且发生率较外部过电压更高[2]。

1.2 变电站系统的过电压原因
110kV及以下电压等级智能变电站系统过电压发生原因可归纳为电路状态和电磁状态的突然变化两个方面。

电磁状态的异常发生率相对较小，一般智能变电站周围的电磁场是稳定的，不会出现强大磁场影响变电站电压，但在雷电等强对流气象条件下、设备损坏的情况下，变电站周围磁场强度改变，有一定几率出现过电压问题。

电路状态的异常，是电力系统过电压发生的主要因素，如系统中性点不接地系统发生单相接地故障时，可能导致接地电弧间歇重燃，进而出现过电压。

在此过程中，即便较小的电弧电流，如果未能熄灭，也会导致电压的异常，较大的电容性电流，如果其强度超过10A，会导致电磁振动，出现过电压[3]。

此外，一些随机事件也可能导致过电压，如参数设定不合理、电阻系统/防雷系统异常等，均需要给予有效防护。

2 110kV及以下电压等级智能变电站系统的过电压防护措施
2.1 防护系统化
防护系统化，是指在110kV及以下电压等级智能变电站系统中，构建带有整体价值的防护体系，将各个环节纳入统一的系统下，保证所有危险环节得到处理和应对。

如外部过电压和内部过电压都面临电荷富集的影响，该影响主要破坏电磁环境，导致变电站周边电磁场的异常变化。

在防护工作开展的过程中，需要建立涵盖两个方面的防护系统，建立可以独立工作的两套导电系统，一套用于外部过电压的防护，另一套应对可能出现的内过电压。

当外部电荷持续聚集时，通过外部防护系统将其导入地下，消除电磁变动出现的可能。

当内部存在单相接地故障时，则有内部防护系统进行处理。

以统一的管理系统指导具体作业，该防护系统需要借助智能化和防护监控两条举措具体实现。

2.2 防护智能化
防护系统化的关键，是工作的智能化。

拟应用降维训练的方式进行大规模机器训练，将训练结果代入到智能设备中，用于防护系统的感知和危险处理。

思路上看，智能设备可根据系统默认程序判别变电站系统的异常，如内部过电压，并在过电压发生后给予记录和处理，降低地破坏作用，整个工程是自动化、无人化的。

要求在实际工作中，收集2000个以上的变电站工作样本，每个样本都涵盖脉冲、电压值、电流值、电阻值等不同维度。

应用K近邻算法进行大规模高效率机器训练，每一个维度设置一个训练定义域，该定义域涵盖变电站工作的一个单独维度，以该维度的最大值/最小值作为训练边界。

在正常工作状态下，变电站输出电流始终处于一个范围内，在额定值上下波动，以A表达电流值（标准值），则变电站输出电流将呈现为一个数列：A=[……A-3；A-2；A-1；A；A+1；A+2；A+3……]
该数列内的最大值/最小值，即为定义域的边界值。

每一个标准值，都作为一个K点，投入样本作单一维度的机器训练。

与电流的变化相同，电阻的变化也必然呈现为一个数列形式，以Ω表达电阻，该数列为：
Ω=[……Ω-3；Ω-2；Ω-1；Ω；Ω+1；Ω+2；Ω+3……]
以相同的方式完成电阻定义域内的机器训练，逐一完成变电站所有项目的降维训练。

在智能设备工作的过程中，任一维度数值超过最大值/最小值，系统均可判定其异常，进行警报和处理，这需要借助监控和应急措施实现。

2.3 防护监控与应急处理
防护监控拟采用分布监测、统一管理基本原则，应急工作则以智能设备的默认程序为基础，自动化进行。

分布监测是指在智能变电站工作的各个关键区域，均设置1个智能工作设备，了解该区域的工作情况，并以5s（或其他时间间隔）为间隔，通过传感器感知该区域工作信息，传输给单片机进行信息读取和对应维度的匹配识别。

如变压器位置的电压波动，以传感器感知后，立即传输给单片机，如果变压器电压稳定，不予处理；如果变压器电压异常，且超过定义域内的极值（最大值/最小值），单片机通过匹配分析发现该问题，可通过有线通信方式将其传输至管理人员处。

如果变压器过电压问题严重，则由智能设备启动应急方案，进行断电处理，保证变电站不会因为严重的过电压出现事故。

2.4 模拟实验
选取某地110kV智能变电站作为对象，收集其参数建立计算机模型，通过参数调整法进行实驗，观察系统能否准确识别过电压问题、识别时间以及处理时间。

实验进行120次，调整电压参数进行模拟，结果如表1所示。

从实验结果来看，当以常规电压进行实验时，系统可以识别其状态为“正常”，不发生其他动作；当出现过电压问题时，各处智能设备能够精准识别问题，识别时间平均为2.7s，重大问题的处理时间为2.2s，这表明，上述方案可以有效保证智能变电站系统免受过电压影响。

3 结束语
综上，110kV及以下电压等级智能变电站系统可能受到过电压影响，导致工作异常甚至安全问题，优化防护十分必要。

目前来看，相关智能变电站系统过电压包括外部过电压和内部过电压两大类，原因包括电路状态、电磁状态的突然变化以及随机因素的影响。

防护方面，强调系统化、智能化，同时还应做好监控与应急处理，模拟实验证明了理论价值，可以作为参考，应用于后续具体工作中。

参考文献：
[1]徐胜，刘浔，时维经.基于EMTP的500kV变电站典型过电压辨识研究[J].
水电能源科学，2018，36（04）：199-203.
[2]曾文龙，李乾坤，齐向东.变电站一次设备过电压对其二次回路影响及其防范措施研究[J].电子测试，2018（Z1）：81-82+42.
[3]刘芳，李盛伟，徐兵，等.XLPE电缆参数对天津某220kV GIS变电站雷电过电压的影响研究[J].电气应用，2017，36（12）：26-29.。