趙潞翔，韓衛(wèi)恒，樊麗琴

（1.北京林業(yè)大學(xué)，北京 100083；2.山西省電力公司調(diào)度控制中心，山西 太原 030001）

0 引言

根據(jù)國家電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)的發(fā)展目標(biāo)，智能變電站建設(shè)已進入全面開展階段，大部分新建變電站均按智能站設(shè)計、建設(shè)，“十二五”計劃新建約5 100座智能變電站，對約1 000座變電站進行智能化改造。

隨著智能變電站建設(shè)規(guī)模不斷擴大，在設(shè)計、調(diào)試、運行維護環(huán)節(jié)逐漸出現(xiàn)諸多問題，對智能變電站安全、快速發(fā)展帶來一定的影響，對智能站建設(shè)過程中暴露的問題進行及時匯總并深入分析研究就顯得尤為重要。

1 智能變電站概況

從物理角度來分析，智能變電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為智能化的一次設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備，而目前智能化一次設(shè)備由于電子式互感器的不可靠性而進展緩慢，網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備基本已經(jīng)實現(xiàn)；從邏輯結(jié)構(gòu)層面分析，智能變電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括過程層、間隔層、站控層3個層次[1]。

1.1 過程層

過程層由獨立的智能電子裝置和一次設(shè)備及其所屬的智能組件構(gòu)成，其中，一次設(shè)備主要包括隔離開關(guān)、斷路器、電流/電壓互感器、變壓器等。圖1為智能變電站過程層簡易網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。

圖1中，制造報文規(guī)范MMS（Manufacturing Message Specification），面向通用對象事件GOOSE（GenericObjectOrientedSubstationEvent），采樣值SV（Sampled Value），線路電壓互感器 PT（Potential Transformer）， 線 路 電 流 互 感 器 CT（Current Transformer）。

目前，由于電子式互感器抗干擾弱，基本不再使用，而采用常規(guī)互感器+合并單元，隔離開關(guān)、斷路器+智能終端的方式。

1.2 間隔層

間隔層設(shè)備主要由二次設(shè)備組成。這些二次設(shè)備主要有監(jiān)測功能組的主智能電子裝置、系統(tǒng)測控裝置、繼電保護裝置等。

1.3 站控層

站控層包括自動化站級通信系統(tǒng)、對時系統(tǒng)、站域控制、監(jiān)控系統(tǒng)等，對整個變電站的設(shè)備進行監(jiān)控、報警以及信息的傳遞，主要用于數(shù)據(jù)、同步相量和電能量的采集，負(fù)責(zé)管理保護信息，具有監(jiān)控、操作閉鎖等功能。

圖1 智能變電站過程層簡易網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

2 智能變電站相關(guān)設(shè)計配置問題探討

2.1 智能控制柜

目前，智能控制柜按斷路器單柜配置，對220kV變電站，依據(jù)雙重化配置要求，控制柜內(nèi)含有2臺智能終端、2臺合并單元，電纜接線與光纜數(shù)量增多且布置密集重疊，各種交、直流空氣開關(guān)眾多。因此，在智能控制設(shè)計時，建議綜合考慮以下幾方面因素。

a）智能控制柜設(shè)計尺寸應(yīng)充分考慮其檢修方便性，為檢修工作留有充足的空間，否則有誤碰運行設(shè)備的安全隱患。

b）應(yīng)充分考慮柜內(nèi)散熱性能和濕度調(diào)節(jié)性能。合并單元、智能終端中某些插件有一定的運行溫度，超過一定溫度便不穩(wěn)定甚至停止工作，柜內(nèi)濕度過大，容易發(fā)生漏電、電纜間放電，發(fā)生安全事故，因此，柜體設(shè)計應(yīng)具有良好的散熱性和濕度調(diào)節(jié)性。

c）為充分保證安全性，建議智能控制柜宜按雙重化、雙套配置，或1個柜體分成有明顯界限的兩部分，在空間上進行隔離，當(dāng)1套智能控制柜出現(xiàn)狀況時，有效保證另1套安全獨立運行。

2.2 變壓器保護跳母聯(lián)和分段斷路器方式

在國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《智能變電站繼電保護技術(shù)規(guī)范》（Q/GDW441—2010）號文件變壓器保護一項中規(guī)定：變壓器保護跳母聯(lián)、分段斷路器及閉鎖備用電源自動投入裝置、啟動失靈等可采用GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸。

變壓器保護跳母聯(lián)、分段斷路器在沒有特殊情況下，首先選擇直接跳閘方式。原因有以下幾個方面。

a）441號文件中同樣規(guī)定保護裝置應(yīng)直接采樣，對于單間隔的保護應(yīng)直接跳閘，涉及多間隔的保護宜直接跳閘。變壓器保護是涉及多間隔的保護，變壓器保護跳母聯(lián)斷路器也應(yīng)與跳各側(cè)斷路器一樣采用直接跳閘。

b）智能變電站保護跳閘之所以要求采用直接采樣、直接跳閘原則，根本原因為一是保證保護采樣、跳閘的充分可靠性；二是考慮其維護方便性、安全性，直接采樣直接跳閘方式使得信息傳輸路徑獨立，維護更方便、安全；三是如果過程層網(wǎng)絡(luò)癱瘓，保護裝置不受影響，提高系統(tǒng)安全可靠性運行。因此，在充分理解直采直跳根本原因的基礎(chǔ)上，變壓器保護跳母聯(lián)斷路器采用直接跳閘。

變壓器保護閉鎖備用電源自動投入、啟動失靈等采用GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸。《智能變電站繼電保護技術(shù)規(guī)范》總則中規(guī)定：繼電保護之間的聯(lián)閉鎖信息、失靈啟動等信息宜采用GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸方式。備用電源自動投入裝置和母線保護裝置都屬于間隔層設(shè)備，間隔層設(shè)備之間的交換信息便可通過過程層網(wǎng)絡(luò)進行交互。

2.3 低頻和低壓減載裝置跳閘方式問題

對于低頻、低壓減載裝置跳閘方式，《智能變電站繼電保護技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，備用電源自動投入、過載聯(lián)切等功能可在間隔層或站控層實現(xiàn)。要求快速跳閘的安全穩(wěn)定控制裝置應(yīng)采用點對點直接跳閘方式。文獻[2]中對常規(guī)電纜跳閘和網(wǎng)絡(luò)跳閘兩種方式進行了比較，得出采用網(wǎng)絡(luò)跳閘不僅能夠減少大量控制電纜，降低設(shè)備及安裝費用，而且可以簡化設(shè)備之間的邏輯連接，減少接線故障，同時文中指出GOOSE報文不經(jīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，直接在以太網(wǎng)鏈路層傳輸且?guī)?yōu)先級的情況下，網(wǎng)絡(luò)跳閘能夠滿足低頻低壓減負(fù)荷裝置動作時間。

為保證在網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況下低頻低壓減載裝置仍能可靠跳閘，當(dāng)智能終端端口數(shù)量充裕時，低頻低壓減載裝置采用直接跳閘方式。220 kV、110 kV電壓等級有可靠的過程層網(wǎng)絡(luò)，可采用網(wǎng)跳方式；而35 kV及以下電壓等級沒有過程層網(wǎng)絡(luò)，雖然站控層網(wǎng)絡(luò)可傳輸GOOSE信息，但站控層交換機的技術(shù)要求遠(yuǎn)低于過程層交換機，無法滿足跳閘的各項技術(shù)指標(biāo)，因此不能采用網(wǎng)絡(luò)跳閘，而采用電纜直跳，條件滿足時亦可光纖直跳。

2.4 變壓器零序和間隙電流互感器配置問題

變壓器零序、間隙電流互感器CT配置目前主要有以下兩種配置方案。第一種方案見圖2，第二種方案見圖3。

圖2 變壓器零序和間隙電流互感器配置圖

圖3 變壓器零序和間隙電流互感器優(yōu)化配置圖

方案一：變壓器零序采用套管CT，間隙采用外附CT；方案二：變壓器零序、間隙均采用外附CT。采用方案一時變壓器保護應(yīng)根據(jù)運行方式投退間隙、零序過流、零序過壓壓板。變壓器接地運行時投入零序過流壓板，退出間隙過流、零序過壓壓板；變壓器不接地運行時，投入間隙過流、零序過壓壓板，退出零序過流壓板。采用方案二時，變壓器保護可同時投入間隙過流、零序過壓、零序過流保護功能壓板，由于其間隙、零序各自采用自身的CT，因此當(dāng)變壓器不接地時，零序保護自動退出，運行方式發(fā)生變化時不需要操作壓板。

2.5 線路和變壓器支路CT繞組配置問題

無論是常規(guī)變電站還是智能變電站，線路、變壓器支路保護用CT繞組和計量、測量用CT繞組均應(yīng)配置于斷路器的線路（變壓器） 側(cè)。如果計量、測量用CT繞組配置在斷路器母線側(cè)，一旦該繞組發(fā)生故障，將造成母差保護動作跳閘，擴大事故范圍。

2.6 變壓器零序電壓獲取方式

早期，繼電保護裝置全部為電磁式保護，變壓器保護的零序電壓無法通過保護內(nèi)部計算得出，只能通過PT開口三角形引出線獲取零序電壓。后來發(fā)展到微機保護裝置，此時微機保護已可實現(xiàn)通過內(nèi)部計算獲取零序電壓，且?guī)в蟹较颍鳳T開口三角形零序電壓同時也在沿用，保護裝置的零序方向采用自產(chǎn)零序，零序電壓大小采用外接零序。發(fā)展到智能變電站，各種信息已高度數(shù)字化，變壓器保護零序電壓大小、方向完全可以統(tǒng)一采用自產(chǎn)零序電壓。另，外接零序存在很多缺點，如開口三角形無法判斷其回路完好性，同時也存在極性接反的風(fēng)險。

2.7 110 kV變電站變壓器各側(cè)合并單元和智能終端問題

《智能變電站繼電保護技術(shù)規(guī)范》規(guī)定110 kV變壓器電量保護宜雙套配置，雙套配置時應(yīng)采用主、后備保護一體化配置。變壓器各側(cè)合并單元、智能終端按雙套配置。

雙套配置的合并單元數(shù)據(jù)采樣應(yīng)取自不同的CT繞組，智能終端相應(yīng)的二次回路應(yīng)完全獨立，以便充分體現(xiàn)雙套配置的作用和意義。

2.8 站用電交直流系統(tǒng)問題

智能變電站逆變電源容量設(shè)計時應(yīng)充分保證變電站內(nèi)所有需接入逆變電源系統(tǒng)的裝置啟動時可靠運行。1臺容量不滿足要求時可配置2臺，且2臺逆變電源應(yīng)滿足并機運行的要求。

直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)測裝置，應(yīng)具備交流竄直流故障的檢測記錄和報警功能。

2.9 故障信息子站配置問題

雖然智能變電站監(jiān)控后臺可以集成故障信息子站功能，但仍建議現(xiàn)階段智能變電站配置故障信息子站，原因有以下幾個方面。

a）目前，各項后臺高級應(yīng)用和分析技術(shù)尚未完善，考慮可靠性因素，配置獨立的故障信息子站，集成信息子站可在部分站點試用。

b）在電網(wǎng)發(fā)生故障時，故障信息子站系統(tǒng)用來輔助開展保護動作分析和電網(wǎng)事故處理。集成故障信息子站從站控層網(wǎng)絡(luò)采集數(shù)據(jù)，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生復(fù)雜故障時，站控層數(shù)據(jù)會急劇增加，再加上大量錄波數(shù)據(jù)，站控層癱瘓概率將不斷增大，即使站控層沒有癱瘓，大量數(shù)據(jù)涌入使得數(shù)據(jù)傳輸、處理緩慢，延誤故障錄波數(shù)據(jù)的上送時間。

c）目前，集成故障信息子站的運維技術(shù)還未成熟，而獨立故障信息子站經(jīng)過多年運用，運維技術(shù)、經(jīng)驗已很豐富。因此，在集成故障信息子站運維技術(shù)還未成熟時，不宜大量采用。

2.10 打印功能

智能變電站建設(shè)中，保護裝置不再擁有自己的打印機，全部采用后臺打印機進行網(wǎng)絡(luò)打印。然而，網(wǎng)絡(luò)打印機與保護裝置的連接不可靠、數(shù)據(jù)傳輸不透明，時常出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)打印機打印的報告與實際定值單內(nèi)容、格式錯誤。因此，在采用后臺集中打印的同時，為保證在信息量大的情況下，及時可靠地打印保護報告，應(yīng)就每一類型的保護裝置配置就地移動式打印機，每1臺保護裝置都應(yīng)留有獨立打印接口。

3 智能變電站有待研究的問題

智能變電站的建設(shè)、發(fā)展迅速，但在智能變電站的管理和后期維護方面還有很多亟需研究解決的問題。例如，全站配置文件SCD的全過程管理、智能變電站檢修機制的研究、當(dāng)就地安裝有電氣鎖時、電氣鎖到控制室的通信干擾問題等都需深入研究。

3.1 檢修機制

檢修機制采用判斷智能終端和保護裝置的檢修位，當(dāng)智能終端和保護裝置都在檢修位或都不在檢修位時，跳閘信號可動作出口；當(dāng)智能終端和保護裝置檢修位不一致時，跳閘信號不動作出口。

如果智能終端或保護裝置檢修硬壓板投入，而GOOSE報文檢修位沒有變位時，將出現(xiàn)保護誤跳閘的風(fēng)險，如何規(guī)避這些風(fēng)險，還有待研究。另外，各間隔設(shè)備檢修態(tài)的相互影響研究，對于智能變電站的維護檢修、改擴建工程的安全措施執(zhí)行等具有重要作用，文獻[2]已在此方面做出相關(guān)探討。

3.2 SCD配置文件管理

配置文件SCD(Substation Configurayion Description)文件是智能變電站的核心，統(tǒng)一分配管理整個智能變電站各種二次設(shè)備的信息交互方式和機制，一旦SCD配置文件出錯，將嚴(yán)重影響智能變電站的運行。因此，SCD文件對智能站來說非常重要。

目前對SCD配置的檢驗管理還沒有很好的方法。首先是配置文件的檢驗問題，SCD配置工具可以顯示SCD的邏輯樹結(jié)構(gòu)，但無法方便、快捷地檢查其邏輯配置的正確性，如何根據(jù)SCD文件自動將抽象的邏輯回路生成直觀的物理邏輯回路圖，將是重點研究的課題。其次是配置文件的管理工具，能夠?qū)CD配置文件自動生成版本號，一旦配置文件發(fā)生變化，相應(yīng)版本號隨之變化，且在配置文件修改過程中可自動記錄修改過程。

3.3 電氣鎖通信問題

智能站在戶外就地安裝電氣鎖時，由于控制器安裝在控制室，造成電氣鎖到控制器的通信線路較長，干擾較大，存在安全通信的風(fēng)險。如何解決干擾問題以及更為合理的設(shè)計方案有待研究。

4 結(jié)束語

智能變電站設(shè)計建設(shè)應(yīng)以安全可靠為基礎(chǔ)，同時應(yīng)考慮維護安全和方便性。雙重化網(wǎng)絡(luò)層的相關(guān)設(shè)備理應(yīng)雙重化配置，相互之間遵循完全獨立、互不影響的原則，否則將失去雙重化的意義。出于網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)难訒r，保護裝置直接發(fā)出的跳閘命令都應(yīng)直接跳閘。

智能變電站的發(fā)展對智能電網(wǎng)的發(fā)展有極大的推動作用，但在智能變電站的建設(shè)、運維過程中只有不斷地發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，才能不斷提高智能變電站的各項性能指標(biāo)，才能促進智能變電站安全、快速發(fā)展。

［1］ 劉嬌，劉斯佳.智能變電站建設(shè)方案的研究［J］.華東電力，2010，38（7）：34-38.

［2］ 于偉城，白瑞，郝偉.智能變電站二次設(shè)備檢修處理機制分析探討［J］.山西電力，2012，175（5）：21-24.