高 源，孔建壽，孫金生

（南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210014）

110?kV智能變電站實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)初探

高 源，孔建壽，孫金生

（南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210014）

結(jié)合南京理工大學(xué)智能電網(wǎng)信息工程系智能變電站實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目，完成了110 kV智能變電站的詳細(xì)設(shè)計(jì)，對(duì)內(nèi)橋接線的線路保護(hù)間隔、主變保護(hù)間隔及電壓并列間隔進(jìn)行了深入探討，介紹了智能變電站電子式互感器、保護(hù)測控裝置和后臺(tái)系統(tǒng)的調(diào)試方法，可為智能變電站實(shí)驗(yàn)室建設(shè)提供參考和借鑒。

智能變電站；內(nèi)橋接線；保護(hù)配置；調(diào)試

智能電網(wǎng)是當(dāng)今電氣行業(yè)的研究熱點(diǎn)，而智能變電站是智能電網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分。智能變電站不僅可以改進(jìn)傳統(tǒng)變電站存在的缺點(diǎn)，還可以消除變電站內(nèi)的信息孤島，提供統(tǒng)一實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集。通過使用智能變電站提供的信息和功能，智能電網(wǎng)可以快速可靠地找出并解決電網(wǎng)中發(fā)生的故障。結(jié)合南京理工大學(xué)智能電網(wǎng)信息工程系智能變電站實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目，利用現(xiàn)有設(shè)備搭建110 kV智能變電站實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并完成智能變電站實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行與調(diào)試工作。

1 智能變電站設(shè)計(jì)思路

智能變電站實(shí)驗(yàn)室目前購置的設(shè)備有：

(1) KST611電子式電流電壓互感器；

(2) KSM601電子式互感器智能合并單元；

(3) KSI600電子式互感器校驗(yàn)儀；

(4) UDL-531A線路保護(hù)測控裝置；

(5) UDT-531變壓器保護(hù)測控裝置；

(6) PWF-3型光數(shù)字繼電保護(hù)測試儀。

利用以上設(shè)備搭建一個(gè)小型的110 kV智能變電站，該智能變電站配備雙繞組變壓器2臺(tái)。110 kV側(cè)采用內(nèi)橋接線方式，設(shè)計(jì)有進(jìn)線斷路器2組、內(nèi)橋斷路器1組。10 kV側(cè)采用單母線接線方式，設(shè)計(jì)有主變低壓斷路器2組。110 kV進(jìn)線、內(nèi)橋、主變高低壓側(cè)均配置了電子式電流互感器；110 kV進(jìn)線、內(nèi)橋和10 kV母線配置了電子式電壓互感器。智能變電站實(shí)驗(yàn)室一次接線如圖1所示。

圖1 智能變電站一次接線

2 智能變電站詳細(xì)設(shè)計(jì)

智能變電站從功能實(shí)現(xiàn)角度出發(fā)可以分為過程層和站控層。過程層面向一次設(shè)備，完成保護(hù)、控制等功能；站控層面向運(yùn)行、工程師人員，完成變電站監(jiān)控及一些高級(jí)應(yīng)用。

2.1 過程層設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)室過程層主要設(shè)計(jì)有110 kV線路保護(hù)間隔、主變保護(hù)間隔和110 kV電壓合并間隔。

2.1.1 110 kV線路保護(hù)間隔

110 kV線路保護(hù)間隔配置如圖2所示。電子式電壓/電流互感器(EVT、ECT)實(shí)時(shí)采集線路上的電壓電流值并送到合并單元。合并單元將互感器傳輸過來的光信號(hào)同步并組合成同一時(shí)間斷面的電流電壓數(shù)據(jù)，然后通過SMV網(wǎng)絡(luò)傳輸給線路保護(hù)裝置。線路保護(hù)裝置依據(jù)SMV網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)以及光纖差動(dòng)信息進(jìn)行相應(yīng)的邏輯判斷并通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)指揮智能終端進(jìn)行相應(yīng)的跳閘/合閘動(dòng)作。

圖2 110 kV線路保護(hù)配置

該間隔使用的UDL-531A線路保護(hù)測控裝置采用光纖縱聯(lián)差動(dòng)作為主保護(hù)，以突變量距離作為快速獨(dú)立段保護(hù)，以三段式接地距離、四段式相間距離、四段式零序方向過流、兩段式TV斷線過流作為后備保護(hù)，同時(shí)具備單回線不對(duì)稱相繼速動(dòng)保護(hù)及雙回線相繼速動(dòng)功能，并配有三相一次重合閘及合閘于故障線路保護(hù)功能。

2.1.2 主變保護(hù)間隔

主變壓器保護(hù)間隔配置圖如圖3所示。該間隔采用差動(dòng)保護(hù)作為主保護(hù)，包括比率制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)、增量差動(dòng)保護(hù)和差流速斷保護(hù)。其中比率制動(dòng)差動(dòng)保護(hù)主要反映變壓器內(nèi)部相間短路故障、高壓側(cè)單相接地短路及匝間層間短路故障；增量差動(dòng)保護(hù)主要解決變壓器輕微的匝間故障，高阻接地故障；差流速斷保護(hù)則用于快速切除變壓器內(nèi)部的嚴(yán)重故障。以主變1為例(下同)，差動(dòng)保護(hù)所需要的數(shù)據(jù)由110 kV進(jìn)線MU1、內(nèi)橋MU1和主變低壓側(cè)MU1提供。

主變高壓側(cè)后備保護(hù)包括復(fù)壓方向過流保護(hù)、零序方向過流保護(hù)和過負(fù)荷保護(hù)。復(fù)壓方向過流保護(hù)在發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí)靈敏度很高，主要用于相間短路的后備保護(hù)；零序過流保護(hù)主要用于變壓器中性點(diǎn)接地運(yùn)行時(shí)接地故障的后備保護(hù)；過流保護(hù)主要用于監(jiān)視變壓器的異常運(yùn)行，該保護(hù)只發(fā)出告警信號(hào)，不作用于跳閘。復(fù)壓方向過流保護(hù)、零序方向過流保護(hù)和過負(fù)荷保護(hù)所需要的數(shù)據(jù)由內(nèi)橋MU、主變高壓側(cè)MU1和主變MU1主變本體智能終端提供。

圖3 主變壓器保護(hù)間隔配置

主變低壓側(cè)后備保護(hù)在高壓側(cè)復(fù)壓方向過流保護(hù)、零序方向過流保護(hù)和過負(fù)荷保護(hù)的基礎(chǔ)上加入了限時(shí)電流速斷保護(hù)。該保護(hù)主要用于在10 kV線路近端故障斷路器拒動(dòng)或母線故障時(shí)，以較短時(shí)限跳開本側(cè)斷路器，避免因復(fù)壓方向過流保護(hù)時(shí)限過長而燒壞變壓器。主變低壓側(cè)后備保護(hù)所需要的數(shù)據(jù)由主變低壓側(cè)MU1提供。

變壓器非電量保護(hù)由主變本體智能終端和主變保護(hù)測控裝置共同完成。其中不經(jīng)延時(shí)的非電量保護(hù)，如重瓦斯、壓力釋放等直接由智能終端實(shí)現(xiàn)，而經(jīng)延時(shí)的非電量保護(hù)則由主變保護(hù)測控裝置判別對(duì)應(yīng)的GOOSE信息然后經(jīng)延時(shí)對(duì)智能終端發(fā)出跳閘命令或告警信號(hào)。

2.1.3 110 kV電壓合并間隔

對(duì)于內(nèi)橋接線，母線PT并列功能是必不可少的。在進(jìn)行一次設(shè)備并列操作時(shí)，母線PT并列功能可以保證一次設(shè)備的繼電保護(hù)裝置、測量儀表和自動(dòng)裝置所需要的二次電壓與一次設(shè)備所連接的母線對(duì)應(yīng)。母線PT并列功能還可以實(shí)現(xiàn)母線PT的互為備用。

該智能變電站使用內(nèi)橋合并單元(見圖3)完成110 kV電壓合并功能。合并單元通過GOOSE接收橋開關(guān)及母線刀閘的位置，然后根據(jù)開關(guān)位置進(jìn)行電壓并列后輸出。具體的判定規(guī)則如表1所示。其中并列允許“0”表示手動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)置“解列”，“1”表示置“并列”；內(nèi)橋、I母刀閘和II母刀閘“1”表示間隔內(nèi)所有斷路器及PT刀閘閉合，“0”表示間隔內(nèi)所有斷路器及PT刀閘斷開，“X”表示間隔內(nèi)所有斷路器及PT刀閘為任意位置；開出“U1”表示I母PT測量電壓，“U2”表示II母PT測量電壓。

表1 電壓并列判定規(guī)則

2.2 站控層設(shè)計(jì)

站控層配置如圖4所示。遠(yuǎn)方后臺(tái)、交換機(jī)以及保護(hù)測控裝置之間采用網(wǎng)線連接，站控層網(wǎng)絡(luò)主要遵循IEC61850-8-1協(xié)議(特定通信服務(wù)映射對(duì)MMS的映射)。

后臺(tái)系統(tǒng)使用Super5000搭建，其主要步驟如下：

(1) 導(dǎo)入SCD文件，完成SCD模型以及SCADA應(yīng)用模型間的映射；

(2) 系統(tǒng)參數(shù)配置，包括節(jié)點(diǎn)配置、用戶配置、權(quán)限設(shè)置、系統(tǒng)服務(wù)配置和節(jié)點(diǎn)服務(wù)配置；

(3) 工程參數(shù)配置；

(4) 控制臺(tái)參數(shù)配置；

(5) 繪制在線監(jiān)控界面；

(6) 操作票配置。

3 智能變電站實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行與調(diào)試

3.1 智能變電站模擬運(yùn)行

該智能變電站實(shí)驗(yàn)室主要用于南京理工大學(xué)智能電網(wǎng)信息工程系開展教學(xué)與實(shí)驗(yàn)工作，因此應(yīng)盡量避免危險(xiǎn)的高壓試驗(yàn)。通過利用PWF-3型光數(shù)字繼電保護(hù)測試儀替代智能變電站中的電子式電壓電流互感器以及合并單元，可實(shí)現(xiàn)智能變電站的模擬運(yùn)行。

3.2 智能變電站調(diào)試

智能變電站與傳統(tǒng)變電站存在著諸多差異，傳統(tǒng)變電站的調(diào)試方法已不能滿足智能變電站的需求。下面重點(diǎn)介紹智能變電站電子式互感器、保護(hù)測控裝置以及遠(yuǎn)方后臺(tái)系統(tǒng)的調(diào)試方法。

3.2.1 電子式互感器調(diào)試

隨著電子式互感器的逐步廣泛應(yīng)用，互感器的結(jié)構(gòu)和輸出信號(hào)發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變，從傳統(tǒng)的全模擬方式輸出及傳輸轉(zhuǎn)變?yōu)樵诨ジ衅鲀?nèi)部直接轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號(hào)通過光纖輸出至合并器進(jìn)行數(shù)據(jù)的組織及網(wǎng)絡(luò)化傳輸。這一改進(jìn)極大地降低了互感器的絕緣成本，同時(shí)提高了互感器的抗干擾能力。但是，由于電子式互感器輸出的是數(shù)字信號(hào)，傳統(tǒng)的校驗(yàn)設(shè)備及校驗(yàn)方法已經(jīng)無法對(duì)這一類型的互感器進(jìn)行檢測校驗(yàn)。目前常用的電子式互感器調(diào)試方法如圖5所示。

電子式互感校驗(yàn)儀使用傳統(tǒng)互感器作為標(biāo)準(zhǔn)源，電子式互感器作為被測源。同步信號(hào)主要用于同步模擬通道與數(shù)字通道的采樣。對(duì)于合并器而言，同步信號(hào)主要作用于合并器的計(jì)數(shù)位(控制計(jì)數(shù)位清零)，以便控制數(shù)據(jù)采集的起點(diǎn)。對(duì)于模擬通道來說，同步信號(hào)的主要作用在于觸發(fā)數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。得到同步的采集數(shù)據(jù)后，電子式互感校驗(yàn)儀會(huì)分別提取數(shù)字量采集通道和模擬量采集通道的數(shù)據(jù)，從同一時(shí)間點(diǎn)開始比較，就可以獲得電子式互感器相差、頻差以及復(fù)合誤差等重要實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而完成電子式互感器的調(diào)試工作。

圖5 電子式互感器調(diào)試

3.2.2 保護(hù)測控裝置調(diào)試

保護(hù)測控裝置是智能變電站的重要組成部分，承擔(dān)著匯總過程層實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息、對(duì)一次設(shè)備保護(hù)控制、間隔操作閉鎖以及承上啟下溝通過程層與站控層等多項(xiàng)工作。因此，針對(duì)保護(hù)測控裝置的具體調(diào)試步驟如下。

(1) 裝置基本檢查。主要包括銘牌信息、保護(hù)功能配置、裝置版本檢查、裝置外觀檢查、電源檢查和裝置絕緣試驗(yàn)。

(2) 基本功能檢查。包括裝置程序下載及PLC配置下載檢查、定值整定檢查、人機(jī)界面及菜單檢查、SV檢查和GOOSE檢查。

(3) 保護(hù)功能試驗(yàn)。主要檢測保護(hù)測控裝置在遇到電力系統(tǒng)故障時(shí)是否能正確地實(shí)施保護(hù)動(dòng)作。

(4) 測控功能實(shí)驗(yàn)。主要檢測保護(hù)測控裝置的遙測、遙信和遙控功能。

(5) 告警信號(hào)測試。主要包括裝置故障告警和裝置電源失電告警。

(6) 通信端口測試。主要檢測裝置通信端口的發(fā)送接收功率以及靈敏接收功率。

(7) 72 h通電實(shí)驗(yàn)。用于測試裝置的穩(wěn)定性，確保實(shí)驗(yàn)過程中無異常現(xiàn)象出現(xiàn)。

在進(jìn)行保護(hù)測控裝置調(diào)試時(shí)需要使用數(shù)字式繼電保護(hù)測試儀。它與傳統(tǒng)測試儀相比，測試方法相同，主要的區(qū)別是和保護(hù)裝置的信息交互接口發(fā)生了變化，需要完成相應(yīng)的IEC61850配置。IEC61850配置可以通過導(dǎo)入SCD文件自動(dòng)完成，也可以手工配置完成。當(dāng)采用IEC61850-9-2協(xié)議時(shí)需要特別注意品質(zhì)位的設(shè)置，繼電保護(hù)測試中出現(xiàn)的許多問題都是由于品質(zhì)位設(shè)置錯(cuò)誤而造成的。

3.2.3 遠(yuǎn)方后臺(tái)系統(tǒng)調(diào)試

該部分主要測試遠(yuǎn)方后臺(tái)系統(tǒng)是否能正常上傳數(shù)據(jù)并且在故障時(shí)是否能及時(shí)跳出告警信號(hào)。以110 kV進(jìn)線過流保護(hù)試驗(yàn)為例，設(shè)置過流保護(hù)定值10 A。當(dāng)電流從8 A增加到11 A時(shí)，后臺(tái)應(yīng)立刻做出反應(yīng)。首先，在線監(jiān)視系統(tǒng)中，110 kV進(jìn)線斷路器顏色由紅色(表示合閘狀態(tài))轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色，并且不斷閃爍，以提示工作人員系統(tǒng)出現(xiàn)異常，斷路器已經(jīng)跳閘。其次，后臺(tái)系統(tǒng)的系統(tǒng)告警面板中應(yīng)不斷刷新告警信息，以及系統(tǒng)采取的應(yīng)急措施等(如系統(tǒng)自動(dòng)重合閘)，方便以后進(jìn)行事件追憶。

1 袁文廣，劉益青，孫十柱，等.110 kV智能變電站典型接線型式的IED配置方案研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012(13).

2 李文正，李寶偉，倪傳坤，等.智能變電站光纖差動(dòng)保護(hù)同步方案研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012(16).

3 林金洪.110 kV數(shù)字化變電站繼電保護(hù)配置方案[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2009(2).

4 馮新年，王 珩.內(nèi)橋接線變壓器差動(dòng)保護(hù)接線方式的討論[J].變壓器，2006(2).

2013-08-26。

高 源(1991-)，男，碩士，從事復(fù)雜電力網(wǎng)絡(luò)智能控制研究。

孫建壽(1962-)，男，教授，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)。

孫金生(1967-)，男，教授，研究方向?yàn)橹悄芸刂啤?/p>