劉叢然, 梁新蘭

(1.中國石油大港油田電力公司，天津 300280； 2. 中國石油管道局天津設(shè)計(jì)院，天津 300457)

110 kV數(shù)字變電站繼電保護(hù)配置方案探討

劉叢然1, 梁新蘭2

(1.中國石油大港油田電力公司，天津 300280； 2. 中國石油管道局天津設(shè)計(jì)院，天津 300457)

簡要介紹了數(shù)字化變電站的三個(gè)特點(diǎn)及IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，針對IEC61850協(xié)議的數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)及優(yōu)勢，研究了一種基于站域后備保護(hù)的綜合保護(hù)方案，通過與傳統(tǒng)綜合自動化變電站保護(hù)方案的比較可知，可以更快速，準(zhǔn)確的切除故障，提高了繼電保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。保護(hù)方案已于2013年應(yīng)用于110 kV同盛變電站，通過兩年多的安全運(yùn)行證明了保護(hù)方案的可行性，為新建110 kV數(shù)字變電站保護(hù)配置提供實(shí)例參考。

數(shù)字變電站；IEC61850；主保護(hù)；站域后備保護(hù)；綜合保護(hù)

0 引 言

在變電站自動化領(lǐng)域中，微機(jī)保護(hù)與測控技術(shù)得到了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，近幾年電子式光電式互感器技術(shù)的成熟，智能開關(guān)的出現(xiàn)，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的推波助瀾，使變電站自動化進(jìn)入數(shù)字化階段成為一種必然趨勢。

現(xiàn)在國內(nèi)正在運(yùn)行的變電站基本都是綜合自動化變電站，數(shù)字化變電站作為其升級替代產(chǎn)品，是智能化變電站的初級階段。同盛110 kV變電站是大港油田地區(qū)首座數(shù)字化變電站，應(yīng)用了基于站域后備保護(hù)[1]的綜合保護(hù)方案，提高了繼電保護(hù)系統(tǒng)的有效性，提高了大港油田地區(qū)電網(wǎng)的智能水平。

1 數(shù)字化變電站特點(diǎn)

數(shù)字變電站有傳感器數(shù)字化，一次設(shè)備智能化，二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化，通信標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化，傳輸光纖化的基本特征[2]。與綜合自動化相比，數(shù)字變電站有以下幾個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)：

(1)信息共享

數(shù)字化變電站與綜合自動化變電站相似，需要采集一次設(shè)備信息，但是數(shù)字化變電站的信息模型及通信標(biāo)準(zhǔn)均是統(tǒng)一的，最終接入公用通信網(wǎng)絡(luò)，變電站的各個(gè)子系統(tǒng)均使用公用通信網(wǎng)絡(luò)接收的一次設(shè)備信息，并通過這個(gè)公用網(wǎng)絡(luò)發(fā)布控制命令[3]。

(2)可靠性高

數(shù)字化變電站中信號傳輸介質(zhì)主要是光纖，與傳統(tǒng)的控制電纜相比，光纖具有抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，極大的提高了保護(hù)系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)也消除了二次回路兩點(diǎn)接地情況的發(fā)生[4]。由于采用公用網(wǎng)絡(luò)平臺，二次接線工作量大幅下降，接線準(zhǔn)確率提高。

(3)電子式互感器

綜合自動化變電站的互感器均采用基于電磁原理的常規(guī)互感器，而數(shù)字化變電站采用電子式互感器。常規(guī)互感器有體積大、絕緣復(fù)雜、易飽和、易諧振和動態(tài)范圍小等缺點(diǎn)，而電子式互感器能夠很好的解決以上問題，適應(yīng)于數(shù)字化、智能化變電站的需要[5]。

2 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)將變電站設(shè)備抽象為過程層、間隔層和站控層三部分，其典型“三層兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu)如圖1所示：過程層中合并單元通過SV網(wǎng)絡(luò)將一次系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)采樣值傳輸至間隔層的保護(hù)、測量、計(jì)量裝置[6]。保護(hù)裝置的控制跳閘命令通過光纖或GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳至智能終端，實(shí)現(xiàn)故障切除[7]。間隔層與站控層通過MMS網(wǎng)絡(luò)通訊，實(shí)現(xiàn)站控層對間隔層、過程層設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過“三層兩網(wǎng)”框架，實(shí)現(xiàn)全站數(shù)據(jù)統(tǒng)一對時(shí)，徹底消除站內(nèi)信息孤島，為繼電保護(hù)裝置提供更全面的故障分析數(shù)據(jù)庫，為發(fā)展智能化的繼電保護(hù)系統(tǒng)智提供了新的思路[8]。

圖1 數(shù)字變電站組網(wǎng)方式

3 繼電保護(hù)配置

依據(jù)GB/T 30155-2013智能變電站技術(shù)導(dǎo)則[9]，對站內(nèi)重要一次設(shè)備配置相應(yīng)主保護(hù)與后備保護(hù)，該保護(hù)方案與傳統(tǒng)變電站相似，通過主保護(hù)與后備保護(hù)的配合實(shí)現(xiàn)對一次設(shè)備的保護(hù)。

該保護(hù)方案下，主保護(hù)通?？梢钥焖?、準(zhǔn)確切除故障，具有良好保護(hù)特性，但后備保護(hù)的配置往往具有很大局限性，通常為了滿足選擇性要求不得不犧牲動作速斷性。在放射性拓?fù)漭旊娋W(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)階段式后備距離保護(hù)動作延時(shí)可以達(dá)到2～3 s。

對于沒有配置母差保護(hù)的中低壓母線，依靠變壓器低后備保護(hù)切除可能發(fā)生的母線故障會帶來至少0.5 s的延時(shí)，對系統(tǒng)一次設(shè)備造成較大威脅。對變壓器保護(hù)而言，高后備保護(hù)為提升對變壓器內(nèi)部故障的靈敏度，會將保護(hù)范圍延伸至變電站低壓側(cè)，造成兩級后備保護(hù)的部分保護(hù)區(qū)域動作延時(shí)相同，難以兼顧兩級后備保護(hù)的選擇性和靈敏性。

如上所述，數(shù)字變電站僅僅將數(shù)據(jù)傳輸方式由電纜改為光纖，將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，延續(xù)了傳統(tǒng)變電站后備保護(hù)延時(shí)時(shí)間較長、保護(hù)定值配合困難等不足，未體現(xiàn)出設(shè)備與電網(wǎng)運(yùn)行方式間的互動性，沒有充分發(fā)揮三層兩網(wǎng)結(jié)構(gòu)下數(shù)據(jù)信息共享優(yōu)勢。

但是，如果只采用基于網(wǎng)絡(luò)的站域保護(hù)配置，在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)又很難保證系統(tǒng)設(shè)備及人身安全，繼電保護(hù)要求的可靠性難以滿足。

4 綜合保護(hù)配置方案

考慮到傳統(tǒng)保護(hù)的時(shí)限配合缺陷及網(wǎng)絡(luò)保護(hù)的可靠性低，本文研究了一種基于站域后備保護(hù)的數(shù)字變電站保護(hù)配置方案。

該方案中對中高壓線路、變壓器、110 kV母線等關(guān)鍵一次設(shè)備，配置獨(dú)立的主保護(hù)。主保護(hù)動作方式相對獨(dú)立，合并單元、智能終端與被保護(hù)裝置就近配置安裝，通過光纖與保護(hù)單元通訊，實(shí)觀保護(hù)直采直跳，即使在站內(nèi)GOOSE網(wǎng)、SV網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，主保護(hù)仍能正確動作。

而站內(nèi)后備保護(hù)不再分裝置配置，而是整個(gè)變電站作為一個(gè)整體考慮，統(tǒng)一配置，由站域后備保護(hù)模塊完成。站域后備保護(hù)模塊通過SV網(wǎng)絡(luò)接收站內(nèi)一次設(shè)備和進(jìn)出線路運(yùn)行狀態(tài)信息，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)故障定位，同時(shí)通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)接收主保護(hù)動作信息和斷路器動作情況。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，站域保護(hù)模塊快速、準(zhǔn)確地判斷故障位置，監(jiān)視主保護(hù)及斷路器的動作情況：若主保護(hù)未發(fā)出跳閘命令，后備保護(hù)則通過GOOSE網(wǎng)快速發(fā)布跳閘指令；若主保護(hù)動作但斷路器拒動，后備保護(hù)依據(jù)故障點(diǎn)位置通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)發(fā)布擴(kuò)大跳閘指令。該方案有效的縮短了后備保護(hù)動作延時(shí)時(shí)間。

對于未配置母線保護(hù)的站內(nèi)中低壓母線，站域后備保護(hù)可通過獲取進(jìn)出線及母線運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)，提供快速可靠的近后備保護(hù)，有效的提升系統(tǒng)可靠性。此保護(hù)方案的邏輯判斷框圖如圖2所示。

圖2 綜合保護(hù)流程圖

5 同盛變電站

5.1 組網(wǎng)方式

按國網(wǎng)“智能化變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范[10]”配置，同盛數(shù)字變電站系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分為三層：過程層、間隔層、站控層(如表1所示)。

表1 三層系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

本站間隔層、站控層之間采用MMS雙星以太網(wǎng)，通信協(xié)議為統(tǒng)一的IEC61850，網(wǎng)絡(luò)圖如圖3所示。

5.2 110 kV側(cè)保護(hù)配置

110 kV側(cè)GIS合并單元將采樣值信息以IEC61850-9-2點(diǎn)對點(diǎn)傳輸標(biāo)準(zhǔn)傳輸給各個(gè)保護(hù)測控等間隔層設(shè)備；故障錄波也采用點(diǎn)對點(diǎn)方式采集采樣值信息。

110 kV開關(guān)設(shè)備采用智能終端，就地安置在智能控制柜內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的智能化；過程層采用GOOSE網(wǎng)和點(diǎn)對點(diǎn)通信方式，實(shí)現(xiàn)了過程層的數(shù)字化。為了提高系統(tǒng)可靠性，GOOSE網(wǎng)絡(luò)采用雙重化配置，實(shí)現(xiàn)保護(hù)設(shè)備與智能終端間及各個(gè)智能設(shè)備間的通信。

110 kV線路、分段、主變等間隔采用智能終端和合并單元合一裝置，采用“直采直跳”方式。

圖3 同盛變電站網(wǎng)絡(luò)配置圖

遵循國網(wǎng)“直采直跳”要求，間隔保護(hù)裝置從合并單元通過IEC61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)直接采集信息，并通過光纖直接發(fā)布跳閘命令至智能終端裝置。

5.3 主變壓器保護(hù)配置

(1)每臺主變配雙重化的主后一體化保護(hù)裝置；

(2)主變智能單元、測控保護(hù)裝置均下放至主變旁的戶外控制柜，主變非電量保護(hù)采用直采直跳方式。

(3)主變中性點(diǎn)電流互感器信號接入合并單元，合并單元可就地放置于戶外密封箱中。

5.4 35 kV、6 kV側(cè)保護(hù)配置

(1)35 kV、6 kV出線側(cè)采用“保護(hù)、測控、智能終端、合并單元”合一裝置就地安裝于35 kV、6 kV開關(guān)柜中，就地采集采樣值信號并設(shè)置就地操作開關(guān)。

(2)主變35 kV、6 kV側(cè)采用合并單元、智能終端合一裝置，雙套配置，實(shí)現(xiàn)主變35 kV、6 kV側(cè)信息采集及接收主變保護(hù)的操作命令。

6 結(jié)束語

智能變電站所采用的“三層兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了全站數(shù)據(jù)信息共享，為繼電保護(hù)裝置的配置提供了全新的數(shù)據(jù)平臺。本文介紹的基于站域后備保護(hù)的智能變電站綜合保護(hù)配置方案，對系統(tǒng)中重要一次設(shè)備配置獨(dú)立主保護(hù)，實(shí)現(xiàn)故障狀態(tài)下的故障快速切除；利用智能變電站數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全局化的站域后備保護(hù)，解決了傳統(tǒng)后備配合困難，故障切除速度慢，保護(hù)方式對系統(tǒng)運(yùn)行方式敏感等缺點(diǎn)。在110 kV變電站新建時(shí)，可以考慮應(yīng)用此保護(hù)配置方案，既能充分發(fā)揮智能變電站的技術(shù)優(yōu)勢，又能兼顧繼電保護(hù)靈敏性、可靠性和選擇性。

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A Study on the Relay Protection Configuration Scheme for 110 kV Digital Substations

Liu Congran1, Liang Xinlan2

(1. China Petroleum Dagang Oilfield Electric Power Co., Tianjin 300280, China；2. China Petroleum Pipeline Bureau Tianjin Design Institute, Tianjin 300457, China)

This paper gives a brief introduction of three characters of digital substations as well as IEC 61850 network structure. With respect to the characteristics and advantages of IEC61850 digital substation networks, this paper discusses a comprehensive protection scheme based on substation-area backup protection. Through comparison with protection schemes for traditional integrated automatic substations, this protection scheme can clear the fault more quickly and accurately, thus improving the stability and reliability of the relay protection system. This protection scheme was applied to 110kV Tong-sheng Substation in 2013. Safe operation in more than two years has proved the feasibility of the scheme and offers an example reference for other new 110kV digital substations.

digital substation; IEC61850; main protection; substation-area backup protection; comprehensive protection

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.01.016

TM77

A

1000-3886(2017)01-0053-03

劉叢然(1964- )，女，河北晉州人，工程師，大專，中國石油大港油田電力公司，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)。 梁新蘭(1983-)，女，山東平陰人，工程師，碩士生，中國石油管道局天津設(shè)計(jì)院，主要從事電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

定稿日期: 2016-06-12