寇 巖，臧宏志，龐怡君，張 凡，朱曉東

（1.國網山東省電力公司經濟技術研究院，濟南 250021；2.山東電力工程咨詢院有限公司，濟南 250012；3.國網山東省電力公司青島供電公司，山東 青島 266002）

智能化變電站擴建二次系統(tǒng)建設方案

寇 巖1，臧宏志1，龐怡君1，張 凡2，朱曉東3

（1.國網山東省電力公司經濟技術研究院，濟南 250021；2.山東電力工程咨詢院有限公司，濟南 250012；3.國網山東省電力公司青島供電公司，山東 青島 266002）

介紹智能化變電站信息采樣的各種方式，分析各種采樣的特點。國家電網公司發(fā)布取消了智能化變電站合并單元的規(guī)定，改為使用常規(guī)互感器通過控制電纜直接采樣的方式，使現(xiàn)階段智能化變電站擴建的二次設計方案成為討論焦點。以500 kV巨峰智能化變電站（前期工程為常規(guī)互感器加合并單元采樣）實際擴建工程為例，綜合比較以“常規(guī)互感器+合并單元采樣”和“常規(guī)互感器+控制電纜直接采樣”兩種方式下的建設方案，分析表明前者更加安全和方便，優(yōu)于后者。

智能化變電站；采樣；電流互感器；電壓互感器；繼電保護

0 引言

智能化變電站擴建工程的二次部分主要包括繼電保護、調度自動化、電費計量、通信等幾個方面，是智能化變電站建設的關鍵所在。

在智能化標準不斷發(fā)展的過程中，存在已建變電站二次設備和國家電網公司新規(guī)定不匹配的問題。這導致擴建方案存在爭議，通常建設方案主要有兩種：全站依照前期規(guī)定建設；前期設備不變，擴建部分依照新規(guī)定執(zhí)行。以何種方案進行建設，需根據具體規(guī)定的變更內容進行討論。

針對國家電網公司關于智能化變電站二次采樣方式的新規(guī)定：“新、擴建或改造的智能變電站采用電子式互感器時，應通過數(shù)字采樣接入保護裝置；采用常規(guī)互感器時，應通過二次電纜直接接入保護裝置”，對智能化變電站的采樣方式進行討論分析，并以500 kV巨峰變電站為例，對擴建工程中存在的前期配置與后期建設時相關規(guī)程不一致的問題，提出不同建設方案并進行詳細的比較討論，并得到最優(yōu)方案。

1 智能化變電站發(fā)展現(xiàn)狀

智能化變電站實現(xiàn)了一次設備智能化和二次設備網絡化［1-4］，并以IEC61850標準和通信規(guī)范為基礎，實現(xiàn)了變電站電氣設備間信息共享和智能互操作［5-9］。

新一代智能化變電站技術在2014年初發(fā)布，采用集成化智能設備，以一體化業(yè)務系統(tǒng)為技術構架，“站域保護”、“三網合一”、“隔離斷路器”等新技術得到應用，有效提升了變電站智能化水平，將智能電網建設推向新的階段。

2 智能化變電站采樣方式

采樣是智能化變電站建設的關鍵技術環(huán)節(jié)，采樣方式一直存在爭議。在智能電網發(fā)展過程中，對采樣方式的規(guī)定做出多次調整。

2.1 電子式互感器

根據電子式互感器構成原理不同，可分為有源電子式互感器［10-11］和無源電子式互感器［12-15］。

有源電子式互感器利用電磁感應等原理產生數(shù)字感應信號。其中電流互感器是基于空心線圈，也稱為Rogowski線圈，而電壓互感器是基于電阻、電容或電感等元件的分壓原理。無源電子式互感器為光學互感器，以光學器件作為電流傳感器，借助法拉第磁光效應來感應被測信號，是融電氣、光學與微電子等學科為一體的新技術應用［16］。

電子式互感器主要有以下特點：高低壓隔離，絕緣簡單，安全性高，不存在因漏油而產生的易燃、易爆危險;不存在TA二次開路及TV二次短路的危害；不存在磁飽和、鐵磁諧振等問題；體積小，節(jié)約占地面積，無污染，無噪聲，環(huán)保性能好；感應精度高，頻率響應寬，動態(tài)特性好，能夠同時滿足測量和繼電保護的需求；數(shù)字信號分享更為容易，帶負載能力強；方便地實現(xiàn)電壓電流組合式；適應電力系統(tǒng)數(shù)字化、智能化和網絡化的需要。

2.2 常規(guī)互感器采樣加合并單元

常規(guī)互感器指傳統(tǒng)的電容式互感器和電磁式互感器。常規(guī)互感器運行穩(wěn)定，不易受外界電磁環(huán)境干擾，在電子式互感器技術并未完全成熟的情況下，采用常規(guī)互感器可更好地保障變電站的安全穩(wěn)定運行。常規(guī)互感器變換所得的模擬量經合并單元進行合并和同步處理，轉化為數(shù)字信號，并按照特定格式轉發(fā)給間隔層設備的裝置。

“常規(guī)互感器采樣+合并單元”的采樣方式分直采和網采，直采是指SV按間隔獨立接入，網采為SV與GOOSE共網傳輸［17］。

2.3 常規(guī)互感器加保護直接采樣

此種方式直接取消合并單元，由裝置直接對常規(guī)互感器進行采樣，A/D轉換在保護裝置內完成，最大程度減少了中間環(huán)節(jié)，消除不穩(wěn)定因素。

3 智能變電站采樣的相關規(guī)定

由于合并單元在運行中仍然存在時鐘同步以及自身內部TA飽和等問題，國家電網公司下發(fā)的《國家電網公司關于印發(fā)防止變電站全停十六項措施（試行）的通知》中規(guī)定：“新、擴建或改造的智能變電站采用電子式互感器時，應通過數(shù)字采樣接入保護裝置；采用常規(guī)互感器時，應通過二次電纜直接接入保護裝置”。2015年5月，國家電網公司對此文件進行了進一步解讀，提出“330 kV及以上和涉及系統(tǒng)穩(wěn)定的220 kV新建智能變電站，采用常規(guī)互感器時，應通過二次電纜直接接入保護裝置；對于已投運的330 kV及以上和涉及系統(tǒng)穩(wěn)定的220 kV智能站，應按照新建要求執(zhí)行，視輕重緩急分步落實?！?/p>

目前已建成的220 kV及以上智能化變電站大多采用了“常規(guī)互感器采樣+合并單元”的采樣方式。對于此類變電站，擴建時的采樣方式配置需要深入討論。

4 智能變電站擴建二次建設方案討論

選取巨峰500 kV智能變電站擴建工程為例，主要從繼電保護及相關專業(yè)要求等方面對二次建設方案進行討論。

圖1 500 kV巨峰站主接線

巨峰變電站500 kV電氣主接線型式為3／2斷路器接線，220 kV雙母線雙分段接線。主接線如圖1所示。按相關規(guī)劃，將對巨峰變電站實施擴建。

前期規(guī)模為：主變壓器1臺，500 kV采用3／2斷路器接線，出線4回；220 kV采用雙母線雙分段接線，已出線7回。前期采樣方案為“常規(guī)互感器采樣+合并單元”采樣方式。

本次擴建規(guī)模為新建1臺主變壓器，變電站電氣主接線型式不變。根據不同采樣方式，給出兩種建設方案。

方案1：按照與本站前期相同配置方式，采用“常規(guī)互感器采樣+合并單元+SV網絡”進行采樣。

方案2：采用“常規(guī)互感器+電纜直接采樣”方式。

4.1 保護配置方案

4.1.1 斷路器保護。

方案1：500 kV斷路器保護采用雙重化配置，每套保護包含斷路器失靈保護、充電保護、死區(qū)保護和重合閘。雙重化配置的保護應采用不同廠家的裝置。

斷路器保護對本斷路器直采直跳；本斷路器失靈時，經GOOSE網絡跳相鄰斷路器、通過母線保護跳母線側斷路器、啟動線路遠跳、聯(lián)跳主變各側。

本期擴建主變進線兩側斷路器2臺，每臺斷路器兩套斷路器保護裝置組1面柜，共新增500 kV斷路器保護裝置4臺。

方案2：500 kV斷路器保護采用雙重化配置，每套保護包含斷路器失靈保護、充電保護、死區(qū)保護和重合閘。雙重化配置的保護應采用不同廠家的裝置。

斷路器保護通過二次電纜直接采集互感器二次電流電壓，跳閘采用GOOSE方式直接跳本斷路器；本斷路器失靈時，經GOOSE網絡跳相鄰斷路器、通過母線保護跳母線側斷路器、啟動線路遠跳、聯(lián)跳主變各側。

本期擴建主變進線兩側斷路器2臺，每臺斷路器兩套斷路器保護裝置組1面柜，共新增500 kV斷路器保護裝置4臺。

4.1.2 主變壓器保護

方案1：主變壓器電量保護均采用微機型主后備一體化裝置，按雙重化配置，組柜安裝于繼電器室中。雙重化配置的保護應采用不同廠家的裝置。

主變電量保護直接采樣，直接跳主變各側斷路器；主變電量保護跳母聯(lián)、分段斷路器、啟動失靈、失靈聯(lián)跳等通過過程層GOOSE網絡傳輸。

主變非電量保護功能下放至就地，由主變本體智能終端實現(xiàn)。非電量保護采用直接電纜跳閘，保護信息通過過程層GOOSE網絡上送至本體測控裝置。

方案2：主變壓器電量保護均采用微機型主后備一體化裝置，按雙重化配置，組柜安裝于繼電器室中。雙重化配置的保護采用不同廠家的裝置。

主變電量保護三側電流電壓均通過二次電纜直接接入采樣，跳閘采用GOOSE方式直接跳各側斷路器；主變電量保護跳母聯(lián)、分段斷路器、啟動失靈、失靈聯(lián)跳等通過過程層GOOSE網絡傳輸。

主變非電量保護功能下放至就地，由主變本體智能終端實現(xiàn)。非電量保護采用直接電纜跳閘，保護信息通過過程層GOOSE網絡上送至本體測控裝置。

4.1.3 母線保護

方案1：500／220 kV母線保護前期已配置完善，本期不作改動。

方案2：改造原有500／220 kV母線保護為控制電纜直接采樣。

4.1.4 故障錄波器

方案1：本期主變壓器配置1臺故障錄波裝置。

每臺故障錄波裝置配置足夠的交流量和開關量；通過網絡方式接收GOOSE報文和SV報文；單獨組網將錄波信息上傳給省調主站系統(tǒng)。

方案2：由于采樣方式變?yōu)殡娎|直采，本期工程新增1臺500kV故障錄波裝置、1臺主變故障錄波裝置。

每臺故障錄波裝置配置足夠的交流量和開關量；裝置通過二次電纜直接接入電流電壓，通過網絡方式接收GOOSE報文；單獨組網將錄波信息上傳給省調主站系統(tǒng)。

4.1.5 其他設備

全站同步時鐘系統(tǒng)、站用交直流一體化電源系統(tǒng)、智能輔助控制系統(tǒng)保護試驗電源柜、保護及故障錄波信息管理子站等設備不涉及兩種方案對比，可按照相關規(guī)程并結合前期設備情況進行配置，此處不再贅述。

4.2 相關專業(yè)的技術要求

4.2.1 對電流互感器及合并單元的要求

方案1：雙重化的500 kV斷路器失靈保護分別接至相互獨立的TA二次繞組，準確級為P級；

各間隔合并單元的配置應能夠滿足保護雙重化配置的要求，且兩套保護裝置的電流采樣值應分別取自相互獨立的合并單元；

本工程采用常規(guī)互感器，合并單元就地配置與智能控制柜內，兩套合并單元分別接兩組獨立的TA二次繞組。

方案2：采用常規(guī)互感器，本期新增的保護、測控裝置通過二次電纜直接接入電流，本期工程涉及的前期已有保護、測控裝置通過合并單元接入電流采樣值；

各間隔合并單元的配置應能夠滿足保護雙重化配置的要求，且兩套保護裝置的電流采樣值應分別取自相互獨立的合并單元。

4.2.2 對電壓互感器及合并單元的要求

方案1：各間隔合并單元的配置應能夠滿足保護雙重化配置的要求，且兩套保護裝置的電壓采樣值應分別取自相互獨立的合并單元；

采用常規(guī)互感器，雙重化的保護裝置分別接入雙重化的合并單元，雙重化的合并單元接入不同TV二次繞組；

各間隔合并單元所需母線電壓量通過母線電壓合并單元轉發(fā)。

方案2：本工程采用常規(guī)互感器，本期新增的保護、測控裝置通過二次電纜直接接入電壓，本期工程涉及的前期已有保護、測控裝置通過合并單元接入電壓采樣值；

各間隔合并單元的配置應能夠滿足保護雙重化配置的要求，且兩套保護裝置的電壓采樣值應分別取自相互獨立的合并單元。

4.3 調度自動化、電量計費、通信系統(tǒng)

此三類設備不涉及兩種方案對比，可按照相關規(guī)程并結合前期設備情況進行配置，此處不再贅述。

4.4 兩種方案綜合對比

綜上所述，對比兩種技術方案如表1所示。

從方案對比可以看出，方案2在合并單元的投資方面比方案1有所降低，但由于需要對原有母線保護、故障錄波等設備進行改造更換，同時光纜改為電纜導致電纜用量由22 km增加至48 km，總體投資上兩者相差不大。

從施工上考慮，方案1僅涉及本期擴建間隔的建設，而方案2在更換母線保護、故障錄波等設備時，需要對所涉及的所有間隔電流回路進行改造，停電涉及范圍大，施工難度大，周期長。

表1 技術方案對比

從可靠性考慮，方案1在站內已有運行經驗，有現(xiàn)有的成熟設備；方案2存在兩個問題：一是主要二次廠家在通過國家電網公司入網檢測的設備清單中均無模擬量采樣、數(shù)字量開入開出的設備，重新研發(fā)及送檢需要一定時間；二是其他間隔沒有為母線保護等預留專用的電流互感器繞組，改造后的母線保護等設備需要將電流回路串接在別的設備后，影響其可靠性。

綜合以上考慮，考慮推薦方案1為最終方案，即本期擴建設計原則與前期工程保持一致，采用“常規(guī)互感器+合并單元”的采樣方式。

為今后條件成熟的情況下取消合并單元提供條件，應將新上電流互感器二次繞組按照取消合并單元后要求進行配置。即500 kV每串斷路器的兩個邊斷路器分別配置7個二次繞組，中間斷路器配置9個二次繞組進行設計。

5 結語

通過對500 kV巨峰變電站兩種擴建方案比較分析得出：對于前期采用“常規(guī)互感器+合并單元”的智能化變電站，應按照前期建設方案對合并單元進行配置；同時應考慮在條件成熟的情況下取消合并單元，應將新上電流互感器二次繞組按照取消合并單元后要求進行完整配置。

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Secondary System Construction Scheme for Smart Substations Extension

KOU Yan1，ZANG Hongzhi1，PANG Yijun1，ZHANG Fan2，ZHU Xiaodong3
（1.Economic&Technology Research Institute，State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250021，China；2.Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.，Ltd.，Jinan 250012，China；3.State Grid Qingdao Power Supply Company，Qingdao 266002，China）

Different methods of information sampling in smart substations and their characteristics were presented.According to State Grid， the sampling method using control cable directly from general voltage and current transformers was recently announced to replace the method with merging unit in smart substation，so an in-depth discussion for the secondary system design of smart substation was needed.Taking the extension project of the 500 kV Jufeng smart substation（sampling from general voltage and current transformers with merging unit in its pre project）as an example，the two different construction projects were compared.The Result showed that the project with using control cable directly from general voltage and current transformers was safer and more convenient.

smart substation；sampling；current transformer；voltage transformer；relay

TM63

A

1007－9904（2017）01－0036－05

2016-07-04

寇 巖（1983），男，工程師，從事變電二次可研評審、新能源接入等工作。