倪云玲， 史文強(qiáng)， 秦果

(許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000)

新一代智能變電站母線合并單元工程應(yīng)用技術(shù)研究

倪云玲， 史文強(qiáng)， 秦果

(許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000)

當(dāng)母線合并單元故障，眾多間隔的二次裝置失壓。在智能變電站擴(kuò)建時，因母線合并單元輸入輸出通信協(xié)議不標(biāo)準(zhǔn)，新增間隔電子互感器(含合并單元)接入困難。采用母線電壓互感器按終期新建、間隔合并單元級聯(lián)按母線段劃分、母線合并單元SV/FT3插件冗余等方法，使母線合并單元工程應(yīng)用合理化。提出標(biāo)準(zhǔn)化合并單元規(guī)約、簡化過程層網(wǎng)絡(luò)建議，解決母線合并單元在變電站二次設(shè)備中的瓶頸問題。

合并單元；級聯(lián)；故障；瓶頸；優(yōu)化

Abstract: When a fault occurs with the bus line merging unit, many spaced secondary devices will lose voltage value. In expansion of smart substations, because of non-standard transmission protocol for the input and output of the bus line merging unit, additional spaced electronic transformers (including merging unit) are difficult to access. Bus voltage transformers are constructed according to their final term, spaced merging unit cascade is divided by bus section, and bus merging unit SV/FT3 plug-in redundancy is offered so that engineering application of bus merging units is rationalized. It is proposed to standardize the merging unit protocol and simplify the process-level network to solve the bottleneck problem of the bus merging unit in secondary equipment of the substation.

Keywords: merging unit； cascade；fault； bottleneck； optimization

0 引 言

新一代智能變電站采樣電子互感器。合并單元通過對電子互感器采集單元輸出的數(shù)字量進(jìn)行合并和處理，按DL/T 860.92標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換成以太網(wǎng)數(shù)據(jù)，輸出到過程層網(wǎng)絡(luò)或相關(guān)的智能電子設(shè)備。母線合并單元用于輸出母線電壓采樣值，間隔合并單元用于輸出間隔電流電壓采樣值。

在智能變電站(如國網(wǎng)2014新一代智能變電站擴(kuò)大示范工程) 應(yīng)用中，間隔合并單元點對點連接母線合并單元后，將采樣值發(fā)送給保護(hù)、測控、計量等裝置。母線合并單元光纖連接數(shù)量為過程層設(shè)備最多。此時，母線合并單元檢修或故障會導(dǎo)致整個變電站同一電壓等級失壓，對變電站的安全運(yùn)行產(chǎn)生較大影響，母線合并單元已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備的瓶頸。

另在南網(wǎng)某些智能變電站中，先期投入I段母線TV(電壓互感器voltage transformer)和一臺母線合并單元，后期擴(kuò)建II段母線TV和另1臺母線合并單元，II段母線TV及合并單元必須保持與I段設(shè)備相同的通訊協(xié)議，且擴(kuò)建間隔合并單元需要級聯(lián)前期母線合并單元，整個擴(kuò)建工程給新的供貨廠家?guī)砗艽罄щy。

1 母線合并單元配置

除雙母雙分主接線形式配置四臺母線合并單元外，其他如單母雙分段、單母三分段、雙母單分段主接線形式均配置二臺母線合并單元[1]7。

母線合并單元完成電壓并列功能，將并列后的電壓輸出給間隔合并單元。

以下以220 kV變電站為例，介紹母線合并單元配置原則。

1.1 220 kV側(cè)母線合并單元配置原則

220 kV側(cè)元件、線路保護(hù)均為雙配，兩套裝置直流電源獨立[2]。雙套保護(hù)的采樣回路需獨立，配置二套母線合并單元，分別布置在兩面母設(shè)智能控制柜中，I母設(shè)智能控制柜用第一路直流電源，II母設(shè)智能控制柜用第二路直流電源。

雙母線接線形式，雙套電子互感器(含合并單元)典型配置如圖1所示，每個不含電壓互感器的線路、主變間隔合并單元需級聯(lián)母線合并單元以獲取母線電壓。圖中虛線代表光纜，箭頭指向為數(shù)據(jù)流向，MU(合并單元merging unit)為合并單元簡寫。

圖1 雙母線接線電子互感器典型配置圖

1.2 110 kV側(cè)母線合并單元配置原則

110 kV主變各側(cè)保護(hù)雙配，110 kV母線合并單元雙配。因110 kV 線路保護(hù)單配，線路合并單元要從二臺母線合并單元中選一臺級聯(lián)。

圖2所示為110 kV單母雙分段接線電子互感器(含合并單元)典型配置，每個不含電壓互感器的線路合并單元需與一臺母線合并單元級聯(lián)以獲取母線電壓。

圖2 單母分段接線電子互感器典型配置圖

2 母線合并單元檢修或故障對系統(tǒng)的影響

電子互感器的故障定位已有了一些診斷手段[3]，電子互感器傳感部分的使用壽命預(yù)計可達(dá)30年，母線合并單元壽命約12年[4]。母線合并單元面臨比傳感部件更頻繁的檢修周期及更短的更換周期。

當(dāng)母線合并單元檢修，間隔合并單元不檢修時，間隔合并單元將檢修的母線電壓值與正常電流值合并后，用DL/T 860.92協(xié)議發(fā)給間隔保護(hù)。保護(hù)收到整幀報文不置檢修但母線電壓通道置檢修的報文后，分別對采樣值處理，針對母線電壓檢修，將某些保護(hù)電壓閉鎖元件開放。從變電站安全可靠運(yùn)行角度考慮，當(dāng)母線合并單元檢修時，需要將各相關(guān)間隔的保護(hù)退出電壓閉鎖，防止保護(hù)裝置誤動或拒動[5]。

母線合并單元故障，若輸出采樣值為零值，相應(yīng)保護(hù)測控裝置會判為TV斷線，自動調(diào)整保護(hù)配置、退出一些電壓閉鎖元件。若母線電壓輸出異常電壓值，可能會引起間隔保護(hù)誤動或拒動。

因此對于間隔合并單元級聯(lián)母線合并單元后給保護(hù)送采樣值的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，母線合并單元檢修或故障，對變電站二次設(shè)備的影響范圍很大。

3 擴(kuò)建對母線合并單元的影響

3.1 通信協(xié)議不一致

對于使用電子互感器的變電站，擴(kuò)建或改造時，增加新的母線合并單元比增加間隔合并單元困難許多。母線擴(kuò)建時，新上母線電壓互感器需要接入前期母線合并單元，前期電壓互感器需要接入新上母線合并單元，若不是同一廠家設(shè)備，新廠家設(shè)備通訊協(xié)議(有時還包括硬件)修改工作量較大。間隔擴(kuò)建時，新上間隔合并單元需要與前期母線合并單元級聯(lián)，級聯(lián)通訊協(xié)議相對電子互感器內(nèi)部通訊協(xié)議要規(guī)范一些，即使要修改間隔合并單元的級聯(lián)通信協(xié)議，也相對容易一些。

3.2 工程規(guī)劃不合理

如圖3所示，當(dāng)終期有3段母線，一期只投入I、II段母線時，因母線合并單元只允許一種強(qiáng)制并列方式投入，為滿足一期I、II母間并列需求，II、III母間就不能并列，故一期母線合并單元按二段母線的ICD(IED能力描述文件IED Capability Description)模型制作SCD(系統(tǒng)規(guī)格文件Substation Configuration Description)。擴(kuò)建III母時，需要對SCD文件進(jìn)行調(diào)整，包括線路3的CID文件、母線合并單元CID都需要更換。

圖3 三母線接線母線電子互感器一期配置圖

4 母線合并單元工程應(yīng)用優(yōu)化方案

4.1 母線電子互感器按終期新建

由于電子互感器采集單元與合并單元的通訊協(xié)議未標(biāo)準(zhǔn)化，因此同一電壓等級的母線電子互感器應(yīng)考慮用同一廠家設(shè)備。若母線分期建設(shè)，母線電子互感器的廠家唯一性不能保證。

建議新建變電站時按終期規(guī)模投入母線TV，可以防止后續(xù)招標(biāo)結(jié)果與一期廠家不同，給調(diào)試及運(yùn)維帶來不必要的麻煩。母線電子互感器按終期新建，也可以防止3.2所述后期擴(kuò)建修改已投運(yùn)裝置CID的情況。

4.2 級聯(lián)分配合理

220 kV電壓等級，所有間隔保護(hù)雙配，級聯(lián)方式只有一種，無可優(yōu)化。

110 kV電壓等級的非主變間隔，目前主要有二種級聯(lián)分配方式：

(1)將第一套母線合并單元作為主合并單元，所有線路合并單元級聯(lián)主合并單元。設(shè)I母智能控制柜內(nèi)安裝的合并單元為主合并單元，所有線路合并單元均從I母智能控制柜引級聯(lián)光纖。所有線路間隔的合并單元、保護(hù)裝置均由第一路直流電源供電。

本級聯(lián)分配方式適用所有形式的主接線。

(2)按母線段劃分。單母雙分接線形式，I母線上的間隔合并單元級聯(lián)I母線智能柜內(nèi)的A套母線合并單元，II母線上的間隔合并單元級聯(lián)II母線智能柜內(nèi)的B套母線合并單元。雙母單分按I、III母線上連接線路數(shù)分配級聯(lián)光纖。單母三分段將II母線上連接線路平分到I、III母線上，按單母雙方主接線形式分配級聯(lián)光纖。裝置直流電源也按此劃分。

兩種方式，間隔合并單元收到無效母線電壓值的概率相同，但方式(1)同一電壓等級全站失壓，方式(2)同一電壓等級半站失壓。無論母線合并單元檢修還是故障，選用方式(2)的級聯(lián)分配方式均比方式(1)對電網(wǎng)安全運(yùn)行的影響要小，需要注意裝置電源與級聯(lián)分配方式應(yīng)配套。

4.3 硬件冗余配置

可以通過適當(dāng)冗余母線合并單元硬件的方式，解決母線擴(kuò)建時，不同級聯(lián)協(xié)議對母線合并單元光纖接口數(shù)量的需要。

目前使用的級聯(lián)協(xié)議主要有國網(wǎng)擴(kuò)展版FT3(IEC 60044-8擴(kuò)展)、DL/T860. 92(IEC 61850 9-2)。因智能變電站的理念建立在IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)上，DL/T 860. 92級聯(lián)協(xié)議通用性較強(qiáng)。因合并單元與采集單元通訊格式為FT3格式，更多廠家選用IEC 60044-8國網(wǎng)擴(kuò)展FT3協(xié)議作為級聯(lián)協(xié)議。

在新建變電站時，母線合并單元除按本期級聯(lián)協(xié)議預(yù)留終期級聯(lián)光纖接口外，還應(yīng)冗余常用的DL/T 860. 92、國網(wǎng)擴(kuò)展版FT3插件，以利于后續(xù)間隔廠家不同時間隔合并單元級聯(lián)接入的需要。

5 母線合并單元相關(guān)后續(xù)完善建議

5.1 標(biāo)準(zhǔn)化通信協(xié)議

隨著新一代智能變電站擴(kuò)大示范工程的推廣，電子互感器逐漸被用戶認(rèn)可。母線合并單元實現(xiàn)重采樣和電壓并列的功能、性能已基本完善[6-10]。

采集單元與合并單元通信協(xié)議，除鏈路層要求為IEC 60870-5-1的FT3外[11-12]，其它如通訊速率、幀含義等尚未明確統(tǒng)一。DL/T 282-2012合并單元技術(shù)條件規(guī)定，采集單元與合并單元通信采用曼碼或異步FT3協(xié)議，但該協(xié)議并未強(qiáng)制推廣。多數(shù)廠家的電子互感器與合并單元通訊協(xié)議為自定義協(xié)議。

因電子互感器型式試驗時包含了合并單元，采集單元、合并單元間的通訊協(xié)議與電子互感器的準(zhǔn)確度相關(guān)，因此目前條件下要統(tǒng)一采集單元、合并單元間間的通訊協(xié)議，難度較大。目前已有一些電子互感器與合并單元不同廠家配合的實例，但需要提前進(jìn)行調(diào)試，才能保證工程現(xiàn)場正常通訊。

合并單元之間的級聯(lián)協(xié)議作為智能變電站網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備互聯(lián)互通的必備條件，級聯(lián)協(xié)議的一致性亟待解決。

常用的DL/T 860. 92、國網(wǎng)擴(kuò)展版FT3協(xié)議各有優(yōu)缺點。DL/T 860. 92為以太網(wǎng)傳輸?shù)耐ㄓ崊f(xié)議，抗病毒及網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴能力差。國網(wǎng)擴(kuò)展版FT3因通道數(shù)22個受限，當(dāng)母線合并單元需要輸出3段母線電壓及零序電壓時不適用，且有些廠家傳輸速率20 Mbit/s、10 Mbit/s(數(shù)據(jù)時鐘)可選，有些廠家只做了10 Mbit/s，給互聯(lián)互通造成困難。

建議當(dāng)前智能變電站對合并單元間的級聯(lián)協(xié)議進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，盡量采用DL/T 860. 92，當(dāng)采用串口通訊時，采用唯一速率10 Mbps[1]14。

5.2 過程層網(wǎng)絡(luò)簡化

過程層作為智能變電站三層結(jié)構(gòu)的最底層，涉及變電站一次設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備的實時控制，如數(shù)據(jù)采集和保護(hù)跳閘等，過程層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性在很大程度上決定了變電站全站運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，意義重大[13]。

圖4給出了單母分段主接線形式變電站過程層簡化網(wǎng)絡(luò)構(gòu)想。其中主變、線路間隔的電流電壓值由本間隔電子互感器采集，不再從母線合并單元級聯(lián)獲取。

圖4 智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

此種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢：

(1)電流、電壓采集由本間隔電子互感器完成，后續(xù)間隔擴(kuò)建方便，符合智能變電站的發(fā)展方向。間隔檢修，只有本間隔保護(hù)需要投入檢修狀態(tài)。

(2)節(jié)省級聯(lián)光纜。

(3)當(dāng)線路需要同期合閘時，由線路測控裝置進(jìn)行重合閘角度判斷，保護(hù)裝置只需發(fā)重合GOOSE給測控裝置手合接點即可，這樣對于同期合閘功能無需線路保護(hù)、線路測控同時進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。合并單元DL/T 860.92采樣值發(fā)送間隔離散值應(yīng)小于 10 μs，交換機(jī)傳輸延時不大于10 μs[1]8，由測控裝置從組網(wǎng)口采集同期電壓對同期合閘角度定值基本沒有影響。在雙母線接線時，需要測控完成電壓切換功能。

6 結(jié)束語

針對目前新一代智能變電站母線合并單元的配置情況，提出了采用母線電壓互感器按終期新建、間隔合并單元級聯(lián)按母線段劃分、母線合并單元SV/FT3插件冗余、標(biāo)準(zhǔn)化合并單元規(guī)約、簡化過程層網(wǎng)絡(luò)等方法，緩解當(dāng)前智能變電站母線合并單元在過程層二次網(wǎng)絡(luò)中的瓶頸問題。

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A Study on Engineering Application Technology of Bus Merging Unit in New Generation Smart Substations

Ni Yunling, Shi Wenqiang, Qin Guo

(XJ Group Co. Ltd., Xucang Henan 461000, China)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.03.011

TM72

A

1000-3886(2017)03-0032-03

定稿日期: 2016-09-25

倪云玲(1976-)，女, 浙江定海人，工程師，主要從事電子互感器研發(fā)和變電站自動化系統(tǒng)設(shè)計。 史文強(qiáng)(1986-)，男,河南許昌人,工程師，主要從事電子互感器的研發(fā)和設(shè)計。 秦果(1986-)，男, 河南南陽人，工程師，主要從事電子互感器的研發(fā)和設(shè)計。