文/呂青 孫浩云 劉琳

變電站就地化保護設(shè)計方案探討

文/呂青 孫浩云 劉琳

隨著變電站二次設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，智能變電站成為智能電網(wǎng)的重要組成部分。智能變電站的顯著優(yōu)點是實現(xiàn)了就地數(shù)字化、 跨間隔數(shù)據(jù)共享，二次回路簡單，無二次長電纜等。目前智能變電站標(biāo)準化設(shè)計采用三層兩網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在功能邏輯上由站控層、間隔層、過程層以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成：站控層由監(jiān)控主機兼操作員工作站、數(shù)據(jù)服務(wù)器、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機及網(wǎng)絡(luò)打印機等設(shè)備構(gòu)成；間隔層由保護、測控、計量、錄波、網(wǎng)絡(luò)記錄分析、相量測量等若干個二次子系統(tǒng)組成；過程層由合并單元、智能終端等構(gòu)成，完成與一次設(shè)備相關(guān)的功能，包括實時運行電氣量的采集、設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測、控制命令的執(zhí)行。

隨著智能變電站的發(fā)展，以下問題日漸凸顯：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，中間環(huán)節(jié)多，由于合并單元以及智能終端的處理延時，保護的整組動作時間比常規(guī)變電站保護增加7～8ms；合并單元故障影響范圍大，SV網(wǎng)采數(shù)據(jù)同步對時間同步系統(tǒng)依賴性高；交換機數(shù)量多，配置工作量大，故障影響范圍廣，增加建設(shè)成本和維護難度；過程層配置復(fù)雜多變，安裝調(diào)試及運維檢修工作量大，改擴建技術(shù)難度高。

就地化保護新技術(shù)將有效解決以上問題，對智能變電站的推廣應(yīng)用提供了有利的技術(shù)支撐。就地化保護通過貼近一次設(shè)備高防護就地安裝布置，采用電纜直接采樣直接跳閘，取消過程層合并單元和智能終端設(shè)備，減少中間傳輸環(huán)節(jié)，提升保護速動性與可靠性；基于接口標(biāo)準化設(shè)計，實現(xiàn)保護裝置的即插即用、工廠化預(yù)制、集中式調(diào)試、模塊化安裝和更換式檢修，提升工作質(zhì)量和效率，減少停電時間；通過一體化設(shè)計，縱向集成單間隔功能，實現(xiàn)繼電保護裝置小型化、集成化，減少設(shè)備類型及數(shù)量，降低整體設(shè)備缺陷率。

目前110kV及以上就地化線路保護樣機以及相關(guān)的管理單元設(shè)備已通過中國電科院檢測，并在黑龍江漠河、新疆吐魯番、浙江舟山等8個典型特殊氣候地區(qū)掛網(wǎng)運行。

就地化保護裝置結(jié)構(gòu)特點

就地化保護裝置采用小型化結(jié)構(gòu)，模塊化設(shè)計，便于整體安裝、拆卸及更換。

保護裝置對外接口采用專用電連接器和專用光纖連接器形式，通過預(yù)制電纜與預(yù)制光纜實現(xiàn)對外連接。各個電連接器與光纖連接器之間具有物理防誤插措施，包括本連接器不同方向以及不同連接器之間可能出現(xiàn)的防誤插措施。

裝置采用金屬全密封機箱結(jié)構(gòu)，裝置的IP防護等級滿足IP67的要求。裝置適應(yīng)于環(huán)境溫度：-40℃～+70℃。裝置電磁兼容性能：工頻電場強度19kV/m，工頻磁場強度1130μT。裝置具有防振動、抗跌落的機械結(jié)構(gòu)，機械振動、沖擊和碰撞性能滿足DL/T 478-2013中4.10.4的規(guī)定。

就地化保護性能特點

就地化保護具有以下優(yōu)點：

1）單間隔就地化線路保護減少了保護采樣、跳閘信號中間傳輸環(huán)節(jié)，比目前智能化變電站保護的整組動作時間縮短7ms～8ms。

2）單間隔線路保護取消了保護裝置與間隔合并單元、智能終端間SV、GOOSE虛端子配置，減少配置工作量。

3）跨間隔就地化保護通過雙向環(huán)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余，任一節(jié)點通信中斷，環(huán)網(wǎng)通信不受影響，可靠性高。

4）支持SV和GOOSE收發(fā)，為站域保護等站端設(shè)備提供數(shù)據(jù)采集和控制執(zhí)行支撐。

5）簡化二次光纜、電纜接線。

就地化保護與傳統(tǒng)智能站保護的性能對比：

就地化保護 傳統(tǒng)智能站保護貼近一次設(shè)備安裝，僅需配置就地端子箱， 保護裝置工廠化預(yù)制、模塊化安裝需要間隔保護屏和智能匯控柜，系統(tǒng)接線復(fù)雜，占地面積大采用專用電連接器和專用光纖連接器插接，實現(xiàn)現(xiàn)場防誤、即插即用二次回路及接線復(fù)雜，易出現(xiàn)誤接線、消缺困難集中式調(diào)試、更換式檢修，簡化現(xiàn)場工作，提高人員工作效率現(xiàn)場調(diào)試、檢修，工作周期及停電時間長采用電纜直采直跳，提升速動性和可靠性應(yīng)用了光纖通信，增加了中間傳輸及光電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，使得保護動作速度下降可無防護安裝 需空調(diào)環(huán)境下運行

就地化線路保護實施方案

1) 基于間隔內(nèi)功能縱向集成的理念，就地化線路保護集成了合并單元、智能終端功能。

2）每套線路保護均具有完整的主后備保護功能，雙重化線路保護相互獨立配置。

3）線路保護采用模擬量電纜直接采樣，采集本間隔保護用三相電流、電壓及同期電壓。通過SV網(wǎng)絡(luò)發(fā)布本間隔電流、電壓采樣值。

4）線路保護采用電纜直接跳閘。通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)發(fā)布本裝置的跳閘信號及其他狀態(tài)信號，通過GOOSE網(wǎng)訂閱其他保護或控制設(shè)備的相關(guān)信號。例如：啟動失靈、閉鎖重合閘。

5）線路保護通過電纜接入必要的斷路器信息，例如：斷路器位置。

6）線路保護具備SV和GOOSE過程層共口輸出功能，供站域等其他保護使用，采樣率為4kHz。

7）線路保護縱聯(lián)通道分別采用兩個不同路由的通道。

就地化線路保護方案如圖1所示。

圖1 就地化線路保護方案示意圖

就地化主變保護實施方案

1）就地化主變保護由主機和子機構(gòu)成。保護主機、子機之間通過HSR環(huán)網(wǎng)發(fā)送和接收信息。

保護主機包含全部保護功能、對外管理功能及本體子機功能，主機通過HSR環(huán)網(wǎng)接收采樣數(shù)據(jù)和開關(guān)量，進行邏輯運算。運算結(jié)果通過HSR環(huán)網(wǎng)發(fā)給子機，跨間隔開關(guān)量通過GOOSE網(wǎng)收發(fā)。

保護子機完成本間隔模擬量采集，開關(guān)量采集及保護出口。子機采集模擬量和開關(guān)量后通過HSR環(huán)網(wǎng)發(fā)送給主機，并接收主機的開關(guān)量信號用于出口。

2）子機應(yīng)采用電纜直接采樣和電纜直接跳閘方式，裝置接收的斷路器位置等本間隔開入信息應(yīng)采用電纜連接方式，與其他裝置間的啟動、閉鎖等信號應(yīng)采用GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸。

3）主機和子機具備SV和GOOSE過程層共口輸出功能，供站域等其他保護使用，采樣率為4kHz，子機同其他保護的信息交互采用GOOSE組網(wǎng)方式完成。

4）保護裝置不依賴于外部對時系統(tǒng)實現(xiàn)其保護功能。

需要指出的是，主變保護主機、子機之間采用環(huán)網(wǎng)通信具有較高的可靠性，當(dāng)任一節(jié)點通信中斷時環(huán)網(wǎng)通信不會受到影響。并且可根據(jù)變電站規(guī)模劃分不同子環(huán)網(wǎng)，有效降低環(huán)網(wǎng)傳輸流量，提高傳輸裕量，方便間隔擴展。

就地化母差保護實施方案

1）母線保護按照常規(guī)互感器接入方式設(shè)計，電纜直接采樣、電纜直接跳閘。

2）母線保護采用積木式設(shè)計，由一個基礎(chǔ)保護系統(tǒng)和若干個擴展保護系統(tǒng)構(gòu)成，以基礎(chǔ)保護系統(tǒng)為中心按星型拓撲連接。

3）基礎(chǔ)保護系統(tǒng)和擴展保護系統(tǒng)能夠靈活接入8個間隔，間隔在各基礎(chǔ)保護系統(tǒng)或擴展保護系統(tǒng)的接入分配應(yīng)根據(jù)實際工程由設(shè)備制造廠在出廠前完成。

4）基礎(chǔ)保護系統(tǒng)負責(zé)8個間隔的模擬量和開關(guān)量的采集和對應(yīng)間隔的分相跳閘出口，并完成保護邏輯功能、與智能管理單元接口功能、過程層網(wǎng)絡(luò)通信接口功能、站控層通信接口功能。

5）擴展保護系統(tǒng)負責(zé)8個間隔的模擬量和開關(guān)量采集以及對應(yīng)間隔的分相跳閘出口。

6）基礎(chǔ)保護系統(tǒng)和擴展保護系統(tǒng)可以靈活接入電壓模擬量或電流模擬量，每段母線的電壓按一個獨立的間隔接入，基礎(chǔ)保護系統(tǒng)和各擴展保護系統(tǒng)之間為點對點連接方式。

7）基礎(chǔ)保護系統(tǒng)和擴展保護系統(tǒng)之間按照共口方式傳輸SV和GOOSE數(shù)據(jù)。

8）基礎(chǔ)保護系統(tǒng)和擴展保護系統(tǒng)具備SV和GOOSE過程層共口輸出功能，供站域等其他保護使用，采樣率為4kHz。

9）聯(lián)閉鎖信息（失靈啟動、遠跳閉重、失靈聯(lián)跳等）采用GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸方式。

就地化保護智能管理單元

就地化保護智能管理單元實現(xiàn)變電站內(nèi)就地化保護裝置的界面集中展示、配置管理、備份管理、保護設(shè)備在線監(jiān)視與診斷功能。智能管理單元與不同廠家保護裝置間具備良好的兼容性，對各廠家保護裝置采用統(tǒng)一的顯示和操作界面。

變電站所有就地保護設(shè)備直接連接到站控層MMS網(wǎng)絡(luò)。智能管理單元采用雙機配置，部署在安全I區(qū)，與站控層雙網(wǎng)連接，獲取保護數(shù)據(jù)。管理單元具體應(yīng)包含以下功能：

1）界面展示功能：

智能管理單元可以對菜單內(nèi)容進行相應(yīng)展示和操作；也支持保護中間節(jié)點信息上送及展示，輔助進行隱性故障識別。同時在智能管理單元中可以根據(jù)就地化保護的模擬量進行向量圖、序分量的計算，實現(xiàn)保護的負荷展示功能，方便運維人員負荷檢查，保證就地化保護的采樣準確性。

2）備份功能：

為保證在更換就地化保護設(shè)備時簡單易行，在就地化保護安裝完成后，智能管理單元對保護設(shè)備相關(guān)的參數(shù)進行備份，備份文件包括：CID、CCD、工程參數(shù)、定值等。

3）保護設(shè)備在線監(jiān)視與診斷功能：

智能管理單元可以根據(jù)就地化保護設(shè)備的上送告警信息、監(jiān)測信息等對裝置的運行狀態(tài)進行評估，并可根據(jù)監(jiān)測信息的統(tǒng)計變化趨勢進行故障預(yù)警。同時管理單元可以收集保護設(shè)備的溫度、電源電壓、光口強度等信息，能夠以圖形形式展示出來，并能對相應(yīng)數(shù)據(jù)進行分析預(yù)警。

隨著電網(wǎng)規(guī)模的迅速擴張，電網(wǎng)亟需快速可靠、便于運維的繼電保護新技術(shù)。本文在就地化保護新技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了智能化變電站采用就地化保護配置方案；對就地化保護配置原則、裝置技術(shù)特性、設(shè)備安裝及接口方式均做了較為詳細的說明；并在就地化保護配置基礎(chǔ)上，提出了變電站采用三網(wǎng)合一的自動化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。工程中可根據(jù)實際接線和建設(shè)規(guī)模，選擇最優(yōu)的保護配置方案，保證智能變電站可靠安全運行。

（作者均就職于華東電力設(shè)計院有限公司，文章有刪節(jié)）