張愛(ài)軍，趙麗君

（1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)電力系統(tǒng)智能化電網(wǎng)仿真企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特010020；3.內(nèi)蒙古電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，呼和浩特 010010）

0 引言

隨著智能變電站在全國(guó)范圍持續(xù)推廣，智能設(shè)備制造技術(shù)及工藝不斷取得進(jìn)步并得到廣泛應(yīng)用。智能設(shè)備已經(jīng)進(jìn)入成熟期，而早期投入運(yùn)行的數(shù)字化變電站逐漸暴露出設(shè)備及技術(shù)落后等問(wèn)題，不利于變電站的優(yōu)質(zhì)、高效運(yùn)行，也給電力系統(tǒng)運(yùn)行帶來(lái)了安全隱患。雖然每年都對(duì)這類(lèi)變電站投入了大量的資金及人力物力進(jìn)行維護(hù)整改，但治理效果并不理想，急需對(duì)這類(lèi)舊站進(jìn)行智能化改造。

1 存在的問(wèn)題

杜爾伯特220 kV變電站于2006年正式投運(yùn)，是國(guó)內(nèi)首座先進(jìn)的220 kV 數(shù)字化變電站。早期的數(shù)字化技術(shù)及設(shè)備逐漸暴露出設(shè)備互操作性不強(qiáng)，系統(tǒng)開(kāi)放性不夠，不同廠家設(shè)備通信不能滿足即插即用功能需求等問(wèn)題。電子式互感器、綜合自動(dòng)化系統(tǒng)均存在運(yùn)行不穩(wěn)定現(xiàn)象，并且同類(lèi)型產(chǎn)品已經(jīng)停產(chǎn)，備品備件缺乏,無(wú)法及時(shí)維護(hù)；站內(nèi)運(yùn)行了10年的二次系統(tǒng)也已進(jìn)入故障高發(fā)期，運(yùn)維成本高，集成優(yōu)化技術(shù)已不能滿足變電站智能化技術(shù)發(fā)展的要求，嚴(yán)重威脅到變電站的安全可靠運(yùn)行，急需進(jìn)行升級(jí)改造。

2 改造技術(shù)要點(diǎn)

變電站無(wú)論是數(shù)字化還是智能化，都是為了更好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。數(shù)字化是從技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段方面定義，主要強(qiáng)調(diào)以數(shù)字方式交換信息；而智能化是從設(shè)備功能方面定義，更多強(qiáng)調(diào)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能和變電站的高級(jí)應(yīng)用功能，本次改造技術(shù)要點(diǎn)主要有以下方面。

2.1 一次設(shè)備

2.1.1 開(kāi)關(guān)

各開(kāi)關(guān)設(shè)備原采用“傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)+室外開(kāi)關(guān)智能單元+室內(nèi)開(kāi)關(guān)智能單元”的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)智能化，本次改造中傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)設(shè)備不需更換。

當(dāng)時(shí)為了配合數(shù)字化變電站以及電子互感器的應(yīng)用，原有的開(kāi)關(guān)智能單元在光纜兩端室內(nèi)、室外成對(duì)布置完成數(shù)模轉(zhuǎn)換工作，在一次設(shè)備處就地安裝，屬于通過(guò)光纖與二次設(shè)備相連的一次設(shè)備的代理設(shè)備。本期改造更換為能通過(guò)光纜直接接入保護(hù)裝置的室外單端配置的智能終端，220 kV側(cè)及主變壓器各側(cè)配置雙套，110 kV側(cè)配置單套。將傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)信息量和分合閘信號(hào)全部通過(guò)電纜連接到就地智能控制柜中的智能終端設(shè)備。

2.1.2 互感器

站內(nèi)原有35 kV、110 kV及220 kV電流、電壓互感器，以及主變壓器間隙電流互感器均選用輸出數(shù)字信號(hào)的早期電子互感器。受當(dāng)時(shí)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的影響，該站的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)構(gòu)建思路不清晰，僅實(shí)現(xiàn)了將新研發(fā)的電子式互感器投入使用，雖然在當(dāng)時(shí)具備領(lǐng)先水平，但經(jīng)過(guò)10 年多的發(fā)展，現(xiàn)有電子式互感器的制造工藝落后、運(yùn)行不穩(wěn)定、故障率高等問(wèn)題突顯，特別是大功率激光取能元件故障頻發(fā)。

目前，電子互感器經(jīng)過(guò)大量項(xiàng)目的應(yīng)用和檢驗(yàn)，制造工藝及軟硬件技術(shù)水平都有較大提高，根據(jù)現(xiàn)有條件，決定使用新型電子互感器配合合并單元的模式進(jìn)行改造。原有主變壓器套管、主變壓器零序、35 kV 零序電流互感器均使用傳統(tǒng)的電流互感器，為免去與現(xiàn)有主變壓器本體及開(kāi)關(guān)柜的繁瑣配合，減少現(xiàn)場(chǎng)已有設(shè)備的改造工作，保證工程進(jìn)度，這些互感器本次不進(jìn)行更換，對(duì)應(yīng)配置原件接入模擬量的主變壓器合并單元。拆除35 kV小電流接地選線裝置后，將傳統(tǒng)零序電流接入35 kV 測(cè)控保護(hù)裝置以實(shí)現(xiàn)接地選線功能，但35 kV 測(cè)控保護(hù)裝置不能同時(shí)接入模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，綜合考慮成本和性能，接入混合量的35 kV測(cè)控保護(hù)裝置，很好地解決了該問(wèn)題。

2.2 二次設(shè)備

2.2.1 監(jiān)控系統(tǒng)

本站建站時(shí)間較早，采用了原始的智能設(shè)備，各類(lèi)裝置僅支持IEC 61850-9-1協(xié)議。此協(xié)議是數(shù)字化變電站建設(shè)初期為兼容IEC 60044-8電子式互感器標(biāo)準(zhǔn)而實(shí)行的過(guò)渡標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡(jiǎn)單，全部采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)字量采樣和跳閘方式（如圖1），光纖雜亂，應(yīng)用靈活性差。此協(xié)議已于2009 年被撤銷(xiāo)，各廠家現(xiàn)已停止使用并不再生產(chǎn)支持該協(xié)議的產(chǎn)品，無(wú)法提供良好的售后服務(wù)[1]。

為了與現(xiàn)行智能變電站建設(shè)規(guī)范接軌，便于符合當(dāng)前規(guī)范和多元化應(yīng)用需求的新擴(kuò)建設(shè)備的順利接入，同時(shí)也為了今后全站裝置的統(tǒng)一規(guī)范化運(yùn)維，本次將原有監(jiān)控系統(tǒng)更換為符合IEC 61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)的一體化監(jiān)控系統(tǒng)，面向?qū)ο蟛⑶野瑢?duì)過(guò)程層設(shè)備的模型描述，支持從數(shù)據(jù)鏈路層到多媒體短信服務(wù)（MMS）的映射；亦可靈活定義幀格式，并支持組播、廣播和單播多種方式，且通信傳輸方向?yàn)殡p向，支持多種高級(jí)應(yīng)用，可靠性、靈活性提升[1]。

本次改造中變電站監(jiān)控系統(tǒng)采用開(kāi)放式分層分布式系統(tǒng)，三層設(shè)備結(jié)構(gòu)，采用DL/T 860—2014《電力自動(dòng)化通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》通信標(biāo)準(zhǔn)，傳輸速率不低于100 Mbit/s[2]，統(tǒng)籌組建三層兩網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（見(jiàn)圖2），構(gòu)建統(tǒng)一的雙星形MMS 網(wǎng)。220 kV 系統(tǒng)過(guò)程層設(shè)置雙星形SV/GOOSE 網(wǎng)絡(luò)，110 kV 系統(tǒng)過(guò)程層設(shè)置單星形SV/GOOSE網(wǎng)絡(luò)；35 kV裝置通過(guò)電口接至站控層MMS網(wǎng)。間隔層測(cè)控裝置采用SV網(wǎng)絡(luò)采樣、GOOSE網(wǎng)絡(luò)跳閘。過(guò)程層設(shè)備具有自我檢測(cè)、自我描述功能。智能化系統(tǒng)具備光回路及采集卡的狀態(tài)預(yù)診斷功能[3]。

圖1 原點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)字量采樣和跳閘方式示意圖

圖2 改造后SV/GOOSE組網(wǎng)方案

全站按電壓等級(jí)配置網(wǎng)絡(luò)記錄分析儀，記錄整個(gè)通信過(guò)程, 在線分析系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有通信報(bào)文，實(shí)時(shí)監(jiān)視自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行狀況并及時(shí)對(duì)異常情況進(jìn)行報(bào)警，為事故分析及運(yùn)行維護(hù)提供依據(jù)。

2.2.2 保護(hù)及安全自動(dòng)裝置

原有二次系統(tǒng)采用IEC 61850-9-1協(xié)議組網(wǎng)模式，既不滿足現(xiàn)行規(guī)范要求的保護(hù)直接采樣、直接跳閘規(guī)定，也不滿足擴(kuò)展性、互操作性等方面可靠快速的安全需求。

經(jīng)核實(shí)，近年新擴(kuò)建的兩套線路保護(hù)升級(jí)改造后仍可利用，同時(shí)將對(duì)側(cè)裝置軟硬件升級(jí)為與本側(cè)同版本的保護(hù)，利用軟件保護(hù)定值或算法完成補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)解決同步問(wèn)題；其余線路保護(hù)、主變壓器保護(hù)、母線保護(hù)、母聯(lián)保護(hù)均需更換，采用直接采樣、直接跳閘方式，采樣和跳閘不經(jīng)過(guò)程層交換機(jī)，通過(guò)單獨(dú)的光口直接連接，保證采樣和跳閘的可靠性、實(shí)時(shí)性。主變壓器各側(cè)及220 kV間隔配置雙套保護(hù)，110 kV間隔配置單套保護(hù)測(cè)控合一裝置。主變壓器非電量保護(hù)單套配置，采用電纜就地直跳方式；主變壓器保護(hù)聯(lián)跳及啟動(dòng)失靈采用GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸[4]。

早期工程建設(shè)時(shí)，部分設(shè)備不具備信息數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)，如低頻低壓減載裝置、故障錄波器和電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)屏，不能接收數(shù)字信號(hào)，只能通過(guò)加裝數(shù)模轉(zhuǎn)換設(shè)備，輸出±5 V的模擬信號(hào)配合實(shí)施。本次全部更換為采用SV網(wǎng)絡(luò)采樣設(shè)備，故障錄波信息通過(guò)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)與主站通信。不配置獨(dú)立的保護(hù)及故障信息管理子站，其功能由站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)集成，并經(jīng)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)上傳主站。

2.2.3 電量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)

該站原數(shù)字電能表通信均采用IEC 61850-9-1規(guī)約，獲取單向多路點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行通信鏈路上的采樣值。據(jù)了解，電能表存在無(wú)計(jì)費(fèi)潛動(dòng)系統(tǒng)、容易導(dǎo)致計(jì)費(fèi)不準(zhǔn)確等缺陷，屬于數(shù)字化第一代產(chǎn)品，無(wú)法進(jìn)行升級(jí)。智能化改造后，通信規(guī)約升級(jí)為成熟的IEC 61850-9-2。該站的電能表已經(jīng)不能滿足通信的要求，故需要更換為參照國(guó)家電網(wǎng)公司的電能表規(guī)范要求而研制的數(shù)字電能表產(chǎn)品，保證計(jì)費(fèi)準(zhǔn)確性[5]。非關(guān)口計(jì)量表采用SV 網(wǎng)絡(luò)采樣，關(guān)口計(jì)量表采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)采樣。

2.2.4 二次設(shè)備布置

結(jié)合內(nèi)蒙古四子王旗地區(qū)大風(fēng)、多塵、冬季低溫的特殊運(yùn)行環(huán)境及工程以往運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)避免現(xiàn)有開(kāi)關(guān)柜新開(kāi)孔，同一電壓等級(jí)間隔層保護(hù)、220 kV測(cè)控、電能表、110 kV測(cè)控保護(hù)裝置[5]、35 kV測(cè)控保護(hù)多功能裝置以間隔為模塊相對(duì)集中組屏布置，220 kV、110 kV 合并單元與對(duì)應(yīng)的間隔層設(shè)備共同組柜于繼電保護(hù)室布置；各間隔智能終端分散布置在高防護(hù)等級(jí)的就地智能控制柜，主變壓器本體合并單元與智能終端就地布置于主變壓器智能控制柜，雙層不銹鋼設(shè)計(jì)的智能柜內(nèi)裝有溫度控制系統(tǒng)。35 kV各間隔合并單元智能終端集成裝置對(duì)應(yīng)下放在35 kV開(kāi)關(guān)柜。特別注意做好光接頭的防塵措施，以確保光回路在長(zhǎng)期惡劣環(huán)境中的損耗符合要求。

3 實(shí)施過(guò)程

按照間隔先改一次設(shè)備、后改二次系統(tǒng)。首先更換完電流互感器、電壓互感器，然后安裝就地智能控制柜（內(nèi)裝智能終端）；將傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)信息量及分合閘全部通過(guò)電纜連接到就地智能終端；接著完成智能控制柜內(nèi)設(shè)備光纖的連接；間隔內(nèi)進(jìn)行光纖組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)保護(hù)直接采樣直接跳閘方式，相互閉鎖的開(kāi)關(guān)量將通過(guò)GOOSE 交換機(jī)以組網(wǎng)的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。待所有間隔改造完成后，進(jìn)行保護(hù)功能調(diào)試。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)在改造實(shí)施過(guò)程中，新老監(jiān)控系統(tǒng)先同時(shí)運(yùn)行，然后將改造完的間隔接入新的監(jiān)控系統(tǒng)。等所有間隔改造完之后，拆除原有監(jiān)控系統(tǒng)。為了不影響已改造完設(shè)備的正常運(yùn)行，新改間隔的系統(tǒng)后臺(tái)具備在線更新和實(shí)時(shí)自動(dòng)同步功能。改造實(shí)施中所有配置維護(hù)工作在工程師站進(jìn)行，并通過(guò)對(duì)操作維護(hù)人員和機(jī)器權(quán)限的管理，確保系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控的安全性。

4 改造效果

智能化改造后，優(yōu)化了組屏方案，使用高度集成裝置，減少了屏柜數(shù)量，取得以下效果。

（1）增加了監(jiān)控系統(tǒng)的高級(jí)應(yīng)用功能，如順序化控制、間隔五防、智能告警與分析決策、全景數(shù)據(jù)反演、分布式狀態(tài)估計(jì)等，減少了檢修停電和故障停電時(shí)間，主要設(shè)備的使用周期得以延長(zhǎng)。

（2）支持電網(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動(dòng)等功能，實(shí)現(xiàn)與相鄰變電站、電網(wǎng)調(diào)度等互動(dòng)，提升了變電站運(yùn)維效率和智能化水平[6-9]。

5 技術(shù)探討

合并單元是針對(duì)與數(shù)字化輸出的電子式互感器連接而被首次定義的，主要功能是同步采集多路電子式互感器輸出的數(shù)字信號(hào)或常規(guī)互感器輸出的模擬信號(hào)，按照標(biāo)準(zhǔn)格式發(fā)送給保護(hù)、測(cè)控設(shè)備[10-16]。基于以下原因，該項(xiàng)目最終決定采用合并單元。

（1）考慮到已有220 kV、110 kV 戶外配電裝置布置尺寸、設(shè)備基礎(chǔ)、設(shè)備支架及已有35 kV開(kāi)關(guān)柜內(nèi)空間的盡量利用等因素，仍采用電子式互感器，同時(shí)配置合并單元。

（2）合并單元作為智能變電站的一個(gè)重要智能電子設(shè)備，負(fù)責(zé)完成傳統(tǒng)保護(hù)、測(cè)控裝置的電氣量采集，并通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)通信接口發(fā)送給保護(hù)、測(cè)控、錄波器等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)來(lái)源的唯一。同時(shí)合并單元也是實(shí)現(xiàn)智能變電站一次設(shè)備智能化、全站信息數(shù)字化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化的一個(gè)不可或缺的裝置。

6 結(jié)語(yǔ)

杜爾伯特220 kV 變電站智能化改造以高可靠性、技術(shù)先進(jìn)性及節(jié)能化為目標(biāo)，應(yīng)用智能設(shè)備、信息網(wǎng)絡(luò)、裝置集成等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)高度集成、結(jié)構(gòu)布局合理、裝備先進(jìn)及調(diào)控一體等效果，有效提升了變電站安全性、可靠性和先進(jìn)性，為數(shù)字化變電站升級(jí)改造和新建智能變電站提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。