宋小舟，劉懷宇，陳昊，李樹峰，張海華，何嘉弘

(1.北京四方繼保工程技術(shù)有限公司，北京 100085；2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司超高壓分公司，江蘇 南京 211102；3.東南大學(xué) 電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096)

繼電保護是保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的關(guān)鍵措施。借助半導(dǎo)體及通信技術(shù)的發(fā)展，微機保護的選擇性、速動性、靈敏性和可靠性得到更進一步的提升[1-4]。隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)的快速發(fā)展，繼電保護裝置的信號采集、跳閘控制、功能算法、壽命預(yù)測[5-7]等技術(shù)也在深刻變化，未來趨向于設(shè)備模型化、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化、功能配置化、邏輯節(jié)點化的方向發(fā)展[2，8]。

繼電保護技術(shù)的發(fā)展推動著變電站技術(shù)的不斷更迭，使得智能變電站逐漸成為智能電網(wǎng)的重要組成部分[9-11]。目前智能變電站標(biāo)準(zhǔn)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，存在二次設(shè)備眾多、信息共享率較低等問題[12-13]。智能變電站的建設(shè)迫切需要新的二次設(shè)備技術(shù)方案，從而簡化變電站設(shè)計，降低變電站造價，提高設(shè)備的可維護性，對智能變電站的推廣應(yīng)用提供有力的技術(shù)支撐。文獻[13-16]圍繞新型智能電子設(shè)備(intelligent electronic device，IED)裝置討論新型IED在智能變電站的應(yīng)用，文獻[17-19]從變電站二次設(shè)計維度討論智能變電站的發(fā)展方向，但均未涉及優(yōu)化二次設(shè)備數(shù)量、提高設(shè)備的信息共享率等問題的研究。

本文提出一種IED通用設(shè)計方法：硬件完全互換，保護面向功能，功能群(function group，F(xiàn)G)面向一次設(shè)備，F(xiàn)G冗余設(shè)置，即通用IED(generic IED，GIED)。GIED的保護設(shè)計可以實現(xiàn)保護功能之間數(shù)據(jù)共享和CPU資源共享，從而減少交換機數(shù)量及簡化變電站接線。同時GIED可以實現(xiàn)保護硬件的完全替代式更換，大大降低備品備件數(shù)量，顯著降低設(shè)備的后期維護性成本。未來隨著處理器性能的提高，GIED的數(shù)量隨之減少，從而促使變電站保護整體成本進一步下降以及可靠性進一步提高。通過挖掘變電站的整體信息，從而優(yōu)化各種保護功能之間的配合關(guān)系，提升變電站繼電保護的綜合性能。最后以500 kV 3/2接線方式變電站為例的工程實例驗證本文所提方法的有效性和可行性。

1 GIED設(shè)計

IED是作為變電站自動化系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，基于邏輯節(jié)點實現(xiàn)變電站的保護、控制、監(jiān)視及測量等功能，借助通信系統(tǒng)與站內(nèi)其他IED進行通信。IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)解決傳統(tǒng)IED設(shè)備之間通信規(guī)約不統(tǒng)一、裝置互換性困難等問題，數(shù)據(jù)共享等問題未來將在IEC TC95、TC57、TC38相應(yīng)工作組制訂的標(biāo)準(zhǔn)中解決。

傳統(tǒng)IED設(shè)備面向一次設(shè)備配置，不同類型IED的開入、開出和模擬量采集不同，機箱結(jié)構(gòu)、尺寸、CPU設(shè)計都有很大差異，IED注重本身保護功能的實現(xiàn)，CPU資源過剩、不足問題時有發(fā)生，相互間資源共享率低。同時，其硬件備品備件之間存在不可替代性，從而降低保護設(shè)備的維護成本。

由此本文提出GIED設(shè)計，基于不同類型IED裝置的共同特點，抽象出通用基本功能配置于GIED，消除IED間差異性，實現(xiàn)其互換性。如圖1所示為GIED的設(shè)計示意圖，主要有4個模塊：①開關(guān)量輸入/開關(guān)量輸出(binary input/binary output，BI/BO)模塊；②采樣模塊；③電源模塊；④管理模塊。BI/BO模塊實現(xiàn)包括一次設(shè)備斷路器位置、刀閘位置、低氣壓閉鎖等開關(guān)量的輸入，以及跳閘、信號等開關(guān)量輸出；采樣模塊實現(xiàn)電壓量、電流量等模擬量的交流變換、低通濾波、AD轉(zhuǎn)換等功能，同時借助傳感器采集溫、濕度等模擬量；電源模塊通過直流逆變電源插件，實現(xiàn)直流220 V或110 V至GIED裝置所需開入、開出電源+24 V、模擬量用電源±12 V以及CPU邏輯用電源+5 V的變換；管理模塊實現(xiàn)與監(jiān)控后臺、工程師站、遠動、信息子站等的通信，同時實現(xiàn)對時同步功能。管理模塊中的數(shù)據(jù)采集處理通過高速共享數(shù)據(jù)總線〔例如周邊設(shè)備高速連接(peripheral component interconnect express，PCIe)總線〕處理共享數(shù)據(jù)、采樣值(sampled value，SV)以及通用面向?qū)ο蟮淖冸娬臼录?generic object oriented substation event，GOOSE)數(shù)據(jù)，其光口A—E主要用來傳輸過程層、站控層網(wǎng)絡(luò)的GOOSE及SV相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖1 GIED設(shè)計示意圖

基于上述的IED通用設(shè)計，實現(xiàn)GIED間硬件完全互換，降低備品備件數(shù)量，從而降低設(shè)備后期的維護性成本。

2 變電站FG配置

基于GIED的3/2接線方式變電站保護框架如圖2所示，本文以圖2甲站為例進行闡述。由圖2可知，每個斷路器配置1個GIED，此GIED采集對應(yīng)斷路器電流，間隔電壓接入邊斷路器GIED(GIED1)，通過邊斷路器GIED共享至中斷路器GIED(GIED2)。同時GIED能夠?qū)崿F(xiàn)對應(yīng)斷路器的跳合閘、斷路器間隔刀閘等的操作。對于變壓器T1，高、中、低側(cè)配置GIED，同時在公共繞組一側(cè)獨立配置GIED(GIED6)，用于采集公共繞組電流量，以及發(fā)布相關(guān)指令。圖中變壓器的套管電流互感器(current transformer，CT)并未標(biāo)注，其電流采集由對應(yīng)側(cè)的GIED完成，對于3/2接線側(cè)由邊斷路器GIED(GIED3)完成。

由圖2可知數(shù)據(jù)采集由GIED完成，采集的信息量在FG內(nèi)共享，并分配到各GIED，形成多個虛擬的綜合保護裝置，其架構(gòu)如圖3所示。由圖3可知，GIED通過過程層網(wǎng)絡(luò)相互間共享數(shù)據(jù)信息，并通過不同的GIED組合形成虛擬的綜合保護裝置，其通過相應(yīng)GIED程序?qū)崿F(xiàn)，并無實際裝置，這與擁有實際裝置的全站集中式保護有著很大的區(qū)別，因而圖中用虛線框加以區(qū)分。

圖2 基于GIED的變電站保護框架

圖3 變電站FG配置

圖2中甲站側(cè)的L1線路保護功能由GIED1、GIED2協(xié)同完成；I母母線保護功能由GIED1、GIED8、GIED9協(xié)同完成；主變保護功能由GIED2、GIED3、GIED4、GIED5、GIED6協(xié)同完成；高抗保護由GIED7完成。由此構(gòu)成變電站保護FG，所有保護功能均由不同的GIED協(xié)同完成，虛擬綜合繼電保護裝置內(nèi)部GIED設(shè)備之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及CPU資源共享，如圖4所示。

圖4 FG內(nèi)部通信示意圖

基于GIED面向功能的新型智能變電站保護框架方案實現(xiàn)保護功能之間采集的數(shù)據(jù)及CPU資源共享，從而減少交換機的用量，簡化二次接線，降低二次設(shè)備數(shù)量。同時GIED可以實現(xiàn)保護硬件的完全替代式更換，通過變電站的整體信息挖掘，可以優(yōu)化保護功能之間的配合關(guān)系，提升變電站繼電保護的綜合性能。由此可見本文所提方案符合IEC 61850的設(shè)計思想，軟件面向服務(wù)，數(shù)據(jù)面向模型，軟硬件完全分離設(shè)計，通過功能配置實現(xiàn)具體的保護功能。

3 基于GIED的智能變電站應(yīng)用研究

3.1 面向一次設(shè)備的變電站保護框架

目前運行的變電站通常以其內(nèi)的斷路器為分界面劃分為多個間隔，從而形成面向一次設(shè)備的保護范圍，配置面向一次設(shè)備的保護裝置。

圖5所示為500 kV 3/2接線常規(guī)變電站保護框架，以甲站為例，其有3個完整串，第3串為線-變串，其CT按照7-9-7方式配置，即邊斷路器CT為7個次級、中斷路器CT為9個次級，線路保護為分電流接入。常規(guī)變電站除站控層使用網(wǎng)線或者光纖，其他回路基本使用硬電纜接線。通過常規(guī)變電站線路保護端子排圖可以看出其接線均為硬接線，可見電纜芯線數(shù)量龐大。隨著電纜數(shù)量的增多，變電站發(fā)生回路故障隱患的可能性也隨之提升[20-23]。

圖5 常規(guī)變電站保護框架

圖6所示為500 kV 3/2接線智能變電站保護框架，圖中每串CT按照8-10-8方式配置，相比7-9-7方式，這主要是為斷路器保護雙重化配置。常規(guī)采樣智能站的一次開關(guān)場地、主變本體等有智能終端；數(shù)字采樣智能站的一次開關(guān)場地有合并單元(merging unit, MU)，由于文中敘述不涉及，故圖6中并未繪出。對比常規(guī)站線路保護端子排圖與智能變電站中線路保護端子排圖，可見智能站中線路保護裝置硬電纜接線只剩直流、交流電壓電流，特殊信號，對時等回路。二次回路均通過光纖鏈路實現(xiàn)GOOSE信號傳遞，電纜芯線數(shù)量較常規(guī)站已大大減少，但是二次回路復(fù)雜問題依然存在。

由圖5、圖6可知，現(xiàn)有變電站均根據(jù)CT次級接入方式劃分保護裝置的保護范圍。雖然智能站在常規(guī)站的基礎(chǔ)上已有非常大的改進，但屬于面向一次設(shè)備的變電站保護框架。變電站保護功能由對應(yīng)的保護IED完成，跨間隔協(xié)同實現(xiàn)需要借助屏間的光纖鏈路實現(xiàn)，信息共享率低，相互間CPU資源利用率低?？梢姰?dāng)前面向一次設(shè)備的變電站保護框架二次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常規(guī)站二次電纜數(shù)量龐大、智能站光纖鏈路及交換機數(shù)量巨大、中間環(huán)節(jié)較多所引起的日常運維成本較高、運維難度較大等問題凸顯。隨著智能站的發(fā)展，這些問題將會日漸嚴(yán)重。

圖6 智能變電站保護框架

3.2 面向功能的智能變電站保護框架

面向功能的智能變電站保護框架方案是在GIED的基礎(chǔ)上，將原本面向一次設(shè)備的獨立保護裝置功能由與此一次設(shè)備相關(guān)的GIED協(xié)同完成，構(gòu)成變電站FG，通過圖4中的高速共享總線實現(xiàn)設(shè)備間的數(shù)據(jù)共享。傳統(tǒng)的面向一次設(shè)備的保護裝置功能將由此一次設(shè)備涉及的1個或多個GIED協(xié)同完成，構(gòu)成變電站虛擬綜合繼電保護裝置，從而大幅度降低二次設(shè)備數(shù)量，實現(xiàn)站內(nèi)數(shù)據(jù)采集、CPU資源的共享。具體的保護框架如圖2所示，這里電壓、電流互感器依然采用電磁式互感器，如果配置的是電子式互感器，本文方案依然適用，僅GIED采樣模塊接入存在差異。

3.3 方案對比研究

前面對比了常規(guī)變電站與智能變電站二者之間的差異；智能變電站簡化二次回路，大大減少芯線數(shù)量，利用光纖鏈路，通過GOOSE信號傳遞二次回路信息。同為面向一次對象的變電站保護框架方案，智能變電站的方案有著很大程度進步，但依然存在諸多問題?，F(xiàn)有方案以面向一次設(shè)備的智能變電站為例，與本文提出方案進行對比，分析2種方案的優(yōu)缺點。

基于3/2接線方式以線-變串統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表1，主要包括2類數(shù)據(jù)：IED數(shù)量、過程層GOOSE光纖數(shù)量，2種方案均基于GOOSE雙網(wǎng)獨立冗余、且無合并單元。其中本文方案IED專指GIED；現(xiàn)有方案IED包含一次設(shè)備智能終端及保護裝置，其跳閘、位置等信號通過直跳光纖實現(xiàn)，失靈、聯(lián)跳等信號通過網(wǎng)絡(luò)光纖實現(xiàn)。光纖數(shù)量按照收發(fā)計1根考慮，由于站控層每套IED設(shè)備的制造報文規(guī)范(manufacturing message specification，MMS)信號光纖數(shù)量均為2根，已隱含于IED數(shù)量中，因而未統(tǒng)計，故只對比過程層GOOSE信號光纖數(shù)量，并且統(tǒng)計只涉及本間隔內(nèi)部信息，高壓側(cè)母線、中壓側(cè)母線等未統(tǒng)計入內(nèi)。

表1 線-變串?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計

由表1可知本文方案相比現(xiàn)有方案需要設(shè)備數(shù)量更少，IED數(shù)量下降50%左右，GOOSE信號光纖數(shù)量下降70%左右，這在很大程度上簡化了二次回路。這些均能降低整體的投入成本以及設(shè)備后期的維護檢修成本。其中表1是按照線-變串的保護IED以及過程層GOOSE光纖鏈路統(tǒng)計，若以變電站為單位統(tǒng)計，本文方案的IED數(shù)量將下降至40%甚至更低，GOOSE信號光纖數(shù)量也將進一步下降。此外，本文方案基于高速共享總線構(gòu)成的過程層網(wǎng)絡(luò)進一步提高了IED間資源利用率。

本文方案采用的數(shù)據(jù)共享總線為PCIe總線，通信速率為4 Gbit/s，不影響IED可靠性。GIED和現(xiàn)有IED的總體設(shè)計方案沒有發(fā)生大的變化，GIED通用結(jié)構(gòu)采用折中方案，既不考慮母線保護這種大型且復(fù)雜的IED設(shè)計，也不考慮斷路器保護這種簡單的IED設(shè)計，其硬件性能在現(xiàn)有IED平均性能之上；并且保護功能軟件未變化，其可靠性不會發(fā)生變化；因此，從軟件和硬件上均未降低GIED的可靠性。

基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，單個MU數(shù)據(jù)流量約8 Mbit/s，1個變電站若按20個間隔且單個MU數(shù)據(jù)流量按照10 Mbit/s考慮，最大數(shù)據(jù)匯集流量為200 Mbit/s。相比于采用PCIe總線高速數(shù)據(jù)通信口的4 Gbit/s，數(shù)據(jù)共享裕度很大，因而不影響GIED數(shù)據(jù)采集和跳閘性能。由于判別邏輯不發(fā)生變化，GIED速動性不會受到影響。同時由于GIED實現(xiàn)變電站的整體保護功能信息共享、挖掘，可以優(yōu)化保護功能之間的配合關(guān)系，從而進一步提升變電站繼電保護的綜合性能。

基于GIED的保護能夠根據(jù)全站信息以及運行方式，智能劃分母線、變壓器等差動保護區(qū)域，實現(xiàn)變電站內(nèi)部故障精確定位，經(jīng)短延時跳開故障斷路器，解決后備保護因動作時間長而容易燒毀變壓器等一次設(shè)備的問題。同時通過站內(nèi)開關(guān)量信息和電流電壓信息實現(xiàn)故障定位的信息冗余，可避免個別錯誤數(shù)據(jù)引起保護誤動的連鎖反應(yīng)，提高保護整體系統(tǒng)的安全可靠性。

綜上所述，本文方案相比現(xiàn)有面向一次設(shè)備的智能變電站方案優(yōu)勢明顯，保護性能有所提升。

4 結(jié)論

本文基于GIED對面向功能的智能變電站保護框架方案進行研究，并以現(xiàn)有面向一次設(shè)備的智能變電站為例，在變電站為3/2接線方式下對比分析，得出結(jié)論如下：

a)GIED設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)IED之間硬件完全互換，降低備品備件數(shù)量。相比面向一次設(shè)備的變電站保護框架方案，基于GIED的面向功能的智能變電站保護框架方案需要設(shè)備數(shù)量更少，光纖回路更簡化，從而降低設(shè)備投入以及后期的運維檢修成本。

b)基于GIED的變電站保護FG實現(xiàn)保護功能由不同GIED協(xié)同完成的虛擬綜合繼電保護裝置，使得虛擬綜合繼電保護裝置內(nèi)GIED設(shè)備之間實現(xiàn)采集的數(shù)據(jù)及CPU資源共享。

此外，GIED設(shè)備在變電站的應(yīng)用導(dǎo)致間隔設(shè)備檢修、缺陷處理等運維問題復(fù)雜性提高，將在未來結(jié)合500 kV 3/2接線變電站設(shè)備檢修、缺陷處理等具體的運檢工作進一步展開研究。