云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司玉溪供電局 李宗澤 方艷斌 施壽久

1 概述

1.1 智能變電站

智能變電站由高壓變電設(shè)備、繼電保護(hù)裝置、安全自動(dòng)裝置、后臺(tái)及站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)、電能計(jì)量系統(tǒng)、站用電設(shè)備及輔助設(shè)備設(shè)施等共同構(gòu)成。依照邏輯設(shè)計(jì)，又劃分為站控層、間隔層和過(guò)程層。智能變電站體系構(gòu)架如圖1所示。

圖1 智能變電站體系構(gòu)架

站控層設(shè)備包含值班員工作站、監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集通迅網(wǎng)關(guān)模塊、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)、故障信息采集反饋模塊等，不斷更新和完善狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，依照IEC61850規(guī)約，映射為MMS報(bào)文，實(shí)現(xiàn)變電站現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)和數(shù)據(jù)報(bào)文與電力調(diào)度控制中心“四遙量”的有效交互，承接電力調(diào)度控制中心相關(guān)設(shè)備遙控信息并轉(zhuǎn)接于過(guò)程層和間隔層執(zhí)行，有效實(shí)現(xiàn)變電站運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、設(shè)備狀態(tài)轉(zhuǎn)變采集、有效信息交互及處理等功能。

間隔層設(shè)備包含繼電保護(hù)裝置、安全自動(dòng)功能裝置、測(cè)控功能裝置、計(jì)量系統(tǒng)、功能一體化智能高壓設(shè)備的新型監(jiān)測(cè)IED、故障錄波系統(tǒng)等，交互收集過(guò)程層的模數(shù)信息，有效發(fā)出諸如有載電壓分接開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)、無(wú)功設(shè)備投切AVC、操作同期或閉鎖等執(zhí)行命令，與站控層和過(guò)程層實(shí)現(xiàn)通信功能的快速對(duì)接。

過(guò)程層設(shè)備包含智能化的一、二次設(shè)備，如智能化電力變壓器、站用電系統(tǒng)、電子式互感器、智能化電容器、電抗器等。有效執(zhí)行諸如有載電壓分接開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)、無(wú)功設(shè)備投切AVC、操作同期或閉鎖等命令，與間隔層實(shí)現(xiàn)通信功能的快速對(duì)接。

1.2 智能變電站繼電保護(hù)裝置

繼電保護(hù)裝置配置于間隔層內(nèi)，相較于傳統(tǒng)變電站繼電保護(hù)采樣電流互感器和電壓互感器二次側(cè)的交流電流電壓模擬信號(hào)，取而代之的是由SV 或GOOSE 網(wǎng)絡(luò)輸出的數(shù)字信號(hào)，是有效應(yīng)對(duì)智能變電站內(nèi)外發(fā)生的各類短路斷路故障或是其他異常突變而配置的保護(hù)裝置。

2 智能變電站的特點(diǎn)

2.1 顯著環(huán)保效果

智能變電站與傳統(tǒng)變電站相比較明顯的特點(diǎn)是不再使用傳統(tǒng)模式下的多型電纜接線，而采用傳輸速率更快、構(gòu)造更加先進(jìn)的光纖電纜，且配套使用的低壓電氣元件多具備集成化特點(diǎn)[1]。由此可見(jiàn)，“智能化”變革相較傳統(tǒng)方式的電力電纜，相對(duì)來(lái)說(shuō)物資和能源消耗有所減少，有效降低建造和維護(hù)的成本，實(shí)現(xiàn)環(huán)保效果的顯著提升。

2.2 智能交互特性

充分利用電子通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)二次系統(tǒng)，有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、信息匯總、交匯分析和反饋。由此可見(jiàn)，二次系統(tǒng)對(duì)正常和異常運(yùn)行數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)快速和高效的模數(shù)轉(zhuǎn)換和采集，充分實(shí)現(xiàn)高端數(shù)字化。同時(shí)，充分實(shí)現(xiàn)了信息和數(shù)據(jù)采集的全網(wǎng)絡(luò)化，保障了電網(wǎng)內(nèi)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的“有去有回”，有效完成了電網(wǎng)內(nèi)各系統(tǒng)之間的良好交互[2]。

3 繼電保護(hù)裝置的特點(diǎn)

繼電保護(hù)裝置配置于間隔層內(nèi)，與站控層和過(guò)程層建立聯(lián)系，相較于傳統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置，獨(dú)立設(shè)置了集成化的合并單元。此外，在采樣方式、跳閘方式、二次回路及裝置構(gòu)成方面均有區(qū)別于傳統(tǒng)變電站繼電保護(hù)裝置的特點(diǎn)。

3.1 合并單元

合并單元（Merging Unit），將電子式電流互感器和有源分壓型電壓互感器二次側(cè)的電流和電壓集成接入，再將其以數(shù)字量的形式傳輸至繼電保護(hù)裝置、安全自動(dòng)裝置的采樣邏輯判據(jù)模塊等。同時(shí)，由于集成化的特性，配置輸出接口均統(tǒng)一化，提供至互感器，有效解決二次設(shè)備與電子式互感器因選型不同而通信不匹配的問(wèn)題，這類輸出接口常稱為光纖型SV接口。

3.2 采樣方式

智能變電站繼電保護(hù)裝置直接采集由合并單元（MU）輸出的數(shù)字量采樣值，采樣傳輸通道均采用光纖通道，而理論上也可以通過(guò)SV網(wǎng)絡(luò)采樣，但均因現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)量較大的問(wèn)題而未能匹配到合適的交換機(jī)而放棄此種采樣方式，故現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)一使用光纖通道這種采樣媒介。

3.3 跳閘方式及二次回路

智能變電站為各斷路器配置專用的智能終端，這一變革將傳統(tǒng)變電站斷路器的操作方式改變，使得操作箱及其回路接線完成極簡(jiǎn)化，由光纖通信接通繼電保護(hù)裝置和斷路器專用智能終端。傳統(tǒng)保護(hù)裝置采用的告警信號(hào)、動(dòng)作信號(hào)及閉鎖信號(hào)等連接點(diǎn)及其所接電纜線改為GOOSE 網(wǎng)絡(luò)、交換機(jī)及其光纖連接的方式。

3.4 裝置構(gòu)成

經(jīng)由光纖型SV接口，實(shí)現(xiàn)智能化繼電保護(hù)裝置電流、電壓的采樣。經(jīng)由GOOSE 接口，實(shí)現(xiàn)告警信號(hào)、動(dòng)作信號(hào)及閉鎖信號(hào)的輸入和輸出。在每臺(tái)斷路器附近均配置有智能斷路器控制柜取代原有的斷路器端子箱或匯控柜，柜內(nèi)集成著合并單元、斷路器智能終端等，同時(shí)配備有加熱除濕裝置避免嚴(yán)重臟污和內(nèi)溫過(guò)高。

4 智能繼電保護(hù)裝置運(yùn)行中存在的問(wèn)題

4.1 光纖鏈路異常

隨城市用電負(fù)荷逐年增加，智能變電站的規(guī)模逐年增大，站內(nèi)設(shè)備越來(lái)越多，繼電保護(hù)裝置插件后的端口也越來(lái)越多，且為實(shí)現(xiàn)智能化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，同一電氣設(shè)備間隔內(nèi)的SV和GOOSE接口間連線需連接于不同設(shè)備才能有效實(shí)現(xiàn)，這就增加了光纖與端口連接易松動(dòng)、脫落的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致光纖鏈路異常。

各斷路器智能終端、合并單元（MU）以及智能繼電保護(hù)裝置之間的光纖聯(lián)系中斷也可能導(dǎo)致光纖鏈路異常。例如：有時(shí)光纖連接的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處因長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定不移動(dòng)而受折彎力，導(dǎo)致接觸不良或光纖接線斷裂；或有時(shí)因保護(hù)裝置背板插件過(guò)熱損壞，也會(huì)導(dǎo)致光纖連線中斷；或有時(shí)因站內(nèi)防治小動(dòng)物隱患的措施不到位，出現(xiàn)小動(dòng)物咬斷光纖的情況。這些情況隨有一定的偶發(fā)性，但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行均有發(fā)生。

4.2 電子式互感器異常

電子式互感器在實(shí)際運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)一些共性問(wèn)題。

4.2.1 精準(zhǔn)度出現(xiàn)偏差

如站內(nèi)某間隔受制于負(fù)荷較重、并聯(lián)電抗器補(bǔ)償效果不足等影響，導(dǎo)致工頻電磁場(chǎng)嚴(yán)重超標(biāo)。此時(shí)就會(huì)對(duì)電子式互感器的數(shù)據(jù)量采集器精準(zhǔn)度產(chǎn)生一定的影響。有時(shí)，甚至當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生嚴(yán)重的接地短路故障或運(yùn)行方式調(diào)整過(guò)甚也會(huì)發(fā)生電磁干擾，影響采集器精準(zhǔn)度，甚至造成相關(guān)保護(hù)誤動(dòng)作。

4.2.2 互感器安全和壽命折損

對(duì)于電子式電流互感器來(lái)說(shuō)，往往集成于空間較小的組合設(shè)備當(dāng)中，設(shè)備運(yùn)行環(huán)境中的過(guò)熱、嚴(yán)重臟污、受潮、因斷路器分合閘造成的震動(dòng)等均會(huì)對(duì)互感器內(nèi)激光器、數(shù)據(jù)處理模塊、驅(qū)動(dòng)電路、空芯線圈、遠(yuǎn)端模塊等造成一定的影響。

電子式電流互感器構(gòu)造實(shí)例如圖2所示。

圖2 電子式電流互感器構(gòu)造實(shí)例

4.3 智能終端、合并單元異常

每套智能繼電保護(hù)裝置均對(duì)應(yīng)1～2組光纖端口，隨運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，可能會(huì)造成裝置熱量聚集，影響其CPU 電源插件性能，使告警、動(dòng)作、閉鎖信號(hào)等發(fā)出存在延時(shí)，未能按照定值單定值同步啟動(dòng)或動(dòng)作，通常僅能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)將智能終端、合并單元分散于各智能斷路器的智能匯控柜或端子箱內(nèi)。隨運(yùn)行時(shí)間推移和室外惡劣天氣影響，智能終端、合并單元受制于塵污、銹蝕、高溫等因素影響，故障率逐步增高。

5 智能變電站繼電保護(hù)可靠性提升策略

5.1 改善裝置光纖鏈路運(yùn)行狀況

同一電氣設(shè)備間隔內(nèi)的SV和GOOSE接口間連線連接于不同設(shè)備才能有效實(shí)現(xiàn)，此增加了光纖與端口連接易松動(dòng)、脫落的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致光纖鏈路異常。針對(duì)于此，需合理增加光纖鏈路的長(zhǎng)度，充分考慮相關(guān)二次設(shè)備本體位移的裕度；其次，按照光纖接線口重要程度，可為重要度較高的接口設(shè)置固定螺釘，光纖接線口旋緊于裝置。

光纖容易折彎點(diǎn)受力，導(dǎo)致接觸不良或光纖接線斷裂的情況，需合理減小光纖鏈路的長(zhǎng)度，避免出現(xiàn)彎折點(diǎn)；考慮到保護(hù)裝置背板插件過(guò)熱損壞，需在相關(guān)屏柜內(nèi)加裝自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度濕度控制器，及時(shí)為保護(hù)裝置散熱；考慮到站內(nèi)部分光纖被小動(dòng)物咬斷的情況，要求結(jié)合每月設(shè)備巡視，檢查各設(shè)備柜的進(jìn)出口有良好的封堵措施，如防小動(dòng)物擋板、防火泥封堵及粘鼠板等措施。

5.2 改善電子式互感器運(yùn)行狀況

針對(duì)電子式互感器精準(zhǔn)度出現(xiàn)偏差的情況。首先要根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行方式調(diào)節(jié)好線路間隔帶負(fù)荷的情況，嚴(yán)防出現(xiàn)過(guò)負(fù)荷運(yùn)行的情況；同時(shí)要對(duì)補(bǔ)償能力不足的并聯(lián)電抗器進(jìn)行技術(shù)改造或檢修，避免出現(xiàn)工頻電磁場(chǎng)超標(biāo)的狀況，進(jìn)而避免因電磁干擾而影響電子式互感器采集器精準(zhǔn)度，有效避免造成相關(guān)保護(hù)誤動(dòng)作。

針對(duì)互感器安全和壽命折損的問(wèn)題。當(dāng)電子式互感器集成于空間較小的組合設(shè)備當(dāng)中時(shí)，要在設(shè)備室內(nèi)加裝空調(diào)，調(diào)節(jié)至“制冷除濕”模式且溫度至19～21℃；在設(shè)備柜內(nèi)加裝自啟動(dòng)溫濕度控制器，嚴(yán)防運(yùn)行中因受潮和過(guò)熱引起的設(shè)備異常故障。

5.3 改善智能終端、合并單元運(yùn)行環(huán)境

針對(duì)智能終端和合并單元臟污、銹蝕和過(guò)熱等低運(yùn)行質(zhì)量的表象，要在設(shè)備柜內(nèi)加裝自啟動(dòng)溫濕度控制器，自動(dòng)加熱和除濕，保障適溫和干燥的設(shè)備運(yùn)行環(huán)境。另外，考慮對(duì)站內(nèi)智能匯控柜和端子箱等屏柜進(jìn)行帶電水沖洗，恢復(fù)出廠時(shí)的清潔、干燥、良好的運(yùn)行環(huán)境。

6 結(jié)語(yǔ)

智能變電站作為我國(guó)技術(shù)信息化、自動(dòng)化及智能化的高速推進(jìn)及廣泛應(yīng)用的新興科技產(chǎn)物，其安全、可靠、穩(wěn)定、有序運(yùn)行的提升還有一定空間。在這種情況下，智能繼電保護(hù)裝置的運(yùn)行可靠性提升需作為變電站運(yùn)維人員重點(diǎn)關(guān)注的研究方向。

本文著重?cái)⑹鲋悄茏冸娬炯捌淅^電保護(hù)裝置的技術(shù)特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行探析智能變電站繼電保護(hù)裝置運(yùn)行中存在的典型問(wèn)題，最終對(duì)癥下藥，提供一些可靠性提升策略，以期望能對(duì)智能繼電保護(hù)裝置可靠、穩(wěn)定運(yùn)行有所助益。