張華

（南瑞集團（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司變電技術(shù)分公司，江蘇 南京 210000）

信息化時代背景下，我國變電相關(guān)設(shè)備以及技術(shù)都具有明顯的提升，通過引入信息化技術(shù)實現(xiàn)對變電系統(tǒng)更準(zhǔn)確的控制，提高裝置的速動性、可靠性。目前，智能化的變電站整體系統(tǒng)元件過多，降低對裝置的保護效率，難以實現(xiàn)理想的保護效果。因此，針對目前的智能變電站實施就地化保護方式，優(yōu)化了二次回路，有效地提升了對故障問題的解決效率，實現(xiàn)有效的保護效果。

1 就地化保護優(yōu)勢

目前，部分智能變電站通過合并單元，對子機進行保護，建立智能化終端，構(gòu)建出對變壓器保護的整體框架，其框架組成元素多，傳輸、轉(zhuǎn)化工作量較大，影響對裝置的保護效率。而且在這一框架中，變壓器與母線、站域等保護裝置在同一線路中，若是線路中合并單元、智能終端出現(xiàn)問題，直接使框架中保護裝置不能夠正常運作，影響變電站的安全性。因此，為解決這一問題，提出了就地化保護。通過就地化保護，有效提升變電站系統(tǒng)整體質(zhì)量，使系統(tǒng)變得更靈活，速度得到加快，優(yōu)化了變電站運行條件。就地化保護變電站保護裝置，通過信息網(wǎng)絡(luò)，將各子機、元件等分散安裝設(shè)備的工作連接起來，使維護、測量、監(jiān)測等工作內(nèi)容實現(xiàn)遠程、整體化控制，減少傳輸、轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，增強整體系統(tǒng)的整合度，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，降低工作人員的工作難度。就地化保護的應(yīng)用將分散的子機、元件等裝置工作進行了整合，能夠分散控制裝置，將裝置風(fēng)險變得分散，保證在某一裝置發(fā)生故障時其他裝置仍能夠繼續(xù)運轉(zhuǎn)，同時對裝置信息能夠?qū)崟r進行監(jiān)控，提高對裝置整體、個體運轉(zhuǎn)情況的掌握。另外，就地化保護裝置的應(yīng)用，提升對繼電保護的準(zhǔn)確度，能夠掌握二次回路的實際情況，減少故障概率，降低測試難度，提高解決故障效率。

2 全主式就地化保護方案分析

電力變壓器的各個開關(guān)距離都比較遠，如果直接就地安裝保護裝置，消耗的電纜較長，不能良好地實現(xiàn)優(yōu)化二次回路效果。且裝置的體積、質(zhì)量大，就地安裝無法保證裝置能夠正常進行散熱、防水、抗震等防護能力，提高了裝置更換、檢修的概率，增加了經(jīng)濟負擔(dān)，所以首先需要將變壓器裝置從集中式拆分成分布式，分布式保護裝置包括主機和子機。針對裝置的各開關(guān)配置子機，子機進行就地安裝，負責(zé)對裝置就地采樣和分相跳閘，子機內(nèi)部通過環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)信息的通信；主機負責(zé)將子機采集的數(shù)據(jù)進行邏輯運算分析。同時，從經(jīng)濟方面考慮，為盡可能減少保護裝置的數(shù)量，分布式變壓器保護可以不配置主機，將保護功能完全集于子機中。另外，集成方式的不同，還分為單主式和全主式兩種實施方案，本文主要對全主式進行分析。全主式是配置的子機都具備保護功能，子機能夠采集連接裝置的信息數(shù)據(jù)，并通過環(huán)網(wǎng)接收其他子機數(shù)據(jù)，對其進行邏輯運算，在某部分發(fā)生故障問題時，各子機能夠跳過對應(yīng)的開關(guān)。運用全主式的方案，能夠減少主機與子機間數(shù)據(jù)信息傳輸以及下達命令的時間，對變壓器起到更快的保護，體現(xiàn)了更快的速動性；全主式方案內(nèi)的子機是在同一層面的，都具備主保護和后備保護功能，若是某一子機出現(xiàn)問題只影響相關(guān)的保護功能，而且將故障子機退出后，保護功能直接恢復(fù)正常，具有可靠性；全主式方案的實施使裝置的運維檢修更加便捷。全主式就地化變壓器保護具體實施，先將子機進行就地安裝配置到各側(cè)開關(guān)，通過在變壓器內(nèi)部構(gòu)建就地化HSR 環(huán)網(wǎng)，實現(xiàn)子機間的通信交流，再利用GOOSE 網(wǎng)絡(luò)簡化二次回路，縮短各裝置之間的連接線路，并將子機裝置均作為IED 接入MMS網(wǎng)絡(luò)，通過HIM 管理單元實施監(jiān)控裝置。

3 就地化變壓器保護配置

就地化變壓器保護配置的元件保護包括主變與母差保護兩種，想實現(xiàn)元件對子機之間的保護，就需要以通信網(wǎng)絡(luò)作為信息交互平臺。目前的通信網(wǎng)絡(luò)平臺是基于61850 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的雙向雙環(huán)網(wǎng)，提高裝置之間信息交互的同步率。硬件是采用兩組千兆接口，提高對變壓器的保護速度和可靠性。傳統(tǒng)的保護網(wǎng)絡(luò)模式存在中心節(jié)點，這就要求必須配置主機，主機與多光口和子機進行連接，并需要消耗大量電纜連接，提高了經(jīng)濟成本，難以實現(xiàn)就地化。而且在傳統(tǒng)的保護網(wǎng)絡(luò)模式中，如果其中一條連接線路出現(xiàn)數(shù)據(jù)通信異常的情況，就會導(dǎo)致整個裝置的保護功能系統(tǒng)停止、退出。雙向雙環(huán)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與使用，提高了裝置之間信息交互通信的可靠性，對各裝置的啟動、保護等工作行為均能進行采集、傳輸、邏輯運算，實現(xiàn)了各子機物理上的獨立性，保障了裝置的正常運行，提高保護裝置的可靠程度，有效規(guī)避了裝置內(nèi)某一元件受損影響整體裝置保護功能與運行情況的發(fā)生。

主變保護配置要求保護子機按側(cè)配置，且各子機單獨配置中性點子機；不同電壓等級分別配置相應(yīng)的子機。以220kV 變壓器為例，需要高壓側(cè)子機、中壓側(cè)子機、低壓側(cè)子機，中性點子機構(gòu)成保護配置，目前分布式的主變保護配置方案有無主環(huán)網(wǎng)式和有主環(huán)網(wǎng)式。無主環(huán)網(wǎng)式主變保護配置如下：（1）依據(jù)斷路器配置保護子機，主變高中低三側(cè)均需要配置單獨的分布式子機；（2）分布式子機采集連接裝置的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)與其他子機的數(shù)據(jù)互動；（3）子機均需要配置相同的主后一體保護功能，實現(xiàn)獨立控制。有主環(huán)網(wǎng)式主變保護配置，首先，變壓器保護主機集于低壓側(cè)子機內(nèi)，各種保護工作均在主機中進行，子機只采集裝置數(shù)據(jù)和控制跳閘；其次，變壓器的斷路器均需分別配置子機；再次，主機與子機之間通過HSR 環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)連接；另外，子機電纜直接收集數(shù)據(jù)，容易出現(xiàn)故障；最后，在跳母聯(lián)、分段、啟動失靈等情況采取GOOSE 方式。表1 對兩種分布式主變保護方案進行比較。

表1 分布式主變保護方案對比

4 全主式就地化變壓器保護實施方案

4.1 就地化環(huán)網(wǎng)

在實際全主式就地化變壓器保護方案中，就地化環(huán)網(wǎng)往往是基于就地化基礎(chǔ)設(shè)計的雙向冗余雙環(huán)網(wǎng)，雙環(huán)網(wǎng)彼此之間相互獨立，在每個環(huán)網(wǎng)中，眾節(jié)點通過以太網(wǎng)的順序進行首尾相連，形成一個雙向的冗余環(huán)。就地化變壓器內(nèi)部環(huán)網(wǎng)是采用并行冗余技術(shù)的典型環(huán)網(wǎng)，在環(huán)形拓撲構(gòu)架上，實現(xiàn)保護裝置之間的可靠性通信交互，無縫冗余。就地化變壓器的雙向雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，需要保證各子機具備4 個千兆組網(wǎng)口，進行組網(wǎng)工作時，要保證各子機的兩個千兆網(wǎng)口是首尾相連的，才能夠形成保護環(huán)網(wǎng)，其他兩口進行首尾相接則組成了啟動環(huán)網(wǎng)。雙環(huán)網(wǎng)的使用，保證單一環(huán)網(wǎng)出現(xiàn)中斷等問題時，裝置設(shè)備仍能夠進行環(huán)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)信息交互，確保裝置功能不受到影響，具有極高的可靠性。

另外，大部分環(huán)網(wǎng)是HSR 環(huán)網(wǎng)，HSR 環(huán)網(wǎng)具有延時可測機制，采樣、報文自帶延遲時間的特性，源節(jié)點時間常數(shù)和A/D 轉(zhuǎn)換時間計算采樣具有延時，報文在環(huán)網(wǎng)中交互，經(jīng)過節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的傳輸延長和留駐延時。根據(jù)HSR 環(huán)網(wǎng)延時可測機制，分布式變壓器保護通過插值的方法實現(xiàn)采樣的同步，而各接入的子機則根據(jù)自身裝置的采樣延時、環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)采樣延時的情況，實現(xiàn)插值的同步。插值同步的方式與序號同步方式相比，具有更高的可靠性，這是因為插值的同步不依賴外界因素。此外，HSR 環(huán)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)報文，不需要擔(dān)心報文出現(xiàn)重復(fù)的問題，這是因為報文發(fā)送的兩個端口都被標(biāo)記，目標(biāo)節(jié)點根據(jù)報文接收到的順序，接收先到的，丟棄后到的，從而實現(xiàn)有效規(guī)避重復(fù)文件的接收。通過就地化環(huán)網(wǎng)的應(yīng)用，實現(xiàn)對變壓器的保護，提高保護效率和可靠性。

4.2 采用過程層GOOSE 網(wǎng)絡(luò)

GOOSE 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)分為過程層GOOSE、間隔層GOOSE兩種。在以往的變壓器裝置相關(guān)的保護配置與其進行連接時，往往裝置設(shè)備之間連接的電纜較長，二次回路較復(fù)雜，因此，采用GOOSE 網(wǎng)絡(luò)對聯(lián)閉鎖的變壓器保護裝置以及其他保護裝置進行輸入、輸出信號，實現(xiàn)縮短裝置設(shè)備之間的輸送長度，對二次回路進行了有效的簡化，提高了保護裝置系統(tǒng)的速動性、可靠性。在GOOSE 網(wǎng)絡(luò)接收到來自母線保護或者斷路器保護裝置的相關(guān)信號，比如說失靈聯(lián)跳信號，在接收到信號后，各子機都快速接收到來自GOOSE 網(wǎng)絡(luò)平臺發(fā)送的失靈聯(lián)跳信息，并進行邏輯運算，做出相關(guān)反應(yīng)動作，使變壓器保護邏輯運算形成一個完整體系，提高保護功能的速動性。在變壓器保護裝置需要發(fā)送跳母聯(lián)、跳分段、閉鎖備自投等信號時，通過GOOSE 網(wǎng)絡(luò)進行發(fā)送命令，實現(xiàn)命令的快速發(fā)送。為避免發(fā)送重復(fù)GOOSE 報文，增加內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)壓力，通過設(shè)置“GOOSE 發(fā)送軟壓板”“GOOSE 接受軟壓板”，實現(xiàn)對報文發(fā)送、接收的控制，保證數(shù)據(jù)發(fā)送的有效性，避免重復(fù)發(fā)送。

4.3 子機接入MMS 網(wǎng)絡(luò)

在實際中，變壓器的繼電保護裝置通常是利用站控層MMS 網(wǎng)絡(luò)將“四遙”、動作報告、運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息傳送到監(jiān)控系統(tǒng)和調(diào)度端，每組繼電保護裝置系統(tǒng)均作為一個IED。在全主式就地化變壓器保護裝置中，配置的子機均具備完整對變壓器進行保護的功能，但其中裝置的運行信息、運轉(zhuǎn)狀態(tài)等存在一定的不一致性，如果將每組繼電器連接的子機合并為一個IED 接入MMS 網(wǎng)絡(luò)中，就要將組內(nèi)的各子機信息進行整合再傳送。由于各子機的實際運轉(zhuǎn)情況與狀態(tài)各不相同，事件參數(shù)、遙測量等信息也不一致，對這些信息進行整合就較為困難，而且會使內(nèi)部環(huán)網(wǎng)的信息交互內(nèi)容數(shù)據(jù)變得復(fù)雜，影響保護裝置的可靠性。因此，全主式就地化變壓器保護中的各子機均需要作為獨立的IED 接入間隔層MMS 網(wǎng)絡(luò)。另外，在機電站內(nèi)裝置設(shè)備進行維護檢修時，需要通過管理單元下載裝置的相關(guān)備份文件，將文件下裝到裝置中，而一鍵下裝就是采用MMS 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)進行的。同時，為進一步保證接入子機的保護定值相同，減少重復(fù)的操作工作，保護定值整定工作順利開展，可以通過遠程管理單元進行處理。

4.4 采用HMI 管理單元監(jiān)控裝置

目前，人機交互模式難以滿足變壓器裝置的防水、抗震、散熱等保護性能的需求，因此，分布式變壓器保護裝置采用HMI 管理單元，實現(xiàn)對裝置的監(jiān)測與控制管理，提高控制效率。HMI，即人機接口，HMI 管理單元是通過雙套的冗余配置，將其安裝到監(jiān)控室中，通過MMS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對變壓器裝置系統(tǒng)的運維管理工作。HMI 管理單元監(jiān)控與普通監(jiān)控系統(tǒng)是不相同的，HMI 管理單元通常是在對裝置進行調(diào)試、巡檢、檢修、配置管理、診斷障礙時實現(xiàn)監(jiān)控。其功能上同裝置就地人機大體相同，能夠獲取變壓器裝置的各項詳細信息，包括運行狀態(tài)、警示信息等，幫助工作人員更詳細的掌握變壓器裝置信息。

HMI 管理單元是變電站的集中式人機接口重要設(shè)備，站內(nèi)繼電保護裝置通常是多廠家、多型號功能的，為保證裝置間通信的順利進行，解決裝置之間兼容性問題，需要通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議實現(xiàn)。IEC 61850 是目前智能變電站建立全站統(tǒng)一數(shù)據(jù)交互的平臺依據(jù)，為HMI 管理單元監(jiān)控提供現(xiàn)實基礎(chǔ)，其定義了變電站信息化系統(tǒng)的通信要求與數(shù)據(jù)交互，對變電站內(nèi)整體系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架、工作管理控制、測試方法等方面都進行了詳細的規(guī)范與描述，突出分層服務(wù)、應(yīng)用獨立網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)、定義完整描述方法、管理電力系統(tǒng)設(shè)備配置的特點。在變壓器的繼電保護裝置IEC 能力描述文件中，再增加遠程管理設(shè)備相關(guān)信息查看、運行操作、報告查詢、設(shè)備調(diào)試等內(nèi)容，實現(xiàn)HMI 管理單元針對性的交互服務(wù)。另外，為進一步保障HMI 管理單元在實際中的運行，需要保障IEC61850 通信服務(wù)系統(tǒng)的穩(wěn)定，避免通信服務(wù)系統(tǒng)異常等突發(fā)情況，使HMI 管理單元無法遠程控制裝置。通過進一步創(chuàng)新、優(yōu)化HMI管理單元的穩(wěn)定性與可靠性，實現(xiàn)遠程化穩(wěn)定控制裝置，提高控制效率，降低工作難度。

5 結(jié)語

綜上所述，全主式就地化變壓器保護措施是在變壓器的各側(cè)開關(guān)分別配置保護子機，子機之間通過構(gòu)建的內(nèi)部HSR 環(huán)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)信息交互，將變壓器保護裝置采樣功能與跳閘回路徹底分開，使兩者徹底獨立，提高對變壓器裝置保護的可靠性。子機能夠通過連接的電纜實現(xiàn)直接跳閘，規(guī)避了跳閘命令傳輸與執(zhí)行之間的延時，提高對裝置保護的速動性。全主式就地化變壓器保護裝置接入子機均連入MMS、GOOES 網(wǎng)絡(luò)，并通過HMI 管理單元實現(xiàn)遠程管理就地化保護子機。