周 平

（國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京 211100）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能化技術(shù)日趨成熟，其在變電站中的合理運(yùn)用推動(dòng)著變電站的發(fā)展。隨著電力系統(tǒng)的智能化，電力系統(tǒng)的二次設(shè)計(jì)也逐漸采用了數(shù)字化技術(shù)。在目前的科學(xué)技術(shù)條件下，要使變電站構(gòu)成的二次裝置能夠正常工作，才能保證變電站的安全。二次前置分為8 大部件，既有測(cè)量控制、遠(yuǎn)程傳輸、在線檢測(cè)、故障記錄等功能，又具有繼電保護(hù)、防誤閉鎖、電壓無(wú)功控制和同步運(yùn)行等功能。為確保二次設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定、高效，必須確保8 種設(shè)備的規(guī)范化。現(xiàn)階段，智能化變電站越來(lái)越注重對(duì)數(shù)據(jù)資源的充分利用與分享，因此，變電站的智能化電氣二次分析、設(shè)計(jì)工作對(duì)變電站的正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用[1]。

1 變電站電氣二次系統(tǒng)重要作用

近幾年，隨著電網(wǎng)建設(shè)的不斷推進(jìn)，電網(wǎng)向超高壓、長(zhǎng)距離輸電、智能化發(fā)展，對(duì)輸電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠的要求也越來(lái)越高，同時(shí)也需要更加經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。二次設(shè)備是變電站的關(guān)鍵設(shè)備，它的作用是保證一次設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。尤其是近幾年，變電站的現(xiàn)代化、便利性、微型化發(fā)展速度加快，加上社會(huì)發(fā)展對(duì)電力供應(yīng)的需求越來(lái)越大，進(jìn)而電力設(shè)備在傳輸、分配等方面的安全問(wèn)題也越來(lái)越突出。因此，要使一次回路、設(shè)備的安全得到有效的保障，就必須合理地進(jìn)行二次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與使用，并從多個(gè)角度考慮各種因素，以使其更加科學(xué)合理地設(shè)計(jì)，并使其在實(shí)際中得到更好的應(yīng)用，從而使一次設(shè)備得到更好的保護(hù)，為整個(gè)變電站的安全打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 數(shù)字變電站概述及特點(diǎn)

2.1 數(shù)字變電站概述

揚(yáng)州110 kV 何橋變電站按照ⅠEC61850（DL/T860）、《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》和《110（66） kV～220 kV 智能變電站設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行了全面的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)具有智能報(bào)警、順序控制等先進(jìn)智能應(yīng)用功能，并實(shí)時(shí)監(jiān)控主變、避雷器等設(shè)備，滿足了變電站無(wú)人值守的需求。

2.2 數(shù)字變電站的特點(diǎn)

2.2.1 一次設(shè)備智能化

由于線纜具有較大的空間和較慢的速度等特性,數(shù)字變電站在應(yīng)用中已不能再利用常規(guī)的線纜，而是用電子數(shù)字代替原有的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸和信息轉(zhuǎn)換，極大地提升了信息傳輸和利用效率。在變電站中，較常用的輔助設(shè)備有保護(hù)裝置、測(cè)量控制裝置、電壓控制裝置等。在數(shù)字變電站中，采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以快速傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)資源的共享。

2.2.2 運(yùn)行管理系統(tǒng)自動(dòng)化

在變電站的運(yùn)行管理系統(tǒng)中，通常采用自動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的錄入和分析，而不需要紙張來(lái)記錄，一旦發(fā)生故障，管理系統(tǒng)就能對(duì)故障情況進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的解決方案及有效的記錄。采用自動(dòng)化管理系統(tǒng)，無(wú)需進(jìn)行常規(guī)維修，只需進(jìn)行狀態(tài)維修，可以自動(dòng)發(fā)送檢修的報(bào)告評(píng)估數(shù)據(jù)，勞動(dòng)力得以有效分配。

3 智能化變電站電氣二次設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1 智能化變電站設(shè)備選擇要點(diǎn)

智能化變電站的關(guān)鍵在于如何合理地選擇電氣二次設(shè)備，如智能變電站的智能開(kāi)關(guān)、電感器等?，F(xiàn)在的變電站，往往都是采用網(wǎng)格化的方式保證電力二次設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在智能變電站的二次設(shè)計(jì)中的智能開(kāi)關(guān)和電感器設(shè)計(jì)中，常會(huì)遇到下列問(wèn)題。①在選用智能開(kāi)關(guān)時(shí)，必須根據(jù)實(shí)際情況，選用最適合的交換機(jī)。在諸多選擇中，最具科學(xué)性和合理性的就是智能切換。智能開(kāi)關(guān)的應(yīng)用直接關(guān)系到智能化變電站的安全穩(wěn)定。智能開(kāi)關(guān)的選取，直接關(guān)系到整個(gè)智能變電站的運(yùn)行性能，對(duì)智能變電站的智能化控制能力也有很大的影響。此外，智能切換的合理利用，也可以極大地促進(jìn)數(shù)字的實(shí)現(xiàn)，其應(yīng)用為其提供了一個(gè)界面，從而將智能化水平進(jìn)一步提高。當(dāng)然，智能開(kāi)關(guān)也有其不足之處，例如造價(jià)及維護(hù)費(fèi)用較高。②如果在智能化變電站中使用一般的開(kāi)關(guān)，盡管這樣的開(kāi)關(guān)可以提供一個(gè)數(shù)字界面，但在此情形下，聯(lián)機(jī)監(jiān)控功能就無(wú)法使用。③在選擇電子互感器時(shí)，通常要考慮采用主動(dòng)型或被動(dòng)型。在實(shí)際應(yīng)用中，人們更傾向于采用有源式變壓器，它采用激光進(jìn)行相關(guān)匹配，改善了電源的穩(wěn)定性。而被動(dòng)式的電子互感器則采用了基于光敏的傳感器，這不僅造價(jià)昂貴，而且還不穩(wěn)定，因此大多數(shù)人都會(huì)選擇前者。

3.2 通信規(guī)約選擇要點(diǎn)

在智能變電站的二次設(shè)計(jì)中，通常所選用的通訊規(guī)范存在著一定的差別。103 通信協(xié)議對(duì)站控層網(wǎng)絡(luò)可能更合適。103 使用了常規(guī)的功能設(shè)計(jì)方式，但也有一些缺陷，例如，在運(yùn)行上沒(méi)有任何優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用于要求較低的變電站。ⅠEC 61850 則是一種更好的通訊規(guī)約，它的可操作性更強(qiáng)，但也有一個(gè)弊端，即成本太高。由于過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)規(guī)約采用FT3幀，具有更高的實(shí)現(xiàn)性能、傳輸時(shí)延的固定等優(yōu)勢(shì)。除此之外，ⅠEC 60044-8通訊規(guī)約也是一種格式，它的目的是為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的設(shè)計(jì)，這樣就可以讓智能變電站變得更加完善。但是，這種通訊規(guī)約在實(shí)際應(yīng)用中，也有很大的限制，比如傳送延遲不能確定，穩(wěn)定性不高，而且價(jià)格昂貴。

3.3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中，把智能變電站分為過(guò)程層、網(wǎng)絡(luò)層和站控層三層。工作人員都要針對(duì)每個(gè)層面的特性進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。其中，過(guò)程層的設(shè)計(jì)是區(qū)別智能變電站與常規(guī)變電站的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此，在具體的設(shè)計(jì)中，必須引起足夠的重視。目前，在對(duì)智能變電站站控層系統(tǒng)的選型中，要綜合考量以上各種因素，選取投入最低、科學(xué)合理、最穩(wěn)定、最安全可靠的方法，而星型太網(wǎng)則成為支撐的最佳方式。

3.4 保護(hù)配置

在變電站內(nèi)，每個(gè)主變?cè)O(shè)置2個(gè)變壓器保護(hù)（主后合一）、1 個(gè)變壓器本體保護(hù)；在高壓側(cè)和低壓側(cè)各設(shè)有一操作盒，其主要作用是實(shí)現(xiàn)分合高、低壓側(cè)開(kāi)關(guān)。變壓器的保護(hù)方式是主后合一型，即后備和差動(dòng)保護(hù)，以差動(dòng)和氣體保護(hù)為主，差動(dòng)保護(hù)在瞬間跳過(guò)變壓器兩邊的斷路器，而內(nèi)橋側(cè)的斷路器則跳過(guò)。變壓器的本體保護(hù)包括油溫、減壓等方面的保護(hù)，一旦出現(xiàn)異常，就會(huì)向操作人員報(bào)告異常情況。

3.5 控制保護(hù)電源

在220 kV 智能變電站的施工中，由于采用了無(wú)人值守或極少有人值守，對(duì)變壓器保護(hù)和220 kV 線路保護(hù)采用了雙組，并對(duì)一些關(guān)鍵的控制電路進(jìn)行了充分而必要的冗余設(shè)計(jì)。在變電站的控制上，可選用兩組VRLA 型密封蓄電池，其直流電壓為110 V，電池容量為500 Ah，電池的數(shù)量為54 個(gè)，電池的浮充電壓為2 V。

3.6 線路保護(hù)

在整個(gè)故障產(chǎn)生和操作中，若故障是在出線處，則可以利用反向判斷的方式以更好地判斷問(wèn)題，也可以在第一時(shí)間準(zhǔn)確地找到故障，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，立刻就能發(fā)送出閉鎖信息，從而保證整個(gè)電力設(shè)備的安全，也能保證整個(gè)變電站的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

4 數(shù)字化變電站中的電氣二次設(shè)計(jì)方案

4.1 對(duì)電氣智能設(shè)備進(jìn)行合理選擇

在變電系統(tǒng)中，通常都要進(jìn)行相關(guān)的二次設(shè)備的設(shè)置，其中網(wǎng)絡(luò)二次設(shè)備是數(shù)字化變電站所必需的，因?yàn)橹挥型ㄟ^(guò)網(wǎng)絡(luò)二次設(shè)備才能實(shí)現(xiàn)與數(shù)字變電站系統(tǒng)的連接和對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)通訊。目前，在變電站的選型中，通常采用有源和無(wú)源兩種方法。與被動(dòng)式電子變壓器相比，有源式電子變壓器具有更好的性能和工作效率，因而其應(yīng)用領(lǐng)域也更廣。在選擇二次設(shè)備的同時(shí)，還要考慮到智能開(kāi)關(guān)的選擇，最好采用智能終端，因?yàn)樗軌驖M足各種設(shè)備的切換要求。

4.2 設(shè)計(jì)組屏方案

數(shù)字變電站的二次部分組屏方案與傳統(tǒng)的方案有很大的區(qū)別。相比而言，二次部分組屏方案功能全面，操作簡(jiǎn)單，而且還可以根據(jù)不同等級(jí)的電壓集成設(shè)備，將多個(gè)屏幕組合在一起。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須將遠(yuǎn)動(dòng)主機(jī)、監(jiān)控主機(jī)、工程師工作站等設(shè)備設(shè)置在主控室中，而不像ⅠEC 61850 的智能設(shè)備，需要分別設(shè)置組屏。

4.3 繼電保護(hù)模式設(shè)計(jì)

為了使變電站能夠正常工作，變電站需要繼電器保護(hù)裝置和保護(hù)設(shè)備。繼電器是電力系統(tǒng)的核心部件，所以需要對(duì)繼電器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。從本質(zhì)上說(shuō)，需要在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中設(shè)置獨(dú)立的繼電保護(hù)，并使其與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)處于相互獨(dú)立的狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，即使在自動(dòng)變電站突發(fā)故障時(shí)，該系統(tǒng)內(nèi)部的保護(hù)裝置仍然能正常工作。就目前的情況而言，保護(hù)與控制設(shè)備應(yīng)包括電容器、變壓器、線路等部件，并對(duì)重要部件進(jìn)行多層保護(hù)。通過(guò)測(cè)量和控制，可以得到實(shí)時(shí)的電壓和電流信息。同時(shí)，該CPU 具有特殊的邏輯模塊，能夠根據(jù)該邏輯模塊對(duì)各分片的性能進(jìn)行判斷。

4.4 增加防誤閉鎖設(shè)計(jì)

電力系統(tǒng)的安全性是數(shù)字化變電站電氣設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。在進(jìn)行二次電氣設(shè)計(jì)時(shí)，既要確保設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性，又要針對(duì)發(fā)生的問(wèn)題制訂一套完整的防范措施，以確保電網(wǎng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，在進(jìn)行數(shù)字化變電站二次設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)科學(xué)、合理地設(shè)置安全防誤裝置，以保證其與電網(wǎng)的設(shè)計(jì)和施工相適應(yīng)。在變電站的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，應(yīng)設(shè)置一個(gè)防誤閉鎖裝置，其主要目的是防止高壓裝置突然發(fā)生誤動(dòng)作。從現(xiàn)狀來(lái)看，防誤閉鎖可以劃分為電氣型與微機(jī)型的兩種類型。通過(guò)電氣連鎖控制，可以對(duì)每一條電路進(jìn)行優(yōu)化，并通過(guò)相應(yīng)的防誤裝置實(shí)現(xiàn)以上的優(yōu)化，但其困難是設(shè)計(jì)者需要將多根二次電纜連接到整個(gè)系統(tǒng)中，增加了操作的難度。另外，在以后更換二次線路時(shí)，將會(huì)花費(fèi)大量的人力和財(cái)力。與之相比，基于計(jì)算機(jī)控制的防誤閉鎖具有其獨(dú)有的技術(shù)優(yōu)越性。這是因?yàn)橛?jì)算機(jī)控制方式設(shè)計(jì)了一種特殊的鎖定規(guī)則，從而建立了一個(gè)數(shù)字的鎖定轉(zhuǎn)換模型。

4.5 光纖縱差保護(hù)設(shè)計(jì)

光纖縱差保護(hù)是利用光纖兩端的電氣量來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)的變換，從而達(dá)到通信目的。光纖縱差保護(hù)功率電纜具有較長(zhǎng)的長(zhǎng)度，與常規(guī)差動(dòng)保護(hù)相比，不會(huì)產(chǎn)生環(huán)負(fù)荷問(wèn)題，其應(yīng)用具有顯著的優(yōu)越性。此外，纖維的放電性能及抗雷擊性能更好，信息可以傳遞更遠(yuǎn)，傳遞的信息更多。然而，在與繼電保護(hù)裝置進(jìn)行通訊連接后，由于存在著盲區(qū)，光纖通信自愈切換所需的時(shí)間較長(zhǎng)。為有效地解決這個(gè)問(wèn)題，在進(jìn)行光纖縱差保護(hù)的設(shè)計(jì)時(shí)，必須從通訊機(jī)房和繼電保護(hù)裝置的聯(lián)接、保護(hù)等方面進(jìn)行全面的研究。

4.6 監(jiān)控系統(tǒng)、應(yīng)急系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)是電力二次系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，它的主要功能是對(duì)一次、二次裝置進(jìn)行控制，一般都是采用分布式通過(guò)雙擊方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器的遙控，并通過(guò)三種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器的遙控。變電站二次系統(tǒng)中的緊急控制系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置消防警報(bào)，可以有效地應(yīng)對(duì)各種突發(fā)情況。尤其是在變電站的工作環(huán)境下，當(dāng)出現(xiàn)雷擊、超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，變電站的應(yīng)急系統(tǒng)可以保證變電站的安全、可靠。變電站二次系統(tǒng)的高效率運(yùn)轉(zhuǎn)，以及它的自動(dòng)化、智能決策功能，都離不開(kāi)智能控制系統(tǒng)，在變電站的運(yùn)行中，當(dāng)發(fā)生安全事故時(shí)，它可以根據(jù)所得到的信息進(jìn)行快速的判斷和處理，從而在最短的時(shí)間內(nèi)做出相應(yīng)的反應(yīng)，既可以降低損失，又可以提升整個(gè)變電站的工作效率。目前，神經(jīng)智能與專家系統(tǒng)的研究還在繼續(xù)，將來(lái)必將在電力二次系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。

4.7 直流系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

直流輸電在變電站的二次供電中占有重要的位置，它可以為電網(wǎng)的自動(dòng)控制提供大量的能量，從而確保電網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集和控制等工作順利進(jìn)行，為電網(wǎng)的安全運(yùn)行提供有力的技術(shù)支持。在變電站的二次電力系統(tǒng)中，斷路器的運(yùn)行是由電動(dòng)彈簧來(lái)進(jìn)行的，由于變電站里面的電流并不多，為了保證在停電時(shí)可以工作2 h，必須要將電力儲(chǔ)存起來(lái)，并且設(shè)定為300 mA。此外，還必須引進(jìn)智能計(jì)算機(jī)技術(shù)，將其用于控制系統(tǒng)的切換。

4.8 設(shè)計(jì)端子排圖

在進(jìn)行數(shù)字變電站二次部件的終端布線時(shí)，可以省去一次和二次之間的接線布置，同時(shí)還可以對(duì)控制電路進(jìn)行優(yōu)化。這簡(jiǎn)化了二次電路的設(shè)計(jì)，比如保護(hù)壓板、按鈕和把手的數(shù)目大幅降低，降低了操作和維修工人的安全風(fēng)險(xiǎn)，而且還徹底解決了光纜使用中的老化問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，達(dá)到了全數(shù)字化的目的。

5 數(shù)字化變電站中電氣二次設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

5.1 對(duì)線路保護(hù)方面

線路保護(hù)的內(nèi)容包括：過(guò)流保護(hù)、距離保護(hù)、分相電流差動(dòng)保護(hù)。飽和電磁互感將會(huì)對(duì)逆時(shí)過(guò)電流保護(hù)的工作時(shí)間產(chǎn)生很大的影響，并導(dǎo)致保護(hù)工作時(shí)間延長(zhǎng)。失真發(fā)生在二次電流波形上，所以在選用非常規(guī)變壓器時(shí)應(yīng)選用不飽和特性的變壓器。其次是距離保護(hù)。距離保護(hù)主要是為了判斷電流中的非周期成分，一般不能從根本上改變非周期成分，從而導(dǎo)致測(cè)量誤差過(guò)大。采用微分方程的阻抗算法，可以縮短數(shù)據(jù)窗口，增加數(shù)據(jù)窗口，增加距離保護(hù)操作速度，減少測(cè)距誤差。第三種是分相電流差動(dòng)保護(hù)。分相電流差動(dòng)誤差主要是因?yàn)樽儔浩黠柡鸵鸬?，如果要有效地解決線路分相電流差動(dòng)保護(hù)的誤動(dòng)問(wèn)題，可以選用具有非飽和特性的電子互感器。

5.2 對(duì)母差保護(hù)方面

通過(guò)母差分站把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，即可完成整個(gè)母差系統(tǒng)的數(shù)字化。母差維護(hù)是把舊母差式保護(hù)轉(zhuǎn)化為新的母差式保護(hù)，一般分為兩大類：分站和主站。一般情況下，分臺(tái)間只需要將匯流端的電流和開(kāi)關(guān)連接。當(dāng)進(jìn)行了對(duì)各個(gè)分室的數(shù)字化設(shè)置之后，就可以實(shí)現(xiàn)電壓、電流和母差式的與主站間的逐漸連接，而通過(guò)GOOSE 接口后，就能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的連通性。

5.3 對(duì)數(shù)字化低周保護(hù)方面

與傳統(tǒng)的低周保護(hù)相比，數(shù)字低周保護(hù)存在很大差別，它的特點(diǎn)是數(shù)字低周保護(hù)沒(méi)有信號(hào)。數(shù)字低周保護(hù)是在接收到單位位置的母線電壓后，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的頻率運(yùn)算，然后以報(bào)文的形式通過(guò)跳閘指令輸出。例如，根據(jù)預(yù)定的時(shí)間，在10 kV 區(qū)間內(nèi)設(shè)定自動(dòng)回撤低周壓板，并在一定的出口提前跳閘，從而確保低周跳的功能。

6 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，我國(guó)正處于經(jīng)濟(jì)和社會(huì)轉(zhuǎn)型的階段，工業(yè)發(fā)展需要大量的電力能源，對(duì)供電的要求也越來(lái)越高，要求電力系統(tǒng)提供更加穩(wěn)定的電能。在電力系統(tǒng)中，變電站是最重要的，數(shù)字化變電站是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，因此數(shù)字變電站二次設(shè)計(jì)的分析具有重要意義。