李廿唐，張帥

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司宜昌供電公司，湖北宜昌 443000）

1 引言

智能變電站以全面自動(dòng)化設(shè)施為依托，由智能高壓設(shè)備和變電站統(tǒng)一信息平臺(tái)兩部分組成，具有智能控制變電設(shè)施、自動(dòng)識(shí)別設(shè)備薄弱環(huán)節(jié)、實(shí)時(shí)預(yù)警電能安全等重要功能[1-2]。智能變電站具有良好的交互性和可靠性，且運(yùn)行過程具有低碳環(huán)保效果，而對(duì)變電站進(jìn)行保護(hù)可減少保護(hù)裝置運(yùn)維和檢修成本。但當(dāng)前的智能變電站的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間較長，導(dǎo)致了合并單元和智能終端等受電磁干擾而更容易發(fā)生各種故障[3]。在此背景下，提出取消變電站保護(hù)裝置的合并單元和智能終端，對(duì)智能變電站實(shí)現(xiàn)就地化繼電保護(hù)配置。

2 智能變電站就地化繼電保護(hù)框架及配置設(shè)計(jì)

110 kV 變電站就地化繼電保護(hù)具有雙套變壓器保護(hù)配置，單套保護(hù)配置包括線路保護(hù)和母線保護(hù)配置，并接入保護(hù)專網(wǎng)。同時(shí)，變電站的智能管理單元下接保護(hù)專網(wǎng)，上接站控層網(wǎng)絡(luò)。另外，采用與常規(guī)站相同的開關(guān)操作柜管理10 kV 和35 kV 保護(hù)調(diào)控裝置，該保護(hù)調(diào)控裝置上接站控層網(wǎng)絡(luò)。具體框架示意圖如圖1 所示。

圖1 110 kV變電站就地化繼電保護(hù)框架

從圖1 可以看出，變電站的保護(hù)子機(jī)安裝在室外就地化柜。因此，面板信號(hào)配置為3 個(gè)信號(hào)燈，信號(hào)燈1 表示運(yùn)行，為綠色，燈亮表示裝置運(yùn)行，燈滅表示裝置故障處于無保護(hù)；信號(hào)燈2 表示異常，為紅色，燈亮表示警告信號(hào)，燈滅表示運(yùn)行正常。其中，信號(hào)燈1 和信號(hào)燈2 為非自保持狀態(tài)。信號(hào)燈3表示動(dòng)作，為紅色，呈自保持狀態(tài)，燈亮表示保護(hù)有跳閘或合閘輸入，燈滅表示保護(hù)裝置沒有跳閘或合閘輸入。其中，線路保護(hù)、變壓器保護(hù)、母線保護(hù)以及智能管理單元等裝置的配置要點(diǎn)如下。

線路保護(hù)裝置的縱聯(lián)通道為單通道，通信由標(biāo)準(zhǔn)連接器實(shí)現(xiàn)。其雙重配置相互獨(dú)立且具有完整的主要保護(hù)和后備保護(hù)能力，且具備SV、MMS 和GOOSE 輸出公共端口，并通過標(biāo)準(zhǔn)連接器發(fā)布給保護(hù)專網(wǎng)。通過標(biāo)準(zhǔn)連接接口進(jìn)行直采和直跳，除了采集間隔互感器的二次電流、線路同期電壓以及母線的三相二次電壓，還通過連接器向保護(hù)專網(wǎng)發(fā)送間隔下的跳閘信號(hào)和其他信號(hào)。同時(shí)通過標(biāo)準(zhǔn)的電纜線連接器接口接收開入量必要信息，具備輸送4 kHz 采樣率SV 數(shù)據(jù)能力，實(shí)現(xiàn)采樣同步化。

變壓器首先采用光纖雙向雙環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)元件保護(hù)各子機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信和交互，且各子機(jī)采用無主模式完成數(shù)字量和模擬量的采集。每個(gè)子機(jī)配備有一樣的保護(hù)定值，在獨(dú)立完成所有保護(hù)功能后，自行判斷是否作用相應(yīng)的開關(guān)，并發(fā)送GOOSE 信號(hào)。輸出公共端口同線路保護(hù)一樣，采用光纖接口。其次，所有子機(jī)采用電纜直采和直跳方式通過GOOSE 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備間的啟動(dòng)和閉鎖等信號(hào)的通信。子機(jī)保護(hù)功能的配置對(duì)時(shí)接口，不額外采用外部對(duì)時(shí)系統(tǒng)。另外，變壓器保護(hù)的子機(jī)按側(cè)配置，由高壓側(cè)子機(jī)、中壓側(cè)子機(jī)、低壓1 側(cè)和2側(cè)子機(jī)以及間隙子機(jī)構(gòu)成。

母線保護(hù)為積木式設(shè)計(jì)，由多個(gè)相同的子機(jī)構(gòu)成，且各子機(jī)之間通過獨(dú)立環(huán)網(wǎng)相連接，直接采樣和跳閘。每個(gè)子機(jī)所接支路屬性固定，且固定采集8 個(gè)間隔的模擬量、相應(yīng)間隔的跳閘出口和開關(guān)量。另外，所有子機(jī)接收來自其他子機(jī)采集的模擬和數(shù)字量信息將由環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)，且采用GOOSE 網(wǎng)絡(luò)專網(wǎng)傳輸，能夠獨(dú)立完成失靈啟動(dòng)、失靈聯(lián)跳等保護(hù)功能。

智能管理單元的裝置界面集中顯示，且為每個(gè)裝置設(shè)有“遠(yuǎn)方/ 就地”按鈕選項(xiàng)的軟壓板，在執(zhí)行操作時(shí)對(duì)該元件保護(hù)的所有子機(jī)保護(hù)自動(dòng)同步。其次，能夠獨(dú)立管理就地化繼電保護(hù)模型，形成包含智能管理單元自身模型的SCD 保護(hù)文件，并提供相關(guān)的SCD 供后臺(tái)監(jiān)控和其他設(shè)備使用，但其是SCD文件的唯一管理接口，能夠?qū)CD 文件進(jìn)行檢查。同時(shí)，智能管理單元支持備份區(qū)管理、一鍵備份或下裝操作，且進(jìn)行操作時(shí)不需要投入檢修壓板。此外，智能管理單元還能通過分析各個(gè)裝置的報(bào)警、檢測(cè)等數(shù)據(jù)，評(píng)價(jià)裝置的工作狀況，并通過分析檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)故障實(shí)現(xiàn)預(yù)警。最后，智能管理單元進(jìn)行定值比較，召喚出對(duì)應(yīng)保護(hù)裝置的故障錄波文件，并分析故障錄波的波形。

保護(hù)裝置在全站均配備有保護(hù)設(shè)備專網(wǎng)，所有線路、變壓器和母線的就地化繼電保護(hù)之間的信息交互均通過專網(wǎng)進(jìn)行。同時(shí)，智能管理單元根據(jù)電壓等級(jí)的雙重配置集中管理設(shè)備信息，從而參與保護(hù)裝置與監(jiān)控間的信息交換。另外，專網(wǎng)之間獨(dú)立運(yùn)行，異?；ゲ挥绊?。

3 智能變電站就地化繼電保護(hù)配置的校驗(yàn)分析

選擇在某110 kV 變電站進(jìn)行就地化保護(hù)掛網(wǎng)試運(yùn)行，并對(duì)提出的就地化繼電保護(hù)裝置進(jìn)行了性能校驗(yàn)。為了實(shí)現(xiàn)采樣、報(bào)警信息和狀態(tài)等的實(shí)時(shí)顯示，在變電站主控室內(nèi)安裝了一套就地化繼電保護(hù)智能管理單元和公用測(cè)控裝置，并進(jìn)行參數(shù)、定等的設(shè)定操作。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行就地化繼電保護(hù)裝置的校驗(yàn)，校驗(yàn)內(nèi)容主要包括線路保護(hù)裝置、變壓器保護(hù)裝置和母線保護(hù)裝置。首先，采用縱差和接地距離對(duì)線路保護(hù)裝置進(jìn)行校驗(yàn)；其次，采用差動(dòng)速斷和比例差動(dòng)對(duì)變壓器保護(hù)裝置進(jìn)行校驗(yàn)；最后，利用差動(dòng)電流和制動(dòng)系數(shù)校驗(yàn)?zāi)妇€保護(hù)裝置。由于三段式的接地距離保護(hù)的動(dòng)作特性包括正序方向、偏移阻抗和零序電抗3 個(gè)元件。因此，研究將接地距離1、2 段的動(dòng)作特性和3 段動(dòng)作特性進(jìn)行分別計(jì)算，具體計(jì)算方式如圖2所示。

圖2 接地距離動(dòng)作特性

圖2 中，xZD為電阻分量定值；ZZD為阻抗定值；z1為正序方向元件；αZD為靈敏角；y0為零序電抗 繼電器；Z1ZD為1 段阻抗定值；Z2ZD為2 段阻抗定值；Z3ZD為3 段阻抗定值。從圖2a 可以看出，1 段和2 段的動(dòng)作區(qū)主要由接地距離的偏移阻抗1段、偏移阻抗2 段以及z1-z1及以上區(qū)域、y0及以下區(qū)域組成。接地距離1、2 段常以動(dòng)作切斷故障，保護(hù)范圍實(shí)際大于全線路。圖2b 中，3 段的動(dòng)作區(qū)主要由偏移阻抗3 段和z1-z1及以上區(qū)域組成，且分段單獨(dú)整定ZZD。αZD和xZD在三段式接地距離保護(hù)中共用一個(gè)定值，并自動(dòng)進(jìn)行偏移門檻調(diào)整。其中，縱差校驗(yàn)整定值設(shè)置為1 A/0 s，三相在95%比例整定值及以下無動(dòng)作，在105%比例整定值及以上出現(xiàn)動(dòng)作。接地距離三段整定值分別設(shè)置為0.24 Ω/0.0 s、0.79 Ω/0.5 s 和1.22 Ω/0.9 s，三相在三段接地距離整定值95%比例及以下出現(xiàn)動(dòng)作。因此，縱差校驗(yàn)中三相在115%整定值的動(dòng)作時(shí)間和接地距離中三相在85%整定值的動(dòng)作時(shí)間見表1。

表1 線路保護(hù)裝置定值校驗(yàn)

由表1 可以看出，縱差校驗(yàn)中三相在115%整定值下的動(dòng)作時(shí)間分為27.18 ms、28.24 ms 和26.73 ms，相對(duì)而言動(dòng)作時(shí)間均較短。接地距離校驗(yàn)中，三相在三段的動(dòng)作時(shí)間隨著整定值的提高而增加，且均未出現(xiàn)故障動(dòng)作行為?？傮w來看，三相的動(dòng)作狀態(tài)隨著整定值的增加和整定值比例的提升而改變，說明研究提出的線路保護(hù)裝置的性能可靠，靈敏性優(yōu)越。變壓器保護(hù)裝置的差動(dòng)速斷和比例差動(dòng)定值校驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 變壓器保護(hù)裝置定值校驗(yàn)結(jié)果

圖3a 中，研究根據(jù)整定值比較不同比例三相的高壓、中壓和低壓下動(dòng)作情況，其中，差動(dòng)速斷校驗(yàn)的速斷整定值為額定電流（Ie）為6.33 A?？梢钥闯?，三相在95%速斷整定值及以下均為無動(dòng)作行為，在105%速斷整定值及以上出現(xiàn)動(dòng)作行為。115%速斷整定值下，A 相在高壓、中壓、低壓下的動(dòng)作時(shí)間分別為21.23 ms、21.48 ms、22.09 ms，B 相動(dòng)作時(shí)間分別為22.14 ms、21.97 ms、21.86 ms，C 相分別為21.33 ms、20.99 ms、21.41 ms。圖3b 中，在比例差動(dòng)校驗(yàn)中，網(wǎng)絡(luò)比率差動(dòng)啟動(dòng)電流定值為0.50，比率制動(dòng)系數(shù)整定值為0.51，諧波制動(dòng)系數(shù)為0.15?？梢钥闯觯儔浩鞅Ｗo(hù)裝置在115%速斷整定值下高壓、中壓和低壓的動(dòng)作時(shí)間分別為27.87 s、28.13 s 和28.42 s。以上結(jié)果說明變壓器保護(hù)裝置在具有較好的能動(dòng)性，對(duì)變電站運(yùn)行過程的保護(hù)更有效。這可能是因?yàn)椴顒?dòng)速斷定值校驗(yàn)的邏輯是在每個(gè)相差動(dòng)電流大于差動(dòng)速斷的定值情況下，保護(hù)裝置瞬時(shí)跳開變壓器的每側(cè)開關(guān)，且差動(dòng)速斷保護(hù)不經(jīng)過任一閉鎖條件直接輸出，而比例差動(dòng)對(duì)差流又具有區(qū)分功能。同時(shí)，研究進(jìn)一步對(duì)母線保護(hù)裝置進(jìn)行了校驗(yàn)分析，差動(dòng)電流和制動(dòng)系數(shù)校驗(yàn)具體結(jié)果見表2。

表2 母線保護(hù)校驗(yàn)

從表2 可以看出，三相在115%整定值下的動(dòng)作時(shí)間在18 s 上下浮動(dòng)。另外，母線保護(hù)的差動(dòng)動(dòng)作電流復(fù)式比率為6.8∶6.6，制動(dòng)電流的復(fù)式比率為22.63∶21.91，制動(dòng)系數(shù)的復(fù)式比率為0.43∶0.43。這說明設(shè)計(jì)的繼電保護(hù)裝置的母差保護(hù)裝置靈敏性較高，對(duì)母線運(yùn)行方式做出報(bào)警信號(hào)的時(shí)間更迅速，母線保護(hù)裝置動(dòng)作可靠且性能有效。

4 結(jié)論

為了解決智能變電站保護(hù)動(dòng)作時(shí)間過長而導(dǎo)致電站設(shè)備易損壞的問題，設(shè)計(jì)了110 kV 變電站就地化繼電保護(hù)裝置。掛網(wǎng)試運(yùn)行校驗(yàn)表明，在技術(shù)層面，智能變電站就地化整組單間隔保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間減少了7～11 ms，設(shè)備數(shù)量和種類減少，但其設(shè)備的整體缺陷率降低，單個(gè)設(shè)備故障的影響范圍降低，系統(tǒng)可靠性顯著提高?；▽用?，屏柜數(shù)量減少了70%，且占地建筑面積減少了50%，光纜使用數(shù)量降低，有效節(jié)約了投資成本。運(yùn)行維護(hù)層面，就地化繼電保護(hù)配置安裝和檢修更方便快捷，一鍵式安裝操作簡(jiǎn)單且維護(hù)便利，有效減少現(xiàn)場(chǎng)工作量，并為系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了質(zhì)量保障。以上結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的智能變電站就地化繼電保護(hù)裝置具有較高的可靠性和速凍性，就地化安裝更方便快捷，且其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，管理操作一鍵智能化，從而有效節(jié)省了裝置用地面積的消耗，提高現(xiàn)場(chǎng)工作效率。然而，提出的就地化繼電保護(hù)裝置主要面向110 kV 變電站，對(duì)其他電壓等級(jí)的變電站未進(jìn)行實(shí)際的試運(yùn)行和有效校驗(yàn)，因此，該就地化繼電保護(hù)裝置存在一定的應(yīng)用局限。未來，將進(jìn)一步針對(duì)不同電壓等級(jí)的變電站進(jìn)行就地化繼電保護(hù)研究，推動(dòng)智能電站的設(shè)計(jì)與安裝等環(huán)節(jié)的工作效率以及優(yōu)化。