110 kV數(shù)字變電站繼電保護配置方案探討

劉叢然, 梁新蘭

(1.中國石油大港油田電力公司，天津 300280； 2. 中國石油管道局天津設(shè)計院，天津 300457)

110 kV數(shù)字變電站繼電保護配置方案探討

劉叢然1, 梁新蘭2

(1.中國石油大港油田電力公司，天津 300280； 2. 中國石油管道局天津設(shè)計院，天津 300457)

簡要介紹了數(shù)字化變電站的三個特點及IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，針對IEC61850協(xié)議的數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)的特點及優(yōu)勢，研究了一種基于站域后備保護的綜合保護方案，通過與傳統(tǒng)綜合自動化變電站保護方案的比較可知，可以更快速，準(zhǔn)確的切除故障，提高了繼電保護系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。保護方案已于2013年應(yīng)用于110 kV同盛變電站，通過兩年多的安全運行證明了保護方案的可行性，為新建110 kV數(shù)字變電站保護配置提供實例參考。

數(shù)字變電站；IEC61850；主保護；站域后備保護；綜合保護

0 引 言

在變電站自動化領(lǐng)域中，微機保護與測控技術(shù)得到了飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，近幾年電子式光電式互感器技術(shù)的成熟，智能開關(guān)的出現(xiàn)，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的推波助瀾，使變電站自動化進入數(shù)字化階段成為一種必然趨勢。

現(xiàn)在國內(nèi)正在運行的變電站基本都是綜合自動化變電站，數(shù)字化變電站作為其升級替代產(chǎn)品，是智能化變電站的初級階段。同盛110 kV變電站是大港油田地區(qū)首座數(shù)字化變電站，應(yīng)用了基于站域后備保護[1]的綜合保護方案，提高了繼電保護系統(tǒng)的有效性，提高了大港油田地區(qū)電網(wǎng)的智能水平。

1 數(shù)字化變電站特點

數(shù)字變電站有傳感器數(shù)字化，一次設(shè)備智能化，二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化，通信標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化，傳輸光纖化的基本特征[2]。與綜合自動化相比，數(shù)字變電站有以下幾個突出的優(yōu)點：

(1)信息共享

數(shù)字化變電站與綜合自動化變電站相似，需要采集一次設(shè)備信息，但是數(shù)字化變電站的信息模型及通信標(biāo)準(zhǔn)均是統(tǒng)一的，最終接入公用通信網(wǎng)絡(luò)，變電站的各個子系統(tǒng)均使用公用通信網(wǎng)絡(luò)接收的一次設(shè)備信息，并通過這個公用網(wǎng)絡(luò)發(fā)布控制命令[3]。

(2)可靠性高

數(shù)字化變電站中信號傳輸介質(zhì)主要是光纖，與傳統(tǒng)的控制電纜相比，光纖具有抗干擾能力強的優(yōu)點，極大的提高了保護系統(tǒng)的可靠性，同時也消除了二次回路兩點接地情況的發(fā)生[4]。由于采用公用網(wǎng)絡(luò)平臺，二次接線工作量大幅下降，接線準(zhǔn)確率提高。

(3)電子式互感器

綜合自動化變電站的互感器均采用基于電磁原理的常規(guī)互感器，而數(shù)字化變電站采用電子式互感器。常規(guī)互感器有體積大、絕緣復(fù)雜、易飽和、易諧振和動態(tài)范圍小等缺點，而電子式互感器能夠很好的解決以上問題，適應(yīng)于數(shù)字化、智能化變電站的需要[5]。

2 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)將變電站設(shè)備抽象為過程層、間隔層和站控層三部分，其典型“三層兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu)如圖1所示：過程層中合并單元通過SV網(wǎng)絡(luò)將一次系統(tǒng)運行狀態(tài)采樣值傳輸至間隔層的保護、測量、計量裝置[6]。保護裝置的控制跳閘命令通過光纖或GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳至智能終端，實現(xiàn)故障切除[7]。間隔層與站控層通過MMS網(wǎng)絡(luò)通訊，實現(xiàn)站控層對間隔層、過程層設(shè)備的實時監(jiān)控。通過“三層兩網(wǎng)”框架，實現(xiàn)全站數(shù)據(jù)統(tǒng)一對時，徹底消除站內(nèi)信息孤島，為繼電保護裝置提供更全面的故障分析數(shù)據(jù)庫，為發(fā)展智能化的繼電保護系統(tǒng)智提供了新的思路[8]。

圖1 數(shù)字變電站組網(wǎng)方式

3 繼電保護配置

依據(jù)GB/T 30155-2013智能變電站技術(shù)導(dǎo)則[9]，對站內(nèi)重要一次設(shè)備配置相應(yīng)主保護與后備保護，該保護方案與傳統(tǒng)變電站相似，通過主保護與后備保護的配合實現(xiàn)對一次設(shè)備的保護。

該保護方案下，主保護通?？梢钥焖?、準(zhǔn)確切除故障，具有良好保護特性，但后備保護的配置往往具有很大局限性，通常為了滿足選擇性要求不得不犧牲動作速斷性。在放射性拓撲輸電網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)階段式后備距離保護動作延時可以達到2～3 s。

對于沒有配置母差保護的中低壓母線，依靠變壓器低后備保護切除可能發(fā)生的母線故障會帶來至少0.5 s的延時，對系統(tǒng)一次設(shè)備造成較大威脅。對變壓器保護而言，高后備保護為提升對變壓器內(nèi)部故障的靈敏度，會將保護范圍延伸至變電站低壓側(cè)，造成兩級后備保護的部分保護區(qū)域動作延時相同，難以兼顧兩級后備保護的選擇性和靈敏性。

如上所述，數(shù)字變電站僅僅將數(shù)據(jù)傳輸方式由電纜改為光纖，將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，延續(xù)了傳統(tǒng)變電站后備保護延時時間較長、保護定值配合困難等不足，未體現(xiàn)出設(shè)備與電網(wǎng)運行方式間的互動性，沒有充分發(fā)揮三層兩網(wǎng)結(jié)構(gòu)下數(shù)據(jù)信息共享優(yōu)勢。

但是，如果只采用基于網(wǎng)絡(luò)的站域保護配置，在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時又很難保證系統(tǒng)設(shè)備及人身安全，繼電保護要求的可靠性難以滿足。

4 綜合保護配置方案

考慮到傳統(tǒng)保護的時限配合缺陷及網(wǎng)絡(luò)保護的可靠性低，本文研究了一種基于站域后備保護的數(shù)字變電站保護配置方案。

該方案中對中高壓線路、變壓器、110 kV母線等關(guān)鍵一次設(shè)備，配置獨立的主保護。主保護動作方式相對獨立，合并單元、智能終端與被保護裝置就近配置安裝，通過光纖與保護單元通訊，實觀保護直采直跳，即使在站內(nèi)GOOSE網(wǎng)、SV網(wǎng)出現(xiàn)故障時，主保護仍能正確動作。

而站內(nèi)后備保護不再分裝置配置，而是整個變電站作為一個整體考慮，統(tǒng)一配置，由站域后備保護模塊完成。站域后備保護模塊通過SV網(wǎng)絡(luò)接收站內(nèi)一次設(shè)備和進出線路運行狀態(tài)信息，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)故障定位，同時通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)接收主保護動作信息和斷路器動作情況。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，站域保護模塊快速、準(zhǔn)確地判斷故障位置，監(jiān)視主保護及斷路器的動作情況：若主保護未發(fā)出跳閘命令，后備保護則通過GOOSE網(wǎng)快速發(fā)布跳閘指令；若主保護動作但斷路器拒動，后備保護依據(jù)故障點位置通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)發(fā)布擴大跳閘指令。該方案有效的縮短了后備保護動作延時時間。

對于未配置母線保護的站內(nèi)中低壓母線，站域后備保護可通過獲取進出線及母線運行相關(guān)數(shù)據(jù)，提供快速可靠的近后備保護，有效的提升系統(tǒng)可靠性。此保護方案的邏輯判斷框圖如圖2所示。

圖2 綜合保護流程圖

5 同盛變電站

5.1 組網(wǎng)方式

按國網(wǎng)“智能化變電站繼電保護技術(shù)規(guī)范[10]”配置，同盛數(shù)字變電站系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分為三層：過程層、間隔層、站控層(如表1所示)。

表1 三層系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖

本站間隔層、站控層之間采用MMS雙星以太網(wǎng)，通信協(xié)議為統(tǒng)一的IEC61850，網(wǎng)絡(luò)圖如圖3所示。

5.2 110 kV側(cè)保護配置

110 kV側(cè)GIS合并單元將采樣值信息以IEC61850-9-2點對點傳輸標(biāo)準(zhǔn)傳輸給各個保護測控等間隔層設(shè)備；故障錄波也采用點對點方式采集采樣值信息。

110 kV開關(guān)設(shè)備采用智能終端，就地安置在智能控制柜內(nèi)，實現(xiàn)了設(shè)備的智能化；過程層采用GOOSE網(wǎng)和點對點通信方式，實現(xiàn)了過程層的數(shù)字化。為了提高系統(tǒng)可靠性，GOOSE網(wǎng)絡(luò)采用雙重化配置，實現(xiàn)保護設(shè)備與智能終端間及各個智能設(shè)備間的通信。

110 kV線路、分段、主變等間隔采用智能終端和合并單元合一裝置，采用“直采直跳”方式。

圖3 同盛變電站網(wǎng)絡(luò)配置圖

遵循國網(wǎng)“直采直跳”要求，間隔保護裝置從合并單元通過IEC61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)直接采集信息，并通過光纖直接發(fā)布跳閘命令至智能終端裝置。

5.3 主變壓器保護配置

(1)每臺主變配雙重化的主后一體化保護裝置；

(2)主變智能單元、測控保護裝置均下放至主變旁的戶外控制柜，主變非電量保護采用直采直跳方式。

(3)主變中性點電流互感器信號接入合并單元，合并單元可就地放置于戶外密封箱中。

5.4 35 kV、6 kV側(cè)保護配置

(1)35 kV、6 kV出線側(cè)采用“保護、測控、智能終端、合并單元”合一裝置就地安裝于35 kV、6 kV開關(guān)柜中，就地采集采樣值信號并設(shè)置就地操作開關(guān)。

(2)主變35 kV、6 kV側(cè)采用合并單元、智能終端合一裝置，雙套配置，實現(xiàn)主變35 kV、6 kV側(cè)信息采集及接收主變保護的操作命令。

6 結(jié)束語

智能變電站所采用的“三層兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了全站數(shù)據(jù)信息共享，為繼電保護裝置的配置提供了全新的數(shù)據(jù)平臺。本文介紹的基于站域后備保護的智能變電站綜合保護配置方案，對系統(tǒng)中重要一次設(shè)備配置獨立主保護，實現(xiàn)故障狀態(tài)下的故障快速切除；利用智能變電站數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢技術(shù)，實現(xiàn)全局化的站域后備保護，解決了傳統(tǒng)后備配合困難，故障切除速度慢，保護方式對系統(tǒng)運行方式敏感等缺點。在110 kV變電站新建時，可以考慮應(yīng)用此保護配置方案，既能充分發(fā)揮智能變電站的技術(shù)優(yōu)勢，又能兼顧繼電保護靈敏性、可靠性和選擇性。

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A Study on the Relay Protection Configuration Scheme for 110 kV Digital Substations

Liu Congran1, Liang Xinlan2

(1. China Petroleum Dagang Oilfield Electric Power Co., Tianjin 300280, China；2. China Petroleum Pipeline Bureau Tianjin Design Institute, Tianjin 300457, China)

This paper gives a brief introduction of three characters of digital substations as well as IEC 61850 network structure. With respect to the characteristics and advantages of IEC61850 digital substation networks, this paper discusses a comprehensive protection scheme based on substation-area backup protection. Through comparison with protection schemes for traditional integrated automatic substations, this protection scheme can clear the fault more quickly and accurately, thus improving the stability and reliability of the relay protection system. This protection scheme was applied to 110kV Tong-sheng Substation in 2013. Safe operation in more than two years has proved the feasibility of the scheme and offers an example reference for other new 110kV digital substations.

digital substation; IEC61850; main protection; substation-area backup protection; comprehensive protection

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.01.016

TM77

A

1000-3886(2017)01-0053-03

劉叢然(1964- )，女，河北晉州人，工程師，大專，中國石油大港油田電力公司，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護。 梁新蘭(1983-)，女，山東平陰人，工程師，碩士生，中國石油管道局天津設(shè)計院，主要從事電力系統(tǒng)設(shè)計。

定稿日期: 2016-06-12