變電站就地化保護設計方案探討

文/呂青 孫浩云 劉琳

變電站就地化保護設計方案探討

文/呂青 孫浩云 劉琳

隨著變電站二次設備及網絡技術的發(fā)展，智能變電站成為智能電網的重要組成部分。智能變電站的顯著優(yōu)點是實現(xiàn)了就地數(shù)字化、 跨間隔數(shù)據(jù)共享，二次回路簡單，無二次長電纜等。目前智能變電站標準化設計采用三層兩網結構，在功能邏輯上由站控層、間隔層、過程層以及網絡設備構成：站控層由監(jiān)控主機兼操作員工作站、數(shù)據(jù)服務器、數(shù)據(jù)通信網關機及網絡打印機等設備構成；間隔層由保護、測控、計量、錄波、網絡記錄分析、相量測量等若干個二次子系統(tǒng)組成；過程層由合并單元、智能終端等構成，完成與一次設備相關的功能，包括實時運行電氣量的采集、設備運行狀態(tài)的監(jiān)測、控制命令的執(zhí)行。

隨著智能變電站的發(fā)展，以下問題日漸凸顯：系統(tǒng)結構較復雜，中間環(huán)節(jié)多，由于合并單元以及智能終端的處理延時，保護的整組動作時間比常規(guī)變電站保護增加7～8ms；合并單元故障影響范圍大，SV網采數(shù)據(jù)同步對時間同步系統(tǒng)依賴性高；交換機數(shù)量多，配置工作量大，故障影響范圍廣，增加建設成本和維護難度；過程層配置復雜多變，安裝調試及運維檢修工作量大，改擴建技術難度高。

就地化保護新技術將有效解決以上問題，對智能變電站的推廣應用提供了有利的技術支撐。就地化保護通過貼近一次設備高防護就地安裝布置，采用電纜直接采樣直接跳閘，取消過程層合并單元和智能終端設備，減少中間傳輸環(huán)節(jié)，提升保護速動性與可靠性；基于接口標準化設計，實現(xiàn)保護裝置的即插即用、工廠化預制、集中式調試、模塊化安裝和更換式檢修，提升工作質量和效率，減少停電時間；通過一體化設計，縱向集成單間隔功能，實現(xiàn)繼電保護裝置小型化、集成化，減少設備類型及數(shù)量，降低整體設備缺陷率。

目前110kV及以上就地化線路保護樣機以及相關的管理單元設備已通過中國電科院檢測，并在黑龍江漠河、新疆吐魯番、浙江舟山等8個典型特殊氣候地區(qū)掛網運行。

就地化保護裝置結構特點

就地化保護裝置采用小型化結構，模塊化設計，便于整體安裝、拆卸及更換。

保護裝置對外接口采用專用電連接器和專用光纖連接器形式，通過預制電纜與預制光纜實現(xiàn)對外連接。各個電連接器與光纖連接器之間具有物理防誤插措施，包括本連接器不同方向以及不同連接器之間可能出現(xiàn)的防誤插措施。

裝置采用金屬全密封機箱結構，裝置的IP防護等級滿足IP67的要求。裝置適應于環(huán)境溫度：-40℃～+70℃。裝置電磁兼容性能：工頻電場強度19kV/m，工頻磁場強度1130μT。裝置具有防振動、抗跌落的機械結構，機械振動、沖擊和碰撞性能滿足DL/T 478-2013中4.10.4的規(guī)定。

就地化保護性能特點

就地化保護具有以下優(yōu)點：

1）單間隔就地化線路保護減少了保護采樣、跳閘信號中間傳輸環(huán)節(jié)，比目前智能化變電站保護的整組動作時間縮短7ms～8ms。

2）單間隔線路保護取消了保護裝置與間隔合并單元、智能終端間SV、GOOSE虛端子配置，減少配置工作量。

3）跨間隔就地化保護通過雙向環(huán)網技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余，任一節(jié)點通信中斷，環(huán)網通信不受影響，可靠性高。

4）支持SV和GOOSE收發(fā)，為站域保護等站端設備提供數(shù)據(jù)采集和控制執(zhí)行支撐。

5）簡化二次光纜、電纜接線。

就地化保護與傳統(tǒng)智能站保護的性能對比：

就地化保護 傳統(tǒng)智能站保護貼近一次設備安裝，僅需配置就地端子箱， 保護裝置工廠化預制、模塊化安裝需要間隔保護屏和智能匯控柜，系統(tǒng)接線復雜，占地面積大采用專用電連接器和專用光纖連接器插接，實現(xiàn)現(xiàn)場防誤、即插即用二次回路及接線復雜，易出現(xiàn)誤接線、消缺困難集中式調試、更換式檢修，簡化現(xiàn)場工作，提高人員工作效率現(xiàn)場調試、檢修，工作周期及停電時間長采用電纜直采直跳，提升速動性和可靠性應用了光纖通信，增加了中間傳輸及光電轉換環(huán)節(jié)，使得保護動作速度下降可無防護安裝 需空調環(huán)境下運行

就地化線路保護實施方案

1) 基于間隔內功能縱向集成的理念，就地化線路保護集成了合并單元、智能終端功能。

2）每套線路保護均具有完整的主后備保護功能，雙重化線路保護相互獨立配置。

3）線路保護采用模擬量電纜直接采樣，采集本間隔保護用三相電流、電壓及同期電壓。通過SV網絡發(fā)布本間隔電流、電壓采樣值。

4）線路保護采用電纜直接跳閘。通過GOOSE網絡發(fā)布本裝置的跳閘信號及其他狀態(tài)信號，通過GOOSE網訂閱其他保護或控制設備的相關信號。例如：啟動失靈、閉鎖重合閘。

5）線路保護通過電纜接入必要的斷路器信息，例如：斷路器位置。

6）線路保護具備SV和GOOSE過程層共口輸出功能，供站域等其他保護使用，采樣率為4kHz。

7）線路保護縱聯(lián)通道分別采用兩個不同路由的通道。

就地化線路保護方案如圖1所示。

圖1 就地化線路保護方案示意圖

就地化主變保護實施方案

1）就地化主變保護由主機和子機構成。保護主機、子機之間通過HSR環(huán)網發(fā)送和接收信息。

保護主機包含全部保護功能、對外管理功能及本體子機功能，主機通過HSR環(huán)網接收采樣數(shù)據(jù)和開關量，進行邏輯運算。運算結果通過HSR環(huán)網發(fā)給子機，跨間隔開關量通過GOOSE網收發(fā)。

保護子機完成本間隔模擬量采集，開關量采集及保護出口。子機采集模擬量和開關量后通過HSR環(huán)網發(fā)送給主機，并接收主機的開關量信號用于出口。

2）子機應采用電纜直接采樣和電纜直接跳閘方式，裝置接收的斷路器位置等本間隔開入信息應采用電纜連接方式，與其他裝置間的啟動、閉鎖等信號應采用GOOSE網絡傳輸。

3）主機和子機具備SV和GOOSE過程層共口輸出功能，供站域等其他保護使用，采樣率為4kHz，子機同其他保護的信息交互采用GOOSE組網方式完成。

4）保護裝置不依賴于外部對時系統(tǒng)實現(xiàn)其保護功能。

需要指出的是，主變保護主機、子機之間采用環(huán)網通信具有較高的可靠性，當任一節(jié)點通信中斷時環(huán)網通信不會受到影響。并且可根據(jù)變電站規(guī)模劃分不同子環(huán)網，有效降低環(huán)網傳輸流量，提高傳輸裕量，方便間隔擴展。

就地化母差保護實施方案

1）母線保護按照常規(guī)互感器接入方式設計，電纜直接采樣、電纜直接跳閘。

2）母線保護采用積木式設計，由一個基礎保護系統(tǒng)和若干個擴展保護系統(tǒng)構成，以基礎保護系統(tǒng)為中心按星型拓撲連接。

3）基礎保護系統(tǒng)和擴展保護系統(tǒng)能夠靈活接入8個間隔，間隔在各基礎保護系統(tǒng)或擴展保護系統(tǒng)的接入分配應根據(jù)實際工程由設備制造廠在出廠前完成。

4）基礎保護系統(tǒng)負責8個間隔的模擬量和開關量的采集和對應間隔的分相跳閘出口，并完成保護邏輯功能、與智能管理單元接口功能、過程層網絡通信接口功能、站控層通信接口功能。

5）擴展保護系統(tǒng)負責8個間隔的模擬量和開關量采集以及對應間隔的分相跳閘出口。

6）基礎保護系統(tǒng)和擴展保護系統(tǒng)可以靈活接入電壓模擬量或電流模擬量，每段母線的電壓按一個獨立的間隔接入，基礎保護系統(tǒng)和各擴展保護系統(tǒng)之間為點對點連接方式。

7）基礎保護系統(tǒng)和擴展保護系統(tǒng)之間按照共口方式傳輸SV和GOOSE數(shù)據(jù)。

8）基礎保護系統(tǒng)和擴展保護系統(tǒng)具備SV和GOOSE過程層共口輸出功能，供站域等其他保護使用，采樣率為4kHz。

9）聯(lián)閉鎖信息（失靈啟動、遠跳閉重、失靈聯(lián)跳等）采用GOOSE網絡傳輸方式。

就地化保護智能管理單元

就地化保護智能管理單元實現(xiàn)變電站內就地化保護裝置的界面集中展示、配置管理、備份管理、保護設備在線監(jiān)視與診斷功能。智能管理單元與不同廠家保護裝置間具備良好的兼容性，對各廠家保護裝置采用統(tǒng)一的顯示和操作界面。

變電站所有就地保護設備直接連接到站控層MMS網絡。智能管理單元采用雙機配置，部署在安全I區(qū)，與站控層雙網連接，獲取保護數(shù)據(jù)。管理單元具體應包含以下功能：

1）界面展示功能：

智能管理單元可以對菜單內容進行相應展示和操作；也支持保護中間節(jié)點信息上送及展示，輔助進行隱性故障識別。同時在智能管理單元中可以根據(jù)就地化保護的模擬量進行向量圖、序分量的計算，實現(xiàn)保護的負荷展示功能，方便運維人員負荷檢查，保證就地化保護的采樣準確性。

2）備份功能：

為保證在更換就地化保護設備時簡單易行，在就地化保護安裝完成后，智能管理單元對保護設備相關的參數(shù)進行備份，備份文件包括：CID、CCD、工程參數(shù)、定值等。

3）保護設備在線監(jiān)視與診斷功能：

智能管理單元可以根據(jù)就地化保護設備的上送告警信息、監(jiān)測信息等對裝置的運行狀態(tài)進行評估，并可根據(jù)監(jiān)測信息的統(tǒng)計變化趨勢進行故障預警。同時管理單元可以收集保護設備的溫度、電源電壓、光口強度等信息，能夠以圖形形式展示出來，并能對相應數(shù)據(jù)進行分析預警。

隨著電網規(guī)模的迅速擴張，電網亟需快速可靠、便于運維的繼電保護新技術。本文在就地化保護新技術的基礎上，提出了智能化變電站采用就地化保護配置方案；對就地化保護配置原則、裝置技術特性、設備安裝及接口方式均做了較為詳細的說明；并在就地化保護配置基礎上，提出了變電站采用三網合一的自動化網絡架構。工程中可根據(jù)實際接線和建設規(guī)模，選擇最優(yōu)的保護配置方案，保證智能變電站可靠安全運行。

（作者均就職于華東電力設計院有限公司，文章有刪節(jié)）