即插即用就地化保護(hù)技術(shù)方案探討

柯人觀，楊 濤，戚宣威

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

輸配電技術(shù)

即插即用就地化保護(hù)技術(shù)方案探討

柯人觀，楊 濤，戚宣威

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

針對目前智能變電站存在的問題，引入即插即用就地化保護(hù)的概念，研究了基于即插即用就地化保護(hù)的變電站整體設(shè)計方案，通過比較設(shè)備數(shù)量、動作性能等方面闡述就地化保護(hù)的優(yōu)越性，在整體方案基礎(chǔ)上分類介紹線路保護(hù)、母線保護(hù)、主變保護(hù)等子系統(tǒng)的設(shè)計方案，最后對即插即用就地化保護(hù)的發(fā)展提出展望。

就地化保護(hù)；即插即用；整體方案；線路保護(hù)；母線保護(hù)；主變保護(hù)

0 引言

為解決上述問題，亟需快速可靠、便于運(yùn)維的配電網(wǎng)繼電保護(hù)新技術(shù)，基于即插即用的就地化保護(hù)新技術(shù)為克服上述困難提供了有利途徑和技術(shù)支撐[3-5]。就地化保護(hù)采用電纜直接采樣直接跳閘，減少中間傳輸環(huán)節(jié)，提升保護(hù)速動性與可靠性，基于接口標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計并采用標(biāo)準(zhǔn)航空插頭插接，能夠?qū)崿F(xiàn)保護(hù)裝置的即插即用、工廠化預(yù)制、集中式調(diào)試、模塊化安裝和更換式檢修，提升工作質(zhì)量和效率，減少停電時間，實現(xiàn)繼電保護(hù)裝置小型化、集成化，減少設(shè)備類型及數(shù)量，降低整體設(shè)備缺陷率，與傳統(tǒng)保護(hù)相比具有一定優(yōu)越性，如表1所示。

1 即插即用就地化保護(hù)整站方案

即插即用就地化保護(hù)主要遵循使保護(hù)裝置簡單、二次回路簡單、裝置易維護(hù)的基本原則，充分利用智能站數(shù)據(jù)共享優(yōu)勢，簡化裝置開入和開出電纜，減少二次設(shè)備種類，提高裝置的通用性[6]。

就地化保護(hù)變電站二次系統(tǒng)由站控層、間隔層、過程層設(shè)備，以及網(wǎng)絡(luò)和安全防護(hù)設(shè)備組成。站控層設(shè)備包括監(jiān)控主機(jī)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、綜合應(yīng)用服務(wù)器、PMU數(shù)據(jù)集中器和電能量采集終端等；間隔層設(shè)備包括繼電保護(hù)裝置、就地化保護(hù)智能管理單元、站域保護(hù)裝置、故障錄波裝置、網(wǎng)絡(luò)記錄分析裝置、測控裝置及電能表等；過程層設(shè)備包括操作/智能組件等。就地化保護(hù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)比較如圖1所示，采用就地化保護(hù)的變電站整站設(shè)備數(shù)量有了明顯減少，配置得以優(yōu)化，220 kV變電站典型設(shè)計下整站設(shè)備數(shù)量對比如表2所示。

表1 就地化保護(hù)與傳統(tǒng)智能變電站保護(hù)對比

表2 220 kV變電站典型設(shè)計下整站設(shè)備數(shù)量對比

以220 kV變電站為例介紹全站二次系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示，全站二次設(shè)備采用分散加集中的設(shè)計理念，線路保護(hù)的電流、電壓采集以及斷路器位置和控制采用電纜直接接入?？玳g隔保護(hù)（母差、主變壓器）采用分布式設(shè)計，子機(jī)無防護(hù)就地化安裝，各保護(hù)子機(jī)互相獨立。子機(jī)電纜直接采樣，電纜直接跳閘，子機(jī)之間采用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約環(huán)網(wǎng)通信。

圖1 220 kV變電站全站就地化保護(hù)架構(gòu)

由于就地化保護(hù)取消了合并單元和智能終端，取消了過程層交換機(jī)和保護(hù)液晶面板，使得當(dāng)前智能站在遵循IEC 61850協(xié)議和保持“三層兩網(wǎng)”的基礎(chǔ)上得到了精簡和優(yōu)化。

特別指出雖然取消了保護(hù)液晶面板，但增加了保護(hù)智能管理單元，為就地化保護(hù)提供集中式界面和配置功能，相當(dāng)于就地化保護(hù)裝置的集中式液晶和配置工具。智能管理單元通過保護(hù)MMS專網(wǎng)獲取與就地化保護(hù)集中界面和配置管理相關(guān)的數(shù)據(jù)，支持對就地化保護(hù)信息的遠(yuǎn)程界面展示，并為支持更換式檢修提供一鍵式管理功能。同時，保護(hù)智能管理單元還具備對繼電保護(hù)設(shè)備的在線監(jiān)視和診斷功能，兼有對定值和故障信息的管理功能。

就地化保護(hù)近期方案采用SV+GOOSE共網(wǎng)共口、MMS網(wǎng)絡(luò)獨立配置方式，雙重化保護(hù)裝置和測控裝置分別接入SV+GOOSE網(wǎng)A和網(wǎng) B，保護(hù)裝置硬接點信號接入間隔測控中。遠(yuǎn)期方案采取SV，GOOSE，MMS三網(wǎng)合一，所有保護(hù)設(shè)備接入保護(hù)管理專網(wǎng)，再通過隔離裝置接入站控層網(wǎng)絡(luò)。

（三）教育資源全球化。云存儲技術(shù)的出現(xiàn)及網(wǎng)絡(luò)傳輸速度的大幅提升，使得全球的教育資源實現(xiàn)了互通互聯(lián)，為教育用戶提供資源共享。這就為學(xué)生的自主學(xué)習(xí)提供了可能，學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)進(jìn)度尋找適合的學(xué)習(xí)資源，實現(xiàn)自身的發(fā)展。

2 就地化保護(hù)子系統(tǒng)配置方案

2.1 線路保護(hù)

以220 kV采用常規(guī)互感器的變電站為例，介紹就地化線路保護(hù)的配置原則，配置方案如圖2所示。

圖2 220 k V變電站就地化線路保護(hù)配置方案

線路保護(hù)配置完整的主后備保護(hù)功能，2套保護(hù)相互獨立，采用模擬量電纜直接采樣，采用電纜直接跳閘，通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)發(fā)布本裝置的跳閘信號及其他狀態(tài)信號，通過GOOSE網(wǎng)訂閱其他保護(hù)或控制設(shè)備的相關(guān)信號，例如啟動失靈和閉鎖重合閘信號，通過電纜接入斷路器位置等信息[7]。

每回線路按間隔雙重化配置完整、獨立且能反映各種類型故障、具有選相功能的全線速動線路保護(hù)，同時完成站域等其他保護(hù)和控制設(shè)備對本間隔數(shù)據(jù)的獲取及對本間隔設(shè)備的控制。每回線路按間隔配置單套測控裝置，完成對本間隔相關(guān)一次設(shè)備及二次設(shè)備的測量監(jiān)視及控制。線路按間隔配置2套或1套操作插件（箱），完成對本間隔斷路器的跳合閘控制功能，安裝于本間隔就地控制柜中。

2.2 主變保護(hù)

變壓器各側(cè)接入的模擬量及跳閘開出量較多，集中式變壓器保護(hù)難以實現(xiàn)裝置就地化，同時不具備間隔屬性，就地化后安裝地點難以選擇，因此考慮配置變壓器保護(hù)子機(jī)，同時也可方便運(yùn)行及檢修，避免長電纜帶來的風(fēng)險。

分布式變壓器保護(hù)可采用3種方式：無主式環(huán)網(wǎng)方式、有主式環(huán)網(wǎng)方式和主后分體環(huán)網(wǎng)方式。

在無主環(huán)網(wǎng)方式配置方案中，變壓器高、中、低壓側(cè)配置相同的分布式子機(jī)，分布式子機(jī)就地采集本側(cè)的模擬量和開關(guān)量數(shù)據(jù)，并通過環(huán)網(wǎng)與其它側(cè)子機(jī)共享數(shù)據(jù)，每個子機(jī)配置相同的主后一體保護(hù)功能，保護(hù)動作時僅跳本側(cè)開關(guān)。

在有主式環(huán)網(wǎng)分布式方式配置方案中，變壓器高、中、低壓側(cè)配置相同的分布式子機(jī)，子機(jī)僅執(zhí)行就地采集及跳閘出口功能，不運(yùn)行保護(hù)邏輯。單獨配置1臺主機(jī)，主機(jī)通過環(huán)網(wǎng)接收各子機(jī)的模擬量及開入量數(shù)據(jù)，經(jīng)邏輯運(yùn)算后，如果保護(hù)動作則向子機(jī)發(fā)送跳閘指令，由子機(jī)電纜直接跳閘。

在主后分體環(huán)網(wǎng)分布式方式配置方案中，變壓器高、中、低各側(cè)配置相應(yīng)的分布式后備保護(hù)子機(jī)，各子機(jī)就地采集本側(cè)的模擬量和開關(guān)量，并通過環(huán)網(wǎng)將模擬量發(fā)送至差動保護(hù)子機(jī)。各側(cè)后備保護(hù)子機(jī)獨立運(yùn)行保護(hù)邏輯，當(dāng)后備保護(hù)動作時，如果需要跳本側(cè)開關(guān)，則直接電纜跳閘，如果需要跳其它側(cè)開關(guān)，則向相應(yīng)的子機(jī)發(fā)送跳閘指令。差動保護(hù)子機(jī)動作后向各側(cè)子機(jī)發(fā)送跳閘指令。

有主式環(huán)網(wǎng)方案與目前集中式智能變電站保護(hù)裝置加合智一體裝置的模式基本相同，僅網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。方案結(jié)構(gòu)清晰，實現(xiàn)相對簡單，調(diào)試和維護(hù)方便，同時與國網(wǎng)六統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范變壓器保護(hù)裝置主后一體化的要求相吻合[8]，因此分布式變壓器保護(hù)裝置優(yōu)先考慮有主式方案，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 220 k V就地化變壓器保護(hù)配置方案

特別指出在有主式環(huán)網(wǎng)就地化變壓器保護(hù)中，主機(jī)通過環(huán)網(wǎng)接收采樣數(shù)據(jù)和開關(guān)量，進(jìn)行邏輯運(yùn)算。運(yùn)算結(jié)果通過HSR環(huán)網(wǎng)發(fā)給子機(jī)，跨間隔開關(guān)量通過GOOSE網(wǎng)收發(fā)。子機(jī)采集模擬量后和開關(guān)量通過HSR環(huán)網(wǎng)發(fā)送給主機(jī)，并接收主機(jī)的開關(guān)量信號用于出口。HSR網(wǎng)絡(luò)的引入，實現(xiàn)了跨間隔保護(hù)的間隔化，可以保護(hù)各單元間的可靠高效通信。

另外，主變保護(hù)主機(jī)和子機(jī)具備SV和GOOSE過程層共口輸出功能，供站域等其他保護(hù)使用，并同其他保護(hù)的交互采用GOOSE組網(wǎng)方式完成，主機(jī)和子機(jī)配置對時接口支持IRIG-B碼對時，實現(xiàn)站域等其他保護(hù)的同步采樣。

2.3 母差保護(hù)

就地化母線保護(hù)按照常規(guī)互感器接入方式設(shè)計，電纜直接采樣、電纜直接跳閘，母線保護(hù)采用積木式設(shè)計，由一個基礎(chǔ)保護(hù)系統(tǒng)和若干個擴(kuò)展保護(hù)系統(tǒng)構(gòu)成，以基礎(chǔ)保護(hù)系統(tǒng)為中心按星型或環(huán)形拓?fù)溥B接。以220 kV出線8個間隔為例，基礎(chǔ)保護(hù)系統(tǒng)和擴(kuò)展保護(hù)系統(tǒng)能夠靈活接入8個間隔，基礎(chǔ)保護(hù)系統(tǒng)負(fù)責(zé)8個間隔的模擬量和開關(guān)量的采集和對應(yīng)間隔的分相跳閘出口，并完成保護(hù)邏輯功能、與智能管理單元接口功能、過程層網(wǎng)絡(luò)通信接口功能、站控層通信接口功能。擴(kuò)展保護(hù)系統(tǒng)負(fù)責(zé)8個間隔的模擬量和開關(guān)量采集以及對應(yīng)間隔的分相跳閘出口。

基礎(chǔ)保護(hù)系統(tǒng)和擴(kuò)展保護(hù)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(chǔ)保護(hù)系統(tǒng)和擴(kuò)展保護(hù)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(hù)使用，聯(lián)/閉鎖信息（失靈啟動、遠(yuǎn)跳閉重、失靈聯(lián)跳等）采用GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，如圖4所示。

在就地化保護(hù)方案中，目前對于母線保護(hù)的實施主要有2個方向，即采用星型網(wǎng)絡(luò)的有主模式母線和采用環(huán)型網(wǎng)絡(luò)的有主模式母線保護(hù)[9-10]。

星型網(wǎng)絡(luò)的有主模式母線保護(hù)由主站和間隔單元共同完成。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用點對點直聯(lián)方式，各子機(jī)通過點對點光纖連接至主機(jī)的點對點口，子機(jī)上送間隔信息，主機(jī)完成保護(hù)功能，并向子機(jī)發(fā)送出口信息，如圖5所示。

環(huán)型網(wǎng)絡(luò)有主模式的母線保護(hù)，各間隔子機(jī)之間通過環(huán)形通信網(wǎng)絡(luò)串接，接受其它所有間隔單元傳過來的信息并向其它所有間隔單元傳遞采集到的信息，主機(jī)利用環(huán)形網(wǎng)絡(luò)將這些信息處理完成母線保護(hù)功能。采用延時修正的同步方式，根據(jù)間隔之間路徑傳輸環(huán)節(jié)，補(bǔ)償延時，從而保證保護(hù)功能不依賴于外同步時鐘，如圖6所示。

2種結(jié)構(gòu)的比較如表3所示，經(jīng)過比較，雖然環(huán)型網(wǎng)絡(luò)的有主母線保護(hù)適應(yīng)于就地?zé)o防護(hù)安裝，但在現(xiàn)階段從成熟度和可靠性等角度考慮仍以采用星形網(wǎng)絡(luò)為宜，待條件成熟后，母差保護(hù)可由就地化改成站域保護(hù)實現(xiàn)。

3 結(jié)語

就地化保護(hù)通過貼近一次設(shè)備就地布置保護(hù)裝置，采用電纜直接采樣直接跳閘，減少中間傳輸環(huán)節(jié)，提升保護(hù)速動性與可靠性。發(fā)展就地化保護(hù)新技術(shù)，可以推進(jìn)二次設(shè)備的集約化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，極大簡化繼電保護(hù)運(yùn)維檢修工作，使我國在繼電保護(hù)技術(shù)上、產(chǎn)品上和市場上占領(lǐng)制高點并保持領(lǐng)先地位[11-14]。

圖4 基礎(chǔ)保護(hù)系統(tǒng)與擴(kuò)展保護(hù)系統(tǒng)連接

圖5 220 kV星型網(wǎng)絡(luò)的有主母線就地化保護(hù)網(wǎng)絡(luò)

圖6 220 k V環(huán)型網(wǎng)絡(luò)的有主母線就地化保護(hù)網(wǎng)絡(luò)

表3 分布式母線保護(hù)就地化實施方案比較

就地化保護(hù)也帶來了調(diào)試及運(yùn)維方式的變革。就地化二次設(shè)備現(xiàn)場調(diào)試或檢修需面臨戶外嚴(yán)苛的自然環(huán)境，就地化二次設(shè)備無液晶設(shè)計，裝置運(yùn)行狀態(tài)需通過保護(hù)管理單元集中查閱，而現(xiàn)場運(yùn)行人員老齡化嚴(yán)重，新的應(yīng)用模式下，就地化保護(hù)管理單元與后臺監(jiān)控功能定位要有明確的定位界限，避免工作和信息采集的重復(fù)性。

另外，在采用航空插拔后如何避免二次電流互感器回路開路、二次電壓互感器回路短路等問題，在更換后如何確保更換的正確性，需做哪些必要的試驗驗證，以及航插標(biāo)準(zhǔn)化的問題，都是大規(guī)模推廣就地化保護(hù)亟待解決的問題。

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2017-04-26

柯人觀（1988），男，工程師，研究方向為繼電保護(hù)與控制。

（本文編輯：徐 晗）

Study on a Local Protection Technology of Plug-and-Play

KE Renguan， YANG Tao， QI Xuanwei
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute， Hangzhou 310014， China）

Based on the existing problems of current intelligent substations，a local protection technology of plug-and-play is introduced，and an overall substation design scheme based on a local protection technology of plug-and-play is studied.By comparison of equipment number and action performance，the advantages of local protection are expounded;besides， design schemes for line protection， bus protection and main transformer protection are respectively introduced.In the final，the paper forecasts the development of the local protection technology of plug-and-play.

local protection； plug-and-play； overall scheme； line protection； bus protection； main transformer protection

10.19585/j.zjdl.201710003

1007-1881（2017）10-0011-06

TM773

B