數(shù)字化水電站開關(guān)設(shè)備解決方案研究

李燕云，古樹平，張 宏

（1.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明，650051；2.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明，650214）

高低壓開關(guān)設(shè)備是水電站內(nèi)重要的一次設(shè)備，包括發(fā)電機(jī)斷路器、廠用電斷路器、開關(guān)站斷路器及刀閘、主變中性點(diǎn)刀閘等，均設(shè)置了操作機(jī)構(gòu)箱、匯控柜或?yàn)殚_關(guān)柜形式，以開關(guān)量形式通過電纜接收現(xiàn)地控制單元LCU、保護(hù)屏等的分/合閘命令，并以開關(guān)量形式通過電纜控制分/合閘線圈，同時以開關(guān)量形式通過電纜上傳開關(guān)位置、故障信號等給計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)等。隨著水電站二次系統(tǒng)的發(fā)展，一次開關(guān)設(shè)備傳統(tǒng)的操作與控制逐漸顯現(xiàn)出局限性，存在二次接線復(fù)雜、信息重復(fù)采集、電纜較多、電磁干擾大等問題，數(shù)字化程度較低。數(shù)字化水電站開關(guān)設(shè)備的解決方案，可借鑒智能變電站、數(shù)字化變電站的成功經(jīng)驗(yàn)，采用智能終端+GOOSE網(wǎng)絡(luò)的方式實(shí)現(xiàn)開關(guān)設(shè)備的數(shù)字化，從而提升自動化水平。所以，根據(jù)水電站電氣系統(tǒng)的特點(diǎn)，對發(fā)變組、開關(guān)站、廠用電3大部分的一次開關(guān)設(shè)備數(shù)字化解決方案進(jìn)行分析、研究具有重要意義。

1 GOOSE、智能終端原理及特點(diǎn)

GOOSE是一種面向通用對象的變電站事件。主要用于實(shí)現(xiàn)在多智能電子設(shè)備（IED）間的信息傳遞，包括傳輸跳/合閘信號（命令），具有高傳輸成功率。模擬量、開關(guān)量、溫度量等均采用GOOSE報(bào)文傳輸。

智能終端是一種智能裝置，可實(shí)現(xiàn)對一次設(shè)備的數(shù)字化操作及控制等功能。智能終端是基于傳統(tǒng)操作箱的原理，包含分合閘回路、合后監(jiān)視、重合閘、操作電源監(jiān)視和控制回路斷線監(jiān)視等功能；同時智能終端具有信息轉(zhuǎn)換和通信功能，采用先進(jìn)的GOOSE網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠滿足過程層數(shù)字化的智能電子設(shè)備。它由主CPU、通信、輸入、輸出和人機(jī)交互等模塊組成，不僅能完成斷路器的操作功能，還能完成隔離刀閘、接地刀閘的分合及閉鎖操作，并就地采集開關(guān)的狀態(tài)量。智能終端同時連接一次開關(guān)設(shè)備和二次裝置，與開關(guān)設(shè)備采用電纜連接，與保護(hù)測控裝置采用光纖連接，實(shí)現(xiàn)對開關(guān)設(shè)備的測量、控制等功能。其原理如圖1所示。

圖1 智能終端工作示意圖

智能終端+GOOSE的運(yùn)用簡化了現(xiàn)場二次回路接線，大大減少了電纜的使用；遠(yuǎn)距離傳輸采用光纖方式，信號抗干擾能力大大增強(qiáng)，增強(qiáng)了二次設(shè)備運(yùn)行的安全可靠性；采用軟件邏輯取代傳統(tǒng)操作箱中復(fù)雜的繼電器回路，邏輯清晰并減少了直流接地、交流竄入直流等二次回路問題，給調(diào)試維護(hù)帶來便利。此外，對于戶外開關(guān)站還可縮小電纜溝尺寸、節(jié)約土地資源。

目前智能終端已是成熟產(chǎn)品，在工程中有大量的應(yīng)用。水電站與變電站在電氣系統(tǒng)上具有很多相似之處，智能終端完全可推廣至數(shù)字化水電站。對于戶外開關(guān)設(shè)備，智能終端可分散布置在開關(guān)設(shè)備操作箱附近；對于戶內(nèi)GIS開關(guān)設(shè)備，智能終端根據(jù)實(shí)際情況可與匯控柜組屏，也可與合并單元、保護(hù)、測控裝置、監(jiān)測裝置組成智能控制屏。智能控制屏一般安裝于GIS匯控柜旁。

2 各電壓等級開關(guān)設(shè)備數(shù)字化解決方案

借鑒數(shù)字化變電站的成熟經(jīng)驗(yàn)，數(shù)字化水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)也采用3層2網(wǎng)結(jié)構(gòu)：3層指站控層、單元層和過程層，2網(wǎng)指站控層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò)；單元層與站控層設(shè)備的通信通過站控層網(wǎng)絡(luò)（MMS網(wǎng)）實(shí)現(xiàn)，與過程層設(shè)備的通信通過過程層網(wǎng)絡(luò)（GOOSE網(wǎng)、SV網(wǎng)）實(shí)現(xiàn)。根據(jù)不同的受控對象，GOOSE網(wǎng)和SV網(wǎng)也劃分為不同網(wǎng)段：各機(jī)組 GOOSE（SV）網(wǎng)、開關(guān)站 GOOSE（SV）網(wǎng)，各網(wǎng)段之間相互獨(dú)立。廠用電范圍不設(shè)置單獨(dú)的過程層GOOSE、SV網(wǎng)絡(luò)，與監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換由站控層MMS網(wǎng)完成。

根據(jù)水電站電氣系統(tǒng)的特點(diǎn)，分別對發(fā)變組、開關(guān)站、廠用電3大部分一次開關(guān)設(shè)備數(shù)字化的解決方案進(jìn)行研究。方案圖中的保護(hù)裝置、GOOSE網(wǎng)均按單套、單網(wǎng)示意，實(shí)際工程中雙重化保護(hù)需配置雙套的智能終端及GOOSE雙網(wǎng)。

2.1 發(fā)變組部分

發(fā)電機(jī)出口為高壓開關(guān)柜，智能終端根據(jù)開關(guān)安裝形式和保護(hù)裝置的需求配置。當(dāng)發(fā)電機(jī)保護(hù)或主變保護(hù)等為雙重化配置時，發(fā)電機(jī)出口斷路器的智能終端也需按雙重化配置，2套保護(hù)分別對應(yīng)獨(dú)立的智能終端，2個獨(dú)立的智能終端分別對應(yīng)兩組不同的跳閘線圈。主變中性點(diǎn)設(shè)有接地開關(guān)時，單獨(dú)配置1套主變本體智能終端，完成接地開關(guān)的信息采集、操作和控制；另外，主變本體智能終端同時還具有非電量信息采集及保護(hù)功能。

如圖2所示，發(fā)變組的開關(guān)設(shè)備通過電纜將信息送至智能終端，智能終端及各IED通過光纖與機(jī)組GOOSE網(wǎng)連接，所有數(shù)據(jù)遵循“發(fā)送網(wǎng)絡(luò)、誰用誰取”的原則，各保護(hù)、監(jiān)控、勵磁及調(diào)速等智能裝置所需要的開關(guān)設(shè)備信息均取自GOOSE網(wǎng)，同時通過GOOSE網(wǎng)下發(fā)控制命令，智能終端接收后通過硬接線執(zhí)行操作。需要注意的是，主變高壓側(cè)斷路器由于同時與機(jī)組和開關(guān)站的保護(hù)等智能裝置存在聯(lián)系，因此其配套的智能終端需同時與機(jī)組和開關(guān)站的GOOSE網(wǎng)通信。

圖2 發(fā)變組開關(guān)設(shè)備通信示意圖

發(fā)變組的智能終端可安裝在開關(guān)柜內(nèi)，如果安裝有困難，也可與其他智能裝置（如合并單元）組成智能控制屏后布置在開關(guān)柜旁；主變本體智能終端可布置于主變本體旁的智能控制屏內(nèi)。

2.2 開關(guān)站部分

水電站開關(guān)站的電氣結(jié)構(gòu)與變電站基本一致，一次開關(guān)設(shè)備的數(shù)字化方案可參照智能變電站、數(shù)字化變電站的實(shí)現(xiàn)模式。

220 kV及以上電壓等級開關(guān)站設(shè)備主保護(hù)為雙重化配置，智能終端需按雙重化配置，每1套智能終端接入1套保護(hù)裝置，兩套保護(hù)裝置的開關(guān)量采樣均來自于獨(dú)立的兩套智能終端。110 kV電壓等級開關(guān)站和220 kV及以上電壓等級開關(guān)站區(qū)別在于110 kV一般保護(hù)裝置不需雙套配置，故智能終端單套配置即可。

根據(jù)高壓開關(guān)設(shè)備的配置方式分為戶外AIS開關(guān)設(shè)備和室內(nèi)GIS開關(guān)設(shè)備，智能終端的實(shí)現(xiàn)方式也存在區(qū)別。對于戶外AIS開關(guān)設(shè)備，智能終端可單獨(dú)下放到戶外，安裝在一次設(shè)備旁的智能控制柜內(nèi)，通過開關(guān)站GOOSE網(wǎng)與保護(hù)室內(nèi)的保護(hù)和測控裝置進(jìn)行通信。對于室內(nèi)GIS開關(guān)設(shè)備，智能終端可與保護(hù)、測控裝置一起組成智能控制柜，安裝在GIS開關(guān)設(shè)備旁，同樣通過開關(guān)站GOOSE網(wǎng)與保護(hù)、測控裝置進(jìn)行通信。

以較典型的雙母線和3/2接線的開關(guān)站為例說明高壓開關(guān)站智能終端的配置及應(yīng)用，詳見圖3、4。

圖3 數(shù)字化水電站開關(guān)站開關(guān)設(shè)備二次接口示意圖（雙母線接線）

圖4 數(shù)字化水電站開關(guān)站開關(guān)設(shè)備二次接口示意圖（3/2接線）

圖3、4所示智能終端及GOOSE網(wǎng)絡(luò)方案，智能終端通過GOOSE網(wǎng)與測控裝置、保護(hù)裝置完成信息交互，執(zhí)行分合閘操作并反饋狀態(tài)信息。智能終端與一次開關(guān)設(shè)備（匯控柜）仍然采用電纜連接，與單元層設(shè)備采用光纖通信。

此外，對于主變高壓側(cè)斷路器位置信息，通過智能終端同時送至開關(guān)站GOOSE網(wǎng)和機(jī)組GOOSE網(wǎng)，以供開關(guān)站IED和機(jī)組LCU、勵磁、調(diào)速系統(tǒng)使用。

2.3 廠用電部分

水電站廠用電系統(tǒng)一般采用開關(guān)柜設(shè)備，保護(hù)測控裝置安裝于柜內(nèi)，互感器、斷路器等與保護(hù)測控裝置均在柜內(nèi)連接，開關(guān)設(shè)備信息經(jīng)保護(hù)測控裝置采集后上送站控層，同時接收站控層分合閘命令并控制斷路器分合閘線圈。斷路器等設(shè)備與保護(hù)測控裝置間電纜距離一般在2～3 m以內(nèi)，配置智能終端對于節(jié)省電纜方面的意義不大。

目前已有集成保護(hù)、測控、智能終端及合并單元功能于一體的4合1裝置在智能變電站、數(shù)字化變電站大量應(yīng)用，此裝置同樣也適合在水電站中使用。總的來說，實(shí)現(xiàn)廠用電開關(guān)的數(shù)字化非常容易。

3 結(jié)束語

通過對數(shù)字化水電站一次開關(guān)設(shè)備的數(shù)字化解決方案進(jìn)行研究分析，可以看出開關(guān)設(shè)備的數(shù)字化不存在技術(shù)障礙，針對水電站的自身特點(diǎn)和數(shù)字化需求可以尋求適合的解決方案。

采用智能終端+GOOSE網(wǎng)絡(luò)的解決方案，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)設(shè)備信息的就地采集、開關(guān)設(shè)備信息的網(wǎng)絡(luò)共享、開關(guān)設(shè)備的數(shù)字化保護(hù)與控制，相比傳統(tǒng)二次系統(tǒng)優(yōu)勢顯著，提高了水電站自動化水平，是水電站數(shù)字化的發(fā)展方向。