220kV智能變電站改造升級設計方案優(yōu)化研究

劉杰

摘要：由于早期試點建設的220kV智能變電站存在的不同層次的問題，如何制定在運變電站相關設備的升級改造方案并對其進行優(yōu)化研究也就顯得特別重要。本文從不同角度分析了擬改造的在運220kV智能變電站的存在的問題，闡述了220kV智能變電站升級改造方案中應側重解決的問題，研究了優(yōu)化升級改造方案的方法。

關鍵詞：智能變電站;改造升級;設計方案;優(yōu)化研究

引言

智能變電站二次設備相關技術發(fā)展至今，一直都處在探索實踐過程中。從十多年前的試點建設、到近5年的逐步推廣應用，兩大電網(wǎng)公司都進行了多輪次的技術更新和迭代。智能化二次設備、智能化變電站相關的技術標準、設備采購規(guī)范及運維管理制度也都在發(fā)展中逐步形成、完善。遵照電網(wǎng)二次設備使用壽命不超過12年的標準及最新下發(fā)的反事故措施，在運的220kV智能變電站面臨改造升級的迫切需要，如何改造升級使之能滿足當前的最新裝備技術導則和運行維護管理要求也就顯得至關重要。

由于采用智能化二次設備的變電站在二次設備配置、網(wǎng)絡通信和運行維護組織結構上與采用常規(guī)二次設備的變電站有很大的不同，使得其繼電保護系統(tǒng)、計算機監(jiān)控系統(tǒng)與常規(guī)變電站的相比在信息交互和協(xié)同控制上有明顯優(yōu)勢，但亦存在著一些亟待解決的問題。因此，在進行升級改造設計方案優(yōu)化研究時就必須圍繞其存著的可能造成一級電網(wǎng)事故的較嚴重問題展開。

1 220kV智能變電站的現(xiàn)狀

由于220kV變電站作為中間樞紐對電網(wǎng)的運行起著決定性作用，進行智能化試點建設的意義尤為突出。早期的智能化變電站由于技術實現(xiàn)路線、智能化二次設備性能和相關配套的一次設備參數(shù)等都沒有統(tǒng)一要求和規(guī)范可循，使得已投運變電站的智能化技術方案五花八門。早期試點建設的220kV智能變電站時各類技術方案涌現(xiàn)，對各種技術的認識不深刻，對各種技術路線及其產(chǎn)品穩(wěn)定性、可靠性鑒定評價不全面，使得不少220kV變電站智能化系統(tǒng)在設計、制造及運行管理維護上都存在著一些先天的、固有的技術缺陷。

2.在運220kV智能變電站技術方案存在問題及原因分析

試點建設當時相關設備制造標準、配置水平參差不齊，進而也增加了保護拒動或誤動的風險，可能影響或危及電網(wǎng)的可靠安全穩(wěn)定運行。此處主要針對時鐘同步、網(wǎng)絡結構、過程層網(wǎng)絡數(shù)據(jù)交互三個方面對在運220kV智能變電站存在的技術問題進行分析并提出解決措施。

2.1.外部同步時鐘影響保護功能

外部同步時鐘對保護功能的影響主要體現(xiàn)在以下三方面：

（1）在SV組網(wǎng)采樣方式下，過程層交換機轉發(fā)延時不可測，電流、電壓采樣同步對變電站同步時鐘依賴度高，可能引起保護誤動、拒動。時間失步后果表現(xiàn)為合并單元失步后輸出SV采樣報文同步標志位置無效，所有依賴采樣同步的保護功能都將閉鎖，可能引起保護拒動;當守時源失去衛(wèi)星信號，守時后衛(wèi)星信號恢復時，輸出的秒脈沖發(fā)生突變，合并單元感受不到時鐘信號的變化，產(chǎn)生假同步狀態(tài)，導致保護誤動的風險。原因分析：（1） 時鐘同步裝置異常導致合并單元同步標志位置無效，引起保護拒動。（2）守時源失去衛(wèi)星信號，守時后衛(wèi)星信號恢復時的假同步，可能導致保護誤動。

（2）外部同步時鐘異常后如合并單元和保護裝置處理機制不合理，可能導致保護誤動。原因分析：時鐘設備接收衛(wèi)星信號從無到有導致輸出秒脈沖發(fā)生突變，如A廠家MU檢測收到主時鐘衛(wèi)星信號有效性用時2秒，主時鐘跳變后完成同步調整用時3秒;而B廠家MU檢測收到主時鐘衛(wèi)星信號有效性用時3秒，主時鐘跳變后完成同步調整用時4秒。在主鐘跳變后的第4秒A廠家MU輸出數(shù)據(jù)的樣本計數(shù)器已與衛(wèi)星時鐘信號一致，而B廠家MU仍按跳變前原主時鐘信號提供樣本計數(shù)器，導致假同步問題。

（3）周數(shù)翻轉引起部分型號時鐘同步裝置出現(xiàn)異常，可能導致保護誤動和拒動。原因分析：GPS廣播電文周數(shù)翻轉是由于GPS系統(tǒng)設計的時間周計數(shù)數(shù)據(jù)字段長度為10位，1024周為一個時間周期。第一次GPS周計數(shù)翻轉發(fā)生在1999年8月22日，該事件周期約為19.5年/次。第二次發(fā)生在2019年4月6日至7日凌晨（北京時間4月7日7：59：42 am）。我國具有自主知識產(chǎn)權的北斗系統(tǒng)（BDS）的周計數(shù)器數(shù)據(jù)字段長度為13位，相應翻轉周期為8192周約157年，短時間內(nèi)不存在問題。GPS周計數(shù)翻轉為0并重新開始計數(shù)，可能導致部分廠家GPS時鐘同步裝置工作異常，輸出時間錯誤等問題的發(fā)生。由于周數(shù)翻轉輸出的秒脈沖出現(xiàn)異?；蛱儠r，合并單元和保護裝置可能接入不同時鐘擴展裝置的信號，保護需對合并單元數(shù)據(jù)同步品質及本裝置接入時鐘信號品質做綜合處理，如處理不當，可能存在導致誤動或短時閉鎖的風險。

2.2過程層網(wǎng)絡架構存在缺陷

（1）單網(wǎng)模式下，通信鏈路異常導致GOOSE鏈路中斷可能造成保護拒動。斷鏈后果主要表現(xiàn)在智能化保護、測控或安全自動裝置能夠給出斷鏈告警提示，但存在拒動風險。原因分析：單網(wǎng)鏈路無冗余，鏈路上任一環(huán)節(jié)（交換機、光纖、收發(fā)光口等）出問題均會導致該鏈路通信異常，如果GOOSE鏈路中斷，可能影響保護功能。

（2） 雙網(wǎng)不獨立時，如果出現(xiàn)環(huán)網(wǎng)并引起網(wǎng)絡風暴，可能造成雙套保護拒動;同一裝置接入A網(wǎng)和B網(wǎng)，該裝置異常會同時影響兩個過程層網(wǎng)絡，可能造成雙網(wǎng)保護拒動。雙網(wǎng)不獨立組網(wǎng)后果表現(xiàn)為共享網(wǎng)絡時，如果出現(xiàn)環(huán)網(wǎng)并引起網(wǎng)絡風暴，可能造成雙套保護拒動。原因分析：雙網(wǎng)不獨立組網(wǎng)共享網(wǎng)絡時，如果出現(xiàn)環(huán)網(wǎng)并引起網(wǎng)絡風暴，可能造成雙套保護拒動。同時，不滿足《GB/T 51072-2014 110（66）kV～220kV智能變電站設計規(guī)范》要求：“5.1.3 雙重化配置的繼電保護及安全自動裝置的輸入、輸出、網(wǎng)絡及供電電源等各環(huán)節(jié)應完全獨立”。

2.3過程層數(shù)據(jù)交互存在隱患

早期智能化站建設時國內(nèi)相關技術不成熟，設備軟硬件入網(wǎng)前未進行充分檢測，過程層數(shù)據(jù)交互邏輯可能存在以下幾種隱患。

（1）異常幀處理不當，可能導致保護拒動。數(shù)據(jù)交互存在隱患的后果表現(xiàn)為遭受網(wǎng)絡攻擊或數(shù)據(jù)幀異常時，GOOSE鏈路中斷，可能導致保護拒動。表現(xiàn)現(xiàn)象為部分廠家保護設備在接收到GOOSE畸形包時（如幀過長等不滿足以太網(wǎng)標準協(xié)議的報文）后，鏈路中斷，裝置面板運行燈滅，裝置停止發(fā)送心跳報文，此時保護功能喪失約55秒后，GOOSE服務自動重啟、保護裝置恢復正常。

（2）保護裝置存在誤判過程層GOOSE或SV鏈路斷鏈，導致保護拒動。表現(xiàn)現(xiàn)象為設備廠家為了提高保護的過程層報文處理能力和對異常報文的抵御能力，網(wǎng)絡報文的允許接收白名單在FPGA內(nèi)部以RAM的形式存儲。FPGA內(nèi)部的邏輯非同步操作存在修改白名單的可能，使得正常的報文不在白名單內(nèi)，從而被誤判丟棄，導致鏈路中斷。如果該鏈路為SV鏈路將閉鎖保護;如果該鏈路為GOOSE鏈路可能影響保護功能。

3.升級改造設計方案的優(yōu)化研究

采取以下措施對在運220kV智能變電站升級改造設計方案進行優(yōu)化。

（1）針對外部同步時鐘影響保護功能的解決措施：整體或局部更換運行異常設備，按最新設備選型及采購標準補齊不同時期投運設備的差異：若改造前頻報對時異常且時鐘同步裝置的確實存在問題，則一并更換為雙時基雙套配置的時鐘同步裝置;若改造前的合并單元存在時間同步功能不滿足要求，按照電網(wǎng)風險等級逐步或整體更換合并單元及其相關采集裝置（如有）。

（2）針對過程層網(wǎng)絡架構存在缺陷的解決措施為若存在因網(wǎng)絡構架導致電網(wǎng)一級事件及以上事故（事件）風險時，過程層應改為雙網(wǎng)模式且選擇經(jīng)過入網(wǎng)測試合格版本的網(wǎng)絡設備。

（3）針對過程層數(shù)據(jù)交互存在隱患的解決措施為若存在導致電網(wǎng)一級事件及以上事故（事件）風險的風險時，除將過程層網(wǎng)絡改成冗余雙網(wǎng)外還應更換相關設備的CPU插件或刷新其內(nèi)部程序版本為入網(wǎng)測試合格版本。

4結語

220kV智能變電站的升級改造是否達標受到多方面因素的影響，除通過項目立項、初步設計、施工圖設計各階段的設計審查控制外還應加強對保護裝置、計算機監(jiān)控系統(tǒng)裝置、過程層網(wǎng)絡設備的入網(wǎng)測試、出廠驗收及硬件型號、軟件版本管控和升級改造完成后的各施工階段的并網(wǎng)驗收管理。

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