常規站智能化改造中的母線保護方案研究

呂 航 ，劉國河 ，鮑凱鵬 ，王風光 ，李 力

(1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；2.遼寧省電力公司營口供電公司，遼寧 營口 115000)

IEC 61850系列標準的頒布與推廣應用為智能變電站的發展奠定了基礎。目前，隨著智能電網建設的推進，國內智能變電站的建設已由理論研究階段走向工程實踐階段。智能變電站技術是變電站自動化技術發展中具有里程碑意義的一次變革，對變電站自動化系統的各方面將產生深遠的影響。智能變電站內的信息數字化，信息傳遞實現網絡化，通信模型達到標準化，各種設備和功能可以共享統一的信息平臺，這使得智能變電站在系統可靠性、經濟性、維護簡便性方面均比常規變電站有大幅度提升，必然會成為未來變電站發展的趨勢[1]。

變電站改造工程與新建、擴建工程最大的區別就是變電站內的運行設備只能按間隔停運，跨間隔設備不能長時間退出。因此，如何在不影響運行設備的前提下將新設備接入是改造工程的難點所在[2]。這也是常規站智能改造工作必須解決的問題，目前國內已針對常規站智能化改造做了系統的分析[3-7]，并已有數個常規變電站完成了智能化改造[8-12]。

1 過程層數字化改造方案

過程層數字化包含模擬采樣數據的數字化和網絡傳輸、通過GOOSE網絡傳輸過程層的I/O、通過GOOSE機制傳輸保護跳合閘命令和保護間的配合信號。通過過程層數字化可以實現變電站控制保護系統的分層安裝、I/O的分布安裝。

通過過程層信號的數字化、網絡化傳輸將大大減少傳統的信號電纜，降低了電纜的成本、管道面積，解決了信號電纜傳輸過程中受電磁干擾的問題，簡化了設計，減少了現場施工、調試的工作量。用網絡代替電纜，可以通過網絡報文實現信號傳輸回路的自檢，實現傳輸回路的狀態檢修，避免了傳統電纜回路接觸不可靠時無法自檢的缺點，將大大降低變電站的維護工作量和維護成本。所以過程層的數字化是智能化改造的一個要點，也正是過程層的數字化改造才將智能變電站的信息共享優勢充分體現出來，但因過程層的數字化直接影響到保護、測控等間隔層設備的采樣方式，在改造過程中如何在不影響運行設備的前提下將新設備接入是改造工程的主要難點所在。

電子式互感器因其相對于常規互感器具有絕緣簡單、體積小、重量輕，動態范圍寬、無磁飽和等優勢，在高電壓等級比常規互感器相比具有一定的經濟性，目前已在多個智能站投運或試運行，所以智能化改造中將常規互感器改造為電子式互感器是一次設備智能化改造中比較常見的一種改造模式。但在電子式互感器運行過程中也出現了一些問題，如電子式互感器故障率較高、易受外部干擾出現數據異常，出現過電子式互感器告警導致保護閉鎖，甚至出現數據錯誤引起保護誤動的情況。考慮到常規互感器在各電壓等級變電站已具有成熟的運行經驗，采用常規互感器，配以合并單元實現模擬量就地數字化轉換，利用光纖上傳，既提高了信號傳輸的抗干擾性和可靠性，又可減少互感器二次繞組配置數量，從而減小互感器體積，提高其可靠性。所以常規互感器加就地采樣的合并單元實現過程層采樣數字化是目前比較合理的一種解決方案，這種方式在智能化改造中保留了已有的常規互感器，大大節約了全站改造投資，全面提高了信號傳輸的抗干擾性和可靠性，也是目前非常常見的另一種改造模式。

對于開關設備的數字化改造，目前主要實現方式是就地安裝智能終端，實現開關設備與智能化二次設備間的數字化接口。

2 母線保護改造方案

常規站智能化改造一般沒有條件進行全站停電改造，所以變電站內的運行設備只能按間隔逐一停運并改造，而在改造過程中母線保護不宜長時間退出，尤其涉及到一次設備改造情況下，母線保護長時間退出運行更是不能接受的。

2.1 改造方案1

針對前文1中提到的第一種過程層數字化改造方案，即將常規互感器改造為電子式互感器的方案。因為涉及到一次互感器的更換，所以改造過程中必然存在常規互感器和電子式互感器共存的情況，所以必須研發同時具備模擬量及數字化接口的母線保護裝置。為了簡化這個問題，實際采用的方案是由全數字化接口母線保護加常規互感器及一次開關的數字接口設備（專用母差子站）實現同時具備模擬量及數字化接口的母線保護裝置[13，14]。

母差保護子站裝置的作用是將各支路的模擬電流、電壓量以及其他硬接點開關量轉變成符合61850SV傳輸協議數字量，再接入數字化母差保護。現場實施步驟如下：

（1）完成數字化接口母差保護柜及母差保護子站柜之間的接線，數字化接口母差保護各支路與子站裝置各支路用光纖尾纖一一對應接線。

（2）退出運行中的傳統母差保護，并逐一將各間隔的電流、電壓、刀閘輔助接點、失靈啟動接點等回路轉接入母差保護子站裝置。帶負荷測試數字化接口母差保護，測試結果合格后將數字化母差保護及子站裝置投入運行。此時舊的傳統母差保護不再投入運行，如圖1所示。

圖1 數字化母差保護的接入（方案1）

改造任一支路時都要短時退出數字化母差保護，完成接入本支路尾纖、拆除子站裝置本支路傳統電流（或電壓）回路的工作。新接入的支路帶電運行以后，測試數字化母差保護是否正常，測試結果合格后即可以重新投入數字化母差保護，改造過程中母差也能夠投入，直至改造間隔帶電。此時的子站裝置中該支路所對應的硬件輸入回路不再投入運行，如圖2所示。

圖2 改造后間隔的接入（方案1）

（3）重復步驟2直到全部支路間隔更換了電子式互感器，數字化母差保護的更換就完成了，如圖3所示。

圖3 改造完成（方案1）

采用此方案，考慮到改造過程中保護屏位的限制，為縮小設備尺寸，多是將數個間隔的模擬量及開關量采樣集成在一臺母線保護子站完成。各母差子站的開入量可以通過GOOSE網絡傳輸給母差主站，也可通過專用光纖由私有規約傳輸給母差主站。這種方案主要的優點是全數字化接口母線保護和母差子站實現了同時具備模擬量及數字化接口的母線保護裝置，可以滿足常規互感器和電子式互感器共存的情況。此方案主要問題是改造初期工作量大，需要配置專門的母差子站，改造完成后子站退出運行，設備投資較大。

2.2 改造方案2

針對前文1中提到的第二種過程層數字化改造方案，即采用常規互感器加就地采樣的合并單元實現過程層采樣數字化。這種方式下由于常規互感器不被改造，所以在改造過程中可以保證常規母差保護繼續運行，但因為常規母差保護不具備過程層數字化接口，故要求改造間隔的保護及智能終端保留與常規母差保護的開入、開出接口。現場實施的步驟如下：

（1）常規母線保護在改造全過程中投入運行。

（2）進行某間隔數字化改造時，首先將改造間隔的合并單元及智能終端接入，同時將本間隔線路或主變保護及過程層全數字化接口母線保護接入過程層。如圖4所示（圖中實線為電纜，虛線為光纖）。

圖4 改造間隔的接入（方案2）

并將改造間隔保護的啟動失靈接點接至常規母線保護的啟動失靈開入，將常規母線保護的跳閘接點接至智能終端的常規跳閘接點接口。帶負荷完成新間隔保護及數字化接口母差保護測試。由于此時數字化接口母差保護尚未接入主接線全部間隔，無法投入正常運行，此時母線保護功能由常規母線保護完成。

（3）重復步驟2直至全部間隔改造完畢，且全部間隔都已接入數字化接口母差保護，可投入正常運行。此時投入數字化接口母差保護，退出常規母線保護，拆除過渡過程中臨時電纜，完成改造過程。

此方案的主要優點是常規母線保護在改造過程中始終處于運行狀態，無需投入額外設備，改造投資較小。存在的問題是一方面適應性較差，只能應用于常規互感器不改造的工程，另一方面要求新設備具備常規開入開出接口，且為保證常規母線保護的正常運行，需鋪設臨時電纜完成新間隔的跳閘及失靈啟動等。

2.3 改造方案3

上述2個方案分別采用數字化接口母線保護和常規母線保護實現改造全過程中的母線保護功能，為保證全程中新（老）母線保護所有間隔都具備了相應的數字化（常規）接口，付出的代價較大，而且方案實施存在一定的限制條件。

綜合方案1、方案2且提出第3種改造方案：對于最常見的雙母主接線方式，在改造過程中增加對運行方式的限制，將改造后間隔限制在一條母線，未改造間隔限制在另一條母線。數字化接口母線保護用于保護連接改造后間隔的母線，而常規母線保護用于保護連接未改造間隔的母線，如圖5所示（圖中實線為電纜，虛線為光纖）。

圖5 改造方案3

因為數字化接口母線保護只需要與改造后間隔接口，無需為未改造間隔提供數字化接口；而常規母線保護只需要與未改造間隔接口，改造后間隔的保護、智能終端等設備無需提供常規接口，也無需鋪設臨時電纜。所以相比方案1、方案2，此方案投資及工作量都最小。但如果在改造過程中無法保證母聯開關處于分位，母聯電流必須同時接入新老兩套母線保護（對于互感器需要改造的工程，建議母聯間隔最后改造，改造期間可通過模擬采樣合并單元為數字化接口母線保護提供數字化接口），且兩套保護都必須做相應處理，使得母聯電流同時計入大差及相應母線的小差以保證差動計算的正確性。為此應對數字化接口母差提出母聯帶路功能的要求，在改造過程的運行方式下，只需投入母聯帶路功能即可保證差動平衡；對于常規母線保護，如果不具備母聯帶路功能，可臨時將母聯接入備用間隔以保證差動計算平衡。

方案3主要優點是改造過程無需額外設備及鋪設臨時電纜，投資及工作量小，可以滿足常規互感器和電子式互感器共存的情況。實施此方案的主要限制是對主接線要求至少有2條母線，而且對改造過程中的運行方式有較嚴格的要求，即分別將改造后間隔和未改造間隔分別限制在2條母線上 （不允許進行倒閘操作）。如無法保證在改造期間母聯或分段開關始終處于分位，新老母差保護需做相應處理以保證差動計算平衡。3種方案的特點如表1所示。

表1 3種方案的特點

3 結束語

綜上所述，如果能保證改造期間分別將改造后間隔和未改造間隔分別限制在2條母線上，因方案3具有改造過程中無需額外設備及鋪設臨時電纜，投資及工作量小，可以滿足常規互感器和電子式互感器共存的情況等優點，應考慮優先采用。對于因受主接線或系統運行方式限制而無法采用方案3的改造工程，若互感器不改造，建議優先采用方案2。

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