向家壩電廠繼電保護及故障信息系統設計與實現

易亞文，劉 洪，肖 勇

（向家壩水力發電廠，四川 宜賓 644612）

0 引言

向家壩水電站是我國“十一五”期間開工的第一座特大型水電站，壩址位于四川省宜賓縣與云南省水富縣交界的金沙江下游河段，是金沙江下游水電梯級開發最末一個電站。該工程以發電為主，兼有防洪、攔沙和改善下游航運條件等綜合效益。電站共裝8臺混流式水輪發電機組，單機容量為世界最大的80萬kW，總裝機容量640萬kW，年發電量307.47億kW·h，其中左岸壩后電站和右岸地下電站各布置4臺。

隨著電力系統二次設備自動化水平的提高，電氣二次設備向智能化和多樣化發展，繼電保護及故障信息系統的研究取得了較大的發展，一些產品化的成果已經在電網和電廠應用[1,2]。為提高調度系統信息化、智能化的總體水平，向家壩電廠引入繼電保護及故障信息系統（簡稱保信系統）。該系統結合廠房分布情況和保護配置的實際情況進行設計，實現了全站20余種、100多套繼電保護及自動裝置的集中管理，使全電站繼電保護裝置運行、管理的各個環節“可控、在控”。

1 系統設計

通常保信系統組網方案有三種，分別是監控系統與保護信息管理系統共享物理網絡，監控系統與子站系統完全獨立成網，以及保護獨立組網小室級聯方案。根據廠房布置和裝置特點，向家壩水電站保信系統的組網方式在傳統的分層分布式結構上做了特殊考慮，采用獨立組網部分級聯方案。保信系統與故障錄波系統、電站監控系統分別組網，在功能上相對獨立。保信系統由站控層、網絡相關設備、子系統和間隔層組成，采取部分級聯方案。站控層設備主要包括保護信息管理機以及工作站。網絡相關設備包括以太網交換機、規約轉換裝置、智能網關設備等。子系統包括10 kV廠用電保護信息管理子系統和500 kV GIS保護監控系統。間隔層主要由其他保護裝置和安全自動裝置組成。

2 系統實現

2.1 系統結構及配置

如圖1所示，向家壩水電站有右岸地面副廠房、右岸地下廠房、左岸壩后廠房3個區域。每個區域設1臺主交換機MACH4002，保信系統以單以太環網為主干網絡通過3臺主交換機聯絡各個區域。

系統站控層由安裝在右岸地面副廠房的一臺保護信息管理子站（嵌入式保護信息管理裝置RCS-9798B）和一臺繼電保護工程師站，以及安裝在左岸壩后廠房的一臺保護信息管理工作站組成。站控層通過專用光纖以太網對下連接各子系統和間隔層裝置。

圖1 向家壩水電廠保護信息管理系統網絡圖

系統主干網絡結構采用單以太環網，傳輸速率大于或等于100 Mb/s，傳輸速率應為自適應式，支持TCP/IP協議，兼容IEEE802.3標準。

間隔層設備的接入方式因裝置通訊特點和安裝位置的不同而有所區別。其中，發變組保護安裝在機組旁，每臺機組配1臺交換機RCS20。2套發電機保護裝置和2套變壓器保護裝置通過規約轉換裝置RCS-9874A接入交換機，1套變壓器非電量保護裝置直接接入交換機，交換機通過光纖接入主干網交換機MACH4002。左、右岸電站的線路保護和穩控系統裝置分別安裝在左、右岸繼電保護室，直接通過雙絞線接入主干網交換機MACH4002。

500 kV GIS系統采用新型的智能控制裝置PCS-9821，通過通信網絡與保護、監控主機連接，實現500 kV GIS保護、控制、監視、測量功能。為此，GIS系統單獨配置1套保護監控系統。該系統由雙遠動通訊裝置、維護工程師站、操作員站、規約轉換裝置、網絡設備及現地設備（包括GIS開關智能控制裝置和保護裝置）組成，左、右岸電站各設置1臺雙遠動通訊裝置RCS-9698H（主機單元），保護裝置（斷路器失靈保護RCS921G、短引線保護RCS922G、高壓電纜保護RCS-931LM、母線保護RCS915GD）和智能控制裝置PCS-9821采用以太網雙網通信方式，雙網組網后通過雙遠動通訊裝置實現與電站計算機監控系統的通信。此外，保護裝置單獨組網接入電站保信系統。通信接口及通信規約應滿足電站保護信息管理系統以及電站計算機監控系統的要求。

10 kV供電系統設置1套廠用電保護信息管理子系統。該系統由通信管理機、網絡設備及現地設備(包括10 kV線路保護及測控裝置、備自投裝置、小電流接地選線裝置、電弧光母線保護裝置等)組成，左、右岸電站各設置1臺通信管理機。左岸壩后廠房、壩基變電所的保護測控設備等接入左岸通信管理機，右岸地面副廠房、右岸地下廠房、右岸尾水平臺開關柜、壩頂變電所的保護測控設備等接入右岸通信管理機。10 kV廠用電保護信息管理子系統設備通過以太網接口接入保護信息管理系統。

此外，發變組故障錄波、開關站故障錄波等設備單獨組網，通過以太網接口經硬件防火墻接入保信系統。

保信系統經專用2 M通道和硬件防火墻接入國網電力調度數據網，經專用2 M通道接入成都調控中心，實現保護信息上傳。

2.2 系統功能

保信系統將電站內所有繼電保護設備連接起來，如有多種通信規約存在時應負責實現通信規約轉換，統一到標準的IEC60870-5-103，實現對子系統及間隔層裝置的信息收集、存儲、分析、處理，并將這些信息按照一定的規則送工作站和遠方調度自動化系統，從而實現信息交換。

（1）與電站內保護、故障錄波裝置通信

連接廠站內的各種保護、故障錄波裝置，完成通信轉接和規約轉換。

（2）與電站保信子系統通信

系統和10 kV廠用電保護信息管理子系統、500 kV GIS保護監控系統通信管理機完成通信轉接和規約轉換。

（3）與電站計算機監控系統通信

系統能通過串口或以太網接口與電站計算機監控系統通信，實現保護信息數據的傳輸。具體在設計聯絡會上確定。

（4）與調度端通信

通過2 M口與調度端進行雙向通信，自動或人工上傳報告，并接受調度端的訪問直至調度端對某一設備的管理。信息的上傳應有優先級，可采用缺省方式，也可根據需求重新設定。在數據上傳調度端前，應將不同的數據格式轉換為標準格式。

系統支持調度端隨時查詢微機裝置定值、開關量位置情況，歷史動作報告、自檢報告和錄波器的定值和歷史錄波數據。

具體功能應滿足國調（主調和備調）、華中網調、四川省調（主調和備調）、成都梯調的要求。

（5）時鐘同步

保護及故障信息處理子站能通過串口接收GPS對時信息，系統的時鐘同步精度不小于1 ms。

（6）設備巡檢與自檢

系統能自動檢測軟硬件工作情況、與電站內裝置的通信情況和電站內各裝置的工作情況。當發現自檢故障時，發出告警信號至監控系統。

（7）數據查詢與檢索

用戶可通過繼電保護工程師站隨時查詢任一保護裝置的參數和數據，并以圖形化進行顯示和打印。

（8）定值對比

系統具備召喚定值并自動進行定值比對功能，當發現定值不一致時，給出相應的提示。

3 系統調試

3.1 通信接口試驗

保信系統的接入設備較多，涉及的通訊規約較多，如保信系統內部通訊采用標準的IEC60870-5-103，保信系統與監控系統的通信規約為 IEC60870-5-104，10 kV線路保護裝置采用IEC61850通訊規約，為確保各方對通信規約的解釋達成一致，雙方的通信設備能順暢的交換數據，應進行通信接口實驗。試驗應針對鏈路層和應用層兩方面展開[2]。

3.2 通道切換試驗

保信系統RCS-9798B和RCS-9698H采用完全電氣獨立的雙機雙通道配置，以確保保信系統與監控系統、遠方調度系統通訊的冗余度和可靠性。雙機通道切換試驗測試系統發生端口切換或主機切換時能否保證快速完成切換和不丟失SOE數據。測試項目包括正常上送數據、端口響應及控制權切換、故障狀態上送數據、殺進程切機實驗、手動切控制權通道實驗等。

3.3 功能測試

試驗用于驗證系統的各項功能，如：

（1）模擬量采集與處理功能試驗，驗證后臺顯示的模擬量值與測控裝置實際采集值是否一致；

（2）遙控功能試驗，驗證遙控操作、反饋信息和響應時間是否正確；

（3）邏輯閉鎖功能試驗，驗證遠方遙控時裝置邏輯閉鎖功能是否正常；

（4）數據查詢與檢索功能檢查，驗證系統或子系統能夠檢索任一保護裝置的參數和數據；

（5）定值功能檢查，驗證定值讀寫功能和定值對比功能正常；

（6）模擬故障試驗，查看保護裝置動作時系統采集的保護動作信息、開關變位信息和顯示動作時刻數據及故障波形；

（7）可靠性試驗，包括裝置發生故障時連續發調定值命令；幾個保護裝置同時連續做故障；裝置動態庫異常，管理機自恢復；進程進入鎖死狀態，計算機能自動重起恢復到原始狀態等；

（8）通訊網絡功能試驗，驗證雙通道網絡和網絡通訊設備正常；

（9）時鐘同步試驗，測試GPS正常動作和異常工作狀態下裝置時鐘誤差。

此外，為保證系統運行的可靠性，除功能實驗外，可參考文獻3進行二次回路檢驗、外觀檢查、逆變電源檢查、開關量輸入回路檢查、輸出觸點及輸出信號檢查等。

4 結論

向家壩水電廠配備繼電保護和自動裝置種類和通訊規約較多，保信系統采用的獨立組網部分級聯方案，該方案具有以下特點：

（1）保護信息單獨組網，網絡結構更加清晰，同時保信系統可以實現與故障錄波系統、電站監控系統的互聯；

（2）保護信息管理機和規約轉換器采用專用裝置，可根據需要擴充系統接入設備，工作站和工程師站可以根據運行管理需要在左、右岸電站分別組站，并將硬件故障造成的影響降至最低；

（3）10 kV廠用電保信子系統和500 kV GIS保護監控系統都具備獨立工作條件，實現設備的分區管理，而且500 kV GIS保護監控系統能夠適應GIS智能控制裝置的特點和GIS開關遠方智能控制的需要；

（4）保護信息管理機采用嵌入式操作系統，實時性高，有效避免病毒和網絡攻擊，增強了系統安全性；

在繼電保護故障信息處理系統子站的安裝和調試中，為避免現場調試方法不當，造成子站運行故障和異常發生，有必要建立標準化的系統調試規程和作業指導書。

[1]倪益民，丁 杰，趙金榮,等.電網繼電保護及故障信息管理系統的設計與實現[J]，電力系統自動化，2006，27（17）：86-88.

[2]徐 馳.繼電保護設備管理信息系統的開發與應用[J]，電力系統自動化，2004，28（12）：98-99.

[3]DL/Z 634.56-2004.遠動設備及系統第5-6部分：IEC60870-5規約系列測試規則[S].

[4]DL/T 995-2006.繼電保護和電網安全自動裝置檢修規程[S].