110?kV智能變電站實驗室設計初探

高 源，孔建壽，孫金生

（南京理工大學，江蘇 南京 210014）

110?kV智能變電站實驗室設計初探

高 源，孔建壽，孫金生

（南京理工大學，江蘇 南京 210014）

結合南京理工大學智能電網信息工程系智能變電站實驗室建設項目，完成了110 kV智能變電站的詳細設計，對內橋接線的線路保護間隔、主變保護間隔及電壓并列間隔進行了深入探討，介紹了智能變電站電子式互感器、保護測控裝置和后臺系統的調試方法，可為智能變電站實驗室建設提供參考和借鑒。

智能變電站；內橋接線；保護配置；調試

智能電網是當今電氣行業的研究熱點，而智能變電站是智能電網的關鍵組成部分。智能變電站不僅可以改進傳統變電站存在的缺點，還可以消除變電站內的信息孤島，提供統一實時數據的采集。通過使用智能變電站提供的信息和功能，智能電網可以快速可靠地找出并解決電網中發生的故障。結合南京理工大學智能電網信息工程系智能變電站實驗室建設項目，利用現有設備搭建110 kV智能變電站實驗平臺，并完成智能變電站實驗室的運行與調試工作。

1 智能變電站設計思路

智能變電站實驗室目前購置的設備有：

(1) KST611電子式電流電壓互感器；

(2) KSM601電子式互感器智能合并單元；

(3) KSI600電子式互感器校驗儀；

(4) UDL-531A線路保護測控裝置；

(5) UDT-531變壓器保護測控裝置；

(6) PWF-3型光數字繼電保護測試儀。

利用以上設備搭建一個小型的110 kV智能變電站，該智能變電站配備雙繞組變壓器2臺。110 kV側采用內橋接線方式，設計有進線斷路器2組、內橋斷路器1組。10 kV側采用單母線接線方式，設計有主變低壓斷路器2組。110 kV進線、內橋、主變高低壓側均配置了電子式電流互感器；110 kV進線、內橋和10 kV母線配置了電子式電壓互感器。智能變電站實驗室一次接線如圖1所示。

圖1 智能變電站一次接線

2 智能變電站詳細設計

智能變電站從功能實現角度出發可以分為過程層和站控層。過程層面向一次設備，完成保護、控制等功能；站控層面向運行、工程師人員，完成變電站監控及一些高級應用。

2.1 過程層設計

實驗室過程層主要設計有110 kV線路保護間隔、主變保護間隔和110 kV電壓合并間隔。

2.1.1 110 kV線路保護間隔

110 kV線路保護間隔配置如圖2所示。電子式電壓/電流互感器(EVT、ECT)實時采集線路上的電壓電流值并送到合并單元。合并單元將互感器傳輸過來的光信號同步并組合成同一時間斷面的電流電壓數據，然后通過SMV網絡傳輸給線路保護裝置。線路保護裝置依據SMV網絡傳輸的數據以及光纖差動信息進行相應的邏輯判斷并通過GOOSE網絡指揮智能終端進行相應的跳閘/合閘動作。

圖2 110 kV線路保護配置

該間隔使用的UDL-531A線路保護測控裝置采用光纖縱聯差動作為主保護，以突變量距離作為快速獨立段保護，以三段式接地距離、四段式相間距離、四段式零序方向過流、兩段式TV斷線過流作為后備保護，同時具備單回線不對稱相繼速動保護及雙回線相繼速動功能，并配有三相一次重合閘及合閘于故障線路保護功能。

2.1.2 主變保護間隔

主變壓器保護間隔配置圖如圖3所示。該間隔采用差動保護作為主保護，包括比率制動差動保護、增量差動保護和差流速斷保護。其中比率制動差動保護主要反映變壓器內部相間短路故障、高壓側單相接地短路及匝間層間短路故障；增量差動保護主要解決變壓器輕微的匝間故障，高阻接地故障；差流速斷保護則用于快速切除變壓器內部的嚴重故障。以主變1為例(下同)，差動保護所需要的數據由110 kV進線MU1、內橋MU1和主變低壓側MU1提供。

主變高壓側后備保護包括復壓方向過流保護、零序方向過流保護和過負荷保護。復壓方向過流保護在發生不對稱故障時靈敏度很高，主要用于相間短路的后備保護；零序過流保護主要用于變壓器中性點接地運行時接地故障的后備保護；過流保護主要用于監視變壓器的異常運行，該保護只發出告警信號，不作用于跳閘。復壓方向過流保護、零序方向過流保護和過負荷保護所需要的數據由內橋MU、主變高壓側MU1和主變MU1主變本體智能終端提供。

圖3 主變壓器保護間隔配置

主變低壓側后備保護在高壓側復壓方向過流保護、零序方向過流保護和過負荷保護的基礎上加入了限時電流速斷保護。該保護主要用于在10 kV線路近端故障斷路器拒動或母線故障時，以較短時限跳開本側斷路器，避免因復壓方向過流保護時限過長而燒壞變壓器。主變低壓側后備保護所需要的數據由主變低壓側MU1提供。

變壓器非電量保護由主變本體智能終端和主變保護測控裝置共同完成。其中不經延時的非電量保護，如重瓦斯、壓力釋放等直接由智能終端實現，而經延時的非電量保護則由主變保護測控裝置判別對應的GOOSE信息然后經延時對智能終端發出跳閘命令或告警信號。

2.1.3 110 kV電壓合并間隔

對于內橋接線，母線PT并列功能是必不可少的。在進行一次設備并列操作時，母線PT并列功能可以保證一次設備的繼電保護裝置、測量儀表和自動裝置所需要的二次電壓與一次設備所連接的母線對應。母線PT并列功能還可以實現母線PT的互為備用。

該智能變電站使用內橋合并單元(見圖3)完成110 kV電壓合并功能。合并單元通過GOOSE接收橋開關及母線刀閘的位置，然后根據開關位置進行電壓并列后輸出。具體的判定規則如表1所示。其中并列允許“0”表示手動轉換開關置“解列”，“1”表示置“并列”；內橋、I母刀閘和II母刀閘“1”表示間隔內所有斷路器及PT刀閘閉合，“0”表示間隔內所有斷路器及PT刀閘斷開，“X”表示間隔內所有斷路器及PT刀閘為任意位置；開出“U1”表示I母PT測量電壓，“U2”表示II母PT測量電壓。

表1 電壓并列判定規則

2.2 站控層設計

站控層配置如圖4所示。遠方后臺、交換機以及保護測控裝置之間采用網線連接，站控層網絡主要遵循IEC61850-8-1協議(特定通信服務映射對MMS的映射)。

后臺系統使用Super5000搭建，其主要步驟如下：

(1) 導入SCD文件，完成SCD模型以及SCADA應用模型間的映射；

(2) 系統參數配置，包括節點配置、用戶配置、權限設置、系統服務配置和節點服務配置；

(3) 工程參數配置；

(4) 控制臺參數配置；

(5) 繪制在線監控界面；

(6) 操作票配置。

3 智能變電站實驗室運行與調試

3.1 智能變電站模擬運行

該智能變電站實驗室主要用于南京理工大學智能電網信息工程系開展教學與實驗工作，因此應盡量避免危險的高壓試驗。通過利用PWF-3型光數字繼電保護測試儀替代智能變電站中的電子式電壓電流互感器以及合并單元，可實現智能變電站的模擬運行。

3.2 智能變電站調試

智能變電站與傳統變電站存在著諸多差異，傳統變電站的調試方法已不能滿足智能變電站的需求。下面重點介紹智能變電站電子式互感器、保護測控裝置以及遠方后臺系統的調試方法。

3.2.1 電子式互感器調試

隨著電子式互感器的逐步廣泛應用，互感器的結構和輸出信號發生了根本的轉變，從傳統的全模擬方式輸出及傳輸轉變為在互感器內部直接轉換，將數字信號通過光纖輸出至合并器進行數據的組織及網絡化傳輸。這一改進極大地降低了互感器的絕緣成本，同時提高了互感器的抗干擾能力。但是，由于電子式互感器輸出的是數字信號，傳統的校驗設備及校驗方法已經無法對這一類型的互感器進行檢測校驗。目前常用的電子式互感器調試方法如圖5所示。

電子式互感校驗儀使用傳統互感器作為標準源，電子式互感器作為被測源。同步信號主要用于同步模擬通道與數字通道的采樣。對于合并器而言，同步信號主要作用于合并器的計數位(控制計數位清零)，以便控制數據采集的起點。對于模擬通道來說，同步信號的主要作用在于觸發數據采集器進行數據采集。得到同步的采集數據后，電子式互感校驗儀會分別提取數字量采集通道和模擬量采集通道的數據，從同一時間點開始比較，就可以獲得電子式互感器相差、頻差以及復合誤差等重要實驗數據，進而完成電子式互感器的調試工作。

圖5 電子式互感器調試

3.2.2 保護測控裝置調試

保護測控裝置是智能變電站的重要組成部分，承擔著匯總過程層實時數據信息、對一次設備保護控制、間隔操作閉鎖以及承上啟下溝通過程層與站控層等多項工作。因此，針對保護測控裝置的具體調試步驟如下。

(1) 裝置基本檢查。主要包括銘牌信息、保護功能配置、裝置版本檢查、裝置外觀檢查、電源檢查和裝置絕緣試驗。

(2) 基本功能檢查。包括裝置程序下載及PLC配置下載檢查、定值整定檢查、人機界面及菜單檢查、SV檢查和GOOSE檢查。

(3) 保護功能試驗。主要檢測保護測控裝置在遇到電力系統故障時是否能正確地實施保護動作。

(4) 測控功能實驗。主要檢測保護測控裝置的遙測、遙信和遙控功能。

(5) 告警信號測試。主要包括裝置故障告警和裝置電源失電告警。

(6) 通信端口測試。主要檢測裝置通信端口的發送接收功率以及靈敏接收功率。

(7) 72 h通電實驗。用于測試裝置的穩定性，確保實驗過程中無異常現象出現。

在進行保護測控裝置調試時需要使用數字式繼電保護測試儀。它與傳統測試儀相比，測試方法相同，主要的區別是和保護裝置的信息交互接口發生了變化，需要完成相應的IEC61850配置。IEC61850配置可以通過導入SCD文件自動完成，也可以手工配置完成。當采用IEC61850-9-2協議時需要特別注意品質位的設置，繼電保護測試中出現的許多問題都是由于品質位設置錯誤而造成的。

3.2.3 遠方后臺系統調試

該部分主要測試遠方后臺系統是否能正常上傳數據并且在故障時是否能及時跳出告警信號。以110 kV進線過流保護試驗為例，設置過流保護定值10 A。當電流從8 A增加到11 A時，后臺應立刻做出反應。首先，在線監視系統中，110 kV進線斷路器顏色由紅色(表示合閘狀態)轉變為綠色，并且不斷閃爍，以提示工作人員系統出現異常，斷路器已經跳閘。其次，后臺系統的系統告警面板中應不斷刷新告警信息，以及系統采取的應急措施等(如系統自動重合閘)，方便以后進行事件追憶。

1 袁文廣，劉益青，孫十柱，等.110 kV智能變電站典型接線型式的IED配置方案研究[J].電力系統保護與控制，2012(13).

2 李文正，李寶偉，倪傳坤，等.智能變電站光纖差動保護同步方案研究[J].電力系統保護與控制，2012(16).

3 林金洪.110 kV數字化變電站繼電保護配置方案[J].南方電網技術，2009(2).

4 馮新年，王 珩.內橋接線變壓器差動保護接線方式的討論[J].變壓器，2006(2).

2013-08-26。

高 源(1991-)，男，碩士，從事復雜電力網絡智能控制研究。

孫建壽(1962-)，男，教授，研究方向為先進制造技術。

孫金生(1967-)，男，教授，研究方向為智能控制。