智能變電站繼電保護二次安措標準化的研究

藍海濤

(國網重慶市電力公司檢修分公司，重慶 400039)

0 引言

智能變電站技術代表了未來變電站自動化技術的發展方向。作為銜接智能電網發電、輸電、變電、配電、用電和調度六大環節的關鍵，智能變電站是智能電網中變換電壓、接受和分配電能、控制電力流向和調整電壓的重要電力設施，是智能電網“電力流、信息流、業務流”三流匯集的焦點，它對建設堅強智能電網具有極為重要的作用。

根據國家電網公司智能電網建設的整體部署，十二五期間，國家電網公司將全面推進智能電網建設。各網省公司積極開展智能變電站的實踐，積累了大量成功經驗，有力地推動了這一新技術在我國電網的發展和推廣。目前智能變電站技術的實踐主要集中在技術層面，主要關注新設備和新標準的應用，而對于與之相適應的變電站二次專業的運維組織模式研究很少。在眾多二次專業中，以繼電保護對安全性、可靠性要求最高，因此研究和制定與智能變電站繼電保護技術相適應的二次安全措施實施規范顯得十分必要和迫切。

1 智能站數字化保護與常規微機保護比較

智能變電站采用“三層兩網”的結構體系，分別為站控層、間隔層和過程層，站控層與間隔層之間為站控層網絡，間隔層與過程層之間為過程層網絡。常規變電站繼電保護采用以裝置為中心的組態模式，而智能變電站則基于過程層網絡實現了跨間隔信息共享，因此其繼電保護采用以保護功能模塊化為理念的靈活組態形式，其保護實現形式不再依賴于裝置而是取決于保護需求與網絡性能。

1.1 保護裝置的組成結構

(1)常規微機保護裝置通常采用模塊化設計，主要是由模擬量輸入接口、A/D 轉換、保護邏輯處理、開關量輸入輸出接口、人機對話五大模塊組成，如圖1 所示。一次設備采集模擬量、開關量，通過二次電纜傳輸到保護裝置，保護裝置對各種采集數據進行邏輯計算，滿足動作條件，則出口動作于相應斷路器。保護裝置對一次設備的控制信號、保護裝置間的聯閉鎖信息通過二次電纜傳輸實現。

圖1 常規微機保護結構示意

(2)智能變電站數字化保護由合并單元、保護裝置、智能終端三大模塊組成，如圖2 所示。合并單元負責全站電流、電壓模擬量的采集。合并單元的運用實現了全站模擬量信息的集中采集，不同的保護、測控及其他裝置所需的電流、電壓數據均來自于合并單元。保護裝置僅負責保護動作的邏輯運算處理。智能終端作為一、二次設備的接口，實現了整間隔內斷路器、隔離開關等一次設備的控制及狀態信息的采集。保護裝置與合并單元、智能終端的連接采用“直采直跳”方式，保護裝置之間的聯閉鎖信息、失靈啟動等信息采用GOOSE 網絡傳輸方式。

圖2 數字化保護結構示意

1.2 二次回路的設計

(1)常規微機保護屏柜的端子排是保護裝置與外部一、二次設備之間的接口，二次設備廠家根據用戶或設計院的要求將保護裝置背板插件端子引至屏柜端子排，保護裝置通過二次電纜與其他一、二次設備構成各種復雜的二次回路，同時各保護屏柜之間的聯系也通過端子排之間的二次電纜實現。

(2)智能變電站中采用光纖或網絡取代了傳統的二次電纜，過程層網絡實現了二次回路的功能。過程層網絡分為SV 網和GOOSE 網，SV 網傳輸交流采樣值信息，GOOSE 網傳輸各種各樣的開關量信息。利用過程層網絡技術，復雜的二次回路的連接變成了網絡通信連接。設備廠家根據用戶需要提供裝置的GOOSE 輸入輸出端子定義，設計單位根據該定義設計二次接線虛端子圖，系統集成商(綜自廠家)通過GOOSE 組態工具和設計單位的設計文件，組態形成變電站系統配置描述文件(SCD 文件)，各二次設備廠家使用裝置配置工具和全站統一的系統配置描述文件(SCD 文件)，提取GOOSE網絡收發的配置信息并下裝至各具體裝置。

從上述過程可知，智能變電站電氣二次設計與常規綜自站相比發生了很大的變化。智能變電站各層設備通過光纖和網絡進行連接，設備間的連接是基于網絡傳輸的數字信號，原有二次回路中點對點的電纜連接被網絡化的光纜連接所取代，已不再有傳統的端子的概念。

1.3 繼電保護壓板的設計

常規微機保護壓板包含出口壓板和功能壓板等，壓板形式為硬壓板。智能變電站中保護裝置的壓板，僅保留了一塊“投檢修態”硬壓板，其他壓板(保護裝置的“出口壓板”、“功能壓板”)采用軟壓板的形式，保護屏的壓板布置變得清晰、簡單。采用軟壓板為實現智能變電站的高級應用——“順序控制”提供了技術上的支撐。

常規微機保護中同樣存在“投檢修態”硬壓板，但該壓板在功能上僅局限于控制各種軟報文信息的上傳，不會影響保護裝置本身跳閘邏輯。智能變電站數字化保護裝置的“投檢修態”硬壓板可以控制裝置GOOSE報文中的檢修狀態位，投入“投檢修態”壓板后裝置發出的GOOSE 報文均為檢修態報文。處于檢修狀態的裝置可以接收檢修狀態GOOSE 報文，運行狀態(未投入“投檢修態”壓板)的設備則不處理檢修狀態GOOSE 報文。

2 常規變電站繼電保護二次安措的現狀

常規變電站繼電保護二次安措的執行，從本質上來說就是斷開檢修設備與運行設備之間在二次回路上的一切聯系。具體來說，可分為兩大類：一類是設備運行中帶電檢修消缺；另一類是設備停電檢修、定期校驗。

2.1 設備運行中帶電檢修消缺的二次安措

(1)在帶電的電流互感器二次回路上工作時，嚴禁將互感器二次側開路，不得將回路的永久接地點斷開；短路電流互感器二次繞組，必須使用短路片或短路線，短路應妥善可靠，嚴禁用導線纏繞；嚴禁在電流互感器與短路端子之間的回路和導線上進行任何工作。在帶電的電流互感器二次回路上工作時，要防止二次側開路產生高電壓的危險。

(2)在帶電的電壓互感器二次回路上工作時，要嚴格防止二次側短路或接地。在取下或投入電壓端子連接片及線頭時，必須小心謹慎，不得觸碰旁邊的端子或接地部分，拆開的電壓線頭應做好記號并用絕緣布包好。操作時應使用絕緣工具，戴絕緣手套。必要時，在征得值班負責人或調度員同意后，可在工作前停用相關的保護裝置。接臨時負載時，必須裝有專用的隔離開關(刀閘)和熔斷器(保險)，熔斷器的熔絲熔斷電流必須與電壓互感器保護熔絲配合。

(3)對于在消缺過程中可能誤動的保護裝置，必要時，在消缺前征得值班員或調度員同意后，可退出相關保護跳閘回路及其失靈啟動回路。

2.2 設備停電檢修中的二次安措

(1)斷開與被檢修設備聯系的電流回路和電壓回路。

(2)斷開被檢修設備電流互感器至母線保護之間的電流回路。

(3)斷開被檢修設備與運行斷路器之間的跳閘回路，如主變后備保護跳母聯、分段、旁路斷路器的跳閘回路。

(4)斷開被檢修設備啟動失靈保護跳閘回路，包括啟動遠跳對側斷路器的相關回路。

(5)斷開被檢修設備啟動中央信號、故障錄波回路。

3 智能變電站繼電保護二次安措的實施

智能變電站用光纜取代了常規變電站的電纜接線方式，各設備由傳統的點對點模擬節點信號傳輸方式變為由GOOSE、SMV、MMS 網絡組成的虛擬報文傳輸方式。這一轉變帶來了二次回路構成的重大改變，與之相對應的二次回路安全措施也發生了很大的變化。根據智能變電站二次設備的特征實施相關措施，才能保證在二次系統上工作的安全。

智能變電站中檢修設備與其他運行設備的聯系主要依靠光纖和網絡，在不破壞網絡結構的前提下，物理上就不能完全將檢修設備和運行設備隔離。要實現有效的隔離，只有通過對裝置進行各種設置，改變信息發送方和接收方的狀態，才能避免誤跳運行回路等情況的發生。

3.1 單間隔設備不停電裝置檢修

單間隔設備不停電裝置檢修是指，一次設備不停電，需要處理的裝置為本間隔單套保護的某一臺裝置。下面以220 kV 雙母線接線的線路間隔為例，說明智能站不停電裝置檢修時繼電保護二次安措的實施。圖3 為220 kV 雙母線接線的線路保護構成示意。

圖3 220 kV 雙母線接線的線路保護構成示意

3.1.1 合并單元消缺

智能變電站保護所需電流、電壓數據取自合并單元(配置獨立的三相ECVT 的間隔可不配置合并單元)。A 套合并單元的故障導致電流、電壓數據異常時，將影響到該間隔第A 套線路保護、第A套母線保護，通常也會影響到該間隔遙測回路；B套合并單元故障將影響到該間隔第B 套線路保護、第B 套母線保護。因此檢修合并單元時，凡使用其采樣數據的裝置必須全部退出運行。其二次安措具體包括以下內容：

(1)投入需檢修合并單元“投檢修態”壓板；

(2)退出對應線路保護“跳閘出口GOOSE 發送軟壓板”、“重合閘出口GOOSE發送軟壓板”和“啟動失靈GOOSE 發送軟壓板”；

(3)退出對應線路斷路器失靈保護“啟動失靈GOOSE 發送軟壓板”、“跳閘出口一GOOSE 發送軟壓板”、“跳閘出口二GOOSE 發送軟壓板”；

(4)退出對應母線保護的所有間隔“跳閘出口GOOSE 發送軟壓板”；

(5)必要時，退出對應智能終端“出口跳閘”、“重合閘”硬壓板。

如果電流、電壓采用傳統互感器接入合并單元采樣的形式，則同時需采取防止電流二次回路開路、電壓二次回路短路的措施。

3.1.2 線路保護裝置消缺

線路保護裝置消缺的二次安措則相對簡單，主要包括以下3 點：

(1)投入線路保護“投檢修態”壓板，保證線路保護的報文不出口，不對母線保護裝置造成影響；

(2)退出線路保護“跳閘出口GOOSE 發送軟壓板”、“重合閘出口GOOSE 發送軟壓板”和“啟動失靈GOOSE 發送軟壓板”；

(3)退出對應母線保護“××× GOOSE 接收軟壓板”。

由于整個二次安措只有邏輯斷開點，而缺少硬件斷開點，因此在完成對線路保護的處理后，如果需要做試驗，則需要將線路保護的采樣光纖接口拔出，使用數字式測試設備直接對裝置注入采樣數據，保護裝置的反饋GOOSE 信號可以從相應的GOOSE 測試接口獲得。

3.1.3 智能終端消缺

智能終端作為一、二次設備的接口，除具備傳統操作箱的功能外(不具備斷路器防跳功能)，還包括了整個間隔內所有隔離開關的遙控、遙測、遙信功能。因此，智能終端消缺的二次安措同樣相對困難。具體安措為：

(1)投入智能終端“投檢修態”壓板；

(2)斷開智能終端“出口跳閘”、“重合閘”硬壓板；

(3)考慮到間隔內隔離開關位置可能發生改變，應根據現場情況考慮停用對應保護，并將對應母線保護該間隔刀閘位置按實際狀態強制。

3.2 單間隔設備停電裝置檢修

單間隔設備停電裝置檢修主要針對線路保護定檢或線路保護消缺必須停用一次設備的情況，其二次安措相對于帶電消缺來說相對簡單，同樣以220 kV 雙母線接線的線路間隔為例進行說明，具體安措為：

(1)投入本間隔合并單元“投檢修態”壓板；

(2)退出2 套母線保護“×××間隔投入軟壓板”，保證母線保護裝置不處理本間隔合并單元的采樣數據；

(3)投入本間隔線路保護“投檢修態”壓板，投入本間隔智能操作箱“投檢修態”壓板，保證本間隔的GOOSE 報文不對運行的母線保護造成影響。

3.3 多間隔設備不停電裝置檢修

以220 kV 雙母線接線的母線保護為例，具體安措有以下2 點。

(1)常規220 kV 母線微機保護不停電定檢校驗時，二次安全措施的執行步驟為：首先斷開母線保護所有間隔出口跳閘壓板、母差保護動作啟動主變失靈跳三側壓板；然后將母線保護所有電流回路短接，拆除電壓二次回路。常規220 kV 母線微機保護校驗整組傳動試驗時，采用測量“跳閘脈沖”的方法驗證回路的完整性。

(2)智能變電站母線保護二次安措僅靠投入保護裝置“投檢修態”壓板、退出保護出口跳所有間隔“××× GOOSE 發送軟壓板”，顯然不夠完善，對于電流、電壓二次回路只能依靠拔光纖的方法實施。智能變電站母線保護可通過抓取GOOSE 報文的形式驗證保護的動作行為正確性。為了通過網絡報文分析儀獲取母線保護動作GOOSE 報文，需投入所有間隔“××× GOOSE 發送軟壓板”。由于缺少硬件上的隔離措施，采用這種方法將帶來一定的風險。考慮到母線保護的重要性，通常是拔下保護直跳光纖，將其接入數字報文分析儀，從而進行保護動作行為分析。

4 智能變電站繼電保護二次安措標準化建議

智能變電站繼電保護二次安全措施與常規變電站相比發生了很大變化，結合生產現場實際工作，對智能變電站繼電保護二次安全措施標準化提出合理化建議，將其歸納為保證二次回路安全工作的“三道防線”。

(1)投入被檢修設備“投檢修態”壓板。“投檢修態”壓板的作用是將裝置發送的報文中的“test”位置“1”，目的是將本裝置正處于檢修中的信息傳遞給其他設備。收到這個信息的其他裝置雖然仍然和它有信息交換，但是不再互相操作；如果同時有多個裝置在檢修狀態中，它們之間是可以互相操作的。“投檢修態”壓板構成整個二次安措的最底層防線。目前，有的保護廠家在裝置面板上缺少對該壓板狀態的明顯信號提示，只將該壓板狀態反映在保護裝置開入位置變位中，這給保護人員實時把握該壓板實際投入狀態帶來了困難。如果由于“投檢修態”壓板接觸不良或壓板連接二次引線松動，造成壓板工作位置與實際不對應，將會帶來非常嚴重的后果。因此，建議繼電保護廠家在新裝置設計中能在保護面板醒目位置給出該壓板實際投入與否的狀態信號提示。

(2)“保護出口GOOSE 發送軟壓板”、“失靈啟動GOOSE 發送軟壓板”、“間隔投退軟壓板”、“GOOSE 接收軟壓板”的投退。軟壓板的投退給出了檢修設備與運行設備之間的邏輯斷開點。目前不同廠家設備對軟壓板的命名和功能定義沒有統一的標準，如220 kV 母線保護中，PCS-915 裝置采用“×××間隔投入軟壓板”，BP-2C-D 裝置采用“××× GOOSE 接收軟壓板”、“××× SV 接收軟壓板”實現間隔投退。因此，保護人員必須熟悉掌握不同廠家軟壓板的名稱和功能上的差異，才能做到安全措施到位、無遺漏。這對現場保護人員的專業素質提出了很高的要求。建議在新的智能變電站繼電保護“六統一”標準中，規范不同廠家設備軟壓板的名稱和功能定義，這對保證智能變電站二次設備運行維護有重要意義。

(3)拔除光纖形成硬隔離措施。常規微機保護在設備不停電檢修時，對整組傳動試驗可采用測“跳閘脈沖”的方法實現對回路完整性的檢驗。智能變電站由于其自身的特點，在不拔除光纖的前提下，無法實現有效的硬件隔離。光纖的反復插拔也給設備的長期安全穩定運行帶來的一定的隱患，一般不建議使用拔除光纖的方法。因此，必須高度重視新建變電站的調試驗收工作，對保護的所有跳閘邏輯進行全面細致的檢驗。此外，保護校驗工作也應由定期檢修逐步向狀態檢修過渡。

5 結束語

智能變電站繼電保護二次安措的實施是智能變電站運行維護的一個非常重要的課題。目前，智能變電站技術仍處在不斷發展和完善的階段，不同廠家保護裝置的差異給現場保護人員執行二次安措帶來了困難。傳統的作業方式正面臨著巨大的轉變，有必要在設計、制造、施工、運行各階段達成共識，形成統一、標準的二次安全措施作業規范，這對于保證智能變電站安全穩定運行，推進智能變電站技術的發展有著非常重要的意義。

1 高 翔．數字化變電站應用技術[M]．北京: 中國電力出 版社，2008．

2 賈 巍，曹津平，李 偉．數字化變電站中過程層的技術 研究[J]．電力自動化設備，2008(10)．

3 胡春潮，蔡澤祥，竹之涵．提高數字化變電站關鍵報文傳 輸可靠性方法研究[J]．電力系統保護與控制，2011(9).

4 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)．

5 李 鋒，謝 俊，趙銀鳳，等．基于IEC 61850 的智能變 電站交換機IED信息模型[J]．電力系統自動化，2012(7)．

6 李寶偉，倪傳坤，唐艷梅，等．智能變電站組網傳輸采樣 值光纖差動保護同步方案研究[J]．電力系統保護與控制，2013(9)．

7 馮亞東，李 彥，王 松，等．IEC 61850-9-2 點對點采樣值傳輸在繼電保護中的實現與應用[J]．電力系統自動化，2012(2)．

8 趙曼勇，周紅陽，陳朝暉，等．基于IEC 61850 標準的廣域一體化保護方案[J]．電力系統自動化，2010(6)．

9 樊 陳，倪益民，沈 健，等．IEEE 1588 在基于IEC 61850-9-2 標準的合并單元中的應用[J]．電力系統自動化，2011(6)．

10 Q/GDW441 智能變電站繼電保護技術規范[S]．