新一代智能變電站保護(hù)測(cè)控裝置配置方案

高運(yùn)動(dòng)

摘要：本文從新一代智能變電站的特點(diǎn)分析出發(fā)，詳細(xì)論述了集中式保護(hù)測(cè)控裝置的可行性、實(shí)施方案和技術(shù)要求。并以某220kV變電站為例講述集中式保護(hù)測(cè)控配置方案。

關(guān)鍵詞：智能變電站；集中式；保護(hù)；測(cè)控

變電站中保護(hù)、測(cè)控設(shè)備是為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行服務(wù)的重要設(shè)備。目前智能變電站保護(hù)、測(cè)控功能是按照一次設(shè)備或間隔的獨(dú)立性來(lái)實(shí)現(xiàn)的，保護(hù)、測(cè)控設(shè)備也是按間隔配置。

變電站二次設(shè)備之間通過(guò)光纜/電纜傳輸信號(hào)，一臺(tái)一次設(shè)備就需要有保護(hù)、測(cè)控等多臺(tái)二次設(shè)備實(shí)現(xiàn)保護(hù)、測(cè)控能，二次設(shè)備規(guī)模龐大，相互之間的連線復(fù)雜，全站一次設(shè)備的保護(hù)、測(cè)控、計(jì)量構(gòu)成一個(gè)龐雜的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行維護(hù)工作量大，設(shè)備和材料消耗大，投資與運(yùn)行費(fèi)用高。

1 集中式保護(hù)測(cè)控裝置應(yīng)用背景

隨著智能變電站的技術(shù)愈加成熟，變電站自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)在IEC61850通信規(guī)約上構(gòu)建分層分網(wǎng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了全站信息資源共享。通信通道的優(yōu)化整合，使各層設(shè)備之間調(diào)用信息時(shí)快捷方便。在調(diào)取多個(gè)間隔、多種數(shù)據(jù)時(shí)僅需要有限的幾根光纜或尾纜即可實(shí)現(xiàn)。在這種堅(jiān)強(qiáng)的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，可在遵守保護(hù)、測(cè)控等邏輯功能約束的前提下，根據(jù)需求對(duì)保護(hù)、測(cè)控進(jìn)行功能分布的再定義，對(duì)保護(hù)、測(cè)控設(shè)備的物理位置進(jìn)行重新整合。

目前保護(hù)測(cè)控一體化裝置已在電網(wǎng)中成功應(yīng)用。國(guó)內(nèi)主要電力系統(tǒng)保護(hù)測(cè)控設(shè)備生產(chǎn)和研發(fā)企業(yè)正在致力于開發(fā)更高等級(jí)的保護(hù)測(cè)控集成裝置，普遍認(rèn)為更高等級(jí)的保護(hù)測(cè)控采用集中式保護(hù)測(cè)控裝置是可行的。

集中式保護(hù)測(cè)控即是按間隔或元件配置集中式保護(hù)測(cè)控一體化模塊單元，多個(gè)單元按一定整合方式組成的一體化裝置。

2 集中式保護(hù)測(cè)控裝置特點(diǎn)

由上述可見(jiàn)，一套集中式保護(hù)測(cè)控裝置可實(shí)現(xiàn)多個(gè)間隔單元的保護(hù)及測(cè)控功能，這就需要裝置具有接收處理較大數(shù)據(jù)量的能力。現(xiàn)有裝置CPU及相關(guān)流量接收終端是否能夠達(dá)到預(yù)期目的還需要一定時(shí)間的試點(diǎn)應(yīng)用。

根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，目前大部分二次廠家保護(hù)測(cè)控裝置均具有成熟的百兆信息處理能力，千兆信息處理能力目前尚不成熟。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)流量分析計(jì)算可知，采用IEC61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)的采樣值報(bào)文體積較大，例如適用于保護(hù)測(cè)控場(chǎng)合的48點(diǎn)/周波采樣率的采樣值數(shù)據(jù)單路帶寬帶到4.3兆，加上單路1.2兆的GOOSE數(shù)據(jù)，對(duì)于只具有百兆信息處理能力的保護(hù)測(cè)控裝置來(lái)說(shuō)，其允許面向的間隔數(shù)不超過(guò)8個(gè)，否則會(huì)超出百兆帶寬的安全范圍40%。

3 新一代220kV智能變電站保護(hù)測(cè)控配置方案

考慮到目前二次設(shè)備廠家技術(shù)能力，以及變電站建成后運(yùn)行可靠性需求。集中式保護(hù)測(cè)控設(shè)計(jì)方案一般采用母線保護(hù)集成母聯(lián)或分段保護(hù)測(cè)控功能；110kV電壓等級(jí)出線間隔采用線路集中式保護(hù)測(cè)控裝置；主變及220kV出線間隔考慮到在系統(tǒng)中的重要地位，仍采用獨(dú)立的保護(hù)、測(cè)控配置方案。

下面以某新一代220kV智能變電站為例，講述變電站內(nèi)保護(hù)及測(cè)控配置方案。

3.1 220kV母線保護(hù)

常規(guī)母線保護(hù)主要實(shí)現(xiàn)母線區(qū)內(nèi)的故障切除，廠家也在母線保護(hù)中設(shè)置母聯(lián)充電保護(hù)。但通常都是另配置雙重化母聯(lián)保護(hù)測(cè)控裝置，保護(hù)主要包括過(guò)流、充電保護(hù)，測(cè)控實(shí)現(xiàn)母聯(lián)間隔的監(jiān)視調(diào)控。相比于出線間隔，母聯(lián)間隔的特點(diǎn)是操作次數(shù)少、與其他間隔間連鎖少、測(cè)控量小。將母聯(lián)的保護(hù)測(cè)控功能集成至母線保護(hù)易實(shí)現(xiàn)，且可行性較大。

除將母聯(lián)或分段保護(hù)測(cè)控功能集成外，母線保護(hù)還應(yīng)滿足以下基本要求：

（1）母線配置雙重化的集中母線保護(hù)測(cè)控單元，分別安裝在兩個(gè)完全獨(dú)立的母線集中保護(hù)測(cè)控裝置內(nèi)，使用獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)和直流單元。

（2）每個(gè)母線保護(hù)單元只作用于一組跳閘線圈。

（3）220kV母線保護(hù)應(yīng)是帶電壓閉鎖元件、具有比率制動(dòng)特性的電流差動(dòng)保護(hù)。

（4）不應(yīng)因母線故障時(shí)流出母線的短路電流影響而拒動(dòng)，區(qū)外故障穿越電流30倍額定電流時(shí)不應(yīng)誤動(dòng)。應(yīng)具有交流電流監(jiān)視功能，5%額定電流時(shí)即能可靠動(dòng)作，交流電流回路不正常或斷線時(shí)不應(yīng)誤動(dòng)，應(yīng)發(fā)報(bào)警信號(hào)。

（5）母線保護(hù)整組動(dòng)作時(shí)間，2倍額定電流下應(yīng)不大于20ms。

（6）保護(hù)測(cè)控單元應(yīng)具有標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)，具備自描述功能，能即插即用，各單元的插拔或故障不會(huì)影響其他單元的正常運(yùn)行。

（7）各單元應(yīng)具有自檢功能，故障時(shí)能自動(dòng)閉鎖，并能發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

（8）裝置應(yīng)配有標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)接口，信號(hào)采集及輸出完全數(shù)字化，支持IEC61850通信規(guī)約。

本變電站220kV母線保護(hù)擬按遠(yuǎn)景電氣主接線雙重化配置兩套數(shù)字化母線保護(hù)，母線保護(hù)含斷路器失靈保護(hù)功能、母聯(lián)及分段過(guò)流及充電保護(hù)功能、母聯(lián)及分段測(cè)控功能；母線保護(hù)測(cè)控采用“網(wǎng)采網(wǎng)跳”的方式，每套母線保護(hù)裝置至少應(yīng)具有3個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信接口（兩個(gè)MMS網(wǎng)、一個(gè)SV/GOOSE網(wǎng)），保護(hù)跳閘、裝置采樣、開關(guān)量信息及聯(lián)閉鎖信號(hào)（失靈啟動(dòng)、主變保護(hù)動(dòng)作解除電壓閉鎖等）采用SV/GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸，其中第一套母線保護(hù)測(cè)控接入SV/GOOSE網(wǎng)A，第二套母線保護(hù)測(cè)控接入SV/GOOSE網(wǎng)B；母線保護(hù)測(cè)控裝置與站控層通過(guò)MMS網(wǎng)通信，保護(hù)測(cè)控裝置同時(shí)接入MMS網(wǎng)A和MMS網(wǎng)B，本期配置220kV母線保護(hù)測(cè)控柜兩面，每面柜各含一套母線保護(hù)測(cè)控裝置，放置于220kV二次設(shè)備保護(hù)艙。

3.2 110kV母線保護(hù)

按照設(shè)計(jì)規(guī)定，本站110kV母線保護(hù)單套配置，功能基本要求與220kV母線保護(hù)相同。

110kV配置集中式母線保護(hù)測(cè)控裝置一套，母線保護(hù)具備母聯(lián)過(guò)流及充電保護(hù)功能、母聯(lián)測(cè)控功能；母線保護(hù)測(cè)控采用“網(wǎng)采網(wǎng)跳”的方式，每套母線保護(hù)測(cè)控裝置至少應(yīng)具有4個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信接口（兩個(gè)MMS網(wǎng)、兩個(gè)SV/GOOSE網(wǎng)），保護(hù)跳閘、裝置采樣、開關(guān)量信息及聯(lián)閉鎖信號(hào)采用SV/GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸。110kV母線保護(hù)測(cè)控柜放置于預(yù)制式二次設(shè)備艙。

3.3 110kV線路保護(hù)

在目前智能變電站二次線纜接線中，二次回路通常分為SV信息、GOOSE信息等，并且保護(hù)采用“直采直跳”，規(guī)程對(duì)各回路的線纜用法有著明確的規(guī)定，通常每個(gè)回路要獨(dú)立，至少需要一根線纜才能實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息的傳輸和采集，必然造成復(fù)雜的二次接線邏輯和占用了保護(hù)、測(cè)控屏柜內(nèi)的空間，相應(yīng)的是建設(shè)成本的提高和施工的難度增加。智能變電站采用光信號(hào)為載體分層分網(wǎng)傳輸各間隔信息流，節(jié)省了大量電纜和屏柜內(nèi)空間，在硬件布置方面為集中式保護(hù)測(cè)控裝置提供了基礎(chǔ)。

本變電站集中式保護(hù)測(cè)控的方案是將110kV出線間隔信息通過(guò)智能終端合并單元合一裝置上送至110kV過(guò)程層交換機(jī)，進(jìn)而上傳至集中式保護(hù)測(cè)控裝置。為保證整體方案可靠性，每組單元配置2套集中式保護(hù)測(cè)控裝置，以解決檢修或單套裝置故障帶來(lái)的影響。下圖為集中式保護(hù)測(cè)控裝置配置方案（圖1）、常規(guī)保護(hù)測(cè)控裝置配置方案（圖2）示意圖。

圖1 110kV線路集中式保護(hù)測(cè)控示意圖

圖2 110kV線路常規(guī)保護(hù)測(cè)控示意圖

由上可見(jiàn)，集中式保護(hù)測(cè)控裝置應(yīng)用可帶來(lái)如下好處：

（1）減少裝置數(shù)量，實(shí)現(xiàn)硬件的高度集成與整合，節(jié)省投資；

（2）可提高低壓保護(hù)測(cè)控裝置的整體可靠性，運(yùn)行的雙套保護(hù)測(cè)控裝置解決檢修或單套裝置故障帶來(lái)的影響，減少停電時(shí)間。

對(duì)于雙套保護(hù)的運(yùn)行方式可分為兩種：雙重化控制系統(tǒng)按運(yùn)行/備用模式設(shè)計(jì)，一個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行，另一個(gè)系統(tǒng)熱備用。如果運(yùn)行系統(tǒng)出現(xiàn)故障，備用系統(tǒng)將獲得控制權(quán)，成為新的運(yùn)行系統(tǒng)。故障系統(tǒng)（先前的運(yùn)行系統(tǒng)）只有被檢查或維護(hù)后，才可成為新的備用系統(tǒng)。雙重化保護(hù)系統(tǒng)則是按完全獨(dú)立運(yùn)行的模式設(shè)計(jì)，也就是正常情況下兩套保護(hù)系統(tǒng)都處于運(yùn)行狀態(tài)，只有在發(fā)生嚴(yán)重故障時(shí)自動(dòng)退出運(yùn)行至測(cè)試模式。控制系統(tǒng)切換的重要原則之一是：兩個(gè)冗余系統(tǒng)中的切換邏輯完全獨(dú)立，以保證故障的備用系統(tǒng)將不會(huì)影響運(yùn)行系統(tǒng)的運(yùn)行和允許一個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)對(duì)另一系統(tǒng)進(jìn)行檢修。考慮到采用雙套保護(hù)同時(shí)運(yùn)行的可靠性更高，本站采用雙重化配置方案。

變電站本期和終期共需配置兩面110kV線路集中保護(hù)測(cè)控柜，每面柜內(nèi)含雙重化的110kV集中保護(hù)測(cè)控裝置，每套裝置最多可含8個(gè)110kV線路集中保護(hù)測(cè)控單元，每套110kV線路集中保護(hù)測(cè)控裝置第一套接入SV/GOOSE網(wǎng)A，第二套接入SV/GOOSE網(wǎng)B，保護(hù)采用“網(wǎng)采網(wǎng)跳”的方式；保護(hù)動(dòng)作、開關(guān)量變位等信息通過(guò)MMS接口上送。線路集中保護(hù)測(cè)控柜放置于110kV預(yù)制式二次設(shè)備艙。

3.4 其它保護(hù)測(cè)控配置方案

考慮到在某些地區(qū)，220kV變電站仍處于樞紐變電站或中間變電站地位，為滿足變電站運(yùn)行的可靠性要求。變電站主變及220kV線路保護(hù)測(cè)控仍按間隔獨(dú)立配置，裝置性能滿足新一代智能變電站功能需求，本文不做詳細(xì)論述。

3.5 集中式保護(hù)測(cè)控進(jìn)一步實(shí)施方案

基于目前的裝置研發(fā)和制造水平，采用集中保護(hù)測(cè)控裝置初期，建議控制集成度以保證可靠性為先。在下一步設(shè)計(jì)中還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下問(wèn)題：

（1）裝置主CPU的性能要求，應(yīng)按最極端故障情況下測(cè)試。

（2）裝置邏輯優(yōu)化，適應(yīng)各種情況下，分輕重緩急有序處理好各間隔的功能請(qǐng)求。

（3）設(shè)計(jì)過(guò)程中注重站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化，避免網(wǎng)絡(luò)阻塞、丟包現(xiàn)象。

隨著智能變電站網(wǎng)絡(luò)通信優(yōu)勢(shì)的提升，集中式保護(hù)測(cè)控裝置應(yīng)用在智能站中的可行性高，能夠簡(jiǎn)化二次回路，使二次設(shè)備的監(jiān)控管理更便捷。

同時(shí)裝置功能集成后，對(duì)設(shè)備CPU、保護(hù)測(cè)控邏輯及網(wǎng)絡(luò)通信提出了更高的要求，相比于分散式裝置，集中式保護(hù)測(cè)控裝置在簡(jiǎn)化二次回路、節(jié)約成本等方面具有較大優(yōu)勢(shì)，適應(yīng)新一代智能變電站發(fā)展需求，值得推廣應(yīng)用。

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