智能變電站過程層設備及二次回路優化研究

郭朝云，朱 萍

(河北省電力勘測設計研究院，河北 石家莊 050031)

1 概述

智能化變電站的發展一個重要目標是實現一次設備的智能化，即通過高壓設備本體和智能組件的結合使一次設備具有自動測量、控制、調節、狀態監測及預警、通信功能,目前一次設備智能化的發展逐漸向過渡階段發展。鑒于目前一二次廠家的融合情況，本文僅論述過程層智能組件的整合和回路優化情況，采用“一次設備+智能組件”的方式實現一次設備智能化。

過程層被定義為一次設備與二次設備的結合面，或者說過程層即為電氣設備的智能化部分，其主要功能有：電氣量實時檢測、設備的狀態參數檢測、信息采集與操作控制。鑒于目前國內一次廠家在二次組件生產方面能力較弱，因此智能組件基本由二次廠家提供，機構本體二次回路由一次廠家提供，因此一方面可將二次廠家提供的智能組件進行整合，一方面可簡化一次廠家提供的本體二次回路，從而實現智能組件的整合和功能擴展，進一步加強變電站內智能化水平。

2 智能終端和合并單元的整合

合并單元作為互感器智能化的重要組件，實現了將不同的電壓電流信號合并、同步以及進行協議轉換的功能。智能終端則通過快速通信功能(Generic Object Oriented Substation Event,GOOSE)實現了對開關整間隔的完整信息采集和控制。采用全下放方式時，智能控制柜中二次設備有時要多達9個裝置，柜內空間較緊張。因此如果對兩者進行集成，則可以很好地解決二次設備的安裝問題，又可以節省一定的資金。

2.1 中央處理器(CPU)整合

合并單元作需采集三相電流、電壓，保護用需雙A／D采樣，采樣信號多達20路左右，采樣速率為4kHz，采集量較大，CPU負載率可達82%，因此需設置單獨CPU處理。而合并單元IEC61850－9－2采樣值的組包和發送占用CPU資源較少，智能終端GOOSE接受和發送占用資源也不是很多，所以完全可能將IEC61850－9－2和GOOSE報文的處理放在一個CPU上完成，設計時只需要保證IEC 61850－9－2運行優先級比GOOSE優先級高，保證9－2信息的實時性即可。

2.2 光口整合

合并單元和智能終端均為過程層設備，分別使用IEC61850—9—2和GOOSE傳輸數據，雖然協議不同，但都是通過光纖以太網傳輸數據，所以光口是完全可以復用的，裝置僅需配置n個GOOSE+SV口和1個光對時口即可。采用集成裝置后，合并單元通過內部信息共享采集刀閘進行電壓切換，告警信號軟報文也可通過集成裝置的光口進行上傳，從而可以減少交換機光口占用量。集成裝置硬件邏輯圖見圖1。

圖1 集成裝置硬件原理圖

2.3 集成后的裝置尺寸

合并單元尺寸大小不一，有整層4U的，也有半層4U的，總體來說裝置空間比較富余。而智能終端隨著電壓的不同，1個間隔內對遙控和遙信數量需求也有所不同，裝置空間剩余不多，一般整層4U裝置來進行設計。但通過CPU插件、光口插件及電源插件的整合，合并單元和智能終端完全可以集成到一個整層4U裝置機箱中，見圖2。

圖2 集成裝置示意圖

3 智能終端和狀態監測IED的整合

3.1 整合可行性分析

狀態監測對智能電子設備(Intelligent Electroned Device,IED)處理實時性要求與監測量有關，不同的狀態監測參量需要的DSP采樣速率要求不同。但是，一般來說，除設備局部放電及油中溶解氣體外，其它狀態監測參量信息量較小并采用4 mA～20 mA輸出，可以整合到智能終端裝置中。按上傳至主IED的監測信息量，可將狀態監測參量按表1分類。

表1 狀態監測參量數據量

因此，可以看出局部放電對采集設備要求較高，其IED宜單獨設置，或在組件中設置獨立的局放DSP；油中溶解氣體的采集和監測需經復雜油氣分離、處理和分析，宜由專用設備實現；其它狀態監測參量完全可由智能終端單獨處理完成，監測IED功能可整合到智能終端中。

3.2 整合方案

智能終端中增加狀態監測插件，直接接收傳感器的采樣數據，通過間隔測控裝置進行采集處理并將數據傳到一體化平臺。

(1) 主變狀態監測IED

主變的監測參量為油中溶解氣體、鐵芯接地電流、油溫。鐵芯接地電流和油溫傳感器均可輸出4 mA～20 mA，可直接接入本體智能終端，不需設置獨立的監測IED；油中溶解氣體的采集和監測需經復雜油氣分離、處理和分析，宜配置專用的IED裝置實現其功能，不宜整合在智能終端中。

(2) 220 kV 狀態監測IED

220 kV在線監測參量為SF6氣體密度、避雷器泄漏電流和動作次數。SF6氣體密度、避雷器傳感器可輸出4 mA～20 mA或RS485信號，直接接入智能終端，不設獨立的監測IED。雙套配置智能終端的，狀態監測IED集成在智能終端A中。

考慮到局放狀態監測數據量較大，需單獨配置1臺局放監測IED，用于采集局部放電傳感器的信息。同時，設置一臺局部放電主IED，用于處理局放狀態監測數據并上傳至一體化平臺。

4 智能終端和GIS二次回路的整合

氣體絕緣封閉組合電器(Gas Insulated Switchgear,GIS)二次回路在斷路器切斷一次回路過程中起著重要的輔助和保護作用，目前的規程并沒有對GIS二次回路進行詳細的規定。各地習慣和設計上的差異使得作法多樣，不便于運行管理。另外，也存在一、二次設備生產廠家在二次回路上相互配合不好、功能重復等現象。智能終端一般下放到GIS就地控制柜中，智能終端中的二次回路和斷路器機構二次回路存在很多重復的地方，可以將這兩者統一考慮，進行整合，簡化，同時也可提高保護出口的獨立性和可靠性。

4.1 GIS 就地控制柜簡化設計

(1) 利用智能終端與過程層網絡信息的共享機制減少機構輔助接點、繼電器、端子排數量，縮小就地模擬盤的尺寸。

(2) 利用智能終端面板狀態指示取消本體顯示光字牌。

(3) 本體端子箱和智能控制柜之間全部通過航空插頭進行插件，方便現場施工。

4.2 斷路器防跳回路整合

目前運行的變電站一般采用兩種防跳方式：操作箱防跳和斷路器機構防跳。如果采用操作箱防跳功能，解除機構箱防跳功能后，由于在機構箱內的合閘路引接處通常接有就地／遠方轉換開關，解除了機構箱防跳回路，使得就地操作時就失去了防跳功能。采用機構箱防跳回路可以保證就地／遠方操作和一些非正常情況時均具有完整的斷路器防跳功能，在智能終端的功能上可以剝離相應的防跳接線，以達到簡化、優化，提高可靠性的目的。

4.3 壓力閉鎖回路整合

壓力閉鎖回路分為SF6氣體閉鎖和儲能機構壓力閉鎖(液壓、油壓等)兩種。考慮到SF6氣體為機構絕緣氣體，涉及到機構的安全問題，因此SF6氣體閉鎖回路放在機構本體較合適。

目前變電站操作箱和斷路器機構一般均配置完善的跳合閘壓力閉鎖回路，可通過接入機構接點實現壓力閉鎖。這種方案的問題在于，就地操作或操作箱與機構箱間的相應回路斷線時將使斷路器的壓力閉鎖失去作用，因此考慮取消智能終端的壓力閉鎖回路，采用機構低氣壓閉鎖回路。

壓力低閉鎖重合閘接點可作為遙信開入到智能終端中，智能終端通過GOOSE提供給保護裝置。

4.4 非全相保護整合

斷路器非全相保護的實現有兩種方式，一種是斷路器機構箱的非全相保護，利用三相位置接點啟動時間繼電器出口直接跳閘；另一種是斷路器保護中的非全相保護，一般由非全相判別元件和靈敏的負序電流元件組成與門啟動時間元件。

對于智能終端的非全相保護，當控制回路斷線和位置繼電器故障時，斷路器位置監視回路不能正確反映斷路器位置的實際狀態。在跳閘線圈分相設置斷路器的操作回路中，由于每相的跳閘線圈各有一個合閘位置監視繼電器，只要有一個繼電器返回，就將發出斷路器三相位置不一致信號，可能導致出口。而采用機構箱三相不一致保護，直接采用斷路器原始位置接點就近出口。因此應采用斷路器機構箱實現三相不一致保護功能，取消智能終端中的三相不一致接線。

4.5 GIS五防聯閉鎖整合

監控系統采集了變電站中各間隔元件的模擬量、狀態量，防誤操作可利用監控系統的強大優勢，取消就地橫向電氣聯閉鎖接線和五防鎖具，僅保留本間隔內聯閉鎖回路，利用GOOSE實現橫向聯閉鎖功能，遠方/就地操作均由本間隔電氣接點閉鎖回路和智能終端輸出操作閉鎖接點串聯來共同實現；手動操作的設備及網門等采用電磁鎖實現防誤操作。監控系統的防誤閉鎖邏輯判斷還可以包含模擬量判別條件，充分保證防誤操作的可靠性，見圖3。

圖3 采用五防閉鎖接點的控制回路

4.6 其它二次回路整合

跳合位監視可通過在跳合閘出口接點上并聯光耦監視回路，以監視斷路器跳合閘回路狀態；事故總信號則通過裝置軟件對合后位置的置位來實現；智能終端一方面經GOOSE接受保護、測控發出的閉重信號，同時也通過硬連線接收另一個智能終端的閉重信號。

5 主變壓器二次回路整合

主變壓器的測量信息主要有油溫信號、氣體繼電器動作信號可直接接入本體智能終端中，本體智能終端一般考慮整合非電量功能，下面主要論述有載調壓回路和風冷控制回路的整合。

5.1 有載調壓控制器二次回路整合

目前主變壓器有載調壓控制主要分為兩種，一是控制回路在機構本體，通過帶觸點的電器元件和機械零部件等組成一個復雜的傳動控制系統，這種復雜系統直接影響了機構本身的機械壽命及運行質量；二是將有載調壓回路做成控制器可放于控制屏內，本體中僅保留交流接觸器和電機，本體和控制器之間通過航空插頭連接，使用電氣信號的通斷，不需要用觸點及機械控制來實現，從而實現機電分離。可以看出后一種控制模式比較符合智能化的精神，是今后發展的方向。

但目前有載調壓控制器均不具有以太網口，需在原有裝置上增加支持DL/T860協議網口，并加入有載調壓狀態監測功能，形成有載調壓智能組件，放置于就地主變智能柜中。基本原理如下：變壓器有載分接開關位置信號及信異常狀態息(如電源故障、拒動)通過航空插座傳入控制器，控制器通過網絡將信息發送至測控裝置，同時接受調度系統調壓指令或通過自動控制策略進行調壓。

隨著技術發展可考慮將有載調壓功能集成在主變本體智能終端中，有載調壓智能組件的主要功能是控制和調節功能，對處理器要求并不高，完全有可能利用本體智能終端處理器對數據進行處理。

5.2 變壓器冷卻系統控制回路整合

目前220 kV及以上的變壓器多采用風冷的冷卻方式，由于風冷控制系統在室外惡劣環境頻繁啟停、長期工作，交流接觸器的觸頭會氧化、磨損；而在出現斷相或電機內部故障而電流不平衡時，其它兩相的電流增大不超過20%，熱繼電器不足以引起發熱而啟動電機保護，往往會導致電機損壞。所以現有風冷控制系統存在腐蝕老化、維護量大、電機保護配置不全、運行不便的缺陷，而且沒有通信功能，已不能適應變電站智能化的要求。

5.2.1 智能風冷實施方案

風冷系統智能控制裝置以可編程控制器(PLC)為控制核心，對風冷系統進行在線實時監控，根據運行中變壓器的負荷電流、油溫和環境溫度等條件，進行各類數據的優化判斷后，自動控制冷卻系統的運行；遠方集控中心可通過裝置的網絡通信功能對整個主變壓器風冷系統的工作狀態和故障情況實時監控，以保證變電站的變壓器正常運行，見圖4。

圖4 智能風冷系統框圖

當變壓器的負荷增加或上層油溫超過設定溫度時，PLC根據主變過流信號和變壓器油溫度計閉合接點送入的信號進行判斷，發出相應指令，投入備用冷卻器。投入時先投入一組冷卻器，如果投入后延時一段時間油溫降不下來，則繼續投入其他備用冷卻器組。如果油溫下降低于設定的溫度下線一段時問后，則自動一組一組退出備用冷卻器組，實現了備用冷卻器組的自動控制。

5.2.2 智能風冷變頻調速分析

從多年的運行經驗看，冷卻系統最易損壞的是風扇電動機，而損壞的原因是風機軸承磨損。隨著控制技術的發展，變頻器的使用越來越廣泛。變頻調速的優點是啟動電流小，速度可調節，電動機可以調速化和小型化，保護功能齊全(如過載保護、過電壓和欠電壓保護)等。因此可采用變頻器控制主變風冷系統，通過實時檢測主變的不同溫度改變電機的頻率，從而控制風扇電動機的工作狀態，這種控制方式可以使系統安全、有效的運行，同時延長風扇電動機的壽命，節約電能。

6 結論

本文分析了合并單元智能終端集成裝置實現的可行性和方法，通過共享機箱、電源、CPU、通信光口，有效節約智能控制柜的空間；分析了各種狀態檢測參量的數據量，推薦由智能終端完成SF6氣體密度、

油溫和避雷器泄漏電流、放電次數的采集；將智能終端和斷路器二次回路進行整合，去掉重復功能，簡化二次回路；配置具有過程層接口的主變有載調壓IED，整合有載調壓二次控制回路；采用PLC可編程控制器實現智能風冷，實現風冷數據傳輸的數字化，采用變頻器實現風扇電動機的變頻控制，達到節能和延長風扇壽命的可能性。

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