一種智能變電站備自投功能的改進設計方案

王立晶，倪宏坤，朱占文(.國網烏魯木齊供電公司，新疆 烏魯木齊 800；.國網新疆電力公司，新疆 烏魯木齊 8006；. 國網和田供電公司，新疆 和田 848000)

一種智能變電站備自投功能的改進設計方案

王立晶1，倪宏坤2，朱占文3
(1.國網烏魯木齊供電公司，新疆 烏魯木齊 830011；2.國網新疆電力公司，新疆 烏魯木齊 830063；3. 國網和田供電公司，新疆 和田 848000)

傳統上變電站備自投功能大多采用的獨立備自投裝置完成，通過相關間隔的斷路器、隔離開關位置、電流、電壓等信息傳給備自投裝置，由備自投裝置完成運行方式的識別和動作邏輯判別，最終完成斷路器的分合閘。具體提出智能變電站備自投功能的改進設計方案。此方案能夠直接應用到以IEC 61850標準為基礎建立起來的智能化變電站中，可使備自投功能的實現更加靈活，在工程實踐中具有較大的實用價值。

智能化變電站；IEC 61850；備自投

0 引 言

當前在電力系統中，備用電源自動投入裝置(以下簡稱為備自投)作為提高供電可靠性的有效手段得到廣泛的應用。在傳統變電站中備自投功能的實現通常由配置專門的微機備自投裝置加以完成。備自投裝置通過經傳統信號控制電纜傳輸的方式，采集供電電源及備用電源的電流、電壓、斷路器位置、隔離開關位置、合閘后狀態等交流輸入模擬量和輸入、輸出開關量，再進行相應的一次系統運行方式識別及備自投動作邏輯判別，最后將動作邏輯輸出信號經控制電纜傳輸給相應間隔的斷路器，完成斷路器的分合閘，達到維持供電，縮小停電范圍的目的[1]。

下面所論述的方案將基于網絡的GOOSE傳輸機制的理念應用于智能變電站中的備自投功能的實現中，通過數據采集數字化和網絡化，實現數據共享、獨立判斷，有效減少了變電站設備冗余而更加經濟，同時在繼電保護上又能達到備用電源自投的目的。

1 分布式備自投的含義

智能化變電站是以IEC 61850為通信標準，在信息采集、傳輸、處理、輸出的過程完全數字化的變電站[2，3]。GOOSE機制在符合 IEC 61850的數字化變電站中具有廣闊的應用前景，除了被應用于傳送實時跳閘信號、間隔邏輯閉鎖、檢同期等功能外[4]，也可以實現基于GOOSE機制的分布式母線保護、分布式備自投、分布式低周減載等功能的繼電保護及安全自動裝置。

由于在傳統上，變電站的間隔劃分通常以具有保護功能的斷路器設備為依據，這樣備自投功能的所需信息來自三個間隔(兩條線路及分段)。通常對于獨立配置的微機備自投裝置，首先經電纜傳輸的方式完成對Ⅰ、Ⅱ母線電壓、線路Ⅰ、Ⅱ電流、線路Ⅰ、Ⅱ和分段斷路器分、合閘位置及合閘后位置信息的采集；其次在備自投裝置中實現對Ⅰ、Ⅱ母線電壓有無電壓，線路Ⅰ、Ⅱ有無電流以及線路Ⅰ、Ⅱ和分段斷路器位置的相應判別；最后根據邏輯判斷結果動作后以裝置輸出開關量節點的方式，通過信號控制電纜傳輸給對應的斷路器完成跳、合閘操作[5]。

伴隨變電站的智能化發展趨勢和網絡化采樣技術及基于GOOSE機制的應用，傳統的二次信號控制電纜逐漸為信息網絡所取代，由此智能化變電站的各過程層裝置、各間隔層裝置，即可通過網絡實現信息共享，傳遞配置和控制命令，而采用此類技術的備自投稱為分布式備自投[6]。

2 基于GOOSE傳輸機制的分布式備自投實現方式

GOOSE傳輸機制是分布式保護或分布式自動化功能賴以實現的基礎，不僅可用于間隔層與過程層設備之間的縱向聯系如跳閘信息等，而且還可用于間隔層設備的橫向聯系，保護和測控等智能IED設備之間可以互相交換信息，更好地滿足智能化變電站的互操作和功能自由分布的要求[7]。

分布式備自投可具備以下兩種實現方式[8]。

(1)基于過程層采樣值(SMV)傳輸的分布式備投，此種方式要求接收采樣值由各裝置獨自完成，備自投邏輯功能判別由單一裝置獨立完成；

(2)基于間隔層GOOSE報文的分布式備自投，此種方式則將接收采樣值(SMV)和備自投邏輯判斷功能以不同的程度分散到各相關裝置中加以完成。

基于間隔層GOOSE報文的分布式備自投功能是由不同間隔設備的間隔層裝置共同完成，由各進線保護測控裝置完成進線有無電壓和有無電流判別，以及母線有無電壓判別；由分段智能接口單元完成分段斷路器分、合位置及合閘后位置采集；由線路智能接口單元完成線路斷路器分、合閘位置及合閘后位置采集；將獲得的信息通過網絡傳輸給主模塊，完成運行方式識別和動作邏輯判斷。

此方式開入開出信息采用IEC 61850標準GOOSE報文，通過數字傳輸網絡傳輸給主模塊，邏輯輸出結果也以GOOSE報文傳輸給分散執行單元，完成斷路器的跳合。這樣使備自投功能的實現更加靈活，備自投可以存在于任意間隔的保護測控裝置中[9]。

如上所述，將智能變電站備自投功能改進設計方案做出了具體配置設計，如圖1所示。

圖1 基于GOOSE傳輸機制的分布式備自投的配置方案圖

2.1 各間隔保護測控裝置配置

各間隔保護測控裝置配置的備自投邏輯模塊可基本分為以下兩大類。

(1)備自投功能主模塊

需配置此模塊的間隔：分段保護測控裝置。

分段間隔主模塊功能：識別分段斷路器的分合閘位置及合閘后狀態，接收各從模塊發送至本模塊的有無電流、有無電壓、斷路器分合閘位置及合閘后狀態等相關信息，結合實時一次系統運行方式及所采用的相應備自投方案邏輯加以判別，最終將跳合閘出口邏輯以GOOSE報文形式發送至各從模塊執行。

若現場需將主模塊獨立配置或集成于其他保護測控裝置內部時，僅需將上述分段斷路器的分合閘位置信息及合閘后狀態，按照線路間隔從模塊傳輸方式上送主模塊即可。

(2)備自投功能從模塊

需配置此模塊的間隔：線路Ⅰ保護測控裝置、線路Ⅱ保護測控裝置、TV1測控裝置、TV2測控裝置。

線路間隔從模塊功能：根據繼電保護定值整定值判別線路所經電流的實際狀態，并轉化為“是”或“否”的GOOSE報文形式傳輸至主模塊；同時將線路所對應的斷路器的分合閘位置信息及合閘后狀態轉化為“是”或“否”的GOOSE報文形式傳輸至主模塊。

接收主模塊傳輸的備自投GOOSE跳、合閘命令，作用于線路所對應的斷路器實現備自投出口的跳、合閘功能。

TV間隔從模塊功能：根據繼電保護定值整定值判別Ⅰ、Ⅱ母線所帶電壓的實際狀態，并轉化為“是”或“否”的GOOSE報文形式傳輸至主模塊；同時結合繼電保護定值完成Ⅰ、Ⅱ母線TV斷線告警判別，進而閉鎖備自投功能以及輸出告警信號值后臺監控的功能。

2.2 采樣值(SMV)的獲取

Ⅰ、Ⅱ母線的電壓數字信號通過光纖傳輸至電壓合并單元，經母線電壓擴展裝置單元傳輸至兩條線路各自所對應的合并單元，實現采樣值的合并處理。線路保護測控裝置從線路保護合并單元獲取本保護裝置判別采樣所需的實時電壓、電流信號。

2.3 分布式備自投邏輯功能的實現

如前所述，分布式備自投邏輯功能由分段保護測控裝置主模塊和線路保護測控裝置從模塊共同完成，而分布式備自投的動作邏輯和常規備自投相同。各從模塊共同承擔完成備自投功能的分散執行(判斷本間隔有無電流、有無電壓，再通過GOOSE報文將判斷結果發送至主模塊)，同時主模塊結合由智能IED通過GOOSE報文傳輸的斷路器分、合閘位置及合閘后狀態，完成備自投功能的集中處理[7，10]。

備自投功能的動作執行由主模塊通過GOOSE報文實時傳輸至線路或分段斷路器的智能IED完成。

此外備自投功能還需引入一個閉鎖備自投信號，此信號通過GOOSE報文得到。若現場需實現過負荷減載功能，則聯跳開出信號也可通過GOOSE報文至相應間隔智能接口單元IED設備予以實現。

3 基于GOOSE傳輸機制的分布式備自投動作行為分析

3.1 采用GOOSE傳輸機制的分段備自投方式

采用GOOSE傳輸機制的分段備自投方式的邏輯框圖如圖2所示。

(1)分段備自投方式投入工作，即主單元相應投退把手至“投入”位置且投退型定值為“投入”；

(2)工作電源和備用電源均正常，即符合有壓條件，TV間隔從模塊負責有無電壓邏輯判別，并將判別結果以GOOSE報文形式傳輸至分段間隔主模塊；

(3)工作和備用斷路器位置正常，即工作斷路器合位且處于合閘后狀態，備用斷路器跳位。線路間隔從模塊檢測斷路器分合閘位置及合閘后狀態，并將判別結果以GOOSE報文形式傳輸至分段間隔主模塊；

圖2 采用GOOSE傳輸機制的分段備自投方式邏輯框圖

(4)無閉鎖條件、放電條件。分段間隔主模塊接收母線有無電壓、線路間隔斷路器分合閘位置及合閘后狀態等GOOSE報文，結合自身斷路器分合閘位置信息及合閘后狀態，判斷備自投功能是否處于正常工作狀態；

(5)所有充電條件均滿足經10 s，備自投充電正常，完成備自投動作準備。

當備自投完成充電過程后，若發生線路Ⅰ失壓并無法對Ⅰ母線供電情況：

(1)TV1間隔從模塊判別Ⅰ母無電壓，發Ⅰ母母線無電壓GOOSE報文至分段間隔主模塊，TV2間隔從模塊判別Ⅱ母有電壓，發Ⅱ母母線有電壓GOOSE報文至分段間隔主模塊；

(2)線路Ⅰ間隔從模塊判別線路Ⅰ無流，發線路Ⅰ進線無電流GOOSE報文至分段間隔主模塊；

(3)經Tt跳閘延時(若有加速開入，則不經延時)后，分段間隔主模塊發跳線路Ⅰ斷路器GOOSE報文至線路Ⅰ間隔從模塊，令就地智能IED完成斷路器跳閘，同時就地智能IED發線路Ⅰ斷路器跳位GOOSE報文至分段間隔主模塊，判斷其是否跳開。

若跳閘命令發出5 s后，線路Ⅰ斷路器未跳開，分段間隔主模塊即收回跳閘GOOSE報文，并終止備自投過程；

(4)分段間隔主模塊收到線路Ⅰ跳位GOOSE報文并經Th合閘延時后，發合分段斷路器GOOSE報文至就地智能IED執行合閘，備自投動作成功，失壓母線恢復送電，整個備自投功能全部完成。

3.2 采用GOOSE傳輸機制的進線備自投方式

采用GOOSE傳輸機制的進線備自投方式的邏輯框圖如圖3所示。

(1)進線備自投方式投入工作，即主單元相應投退把手至“投入”位置且投退型定值為“投入”；

(2)工作電源和備用電源均正常，即符合有壓條件，TV間隔從模塊負責有無電壓邏輯判別，并將判別結果以GOOSE報文形式傳輸至分段間隔主模塊；

(3)工作和備用斷路器位置正常，即工作斷路器合位且處于合閘后狀態，備用斷路器跳位。線路間隔從模塊檢測斷路器分合閘位置及合閘后狀態，并將判別結果以GOOSE報文形式傳輸至分段間隔主模塊；

(4)無閉鎖條件、放電條件。分段間隔主模塊接收母線有無電壓、線路間隔斷路器分合閘位置及合閘后狀態等GOOSE報文，結合自身斷路器分合閘位置信息及合閘后狀態，判斷備自投功能是否處于正常工作狀態；

(5)所有充電條件均滿足經10 s，備自投充電正常，完成備自投動作準備。

圖3 采用GOOSE傳輸機制的進線備自投方式邏輯框圖

當備自投完成充電過程后，若發生線路Ⅰ失壓并無法對Ⅰ、Ⅱ母線供電情況：

(1)TV1間隔從模塊判別Ⅰ母無電壓，發Ⅰ母母線無電壓GOOSE報文至分段間隔主模塊，TV2間隔從模塊判別Ⅱ母有電壓，發Ⅱ母母線有電壓GOOSE報文至分段間隔主模塊；

(2)線路Ⅰ間隔從模塊判別線路Ⅰ無流，發線路Ⅰ進線無電流GOOSE報文至分段間隔主模塊；

(3)經Tt跳閘延時(若有加速開入，則不經延時)后，分段間隔主模塊發跳線路Ⅰ斷路器GOOSE報文至線路Ⅰ間隔從模塊，令就地智能IED完成斷路器跳閘，同時就地智能IED發線路Ⅰ斷路器跳位GOOSE報文至分段間隔主模塊，判斷其是否跳開。

若跳閘命令發出5 s后，線路Ⅰ斷路器未跳開，分段間隔主模塊即收回跳閘GOOSE報文，并終止備自投過程；

(4)分段間隔主模塊收到線路Ⅰ跳位GOOSE報文并經Th合閘延時后，發合線路Ⅱ斷路器GOOSE報文至就地智能IED執行合閘，備自投動作成功，失壓母線恢復送電，整個備自投功能全部完成。

4 改進設計方案的優點

(1)各相關間隔保護測控裝置所配置的從單元內完成電壓、電流、斷路器位置及合閘后位置等信息的判別，并以GOOSE傳輸機制方式傳輸至主單元，邏輯處理結果再以GOOSE報文傳輸機制發送至各個間隔就地智能IED，故從變電站硬件配置方面簡化了專門的備自投裝置。

(2)當運行變電站需要擴建線路間隔時，僅需將新增間隔設備相關信息接入備自投網絡，再對原有備自投軟件做相應修改調整即可，故無需改造或更換原有設備，可實現減少建設投資、縮短調試周期及現場施工風險的目的。

(3)新增線路間隔或更換保護測控裝置時，可利用智能化變電站已有的網絡結構，任何支持IEC 61850通信協議的設備均可接入備自投網絡[11]，無需配置專用規約轉換軟硬件進行規約轉換。

5 結 語

前面設計提出一種基于GOOSE傳輸機制的分布式備自投在智能化變電站的應用方案。

本方案是由各相關間隔的保護測控裝置所配置的從模塊負責有無電壓、有無電流、斷路器位置及合閘后位置等采樣和邏輯判別，判別結果以GOOSE報文經數字傳輸網絡傳輸至主模塊，輸出結果也以GOOSE報文形式通過數字傳輸網絡傳給相應的保護測控裝置令智能IED完成整個邏輯功能。電壓電流模擬量采樣值采用IEC 61850標準SMV服務報文傳輸至保護測控裝置，斷路器位置、合閘后位置以及判別邏輯輸出的傳輸采用GOOSE通道。

該方案從設計理論方面對分布式備自投的深層次應用做了全新的探索，具有很好的現場工程實用價值。

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An independent automatic throw-in equipment of emergency power supply is generally adopted to realize automatic throw-in function by the traditional substation. By means of sampling the information of the breaker, the disconnected switch, AC current and voltage and so on, the automatic throw-in equipment achieves the recognition of operating mode and the discrimination of action logic, and drives the breakers tripping. An improved design scheme of automatic throw-in function for smart substation is put forward. The proposed scheme can be directly applied to the smart substation established on the basis of IEC 61850, which can make the automatic throw-in function more flexible. And this scheme has the practical value for engineering application.

smart substation; IEC 61850; automatic throw-in equipment of emergency power supply

TM763

B

1003-6954(2015)02-0085-04

2014-12-16)

王立晶(1982)，碩士研究生，工程師，從事電力系統方式及穩定分析工作；

倪宏坤(1980)，碩士研究生，工程師，從事電力系統繼電保護運行及管理工作；

朱占文(1987)，大學本科，助理工程師，從事繼電保護定值整定計算工作。