220 kV智能變電站二次功能就地化縱向集成設計

朱 萍，郭朝云，尹 星，習 雯

(河北省電力勘測設計研究院，河北 石家莊 050031)

1 概述

國家電網公司提出了新一代智能變電站設計理念，即“一個設備、一級網絡、一個系統”，要求智能設備及自動化網絡高度集成化，加強對站控層、間隔層及過程層設備的整合。目前智能變電站二次設備配置主要存在問題：(1)由于增加了過程層網絡中間實現環節，帶來繼電保護整組動作時間延長問題；(2)間隔內設備功能分散，分別布置在開關場和保護室，未形成統一硬件模塊；(3)設備冗余配置，硬件利用率低下；(4)光纖和虛端子復雜，現場調試及檢修復雜。

目前智能變電站內二次設備多為橫向整合，無法從根本上解決變電站智能化帶來的保護速動性下降、虛端子復雜等問題，因此有必要研究間隔層、過程層設備跨層集成，利用集成單裝置實現間隔內保護或測控的完備功能。

2 二次功能就地化縱向集成需求分析

2.1 保護速動性、可靠性的需求

常規綜合自動化變電站線路保護采用“常規互感器+保護裝置”方案，智能變電站采用“常規互感器+合并單元+保護裝置+智能終端”方案。常規綜自變電站和智能變電站相對應的同一類型保護裝置的保護原理和邏輯處理機制是基本相同和移植通用的，只是裝置的結構及外部接口發生了變換 ，以220 kV線路保護裝置整組動作時間為例進行分析。

(1) 常規綜合自動化變電站

表1 常規綜自變電站線路保護整組動作時間構成

(2) 智能變電站

表2 智能變電站線路保護整組動作時間構成

比較表1、表2可知：在220 kV線路上發生金屬性故障時，常規綜自站線路保護整組動作時間為13.5 ms～17.5 ms，智能站線路保護整組動作時間為18.3 ms～23.3 ms。因中間中轉環節的增多，智能變電站比常規綜自站線路保護整組動作時間慢4.8 ms～5.8 ms。同時智能變電站采用的合并單元、智能終端等公共設備故障率較常規保護2倍以上，降低了繼電保護的可靠性。

為更好地滿足保護速動性和系統穩定性的要求，面向一次設備間隔，可采用集成間隔內保護、合并單元、智能終端功能的多功能保護裝置，直接電纜采樣實現間隔內保護功能并提升保護速動性。

2.2 設備就地化的需求

二次裝置就地化安裝可大大減少電纜(光纜)用量，簡化網絡配置，在設計、安裝、調試、運維等環節具有明顯的經濟效益。二次設備就地化布置以后，如果仍按間隔內保護、智能終端、合并單元設置方式，必然會造成硬件的重復配置和浪費，因此就地化必然要求二次設備的縱向集成。

2.3 管理運維的需求

智能站以光纜、交換機和配置邏輯代替二次回路，以SCD文件(二次系統配置文件)描述二次設備連接關系后，二次“虛回路”無法直觀可見，安全風險大。

通過縱向集成，單間隔內裝置間不再有虛端子回路，減少SCD工作量，集成和調試簡單清晰，可大大減少現場管理運維的難度和錯誤率。

3 二次功能就地化縱向集成設計方案

3.1 二次功能就地化縱向集成兩種設計方案

(1)方案一：保護/測控、合并單元、智能終端縱向集成方案

面向一次設備間隔，集成間隔內保護、合并單元、智能終端或間隔內測控、合并單元功能，使單裝置可實現間隔內保護或測控功能。保護或測控裝置與智能終端插件、合并單元插件通過裝置內部總線實現信息共享，集成裝置與外部聯系通過SV/GOOSE光口實現直采或組網。此種方式裝置內設有合并單元、智能終端獨立插件，適合和外部聯系比較多的220 kV及以上電壓等級。

(2)方案二：就地化、小型化方案

間隔內取消合并單元和智能終端，保護直接采樣，電纜跳閘，裝置采用無防護方式，通過航空插頭接口標準化，實現裝置“更換式檢修”。此種方式裝置一體化設計，適合和外界聯系少、集成度高的110 kV間隔二次設備。

220 kV站內35 kV(10 kV)一般為開關柜，設備均采用電纜直采直跳的方式，已集成合并單元智能終端等功能，不需再進行優化集成。因此本文主要論述220 kV及110 kV的集成方案。

3.2 220 kV二次功能就地化縱向集成

3.2.1 220 kV二次功能就地化縱向集成方案

(1)總體集成方案

220 kV間隔集成方案采用3.1中的方案一,多功能集成保護裝置設置獨立光口插件，通過光纖直連220 kV母差保護，實現母差保護的直采直跳；多功能集成保護、測控裝置通過電纜聯系交互跳合閘信息，同時多功能集成保護、測控裝置均接入過程層網絡，共享SV、GOOSE信息給錄波、網絡分析等設備。220 kV單間隔縱向集成前、集成后聯系示意圖見圖1、圖2。

圖1 220 kV單間隔聯系示意圖(集成前)

圖2 220 kV單間隔聯系示意圖(集成后)

由圖1、圖2可知，縱向集成后220 kV單間隔內原7臺二次設備縮減為3臺。

多功能保護/測控裝置均采用就地電纜直采直跳，保測回路相互獨立，兩者之間唯一的關聯，就是多功能測控通過多功能保護的操作回路通過電纜跳合閘。

(2)虛端子變化

因裝置集成，大大壓縮虛端子數量。因保護和測控功能相互獨立、充分解耦，提高SCD配置的安全性。

(3)各間隔就地化縱向集成方案

①220 kV線路、母聯間隔

220 kV線路、母聯就地化縱向集成方案見圖3。就地化多功能保護裝置集成后功能見表3。就地化多功能測控裝置集成后功能見表4。

圖3 220 kV線路、母線就地化縱向集成方案示意圖

表3 220 kV線路、母聯多功能保護裝置功能

220 kV多功能保護對外連接主要包括：保護電流輸入、電壓輸入及切換、GOOSE跳閘輸入/輸出、電纜開入、分相操作回路等相關插件。線路保護通過點對點或網絡輸出(IEC61850－9－2規約)給母線保護和故障錄波。戶外就地化需配置單獨的220 kV母線電壓并列裝置。

表4 220 kV線路、母聯多功能測控裝置功能

220 kV多功能測控對外連接主要包括：測量電流輸入、電壓輸入及切換、電纜開入/開出至多功能保護等相關插件。測控通過網絡輸出(IEC61850－9－2規約)給相量測量。

②主變間隔

主變保護需要跨電壓等級，覆蓋各側多個斷路器、電流互感器。所以還是采用合/智功能與保護功能分立的方案。主變保護到各側合智裝置采用SV/GOOSE共口點對點方式。主變測控按側配置，可考慮分側將測控裝置和合并單元、智能終端集成。

③220 kV母線間隔

220 kV母線保護采用直采直跳，220 kV線路、母聯間隔的多功能保護裝置提供本間隔SV和刀閘位置并執行跳令，主變間隔由合并單元、智能終端集成裝置配合提供相關信息。220 kV母線保護的電壓從母線合并單元點對點獲取。220 kV母線電壓經并列箱用電纜接至各間隔，各間隔做切換。PT刀閘位置、測量電壓采集，設置一臺就地化母線測控，集成智能終端、合并單元功能。

3.2.2 設備研制

就地化集成裝置基于采用背板數據總線技術，總線速率為25 M，設計功能解耦的軟硬件平臺，就地化多功能裝置硬件平臺示意圖見圖4。

圖4 就地化多功能裝置硬件平臺示意圖

3.3 110 kV二次功能就地化縱向集成

(1)功能集成

智能變電站110 kV間隔集成方案采用3.1中的方案二，110 kV線路、分段、母線、PT間隔內縱向功能集成，直接采樣、電纜跳閘，簡化中間環節，提升保護速動性和系統可靠性。

相對于方案一來說此方案最大特點為裝置采用無防護方式，防護等級高，同時裝置對外接口為航空插頭，使用預制電纜實現設備間連接，可實現裝置“更換式檢修”。

(2)設備研制

就地化集成裝置基于高速總線技術、獨立插件，采用高防護、抗干擾、一體化硬件設計，滿足戶外無防護就地化布置。110 kV就地化集成裝置硬件示意圖見圖5。

圖5 110 kV就地化集成裝置硬件示意圖

4 二次功能就地化縱向集成效益分析

4.1 保護動作快、裝置可靠性高

(1) 保護動作速度快：單裝置實現保護功能，減少SCD工作量，省卻了SV采樣和GOOSE跳閘的信號傳輸和處理環節，較集成前智能站線路保護整組動作時間快了4.8 ms～5.8 ms；

(2) 可靠性高：去掉了設備故障率為常規保護2倍以上的合并單元、智能終端等中間中轉裝置，減少了交換機數量，減少了潛在的故障點，并且單裝置所需的光口數量少，降低了發熱量，提高了可靠性。

4.2 占地少、造價省

采用縱向集成方案后，經濟性能也很明顯：

(1)節省裝置，取消了就地合并單元、智能終端裝置，1個220 kV間隔可節省二次裝置4臺，1個110 kV間隔降節省2臺裝置。

(2)減少了交換機數量，取消了間隔內過程層交換機，間隔內節省過程層交換機2臺。

(3)減少光纜和光纖使用量，僅需要集成裝置到過程層中心交換機和母差聯系光纜。

(4)減少屏柜數量和占地面積，僅需將電壓等級內公用的二次設備放入預制艙或保護小室內，間隔內設備全部就地化布置，降低了直接造價。

4.3 效果對比

假定變電站本期220 kV出線4回，1個母聯，2個母線PT；110 kV出線4回，1個母聯，2個母線PT，均采用雙母線接線，集成效果對比見表5。

表 5 縱向集成效果對比

保護功能獨立性 分散 獨立保護快速性 較快 快保護可靠性 較高高

5 結論

為貫徹新一代智能變電站小型化、就地化、集成化、模塊化建設要求，本文確定設計方案如下：

(1)220 kV配置多功能保護裝置，集成間隔內保護、合并單元、智能終端等功能；配置多功能測控裝置，集成間隔內測控、合并單元等功能。母線保護通過各間隔多功能保護SV直采。

(2)110 kV配置就地化無防護多功能二次裝置，集成保護、測控、計量、合并單元、智能終端等功能。

(3)多功能裝置采用功能解耦的軟硬件平臺，確保各功能相互獨立。該方案主要優點如下：

間隔內二次功能縱向集成后，可取消間隔內過程層交換機，集成后裝置就地直接采樣、電纜跳閘，簡化了中間環節，提升保護速動性和系統可靠性。

縱向集成后單間隔內裝置間無虛端子回路，減少SCD工作量，虛端子回路只存在于跨間隔裝置間，調試簡單清晰。

減少了二次裝置、光纜、屏柜數量，降低了工程造價。

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