智能變電站采樣方式的優(yōu)化設(shè)計與研究

尹 星，索志剛，王 維，朱 萍，郭朝云

(河北省電力勘測設(shè)計研究院，河北 石家莊 050031)

電子式互感器及合并單元在智能變電站中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了采樣的數(shù)字化，并從整體上促進(jìn)了變電站二次回路的光纖化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化甚至智能化。智能變電站二次回路的“四化”不僅克服了常規(guī)變電站電纜二次回路接線復(fù)雜、抗干擾能力差等缺點(diǎn)，還通過網(wǎng)絡(luò)通信方式方便地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享、硬件資源共享，并為實(shí)現(xiàn)二次回路狀態(tài)在線監(jiān)測提供了條件。

智能變電站的采樣方式，既要滿足繼電保護(hù)可靠性高的要求，又要充分發(fā)揮智能變電站數(shù)據(jù)共享的優(yōu)勢。因此智能變電站采樣方式優(yōu)化設(shè)計具有重要意義。

1 智能變電站采樣方式的現(xiàn)狀

1.1 采樣方案分類

1.1.1 直接采樣

二次裝置通過光纖直接與合并單元點(diǎn)對點(diǎn)連接的方式稱為直接采樣(直采)，見圖1。

圖1 直接采樣示意圖

1.1.2 網(wǎng)絡(luò)采樣

二次設(shè)備經(jīng)過SV網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與合并單元通訊，從合并單元獲取數(shù)字采樣值得方式稱為網(wǎng)絡(luò)采樣(網(wǎng)采)，見圖2。

圖2 網(wǎng)絡(luò)采樣示意圖

1.2 智能變電站采樣方案現(xiàn)狀

在智能變電站中，數(shù)字化保護(hù)裝置要能正常工作，一個先決條件式采樣值傳輸延時可知，或者采樣數(shù)據(jù)本身已同步。當(dāng)前智能變電站中大部分交換機(jī)本身采樣延時不穩(wěn)定，無法測量。若保護(hù)采用網(wǎng)絡(luò)采樣的方式，同時又不依賴外部對時，目前有3個方法：

(1) 交換機(jī)本身的數(shù)據(jù)傳輸延時做到穩(wěn)定。

(2) 交換機(jī)自己測量報文在自己內(nèi)部的延時，然后放在報文幀中發(fā)送給保護(hù)裝置，這樣保護(hù)裝置有可能實(shí)時計算出每一幀采樣值報文的延時，從而做到采樣值同步。

(3) 采用其他通信方式，采樣值傳輸延時是可知的。

綜合考慮保護(hù)動作快速性與系統(tǒng)可靠性，保護(hù)裝置直接采樣比網(wǎng)絡(luò)采樣更有優(yōu)勢。而對于測控裝置、故障錄波、網(wǎng)絡(luò)分析、電能表等間隔層設(shè)備，無需作差動計算，對于可靠性的要求較繼電保護(hù)設(shè)備較低，可以依賴外部時鐘，因此，測控裝置、故障錄波、網(wǎng)絡(luò)分析、電能表等設(shè)備可以通過網(wǎng)絡(luò)采樣，實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的共享，節(jié)約電纜，減少電纜傳輸過程中的干擾。目前智能變電站采樣方案見圖3。

圖3 智能變電站采樣方案現(xiàn)狀

2 采樣方式對繼電保護(hù)的影響

2.1 繼電保護(hù)實(shí)際動作時間理論對比分析與調(diào)研

2.1.1 理論動作時間分析

(1)線路保護(hù)理論動作時間分析

① 常規(guī)變電站

以220 kV及以上線路保護(hù)裝置整組動作時間為例進(jìn)行理論分析，因不同廠家裝置處理方式不同，分析數(shù)據(jù)可能不同。常規(guī)變電站線路保護(hù)整組動作時間構(gòu)成表見表1。

表1 常規(guī)變電站線路保護(hù)整組動作時間構(gòu)成

②智能變電站

智能變電站線路保護(hù)整組動作時間構(gòu)成見表2。其中合并單元前置延時與插值時間2 ms，數(shù)字低通0.5 ms，數(shù)據(jù)窗11 ms，算法計算及邏輯執(zhí)行時間等3 ms，智能終端時間5 ms。此外，當(dāng)遠(yuǎn)端故障電流較小時，不同廠家數(shù)據(jù)窗采用短延時或其他措施，以提高可靠性。

表2 智能變電站線路保護(hù)整組動作時間構(gòu)成

(2)其他繼電保護(hù)理論動作時間分析

對于母線保護(hù)和變壓器保護(hù)，常規(guī)變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)至斷路器跳閘線圈的時間由于需要TJR繼電器重動，因此智能變電站要比常規(guī)變電站保護(hù)快5～10 ms。常規(guī)變電站保護(hù)跳閘回路見圖4。

圖4 其他繼電保護(hù)跳閘回路圖

2.1.2 調(diào)研試驗(yàn)

經(jīng)調(diào)研國內(nèi)主流6個繼電保護(hù)廠家產(chǎn)品的運(yùn)行情況，對220 kV縱聯(lián)線路保護(hù)整組動作時間進(jìn)行對比，對比見圖5。

圖5 整組動作時間進(jìn)行對比圖

經(jīng)過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，各廠家220 kV線路保護(hù)產(chǎn)品，智能變電站整組動作時間較常規(guī)變電站平均延長了10 ms左右。

2.2 結(jié)論

經(jīng)過上述理論分析與調(diào)研結(jié)果，可知對于智能變電站線路保護(hù)整組動作時間延長的主要原因是增加了合并單元采樣環(huán)節(jié)，而對于母線保護(hù)、主變保護(hù)等其他保護(hù)設(shè)備，由于常規(guī)站TJR繼電器重動時間較長，智能變電站與常規(guī)變電站相比整組動作時間并未延長。

3 優(yōu)化方案的研究

根據(jù)上述對采樣方式現(xiàn)狀的分析及調(diào)研結(jié)論，提出了如下三種不同的優(yōu)化設(shè)計方案。

3.1 調(diào)整二次回路

對于采用常規(guī)電磁式互感器的智能變電站，如電壓電流量不經(jīng)合并單元直接接入保護(hù)裝置，電流量串接于合并單元后，電壓量并接于合并單元。可節(jié)省一個環(huán)節(jié)，在保證了智能變電站數(shù)據(jù)共享的前提下，減少了繼電保護(hù)整組動作時間，見圖6。

圖6 調(diào)整二次回路優(yōu)化采樣方案示意圖

具體方案如下：

線路保護(hù)模擬量采樣，其他保護(hù)設(shè)備SV直采，故障錄波、網(wǎng)絡(luò)分析SV網(wǎng)采。

經(jīng)繼電保護(hù)整組動作時間分析可知，只有線路保護(hù)經(jīng)合并單元采樣后會對速動性產(chǎn)生影響。綜合考慮到220 kV及以上電壓等級線路保護(hù)在系統(tǒng)中的重要性，及相關(guān)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，線路保護(hù)采用獨(dú)立裝置，雙重化配置。

雙重化配置合并單元，多功能測控裝置集成非關(guān)口計量及PMU采集功能。

(1)線路保護(hù)電纜模擬量采樣，串接于合并單元后。

(2)斷路器保護(hù)SV直采合并單元。

(3)母線保護(hù)SV直采合并單元。

(4)多功能測控裝置、故障錄波、網(wǎng)絡(luò)分析SV網(wǎng)采。

3.2 采用基于縱向整合的多功能保護(hù)裝置

基于縱向整合的多功能保護(hù)裝置，合并單元功能模塊通過電纜直采模擬量，經(jīng)裝置內(nèi)部高速總線以私有規(guī)約直接發(fā)送至保護(hù)功能模塊，很大程度上提升了采樣速度，改善了智能變電站線路保護(hù)速動性明顯變差的劣勢，并且合并單元功能模塊可配置獨(dú)立的SV光口，實(shí)現(xiàn)其他跨間隔保護(hù)(母線保護(hù)和主變壓器保護(hù))SV直采的需求，以及SV組網(wǎng)的需求。故障錄波及網(wǎng)絡(luò)分析可通過過程層網(wǎng)絡(luò)采集SV信息，兼顧了信息數(shù)字化和數(shù)據(jù)共享，見圖7。

圖7 基于縱向集成的多功能保護(hù)采樣示意圖

3.3 優(yōu)化過程層網(wǎng)絡(luò)

3.3.1 過程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計原則

過程層網(wǎng)絡(luò)要求具有比間隔層網(wǎng)絡(luò)更高的可靠性，具體要求為：

(1) 應(yīng)采用可靠性高的星形結(jié)構(gòu)。與總線型和環(huán)形結(jié)構(gòu)相比，星形結(jié)構(gòu)擴(kuò)展方便、協(xié)議簡單、網(wǎng)絡(luò)傳輸延時小、無廣播風(fēng)暴風(fēng)險，是過程層網(wǎng)絡(luò)的首選結(jié)構(gòu)。

(2) 交換機(jī)N-1故障不應(yīng)影響保護(hù)信息傳輸。智能變電站繼電保護(hù)保護(hù)直采直跳，啟動失靈/重合閘、失靈聯(lián)跳等信息通過過程層網(wǎng)絡(luò)傳輸。當(dāng)保護(hù)與過程層網(wǎng)絡(luò)一一對應(yīng)連接時，交換機(jī)N-1故障將造成一個網(wǎng)絡(luò)的信息交換中斷，某些重要功能(失靈聯(lián)跳等)可靠性降低50%，對電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來不利影響。因此，220 kV及以上電壓等級過程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計必須考慮交換機(jī)N-1方式下的保護(hù)信息傳輸可靠性問題，要求保護(hù)設(shè)備采用冗余連接方式。

(3)交換機(jī)N-2故障應(yīng)盡量減少對兩套保護(hù)的影響。雖然對于220 kV及以上電壓等級過程層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)發(fā)生N-2故障概率很低，但過程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計應(yīng)考慮減少此種故障的影響，提高極端情況下抵御風(fēng)險的能力。

3.3.2 過程層網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計方案

根據(jù)上述過程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計原則，過程層網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案為：SV、GOOSE共同組網(wǎng)，雙重化保護(hù)各設(shè)置獨(dú)立的雙網(wǎng)，見圖8。

圖8 過程層網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案

方案特點(diǎn)：

(1)基于共網(wǎng)共端口技術(shù)，SV、GOOSE共網(wǎng)傳輸，節(jié)約交換機(jī)。

(2)雙重化的A、B套裝置過程層信息相互獨(dú)立傳輸，交換機(jī)負(fù)載較輕。

(3)交換機(jī)N-1故障不影響保護(hù)信息傳輸，N-2故障最多影響一套保護(hù)的信息交換，不影響第二套保護(hù)功能。校驗(yàn)N-2故障時，可靠性較常規(guī)智能變電站提供50%。

4 方案實(shí)施及效果分析

4.1 效果檢驗(yàn)

針對三種不同的的優(yōu)化設(shè)計方案，分別在河北滄州獻(xiàn)縣東220 kV新一代智能變電站新建工程、河北邯鄲涉武500 kV變電站新建工程、國家電網(wǎng)公司2016年設(shè)計競賽太平莊220 kV變電站新建工程中進(jìn)行效果檢驗(yàn)。檢驗(yàn)方法分別為聯(lián)調(diào)測試、專家評估及現(xiàn)場實(shí)施三種不同的方法。校驗(yàn)結(jié)果見表3。

4.2 效益分析

如果采用基于縱向整合的多功能裝置的優(yōu)化方案，則每個間隔可節(jié)省裝置2臺(分別為智能終端及合并單元)，根據(jù)目前國內(nèi)主流二次設(shè)備廠家投標(biāo)價格，平均1臺裝置約10000元，對于一個220 kV智能變電站共約有20個間隔，產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益為20×2×10000=400000元。

表3 實(shí)施效果檢驗(yàn)

5 結(jié)論

智能變電站采樣方式的優(yōu)化設(shè)計方案不僅滿足了當(dāng)前智能電網(wǎng)及智能變電站的發(fā)展需求，實(shí)現(xiàn)了采樣值數(shù)據(jù)共享，而且與常規(guī)智能站相比繼電保護(hù)的可靠性、速動性得到了很大的提升，經(jīng)濟(jì)效益顯著，推廣應(yīng)用前景廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉振亞．國家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計，110(66) kV～750 kV智能變電站部分[M]．北京：中國電力出版社，2011．

[2] GB/T 14285－2006，繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程[S]．

[3] GB/T 51072－2014，110(66) kV～220 kV智能變電站設(shè)計規(guī)范[S]．

[4] Q/GDW 441－2010，智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范[S]．

[5] 張志鵬，郭朝云，朱萍．特高壓變電站過程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計[J]．電力勘測設(shè)計，2016，(2)．

[6] 陳原子，徐習(xí)東．基于并行冗余網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架[J]．電力自動化設(shè)備，2011，32(1)．

[7] 曹團(tuán)結(jié)，黃國方．智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)與應(yīng)用[M]．北京：中國電力出版社，2013．