智能變電站就地化保護研究現狀及應用展望

李亮玉，唐寶鋒，趙賢龍，張驥，鄭紫堯

(國網河北省電力有限公司經濟技術研究院，石家莊 050021)

0 引言

隨著智能變電站的推廣，現有智能變電站繼電保護面臨的問題愈加突出。(1)變電站數量增多，而運行維護(以下簡稱運維)檢修人員數量基本沒有增加，加之二次設備種類多、回路復雜，對運維人員要求高，保護運維工作量大。(2)二次設備生命周期要求為20年，一次設備為40年，二次設備更換時，設計、施工、調試工作量大，相應一次設備停電時間長。(3)公用元件，如合并單元、智能終端，故障率高，單一元件故障，影響多套保護動作的正確性，影響保護的可靠性。(4)智能變電站通常采用“常規互感器+合并單元”方案，中間傳輸和轉化環節多，造成保護動作延時，影響保護速動性。

在上述背景下，變電站保護近幾年不斷發展，二次設備發展的趨勢是就地化配置[1-2]，減少中間傳輸環節，二次設備與一次設備逐步融合。就地化保護有以下特點：(1)就地化保護裝置小型化，接口標準化，即插即用，簡化二次接線。同時調試、檢修、更換方便，減小了運維工作量。(2)就地安裝，電纜采樣、跳閘，提高保護的可靠性和速動性[3]。(3)滿足就地化安裝環境條件及長壽命要求，保護裝置就地化以后，運行在相對惡劣的自然和電磁環境中，IP防護、電磁兼容性(EMC)、熱設計要求要高于在保護室內運行時的相關要求。

目前，國內就地化技術發展較快，保護就地化已開展了大量技術方案研究，國內二次設備廠家已開發就地化保護產品，并在部分極端環境地區試運行[4-5]。本文在總結保護就地化現狀的基礎上，論述保護就地化技術方案，著重論述不同跨間隔保護方案，分析就地化保護關鍵技術，依據目前裝置研發進展對其應用前景進行展望。

1 保護就地化現狀

一直以來，變電站二次設備朝著簡化二次接線、提高可靠性、節約建設面積、方便運維的方向發展。智能變電站為就地化保護提供了平臺[6]，其中采用 IEC 61850—2004協議構建信息平臺，使保護測控裝置實現了變電站設備信息共享，信息通過通信網絡傳輸，為保護就地化創造了條件。

目前變電站保護就地化主要有以下幾種形式。

(1)繼電保護(以下簡稱繼保)小室。繼保小室將各電壓等級保護設備就地集中布置，減少了現場智能匯控柜到二次設備室的電纜和光纜長度，但繼保小室布置增加了建筑面積和公用屏柜數量。

(2)預制艙。主要適用于室外新建智能變電站，預制艙按相鄰幾個間隔就地布置，艙內集成保護、測控等二次設備及屏柜，屏間接線在廠內完成，預留對外電纜和光纜接口，預制艙整體吊裝到現場安裝，提高了施工效率。艙體結構滿足現場自然環境和電磁屏蔽要求。

(3)戶內匯控柜。戶內匯控柜主要針對戶內站氣體絕緣變電站(GIS)設備，按間隔靠近一次GIS設備分散布置。匯控柜由智能控制柜和保護柜組成，保護裝置就地布置在保護柜中。柜體室內布置，較易滿足溫度、濕度控制要求；采用不銹鋼板制造，滿足對電磁屏蔽的要求。

(4)戶外就地柜。戶外就地柜針對戶外變電站，保護裝置按間隔就地布置。柜體為該間隔的保護裝置提供工作環境，具備一定的防護等級，同時采用溫濕度控制技術，滿足裝置對工作環境的要求。柜體采用不銹鋼殼體，具備電磁屏蔽性能。

(5)戶外無防護就地安裝。隨著芯片制造等技術的進步，小型化、防護等級高、電磁屏蔽性能好的二次設備較易實現，保護裝置可以實現無防護就地化安裝。裝置可以安裝在現場獨立支架上、端子箱側壁或者端子箱內。同時，裝置采用預制式航插，方便設計、施工、維護和檢修。

表1 有主機和無主機環網方案對比

目前，這5種形式的就地化保護布置都有應用，減少了二次設備間的接線，縮減了二次設備建筑面積，簡化了二次設計和施工。但是，繼保小室、預制艙保護就地化程度不高，而目前的戶內匯控柜和戶外就地柜主要針對單間隔保護，本文著重針對戶外無防護就地保護，是全面的就地化。

2 就地化保護方案

保護就地化普遍遵循的是一次、二次設備對應原則，即二次設備按間隔分散布置。相應地，保護可以分為單間隔保護(線路保護、母聯保護等)、跨間隔保護(母線保護和主變壓器(以下簡稱主變)保護)。下面分別論述其具體方案。

2.1 單間隔保護方案

以220 kV就地化線路保護方案(如圖1所示，圖中MMS為站控層網絡)為例，除滿足線路保護基本要求外，其主要特點是：(1)取消了合并單元，其功能由就地化保護裝置集成，“電纜采樣、電纜跳閘”，減少了中間傳輸環節，整個裝置安裝在斷路器端子箱附近，操作箱簡化配置在本間隔就地控制柜上[7]。(2)單裝置完成所有功能，支持采樣值(SV)輸出及間隔層網絡報文(GOOSE)接收，通過GOOSE網發布本裝置信號，并訂閱其他裝置信號，例如：啟動失靈、閉鎖重合閘[8]。(3)采用單端預制航插作為標準化接口，實現即插即用，提高施工、檢修效率。(4)由于就地化保護安裝環境惡劣，裝置不帶人機對話界面，站控層增加智能管理單元實現此功能，雙機配置，分別與站控層的雙網絡連接。

圖1 就地化線路保護方案

2.2 跨間隔保護方案

跨間隔保護主要指母線差動(以下簡稱母差)保護、主變保護，采用分布式設計，即跨間隔保護間隔化，每種保護設置獨立的子機，按照斷路器配置子機單元，子機電纜采樣、電纜跳閘，減少中間環節，提高可靠性。

跨間隔保護普遍采用高可用性無縫環網HSR(High-availability seamless redundancy)雙向環網結構，采用有主機[9]和無主機[10-11](全主式)方案。兩種方案比較見表1。

無主機方案采用分布式子機，每個子機采集本間隔模擬量和開關量，獨立完成保護功能，與其他子機通過環網共享數據，啟動失靈等采用GOOSE方式。有主機方案與無主機方案同樣采用分布式設計，區別是有主機方案選用1個子機作為主機，主機完成保護功能，子機僅采集模擬量和跳閘信息。

2.2.1 主變保護方案

主變保護采用無主機方案時，變壓器發生內部故障，各個子機同時動作并將信息上傳至站控層，不便于后期的運行維護。所以，就地化主變保護普遍采用有主機方案[12-13](如圖2所示)，主機和子機均就地安裝，主機集成在本體子機或高壓側子機(圖2中集成在本體子機)。

各子機布置在主變各電壓等級側，子機實現“電纜采樣、電纜跳閘”，各子機間通信通過HSR環網匯集到主機，并接受主機的信號，同時子機通過SV和GOOSE網發布信息；主機進行邏輯運算，將結果發送給各子機。

2.2.2 母線保護

母線保護就地化普遍采用無主機方案[14]，便于檢修操作和改擴建過程中的“即插即用”，而無主機分布式就地母線保護方案主要有2種。

一種是環網分布式母線保護就地化方案，按間隔設置母線子機[15-16]，如圖3所示。各子機組成HSR雙向環網，各子機高可靠性、獨立、分散地實現母線保護功能。選取2臺子機作為對外通信的接口，一主一備，分別與GOOSE網絡和MMS網絡相連。這種方案子機數量過多，經濟性較差，文獻[17]提出在高壓線路繼電保護裝置中集成分布式母線保護功能，但這樣會使母線保護失去獨立性，目前還未見實際運行的裝置，其可靠性有待進一步討論。

圖2 就地化主變保護方案

圖3 環網分布式母線保護就地化方案

另一種采用有限集中式設計[18](如圖4所示)，實際上采用的是有主機星型網絡結構，以基礎保護為主機，由1個基礎保護單元和若干個擴展保護單元構成，基礎保護和擴展保護之間采用SV和GOOSE共口方式點對點連接，均采用就地化布置。各保護單元負責8個間隔模擬量和開關量的采集以及對應間隔的分相跳閘出口，基礎保護系統還完成保護邏輯、與智能管理單元接口、網絡通信接口功能。該方案減少了母線子機數量，又在一定程度上實現了保護的就地化。

2.3 站控層方案

站控層方案與未就地化前的配置方案最大區別是增加了智能管理單元，雙套配置，接入MMS。智能管理單元的功能如圖5所示，可以分為3部分：(1)基本功能，包括界面顯示、查詢、復歸，保護配置備份管理和一鍵下裝；(2)在線監測功能，包括保護裝置運行狀態監測、故障信息管理、遠程功能等；(3)高級功能，利用智能管理單元可以實現如保護診斷、配置文件管理等功能。同時，管理單元要求兼容不同廠家、型號的保護裝置。

圖4 有限集中式母線保護就地化方案

圖5 智能管理單元的功能

3 關鍵技術

采用就地化保護后，面臨兩方面的關鍵技術問題：運行環境的電磁兼容和環境防護問題，跨間隔保護數據同步問題。

3.1 滿足運行環境要求的技術

就地化保護裝置安裝在一次設備旁邊，所處電磁環境復雜，干擾強度遠大于保護小室，超過了現有的繼電保護通用條件。就地化保護裝置需要對EMC方案做增強設計，同時可采用分布式開關場二次等電位接地網技術[19]，保證裝置在電磁環境下可靠動作。

就地化保護安裝環境惡劣，尤其對于戶外變電站，保護裝置需要滿足以下要求：(1)保護裝置滿足標準化設計要求，接口密封采用特殊工藝處理，滿足防水、防塵、防誤等具體要求；(2)滿足運行環境要求，能抵御所在地區高溫、嚴寒、鹽霧等自然環境[20]；(3)機械強度設計能抵抗惡劣環境沖擊和機械振動。針對不同環境條件的裝置，應有與之適應的技術標準。

3.2 跨間隔保護數據同步技術

跨間隔保護就地化后，需要采用時間同步技術[21-22]，保證各間隔子機精確對時。目前，針對環網數據同步技術，普遍將環網內的報文傳輸時延分為傳輸時延和駐留時間兩部分，采用對稱算法計算節點間的傳輸時延，增加駐留修正時延后，再利用插值同步算法實現同步對時。

采樣同步目前主要有3種形式：基于外部時鐘的采樣、點對點采樣、基于采樣(中斷)事件的采樣。針對跨間隔就地化保護，基于外部時鐘的同步，在時鐘異常時系統不穩定，一般不采用；點對點采樣，對保護子機采樣率要求高(80點/周)，環網流量負荷大；所以，跨間隔保護采樣適合采用基于采樣(中斷)事件的采樣技術。

4 研發及應用展望

4.1 裝置研發

目前國內保護就地化裝置的進程是，線路保護就地化方案較為統一，完成了110～500 kV線路保護裝置的開發和試運行，而母線保護、主變保護就地化方案相對較不統一，但也進入了試運行階段。低壓側通常采用保護測控計量一體化裝置，就地安裝在開關柜，其就地化需要的進一步工作主要是標準化接口方面，采用雙端預制，取消端子排，減少柜內到柜門接線，實現即插即用，提高可靠性。

保護就地化后，相應配套裝置需要優化。端子箱和操作箱需要簡化和提高防護等級，保證保護回路整體的性能。同時，保護就地化以后，測控裝置、故障錄波等可考慮進一步實現就地化。

4.2 應用展望

保護就地化的目的之一是減少運維檢修工作量，設計、施工、調試方便。保護就地化后，裝置實現即插即用，運維檢修模式發生變化。

傳統調試分為工廠聯調(單體和集成調試)和現場聯調，工作量大，過程復雜。保護就地化以后，除滿足一般數字變電站測試要求[23-24]外，傳統的測試技術已經不再適用，保護設備的測試項目、測試方法、測試手段等會有較大的改變。(1)保護就地化后，沒有了人機界面，現場測試不太方便，需要在檢修公司完成設備調試，實現整站二次設備聯調或單裝置調試。(2)傳統保護設備調試時間較長，保護就地化后，標準化接口為設備功能測試提供了方便，自動測試系統與保護裝置直接連接，完成自動測試功能。裝置的配置及測試工作在調試中心完成后，現場整機更換，標準化航插接口實現“即插即用”，現場作業簡單高效，減少停電時間，提高工作安全性。裝置調試、檢修和消缺時間大幅縮短，可提高設備可靠性和電網運行效率。

5 結束語

隨著技術的發展，二次設備就地布置已是發展趨勢，保護就地化可以簡化二次回路，提升保護性能；減少屏柜數量，進而減少建筑面積，同時減少光纜數量；減少運維工作量，實現降本增效。

但是，目前就地化保護還有很多工作要做，需要廠家、設計、施工、運維等共同努力，參考國外經驗，努力推動我國變電保護就地化方案整體設計優化、運維技術和管理的創新，促進智能站設計、安裝調試和運行檢修等環節工作效率全面提升。