智能變電站即插即用就地化保護應用研究

劉興勇 呂昕昕 盧卓群 鄒高凱 王濤

摘要：為提高智能變電站保護裝置的環境適應性、運行可靠性，降低變電站的運行成本。本文研究了即插即用就地化保護裝置在智能變電站中的應用。介紹了智能變電站即插即用就地化保護裝置的硬件及軟件設計方案， 并在220kV保國智能變電站、海豐變電站掛網試運行，提升了智能變電站的保護性能及運行可靠性。驗證了即插即用就地化保護裝置及智能管理單元軟件的實用性與有效性。

關鍵詞： 智能變電站;即插即用;就地化保護

中圖分類號：TP273文獻標識碼：A

智能變電站采用智能化一次設備替代了常規一次設備，數據傳輸形式由模擬量轉變為光數字量，減少了變電站的二次電纜，提高了信息的共享水平，獲得了良好的應用技術價值。現行的智能變電站建設模式是保護裝置安裝于保護室，采用直采直跳的方式，電纜變成了光纜，同時增加合并單元與智能終端等中間環節，采用組網的通訊模式，保護的動作時間較常規保護有所延長，合并單元及智能終端一般安裝于戶外匯控柜，運行環境惡劣，抗電磁干擾能力差，故障率居高不下，實際降低了保護的可靠性。同時，二次“虛回路”無法直觀顯示，配置文件管控難度較大，現場調試及檢修復雜，停電時間長等，都是新一代智能變電站所面臨的問題。

針對上述問題，本文研究了即插即用就地化保護裝置在智能變電站的應用。節約了建設投資成本，降低了運行維護的難度。即插即用就地化保護裝置技術的研究，為新一代智能變電站的發展開拓了一條新的思路。

1 即插即用就地化保護裝置

即插即用就地化保護裝置是基于IEC61850標準開發，采用高防護、抗干擾、一體化硬件設計的就地化二次設備，整機滿足無防護下放就地要求。具有無液晶屏（遠方“虛擬”顯示），戶外安裝（散熱性能優于智能柜）、航空插頭（快速插拔、防誤插拔）、小型化等特點。裝置安裝于變電站的間隔層，向上能以IEC6185081與變電站層的監控、遠動、故障信息子站等設備通信，使用預制航插硬連接，簡化了二次回路。裝置支持面向通用對象的變電站事件（GOOSE）功能，滿足數字化變電站需求，滿足GOOSE組網方式。

即插即用就地化保護裝置包括以下模塊：CPU1、CPU2、GOOSE、管理、交流、開入、開出、電源。使用兩塊雙核處理器，分別相當于常規保護的“CPU1插件”、“GOOSE插件”、“CPU2插件”、“管理板”。裝置采用常規互感器輸入，用電纜直接采樣和電纜直接跳閘方式，裝置接收的斷路器位置等本間隔開入信息應采用電纜連接方式，與其他裝置間的啟動、閉鎖等信號應采用GOOSE網絡傳輸。即：常規采樣、常規跳閘、組網GOOSE。

即插即用就地化保護裝置的特點：

（1）保護體系相對獨立，不依賴外部系統和設備：裝置采集接口、動作邏輯和啟動、聯閉鎖、出口不依賴外部環節，與傳統保護相比，不降低保護可靠性。

（2）充分利用智能站數據共享優勢，簡化裝置開入和開出電纜，裝置防護等級提高到IP67。

（3）減少二次設備種類，提高裝置的通用性，同一類型設備能做到即插即用，可互相替代。

（4）保護功能相關的輸入和輸出必須可靠，保護整組動作時間滿足GB/T 14285相關條款要求。

2 即插即用就地化保護裝置硬件及軟件設計

為保證即插即用就地化保護裝置在自然環境惡劣（高溫、腐蝕、雷雨、高寒等），電磁環境復雜（離開關場更近暫態過程、VFTO，電纜短，衰減少）的情況下，保能夠長期安全可靠運行、保障系統安全，裝置采用了以下關鍵技術：IP防護、EMC、低功耗/散熱一體化熱設計、航空插頭、智能管理單元。

（1）IP防護：LED顯示采用局部灌膠;端接采用高IP防護的航空插頭;所有密封件，采用抗腐蝕、戶外型材料。就地化保護裝置采用全密閉外殼，一體成型。達到IP67防護等級。

（2）EMC 設計：參考ECVT，裝置的EMC設計和測試，按最高標準，并通過GIS隔離開關分合試驗，專項做VFTO測試。

（3）熱設計：依據標準《GBT 4798.42007 電工電子產品應用環境條件第4部分：無氣候防護場所固定使用》中統計國內各地區戶外溫度值，按無防護戶外運行，最高環境溫度為攝氏55℃。整體可靠性設計，基于應力強度模型。

（4）裝置接口：裝置接口標準化設計，所有的端子定義統一，不同廠家裝置可實現互換，采用航空插座與航空電纜，實現快速、可靠的插接;接口密封采用特殊工藝處理，滿足防水，防塵等具體要求;不同色帶和容錯鍵位設計，防止現場的誤碰和誤接線;更換式檢修，實現少維護、易維護，現場工作量大幅降低。

（5）智能控制單元：由于即插即用就地化保護裝置取消了鍵盤和液晶顯示，因此在站控層設置就地化保護智能管理單元，提供人機交互的手段，同時智能管理單元還能實現所有保護裝置的集中配置功能。智能管理單元提供完善的備份區管理和可靠的備份下裝流程。設備維護或整體更換時，從智能管理單元中獲取裝置的備份文件，一鍵式下裝到裝置。重啟裝置，裝置就可以正常工作。就地化保護裝置具備上送電源電壓、光功率、溫濕度，便于設備遠程在線監視和歷史狀態追溯。保護管理單元可基于推理機，亞健康和缺陷可以診斷出來提前預警，維護檢修更有效率。通過此系統，我們可以快速便捷得到全站設備運行、通信狀態和裝置運行工況，便于合理安排設備檢修計劃。

3 即插即用就地化保護裝置在變電站中的應用

為檢驗就即插即用地化保護裝置的性能，試驗地區選擇在遼寧省朝陽市，試點線路為220kV海保1號線，線路長34.3km，試點線路兩側站點為保國220kV智能變電站（常規互感器+合并單元，主試站）及海豐220kV變電站（常規變電站，配合站），

即插即用就地化保護裝置組網方案，如圖1所示：

保國220kV智能變電站及海豐220kV變電站配置如下主要設備：

（1）220千伏保國變為主試站，配置2臺220千伏即插即用就地化保護裝置。采用無防護就地支架安裝至本間隔戶外端子箱處，就地支架及就地化保護附件等按5套配置。保護室配置1面保護智能管理單元屏。

（2）220千伏海豐變為配合站，配置2臺220千伏即插即用就地化保護裝置，采用無防護就地支架安裝至本間隔戶外端子箱處。無保護智能管理單元屏。

就地化保護裝置采用側壁式支架安裝在端子箱一側，支架前后背靠背布置。考慮就地化設備運行維護過程中對預制光電纜的防誤碰、防誤插拔需求，

在預制線纜外端增加防護罩。端子箱結構采用標準戶外柜形式，雙層結構。端子箱和防護罩均選用不銹鋼板制作，防腐性能良好，端子箱和防護罩外部均設置鎖具。考慮設備更換式檢修，防護罩選擇局部開門設計，防護罩整體可靈活拆卸，便于預制線纜的更換。

即插即用就地化線路保護裝置的安裝圖，如下所示：

即插即用就地化保護裝置在實際應用中提升的保護性能指標：

（1）提升速動性：就地化保護裝置采用電纜直接采樣直接跳閘，減少數據傳輸中間環節，提高保護動作快速性，單間隔保護裝置整組動作時間相較目前智能變電站減少8～10ms。

（2）簡化配置：簡化“虛回路”配置，實現少配置甚至免配置，減少間隔保護虛回路設計，降低全站SCD配置及管控難度。

（3）提升可靠性：通過單間隔功能集成，減少裝置類型及數量，減少中間傳輸環節，整體降低設備缺陷率，單裝置失效影響范圍減小，系統可靠性得到明顯提升。

（4）減少干擾：基于無防護、開關場安裝的就地化二次設備網絡架構簡單、就地電纜跳閘、電纜采樣、解決長電纜傳輸信號帶來的問題：如CT飽和、多點接地、回路串擾、分布電容放電等問題

即插即用就地化保護裝置的應用降低了運行維護難度及運行維護成本。檢修時，裝置的配置及測試工作在調試中心完成，利用就地化保護便于安裝和更換的優勢，現場整機更換，標準化接口實現“即插即用”，現場作業簡單高效，減少了停電時間，降低了“三誤”事故概率。所有保護均采用就地化無防護直接安裝，保護柜數量大幅減少，無需設置保護小室，減少建筑面積，保護接線采用航空插頭，光纜數量大幅減少。采用“工廠化調試+更換式檢修”模式，設備檢修和消缺時間大幅縮短，提高電網運行效率和可靠性。

4 結論

本文介紹了智能變電站即插即用就地化的應用。并在220kV保國智能變電站、海豐變電站試點掛網運行，驗證了即插即用就地化裝置及智能管理單元軟件的實用性與有效性。該模式提高了智能變電站保護裝置的環境適應性和穩定性，降低了運行維護成本及運行難度。隨著智能變電站的大力推廣，無防護即插即用就地化保護裝置在未來會有廣闊的應用前景.

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作者簡介：劉興勇（1987），男，山東濟寧人，碩士，研究方向：繼電保護。