500 kV變電站智能化改造關鍵技術研究及應用

邢佳磊，陳水耀，葉海明，顧水平，潘成程，吳米佳，計榮榮

(國網浙江省電力有限公司檢修分公司,浙江 杭州 311232)

0 引言

智能變電站是智能電網的重要基礎和節點支撐。行業和企業發布了《智能變電站技術導則》、《變電站智能化改造技術規范》等一系列標準，作為智能站建設的技術依據和原則[1-3]。在行業內，已逐步形成了智能站的重要特征：一次設備智能化、全站信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化、高級應用互動化[4-5]。近年來，企業和院校對智能電網、傳統變電站智能化改造、智能變電站設備研發、標準體系建設、智能變電站檢修等方面進行了探索和實踐，取得了系列成果[6-13]。

本文從項目管理和關鍵技術研究的角度，重點研究和探索項目改造規劃、改造原則、二次改造模式這三個基本問題，以及新老直流系統過渡割接方案、新老監控系統過渡接口方案、220 kV母差改造技術這三個核心問題，形成了切合實際的傳統變電站智能化改造技術方案體系。該研究成果在王店變電站(以下簡稱王店變)智能化改造項目中得到成功應用。

1 智能化改造基本問題

變電所改造不同于新站建設，有其獨特性(如設備運行且無法全停改造、場地空間限制決定利舊需求、改造設備繁多且相互關聯等)，因此項目管理、改造難度、改造周期等遠大于同等規模新站建設。通過項目改造規劃，梳理改造順序并制定整體停電方案，研究改造原則、明確技術方案基本準則、確定二次改造模式、奠定屏位騰挪基礎。

1.1 項目改造規劃

按照王店變智能化改造“公用先行”的基本思路，公用設備包括基礎土建、直流系統、監控系統、母線測控等。同時，考慮不同電壓等級的重要程度并為減少主變的重復停電，研究確定整站改造分四大階段。第一階段開展土建(本案例主要包括新建一座500 kV保護小室和兩條電纜主溝)、搭建新監控系統后臺和新直流系統、完成220 kV母線測控改造等。第二階段依次開展500 kV母差、母線測控改造及500 kV分串輪停改造。第三階段開展220 kV系統兩輪停電改造(第一輪間隔和第一套新母差改造、第二輪第二套新母差割接)。第四階段開展35 kV設備改造及老直流系統等公用設備隔離拆除等。

四大階段中，第一階段與其他階段順序不可逆。第一階段是整個停電改造的基礎。新建53小室用于安裝第七串、第六串屏柜，其目的是騰出51、52小室部分屏位給新第一串等設備。通過“屏位騰挪”式的輪停改造設計，減少了設備停電時間。如在第七串停電改造的同時進行第七串設備屏柜拆舊并新立第一串設備，在第一串停電前完成新屏安裝、部分接線和調試工作，大大縮短停電時間。但這對改造順序安排、各子階段動態屏位設計提出了嚴格要求，需綜合考慮停電方式安排的可行性、改造后的屏位布置有利于運維檢修工作開展等。

1.2 改造技術原則

變電站智能化改造技術原則主要依據《智能變電站技術導則》、《變電站智能化改造技術規范》，并根據變電站實際靈活制定，是整站改造技術方案制定的基礎。王店變過程層和站控層智能化改造綜合考慮王店變實際情況，主要明確以下幾個方面的技術原則。

①構建智能一體化監控系統，站控層通信應用IEC 61850(DL/T860)標準。

②繼電保護、測控裝置采用國網通用設備，常規采樣、常規跳閘，裝置間的相互啟動、相互閉鎖、位置狀態等交換信息采用常規電纜接線方式實現。

③不符合智能化通信要求的進口老舊測控、保護裝置進行整體更換，近年新上的保護裝置僅更換通信接口插件。

④配置支持IEC 61850(DL/T860)標準的故障錄波器。故障錄波器在站控層單獨組網，接入保護信息子站。

⑤保護、測控裝置對時接入全站統一GPS授時系統，故障錄波器不再單獨設置GPS對時裝置。

⑥間隔層一次設備未到改造周期，提高設備利用度；采用利舊方式，不配置智能終端和合并單元。

1.3 二次改造模式

目前，過程層二次設備(主要指保護、測控)改造模式主要有就地化改造和室內改造兩大類。就地化保護通過就地安裝減少中間環節，提升保護快速性；通過即插即用的檢修模式縮短保護裝置的更換時間，提高檢修效率；推動智能站二次系統整體設計方案優化及運維技術和管理的創新，實現變電站安全可靠、運維便捷、節能環保、經濟高效[14-17]。但500 kV變電站就地化改造仍在試點階段，需要經過長時間復雜氣象和電磁環境的考驗。

王店變智能化改造項目采用的是室內改造模式。室內改造分為掏屏法(部分科研單位稱為差異化改造，外部接線利舊更換裝置的方法)和整屏更換法。整屏更換法根據屏位差異，主要分為新屏新位、新屏老位、老屏新位、老屏老位等。王店變改造綜合考慮設備老舊程度、屏位資源等情況，統籌應用了以上幾種整屏更換法，主要通過騰挪法實現新屏新位的改造。

2 新老直流系統過渡割接方案

一體化直流系統相當于變電站的心血管系統，是保障電力系統正常運行的重要子系統。所有設備安全穩定運行都需要直流系統提供可靠、平穩的直流電源。因此，保證新老直流系統過渡階段(近2年半)的順利割接，是整體改造的核心關鍵之一。

新一體化直流電源系統由直流電源、交流不間斷電源、逆變電源等裝置組成，共享蓄電池組，并通過以太網通信接口，采用 IEC 61850 規約與變電站站控層設備連接，實現對電源系統的遠程監控管理。

王店變直流系統改造創新地采用了對老蓄電池組移位、新老直流系統并行、逐步轉接負荷的實施方案[18]，避免了對老直流系統直接更換或新老系統電源直接搭接的方式，大大降低了直流系統失電的重大風險。改造過程分三個子階段實施。第一階段安裝新直流總屏和分屏；第二階段老蓄電池組移位、新蓄電池組安裝，實現新直流系統上電并接入監控后臺；第三階段結合間隔設備停電改造，將直流負荷逐步從老直流分屏割接至新直流分屏，最終老直流系統退役。整個過程風險管控最大的是老蓄電池組移位。以直流Ⅰ段老蓄電池組移位為例，為解決該難題，在直流Ⅰ段母線與直流Ⅱ段母線間安裝并接入額定電流63 A的臨時閘刀，在蓄電池搬遷期間合上臨時并列閘刀，實現1號蓄電池組退出運行時的“二充一蓄”的獨立供電方式。老蓄電池組移位實施方案如圖1所示。

圖1 老蓄電池組移位實施方案

3 新老監控系統過渡接口方案

王店變監控系統站控層改造有兩個解決方案。方案一是不停電改造，搭建新站控層系統后，不停電進行“三遙”核對后投入系統運行并退役老系統。該方案的主要風險在于“三遙”核對時誤搭運行端子、誤跳運行設備，且改造周期長達2～3個月，已在站控層局部改造中有效應用。方案二是結合間隔輪停改造，新老監控系統共同運行逐步割接至新監控系統后退役老系統，規避了第一種方案的施工風險，適用于整站改造。但此方案需解決兩個難點。難點一是運維人員設備監視問題，如已改造設備在新系統監視而未改造設備在老系統監視將對運維人員帶來極大困擾，應在新監控系統上實現完整的設備監視功能。難點二是新老系統閉鎖邏輯完整性問題。在改造過程中已改造的系統和未改造的系統是相互獨立的，且內部采用不同的通信規約，故無法直接通信；而間隔層和站控層的閉鎖邏輯多是跨間隔，存在新、老系統信息缺失、聯閉鎖邏輯不完整的問題。此時，應確保新監控系統間隔層、站控層閉鎖邏輯完整。

王店變智能化改造采用方案二，以進一步降低改造風險并縮短改造周期。為攻克以上兩個難題，聯合廠家開發了虛擬測控設備。在新監控系統中安裝虛擬測控裝置，模擬新系統的實體測控裝置運行。被模擬的間隔為未改造間隔。虛擬測控系統裝置應用原理如圖2所示。

圖2 虛擬測控系統裝置應用原理圖

虛擬測控裝置數據采集器通過網線連接至老站控層交換機鏡像口，獲取舊遠動機發送的遙測和遙信104報文。從報文中解析出所含間隔的開關、閘刀、地刀位置、線路電壓、電流信號，并將其轉換成 Goose 聯閉鎖信號及 MMS 信號，發送給新測控裝置及新監控后臺，以保證新測控、新后臺及調度端數據的完整性。該技術解決了變電站智能化改造過程中新、老系統的過渡難題，保證了改造過程中聯閉鎖、新監控后臺及調度監控端信息數據的完整性。

4 220 kV母差保護改造技術方案

母差保護改造是整站改造技術難點之一，采用的停電方案有兩種。方案一是母線停電改造，適用于3/2接線方式，如王店變500 kV母差保護改造，改造方案清晰，停電改造一次性完成，本文不再贅述。方案二是輪停間隔改造，適用于雙母線(包括雙母分段)接線方式，如王店變220 kV母差保護改造。王店變改造前僅有一套220 kV REB103母差保護。經本次改造，實現了母差雙重化并退役老母差；通過220 kV間隔和主變兩輪停電，完成了兩套新母差回路接入及啟動。

間隔設備第一次輪停，完成間隔保護改造并完善第一套新母差保護該間隔相關回路。同時，為實現已改造的間隔(線路、主變、母聯、母分)保護與未改造的傳統母差保護配合，增加母差電流臨時判別裝置(原REB103母差保護不具備失靈電流判別功能)。第一次輪停結束后，第一套新母差保護投入運行，老母差保護退出運行。200 kV母差保護第一輪改造原理如圖3所示。

圖3 220 kV母差保護第一輪改造原理圖

間隔第二次輪停，完善第二套新母差保護該間隔回路，并拆除老母差保護回路和過渡裝置。第二次輪停結束后，第二套新母差保護投入運行，改造后220 kV母線保護實現雙重化，并取消屏頂直流及電壓小母線，采用新直流系統直流饋線分屏及電壓并列屏電纜供電。200 kV母差保護第二輪改造原理如圖4所示。

圖4 220 kV母差保護第二輪改造原理圖

5 結束語

本文從方案研究和工程實踐出發，以500 kV王店變過程層和站控層智能化改造為例，重點探討了項目改造規劃、改造原則、二次改造模式這三個基本問題以及新老直流系統過渡割接方案、新老監控系統過渡接口方案、220 kV母差改造技術這三個核心問題，形成了切合實際的傳統變電站智能化改造的技術方案體系。但本文尚未涉及間隔層設備智能化改造方面的研究，光電流互感器、智能終端、合并單元等智能設備及就地化保護的不斷完善和應用，對傳統變電站間隔層設備的智能化改造值得進一步研究和實踐。