淺談變電站老舊二次設(shè)備的改造方案及改進(jìn)

凌 巖孫曉龍

(1.國電南京自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 南京 211153；2.南京國電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司，江蘇 南京 211153)

0 引 言

隨著電網(wǎng)建設(shè)的持續(xù)發(fā)展，大量早期變電站投運(yùn)時(shí)間已經(jīng)超過或臨近12年，實(shí)踐證明隨著服役年限增長，設(shè)備進(jìn)入嚴(yán)重故障期。由于受制于二次運(yùn)維檢修人員不足、設(shè)備改造工作量大等因素，造成施工停電時(shí)間過長影響用戶側(cè)快速復(fù)電，使得一些改造工程一再拖延。

為了消除現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，夯實(shí)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的高效利用、狀態(tài)獲取、生命追蹤等透明管理[1]，二次設(shè)備改造采用符合標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)規(guī)范的裝置替換老舊裝置，在安全可靠的前提下，減少改造工作量，縮短停電時(shí)間。

1 改造方案的分析

新、舊設(shè)備在機(jī)箱尺寸、外部回路、端子布局等方面存在差異，現(xiàn)場(chǎng)施工工作量大、安全措施多、調(diào)試過程長等因素導(dǎo)致停電時(shí)間久，影響電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[2]。

1.1 改造方案介紹

臨期或超期服役的二次設(shè)備極大多數(shù)采用“常規(guī)采樣、常規(guī)跳閘”的模式，改造中屏柜外部的二次電纜不更換，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況新增少量電纜，主要有4種方案：原屏改造、整屏更換、端子轉(zhuǎn)接和定制裝置。

1)原屏改造

該方案采用集中專業(yè)檢測(cè)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)化裝置更換老舊裝置，僅拆除原裝置背板端子與屏柜端子排內(nèi)側(cè)接線，在現(xiàn)場(chǎng)重新配線。若新舊裝置尺寸不一致，需更換屏柜面板。完成配線后，核對(duì)配線是否正確，校核采樣回路，開出傳動(dòng)驗(yàn)證外部回路正確性。

2)整屏更換

該方案仍是采用集中專業(yè)檢測(cè)認(rèn)證的新裝置更換在役老舊裝置，屏柜外部電纜不變，先拆除原屏柜與外部回路連接，將原屏柜整體拆除，直接更換全新的屏柜和裝置，屏內(nèi)配線在工廠完成調(diào)試驗(yàn)證，現(xiàn)場(chǎng)只需校核模擬量采樣回路和開出傳動(dòng)驗(yàn)證回路正確性。

3)端子轉(zhuǎn)接

該方案在通過集中專業(yè)檢測(cè)認(rèn)證的新裝置背部增加端子轉(zhuǎn)接箱，新裝置背板端子通過轉(zhuǎn)接端子與屏柜端子排內(nèi)側(cè)連接，實(shí)現(xiàn)除了交流端子外的大部分端子的“即插即用”。現(xiàn)場(chǎng)施工只需要拆除原裝置背板端子與屏柜端子排內(nèi)側(cè)接線，將屏柜內(nèi)的原裝置更換為新裝置直接對(duì)接，僅配接少量新增電纜。完成更換后校核采樣回路和驗(yàn)證外部回路。

4)定制裝置

根據(jù)在役的裝置，盡可能符合目前新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范技術(shù)要求，定制開發(fā)與原裝置外回路完全一致的裝置，除模擬量需重新配線，改造時(shí)只需要重新拔插接線端子，可實(shí)現(xiàn)整裝置的“即插即用”。

1.2 改造方案的對(duì)比

“原屏改造”在工程中應(yīng)用較廣泛，由于不涉及屏柜拆裝，故對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境要求不高。若屏柜內(nèi)接線復(fù)雜，則配線及校驗(yàn)的工作量會(huì)很大，導(dǎo)致停電時(shí)間過長。一般適用于布置在開關(guān)柜的低壓保護(hù)測(cè)控裝置，或新舊裝置更換關(guān)系對(duì)應(yīng)簡單、屏柜內(nèi)部接線相對(duì)較少的裝置，如間隔保護(hù)測(cè)控。

“整屏更換”可適用各種裝置的改造，但涉及屏柜的拆除和安裝，舊屏柜內(nèi)外兩側(cè)的二次電纜都需要解開，尤其在拆除和安裝過程中，原電纜退到電纜溝，需要做好相應(yīng)的保護(hù)和標(biāo)識(shí)。在新屏柜就位后，只需要接入外部對(duì)應(yīng)電纜。

“端子轉(zhuǎn)接”通過轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)增加了工廠內(nèi)二次接線，如圖1所示。端子之間接線的可靠性為K(K<1)，一臺(tái)裝置的接線數(shù)量為n，則直接連接的可靠性為Kn，通過轉(zhuǎn)接端子箱連接的可靠性為K3n，隨改造裝置增多、接線數(shù)量增加，故障量將更大。特別在需要更換故障模件時(shí)，拆裝受轉(zhuǎn)接端子箱影響，維護(hù)工作比較復(fù)雜。

圖1 轉(zhuǎn)接端子箱接線

前3種改造方案都采用了通過集中專業(yè)檢測(cè)認(rèn)證的新裝置更換在役舊裝置，“定制裝置”即定制開發(fā)的裝置只能通過委托第三方的檢測(cè)認(rèn)證，違背了標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的推廣。又由于工程應(yīng)用的地區(qū)差異，往往定制開發(fā)和委托檢測(cè)周期較長，若市場(chǎng)存量較少時(shí)，綜合成本也較大，因此工程普適性不強(qiáng)，一般也僅限于低壓保護(hù)測(cè)控裝置。

從設(shè)計(jì)、安裝、配線、調(diào)試4個(gè)維度評(píng)估改造工作量，從可靠性、適用性和維護(hù)性3個(gè)維度評(píng)價(jià)改造方案的合理性，如表1所列。

2 實(shí)施方案的探討

綜合改造工作量和選用裝置的合理性兩方面，“端子轉(zhuǎn)接”的改造方式可靠性不高，“定制裝置”適用性不佳且未采用標(biāo)準(zhǔn)化裝置不建議推廣應(yīng)用，因此“端子轉(zhuǎn)接”和“定制裝置”的改造方案應(yīng)用很少。

表1 4種改造方案的對(duì)比

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)規(guī)范要求，以220 kV及以下主要二次設(shè)備改造為例，探討“原屏改造”與“整屏更換”這兩種廣泛應(yīng)用實(shí)施方案。

2.1 典型組屏方案

220 kV線路保護(hù)按照二面屏組屏，每面屏“線路保護(hù)+分相操作箱集成電壓切換”配置方式。高、中、低三側(cè)變壓器按照三面屏組屏，二面變壓器保護(hù)屏采用“變壓器保護(hù)+高壓側(cè)電壓切換箱+中壓側(cè)電壓切換箱”，一面變壓器輔助屏采用“非電量保護(hù)+高壓側(cè)操作箱+中壓側(cè)操作箱+低壓側(cè)操作箱”的配置方式。

110 kV線路保護(hù)屏柜一般兩回線路保護(hù)裝置組一面屏。高、低2分支的變壓器組一面屏，采用“變壓器保護(hù)1+變壓器保護(hù)2+非電量保護(hù)+三相操作箱”的配置方式。

單母線、單母分段接線以及支路數(shù)較少的雙母線、雙母雙分段或雙母單分段接線、單母三分段接線母線保護(hù)組一面屏；雙母雙分段接線，需增加一面轉(zhuǎn)接屏。

低壓保護(hù)測(cè)控裝置一般就地安裝在開關(guān)柜內(nèi)。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)施工評(píng)估

“原屏改造”以裝置為改造對(duì)象，“整屏更換”以屏柜為改造對(duì)象，需要以整體改造評(píng)估在不同方案下的工時(shí)。采用“原屏改造”方案，一般每個(gè)工時(shí)可以完成配線20根，調(diào)試工作可分為配線核對(duì)和裝置調(diào)校兩個(gè)部分，配線核對(duì)工時(shí)約為配線工時(shí)的一半，裝置單機(jī)調(diào)校一般為2個(gè)工時(shí)。采用“整屏更換”方案，更換工作由屏柜更換和屏內(nèi)配線兩部分組成，一面屏柜更換需要約4個(gè)工時(shí)，配線工作效率提高到“原屏改造”的兩倍。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)規(guī)范了裝置的IO數(shù)量，不同廠家的同類裝置硬件資源大致相近，因此改造工時(shí)大體一致，如表2所列。

2.3 改造方案選擇

在“原屏改造”時(shí)為了減少配線工作量，縮短停電時(shí)間，可分階段改造，先更換微機(jī)保護(hù)裝置，再更換操作箱和電壓切換箱。低壓保護(hù)測(cè)控和線路保護(hù)配線較少，可采用“原屏改造”。

早期變壓器保護(hù)采用“主后獨(dú)立”配置，現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)規(guī)范明確或推薦“主后一體”，因此屏柜內(nèi)“主后獨(dú)立”配置需要重新布局，新舊裝置尺寸不一致，“原屏改造”則現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)復(fù)雜。母線保護(hù)更是涉及多個(gè)間隔，因此跨間隔保護(hù)宜采用“整屏更換”[3]。施工時(shí)需考慮主控室面積和屏位布局，注意現(xiàn)場(chǎng)屏柜的拆裝及對(duì)直流母線的影響、二次電纜拆解和連接的保護(hù)工作。

以面向一次的二次設(shè)備整體為改造對(duì)象，根據(jù)表2可知兩種方案改造工作量相近，35 kV及以下保護(hù)測(cè)控裝置采用“原屏改造”，110 kV及以上的二次設(shè)備在施工條件允許的情況下優(yōu)先采用“整屏更換”。

3 工程改造的實(shí)施

3.1 改造方案的改進(jìn)

1)“原屏改造”的改進(jìn)

該方案現(xiàn)場(chǎng)配線工作量最大，為了節(jié)約施工時(shí)間，在廠內(nèi)完成電纜的預(yù)制，一端直接連接在新裝置的背板端子排上，兩端都預(yù)先做好標(biāo)識(shí)套管。

表2 改造工時(shí)預(yù)估統(tǒng)計(jì)

采用了電纜預(yù)制的方法后，減少了一半的配線工作，一根配線節(jié)省約1 min，即1個(gè)工時(shí)可以完成配線30根，如表3所列，配線效率可以提高50%。

表3 采用預(yù)制配線工時(shí)對(duì)比

2)“整屏更換”的改進(jìn)

該方案將部分配線和調(diào)試工作在工廠內(nèi)完成，但評(píng)估安裝仍比較復(fù)雜，尤其是在拆除和安裝屏柜時(shí)，原電纜需要做好防護(hù)，退回電纜溝。設(shè)計(jì)一種局部可拼接的屏柜替代原整體焊接屏柜，如圖2所示。屏柜后下橫梁為可拆卸結(jié)構(gòu)，只需卸下橫梁即可將屏柜整體安裝，原電纜不再阻礙。

圖2 屏柜后下橫梁拆卸

在原屏柜拆除時(shí)，采用專業(yè)破拆工具將屏柜后下橫梁切割，即可整屏移走，不再受電纜羈絆，在下一次改造中又可方便地實(shí)現(xiàn)整屏柜“即插即用”改造。扣除破拆屏柜的工時(shí)，節(jié)省電纜保護(hù)措施和整理工作，合計(jì)約1～2個(gè)工時(shí)，如表4所列，可見在220 kV保護(hù)改造涉及屏柜數(shù)量較多時(shí)，工時(shí)節(jié)省較為明顯。

表4 采用可拼接屏柜更換工時(shí)對(duì)比

3.2 接入自動(dòng)化系統(tǒng)的調(diào)試

對(duì)比變電站二次設(shè)備整組傳動(dòng)，自動(dòng)化的調(diào)試仍采用實(shí)測(cè)的方式逐點(diǎn)調(diào)試、人工校對(duì)，工作量繁重，調(diào)試時(shí)間過長。改造中通過以變電站遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)與站控層網(wǎng)絡(luò)、調(diào)度中心連接為基礎(chǔ)的自動(dòng)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息校核的智能化，改變現(xiàn)有手動(dòng)對(duì)點(diǎn)的繁瑣及不準(zhǔn)確等缺陷[4-5]。

自動(dòng)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)以IEC 60870-5-104的客戶端作為主站，通過MMS服務(wù)端來模擬變電站內(nèi)間隔層二次設(shè)備上傳MMS報(bào)告至遠(yuǎn)動(dòng)裝置，對(duì)比調(diào)度端和遠(yuǎn)動(dòng)裝置輸出的點(diǎn)表，校核二次設(shè)備的MMS報(bào)文信息與遠(yuǎn)動(dòng)裝置報(bào)文，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)表自動(dòng)校核一致性和規(guī)范性，主要包括以下4個(gè)部分[6-7]：

1)模擬主站端實(shí)現(xiàn)調(diào)度主站與遠(yuǎn)動(dòng)裝置收發(fā)報(bào)文功能及解析IEC 60870-5-104報(bào)文；

2)模擬站端設(shè)備MMS報(bào)告控制塊，向遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)模擬發(fā)送MMS報(bào)文，解析MMS報(bào)文和提取對(duì)點(diǎn)信息；

3)模擬告警直傳主站，實(shí)現(xiàn)調(diào)度主站與告警直傳網(wǎng)關(guān)機(jī)收發(fā)報(bào)文，解析DL/T 476報(bào)文；

4)模擬圖形網(wǎng)關(guān)機(jī)主站，與圖形網(wǎng)關(guān)機(jī)收發(fā)和解析G語言文件，顯示G語言文件圖形畫面，實(shí)時(shí)顯示對(duì)應(yīng)畫面中數(shù)據(jù)。

3.3 施工中的配合

二次設(shè)備改造施工交叉配合多，早期變電站設(shè)計(jì)千差萬別，造成施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)多。因此每座變電站改造都需要現(xiàn)場(chǎng)踏勘、收集資料，編制針對(duì)性的改造方案。施工前完成圖紙復(fù)核和交底等工作，做好施工準(zhǔn)備，合理安排停電計(jì)劃。

全站改造間隔輪流停電，改造順序一般先間隔保護(hù)，再變壓器保護(hù)，最后母線保護(hù)[8]。同時(shí)還需考慮與自動(dòng)化改造相結(jié)合，自動(dòng)化系統(tǒng)改造時(shí)，先布置新監(jiān)控后臺(tái)和遠(yuǎn)動(dòng)通信，調(diào)度端增開新的遠(yuǎn)動(dòng)通道，原監(jiān)控及遠(yuǎn)動(dòng)同時(shí)運(yùn)行。改造過程中新設(shè)備直接接入新的自動(dòng)化系統(tǒng)，改造全部完成后直接停用原系統(tǒng)，測(cè)控改造參考保護(hù)裝置改造[9]。自動(dòng)化改造時(shí)也可以結(jié)合網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測(cè)的部署及“一鍵”順控和“輔助設(shè)備全面監(jiān)視”的專項(xiàng)改造一并開展。

4 結(jié) 語

變電站二次設(shè)備改造是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要全局考慮站內(nèi)設(shè)備技術(shù)特點(diǎn)和運(yùn)行維護(hù)習(xí)慣，采用符合標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)規(guī)范的新裝置，根據(jù)不同改造對(duì)象和施工條件選擇合適的“原屏改造”和“整屏更換”方案，通過預(yù)制電纜和可拼接屏柜提高更換效率，借助自動(dòng)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)改進(jìn)系統(tǒng)接入工作，多措并舉減少施工停電時(shí)間。一次全面完善的改造,徹底消除設(shè)備潛在安全隱患，直接收獲多年的安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，開啟系統(tǒng)新的生命周期。