淺談智能開關站在水電站的應用
——以猴子巖水電站為例

劉晟宇（國家能源集團大渡河流域生產指揮中心，四川 成都 610041）

0 引言

猴子巖水電站位于四川省甘孜州康定市境內，是大渡河干流水電規劃28級開發方案中第10個梯級電站。電站總裝機容量170kW·h(4臺42.5萬kW)，年設計發電量70億kW·h，工程總投資192億元，具有季調節性能，是國家及四川“十三五”規劃建設的重大工程，也是大渡河流域首座開關站為智能站的大型水電站。

猴子巖地面500kV GIS開關站選用的是河南平高電氣公司的GIS設備，主接線采用三串4/3接線方式，出5回500kV 線路，至丹巴變電站500kV 變2回線路，至康定變電站500kV 變3回，4個發變組間隔，聯合組成3個完整開關串。500kV GIS設備主要由2個部分構成:一是猴子巖地面廠房500kV GIS開關站及站內相關設備；二是猴子巖地下廠房內4臺主變壓器高壓側與高壓交聯聚乙烯電纜之間的GIS連接線。猴子巖500kV智能開關站2016年10月投產，作為四川省首座已投產智能開關站，多年安全穩定運行，該文對智能開關站結構及主要設備進行簡要介紹，并提出智能開關站的日常運行維護及典型事故故障處理方法。

1 常規開關站于智能開關站優缺點分析

1.1 常規開關站

常規開關站涵蓋了繼電保護裝置、監控系統 LCU、故障錄波器、電能量采集等系統，系統與系統相互獨立，其間的通信線路重復配置，二次接線駁雜， 建設成本高。常規開關站自動化結構比較復雜，需要依賴信號電纜來進行信息傳輸，當設備需要升級改造時，就需要更改大量的接線電纜，將花費大量的人力物力，并且電纜連接的可靠性不高，設備在日常維護時工作難度大、工作量大。常規開關站設備間通信規約無法統一，不同廠家設備間數據通信需要轉換，產品替代新差，增加用戶負擔。

1.2 智能開關站

智能開關站采用先進、可靠、集成的智能設備，以全站信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化為基本要求，自動實現信息收集、電氣信號的測量、設備的控制、繼電保護、電能量計量和設備在線監測等功能，并可實現電網電氣信息實時智能控制調節、自動計算分析、協同共享等智能功能的開關站。

猴子巖500kV智能開關站遵循 IEC61850通信規約，進行合理信息分層組件，通過 MMS、GOOSE 網實現智能終端裝置、電力系統繼電保護、測控裝置與設備監控系統實現數據互通，實現開關站智能化功能。

2 猴子巖智能開關站網絡結構

2.1 智能開關站功能分層

智能變電站根據相關規劃，從邏輯上將變電站按照功能分解為3個層級，一是過程層、二是間隔層、三是站控層[1]。在變電站層和間隔層之間的網絡采用抽象通信服務接口映射到制造報文規范(MMS)。

過程層用光纖代替了傳統電纜傳輸一次設備位置信號、告警信號。通過特有的GOOSE網。

保護測控裝置通過裝置本身的通信網口接入間隔層網絡，再經過LC級聯的方式與站控層的交換機組網，形成MMS網絡。站控層通過PCS-9799C數據網關機進行61850規約轉換與智深水電監控后臺通信。傳統開關站與智能開關站對比結構如圖1所示。

圖1 傳統開關站與智能開關站結構圖

傳統開關站與智能開關站優缺點結構對比：1）傳統開關站回路設計復雜，一次設備、互感器與保護、測控裝置之間使用電纜傳輸信息，傳輸信息量少，并且抗電磁干擾能力弱，變電站內存在大量電纜接線，給維護、改造帶來很大困難。智能站要簡化回路設計、節約投資智能站各層設備間使用光纖通信， 傳輸信息量大、抗干擾能力強。采用光纖節省大量空間及電纜， 節約建設成本。2）智能開關站設備數字化、二次設備網絡化、數據平臺標準化。傳統站存在多套系統，每套系統的數據采集的要求不一致，大量設備都有數據采集單元，采集資源重復，保護、測控、故錄、計量都有自己的數據采集系統。智能站一次設備為全數字化輸出的電子互感器和智能開關，統一數據采集，信息共享，節約資源。二次設備對上和對下聯系均通過高速網絡通信；傳統開關站通信標準多、雜亂，數據傳輸準確率不高，智能站所有設備統一采用IEC61850標準，實現設備之間的互操作性。

2.2 過程層

過程層設備包括主變壓器、隔離開關、斷路器、電流互感器、電壓互感器等一次設備及其所屬的智能終端和合并單元（MU）。其中智能終端裝置采集斷路器、刀閘位置信號上傳給間隔層設備，同時收到間隔層設備的下傳信號進行斷路器分合閘操作。過程層網絡配備有母線過程層交換機柜，GOOSE網交換機柜。

2.3 間隔層

間隔層設備包括繼電保護及安全自動裝置、測控裝置、故障錄波、同步相量裝置、行波測距、電能量采集裝置、在線監測設備等，實現間隔層數據互通并且還可以控制該間隔層一次設備。其中測控裝置與站控層設備直接通信，支持通過GOOSE報文實現間隔層“五防”聯閉鎖功能，支持通過GOOSE報文下行實現設備操作。

2.4 站控層

站控層設備包括監控系統上位機主機及工作站、全站控制、數據網關機、遠傳遠動系統、北斗及GPS對時系統等，實現全站設備的信號監控、系統控制、光字信號及信息互通功能，實現數據采集和監視控制(SCADA)、設備動作解閉鎖、電氣設備五防以及PMU信號采集、電氣量采集、保護動作管理、順序控制等相關功能[2]。

3 猴子巖智能開關站運維方式

3.1 功能壓板

傳統電站繼電保護屏保護功能采用的是“物理硬壓板”，而新一代智能開關站監控系統界面采用的是“電子軟壓板”。以往在進行設備停送電、停用相關保護功能時，運行人員需要在保護屏上通過人工擰壓板螺栓來實現壓板連接斷開操作，實現了軟板，可在計算機室監控畫面上進行操作，大大提高了工作效率和操作準確性。

3.2 壓板投退

保護屏上的分、合閘壓板集成到后臺監控系統界面上命名為GOOSE跳、合閘壓板，保護信號跳、合閘命令發送到智能匯控柜跳、合閘壓板來實現分合閘功能。智能終端柜配備的跳合閘硬壓板為公共分合閘出口壓板，其要求是僅在相關間隔全部一次設備轉檢修時或智能操作裝置故障時停用，平時保護功能正常投退只退出相關軟壓板、GOOSE出口合閘跳閘、啟動失靈等軟壓板。

3.3 檢修狀態壓板

設置檢修狀態壓板作用是屏蔽裝置的故障動作信息，不與站控層互通。智能變電站檢修過程中防止發生誤分合閘事故，在保護系統、測控裝置、智能操作箱都配置了檢修態硬壓板。檢修硬壓板原理：投入裝置檢修壓板，在其網絡傳輸數據嵌入了相關檢修標記，裝置的狀態識別此標記。例如：保護裝置檢修壓板投入，智能操作箱為正常狀態，當保護裝置發分閘命令后，開關不動作跳閘，因智能操作箱的檢修壓板投入，二者狀態不對應則不能發信跳閘[3]。

4 智能開關站巡視檢查項目標準和運行注意事項

猴子巖智能開關站投運至今運行安全平穩，無設備事故發生，結合電站日常運行規定制定出基本巡回檢查標準，說明智能站運行中注意事項。

4.1 巡視檢查

智能開關站每天至少巡視檢查1次。巡視檢查主要內容是對運行中的智能開關站相關設備外觀檢查，如有異常情況做好記錄，并根據異常情況的性質等級要求按規定上報并處理，如下所述。

4.1.1 定期工作

為保證智能站系統運行正常，須定期進行檢查維護工作。1）定時巡視智能站各二次設備及其網絡設備，每班至少巡視一次。2）交接班時應對智能站后臺監控主畫面、設備報警一覽表、事件一覽表等畫面進行檢查。3）運行人員應定期對數字化保護裝置進行采樣值檢查和時鐘校對，每月一次。

4.1.2 巡檢項目

為維持設備的原有性能，對設備進行巡回檢查，在早期發現設備的隱患和缺陷。1）智能站后臺主機、主交換機工作是否正常，是否有故障信號報警。2）設備報警一覽表是否顯示有繼電保護裝置、高周安穩新的動作報告。3）各子交換機、數據網關機工作是否正常，是否有故障信號報警。4）檢查各保護屏柜后打印紙是否充足、油墨是否用盡，打印字跡是否清晰。5）檢查各斷路器智能終端無報警、GOOSE斷鏈信息，位置指示燈指示的相應開關位置與實際開關位置一致。6）檢查各斷路器智能測控裝置無地隔刀失電、氣室壓力報警、PT失電等報警信號。7）查看各測控裝置指示燈正常，觸摸屏無花屏、數據顯示正常、無報警。8）查看各屏內設備，各切換開關、壓板在正確位置。9）檢查裝置無異味、異音；各保護盤柜門關閉良好，電纜孔封堵嚴密。10）檢查各層網絡交換機柜內散熱風機電源空開合閘或在再投入，風機運行正常。11）檢查各屏盤內光纖連接無異常，光纖盒無松動。

4.2 運行注意事項

為確保設備可靠使用及人員的安全，在使用和維護時需要遵守如下幾點。1）在保護裝置、智能終端、測控裝置及其二次回路上進行檢修維護工作前，運行值班人員應按工作票的措施要求與實際情況做好安全措施；凡可能引起保護裝置誤動的一切工作，運行值班人員必須采取防止保護裝置誤動的有效措施。2）某一斷路器停電檢修時，該斷路器所在間隔匯控柜內智能測控裝置“檢修壓板”不得隨意投入。3）單套配置的間隔智能終端故障，以及雙重化配置的間隔智能終端雙套均發生故障時，應視作間隔失去保護，向調度申請停用一次設備，退出故障間隔的保護及其他間隔保護(如母差保護、主變保護)等相關壓板。4）運行中的斷路器，停用任意一套智能終端直流電源或進行裝置復位前，必須退出保護出口壓板，防止發生勿動作；恢復直流電源后，應確認裝置工作正常無異常報警信號、GOOSE斷鏈、重合閘、跳閘等信號后，檢查保護出口壓板兩端確無電壓方可投入。5）電壓互感器斷線時，應立即停止與其相關的所有工作，查明原因后方可恢復工作。巡視相關微機保護裝置，如電壓互感器斷線閉鎖信號正確發出，可暫不退出保護，檢查二次回路是否正常；如有其他異常報警信號，應立即通知維護人員處理。6）執行二次設備安全措施時，應先退出運行設備中的接收軟壓板，再退出檢修設備的發送軟壓板。7）交換機是智能站網絡的重要組成部分，其遠方控制、保護跳閘、位置信號上送均依賴交換機。正常運行中，嚴禁進行交換機的任何作業，包括復位、重啟、調試光纖接口等。

5 智能開關站事故及典型故障處理

智能開關站較常規開關站有一定的復雜性，創新性，設備平時日常運行中發生事故及故障的情況不可避免，下面列舉幾種智能開關站典型故障及處理方法。

5.1 智能站后臺遙控500kV 斷路器、隔離開關“分/合”失敗

現象：智能站后臺開出操作命令后，現場開關刀閘未動作，未收到執行反饋信號。

處理：1）一次開出不成功后，嚴禁再次嘗試操作，查看網絡通信是否正常，檢查登錄名及密碼是否正確。2）查看現場設備有無故障及報警信息。3）檢查智能終端操作電源、開出電源是否合閘良好，“分相跳合閘”壓板正確投入。4）檢查間隔匯控柜內測控裝置的切換開關是否在“遠方”“智能控制”位置，“遙控分合”壓板正確投入，“投檢修態”在退出。5）檢查斷路器、隔離開關的控制方式在“遠方”位置。6）檢查斷路器有無低油壓、低氣壓閉鎖。7）檢查開出繼電器是否動作正常。

5.2 GOOSE通信中斷

現象：1）智能站后臺以及上位機報“GOOSE斷鏈”、“采樣數據異常”、“開關位置無效”等信號[3]。2）智能站后臺及上位機臺無法查看該裝置的遙信、遙控信息。3）現場設備報警指示燈和GOOSE斷鏈指示燈點亮。

處理：1）若當前有操作，應立即停止對通信中斷設備的遠方操作。2）若智能終端GOOSE斷鏈，則應立即向省調匯報情況，申請退出該智能終端出口壓板，停用相關保護裝置重合閘功能，同時根據需要退出受影響的相關保護裝置。3）若保護裝置和智能終端大規模報“GOOSE斷鏈”、“采樣數據異常”、“開關位置無效”等信號，則可能是過程層交換機掉電。應立即向省調匯報并申請停用相關設備，做好隔離，并通知維護人員處理。

5.3 智能終端異常或者故障

現象：1）智能站后臺以及上位機報智能裝置故障和閉鎖信息，或者無法查看其運行信息。2）現場檢查智能終端報警燈點亮或者運行燈熄滅。

處理：1）立即檢查智能終端異常原因，匯報省調及相關領導。2）如果發現是雙套智能終端異常故障、死機，導致一次設備無保護的，則應申請停用相應一次設備。3）若為雙套配置其中單套故障，則應立即申請停運相關的裝置等，做好隔離措施，通知維護人員處理。4）若單套智能終端死機，匯報省調經同意后可重啟智能終端裝置一次。重啟后，智能終端恢復正常，則退出"檢修狀態"壓板，投入用跳、合閘出口壓板以及測控裝置的遙控分/合閘壓板，并將原因及處理結論匯報省調；若智能終端不能恢復，將設備情況及狀態匯報省調，按調度命令調整保護運行方式，并通知維護人員。

6 結語

智能化開關站技術在我國還在持續發展，隨著科技的發展，智能化站開發會更加成熟，全面實現智能站會減少大量的運行維護成本，狀態化維護檢修，提高供電可靠性，經濟效益大大增加。猴子巖水電站作為四川省首座智能開關站，投產至今已安全運行5年有余，在智能開關站配置上有很大膽的嘗試性、新穎性。該文對猴子巖智能開關站設備及網絡配置進行了簡要介紹，簡單地闡述了與普通開關站的不同之處，結合猴子巖智能開關站安全穩定運行多年的經驗，制定出相關的巡檢標準及運行注意事項。并針對智能開關站日常中可能發生的事故及故障給出了處理辦法，對于今后水電站在智能開關站運行、維護等方面有較成熟的參考價值。