就地化保護技術發展現狀及展望

徐 濤，仇前生，陸振坤，杜鳴亮，張藏龍

(國網蕪湖供電公司，安徽 蕪湖 241000)

隨著智能變電站建設與運行的深入，智能變電站運維過程中的問題凸顯，具體表現在：保護整體可靠性降低，過程層設備大量使用增加了回路的復雜性，設備故障率高；二次設備種類多，配置文件復雜，消缺查找問題不便，改擴建過程多依賴設備廠家，運維難度大；采用組網的SMV網絡，雖然節省了電纜，但工業以太網交換機使用數量大大增加，經濟性有待考量[1]。

為解決以上問題，保護就地化和功能縱向集成得到了廣泛的關注和研究。就地化保護有以下特點：保護裝置功能高度集成，靠近一次設備就地布置，裝置采用標準化接口設計，體積小、高防護、能耗低，即插即用；各間隔保護分散采集本間隔信息，對上具備GOOSE、SV輸出功能，接入保護專網，對下電流電壓及控制回路與一次設備采用短電纜連接，提升保護的可靠性；站控層新增智能管理單元，通過MMS專網接入保護信息，為全站保護設備提供集中式展示界面，支持對設備的在線監視、配置下裝、故障信息管理等[2-4]。

目前，具備高防護、抗干擾、滿足戶外無防護就地化布置的產品已掛網試運行[5-6]。本文從就地化整站實現方案、就地化配置方案、運檢模式探索3個方面總結了就地化保護研究現狀，并對未來保護發展方向做了思索和展望。

1 就地化保護研究現狀

1.1 就地化保護的整站設計

就地化保護的智能變電站的設計遵循IEC61850標準，站內二次設備三層結構布置，如圖1所示，與傳統智能變電站有所區別。過程層取消合并單元和智能終端，采用電纜直采直跳，只須要操作繼電器組作為保護裝置與開關機構的接口；間隔層設備配置與常規智能變電站類似，所不同的是就地化保護裝置具備SV和GOOSE輸出功能，供站域保護、故障錄波和網絡分析等設備使用；站控層除故障錄波、網絡分析、通信網關機、監控主機外，新增智能管理單元，實現對站內就地化保護設備進行界面集中展示與運檢管理。

圖1 保護測控就地化全站結構示意圖

過程層無須網絡，常規智能站過程層交換機全部取消。就地化保護的全站網絡設計近期采用SV+GOOSE共網共口、MMS網絡獨立配置方式，遠期方案采取SV，GOOSE，MMS三網合一[7]。典型設計采用雙重化配置的保護專網配置，增加間隔層信息交互的可靠性和穩定性，兩套保護專網之間采用網絡隔離裝置保證跨網交互的安全性。

測控裝置按間隔配置，就地化保護之后，測控配置有就地化和部分就地化2種典型方案。借鑒保護就地化思路，將測控功能縱向集成在就地裝置，靠近一次設備安裝，電纜直接采樣，直接跳閘，具有功耗低、功能簡單可靠的特點，已有掛網使用。部分就地化方案采用“基本測控+擴展子機”方式，擴展子機實現就地控制以及一次信號采集功能，安裝就地化。兩種方案各有特點，應根據站內網絡設計與一二次設備安裝位置具體規劃[8]。

智能站除按間隔配置的保護，延伸出站域保護的概念。站域保護采用傳統布置方式，安裝在二次設備室屏柜內部，通過不同數據接口掛接在保護專網和站控層網絡上，接收來自線路、母聯（分段）、變壓器各間隔保護單元等輸出間隔采樣和間隔設備狀態信息，實現備自投、低周減載、主變聯切等功能[9]。站域保護與就地化繼電保護相互協調、相互配合、相互補充。

1.2 就地化保護配置方案

變電站內保護按間隔配置，可分為單間隔保護、跨間隔保護兩類[10]。單間隔保護包括線路保護、母聯保護等，跨間隔保護主要為主變保護、母差保護。

1.2.1 單間隔保護

線路保護配置完整的主后備保護功能，對于電壓等級較高或者重要線路，保護雙重化配置，就地安裝，通過電纜直采直跳[11]。借助GOOSE網絡，實現本間隔變位信息、開關量信息的發布，以及其他間隔啟失靈、閉鎖重合閘等信息的訂閱。就地化線路保護設備具備SV輸出能力，供其他設備使用。

1.2.2 跨間隔保護

跨間隔保護須完成多個間隔信息采樣，傳統集中式保護通過將多個間隔信息匯總至一個裝置，保護就地化之后，保護裝置就地化裝設，跨間隔保護信息交互通過高可用無縫冗余環網（HSR）實現。HSR基于并行冗余技術設計的環形網絡，具備可靠性高、無縫冗余的特點。目前，站內就地化跨間隔保護普遍基于HSR設計，實現方式有主式和無主式。無主式采用分布子機，各子機獨立完成保護功能。有主式，設置一臺子機為主機，主機完成保護功能，子機僅實現信息采集。

就地化主變保護，在無主環網方式配置方案中，變壓器各側分別配置獨立子機，每臺子機配置相同的主、后備保護功能，各自采集模擬量和開關量信息，接收保護命令時僅作用于本側開關[12]。在有主式環網分布式方式配置方案中，須配置1臺主機，主機與子機通過環網交互信息，主機承擔數據分析、邏輯運算任務，發送跳閘指令至各子機[13]。變壓器高、中、低壓側子機執行就地采集及跳閘出口功能。

就地化母線保護普遍采用有限集中式方案，如圖2所示，以“基礎保護系統+擴展保護單元”方式實現，基礎保護系統對下實現所接入間隔信息采集、邏輯運算、命令下發功能，對上通過GOOSE、SV網絡與其他基礎保護系統完成信息交互[14-16]。擴展保護單元完成電氣量采集與命令執行。基礎保護系統與擴展保護單元接口通過光纖連接。有限集中式方案克服了無主式方案在檢修擴建中的不能“即插即用”的問題，同時避免了單主式主機接口有限、運行負載重的不足。

圖2 有限集中式母線保護就地化方案

1.3 運檢模式探索

保護就地化后，運檢方式也隨之發生變化。當前，初步構建了以“標準化設計”“工廠化調試”“更換式檢修”為核心思想的高效運維檢修體系[17-18]。就地化保護設備接口、尺寸、外觀等遵循統一標準，方便設備的安裝維護。保護裝置在通過出廠檢驗后，在各省公司或地市公司的工廠化檢驗中心進行統一調試，完成設備的組態配置，開展各模塊及整體功能的檢測檢驗和全站整體功能調試檢驗。

目前，就地化保護測試系統也在探索之中。最后，現場更換安裝通過接口插拔即可，借助智能管理單元，僅須進行少量試驗，以帶開關傳動、信號驗證為主。現場調試更換效率顯著提升，文件備份管理方面，通過智能管理單元可實現對配置文件、定值等信息一鍵式備份，并同時在本地運維主站存儲更新。

2 就地化保護技術發展展望

目前，就地化保護已有掛網試運行案例，但相應的裝置研發、產品標準化設計、整站落地方案、就地化保護方案尤其是跨間隔就地化方案優化，以及設備測試系統完善等仍有很長的一段路要走，將在未來一段時間內被不斷的深化討論。隨著通信技術、計算機技術以及電力電子技術的快速發展，前沿技術將繼續作用于電力系統，推動整個領域不斷變革向前。

2.1 就地化無線接入技術

近些年，無線通信技術的迅速發展，工業無線網絡廣泛應用于工業生產之中，同樣可以考慮將無線通信技術應用于能源互聯網行業。基于IEEE.802.11的工業無線技術，IEEE.802.11n標準數據率可達600 Mbit/s，完全滿足于對時要求小于100 ms的應用場景[19]。

無線接入式就地化保護包含了無線通信模塊，負責接收設備上送的數據并傳送給網關設備，網關設備提供接入網絡與變電站MMS網絡接口。無線通信模塊同時負責接收配置組態信息和控制指令等。就地化保護無線接入模式可簡化站內縱向聯系網絡，使得二次回路更加簡單清晰，減少站內安全運行隱患，節約電纜、光纜使用。

2.2 一二次設備集成技術

通過在傳統一次設備上增加智能控制模塊的方式，使得一二次設備高度集成，智能化一次設備同時具備了傳統保護裝置的功能，包括數據采集、信息上送、故障判斷等功能。

當前，一二次設備集成技術的研究正處于摸索起步階段，以構建具有測量數字化、控制網絡化、狀態可視化、功能一體化和信息互動化為原則，研究主要圍繞變壓器、斷路器、氣體絕緣開關等主要一次設備與傳感器、智能組件、電子式互感器的優化集成方案等方面[20-21]。

一二次設備集成以后，不再強調傳統的一、二次設備的劃分，相比于就地化保護變電站，站內結構更為精簡，間隔層、過程層二次設備功能徹底下放至一次設備本體，可最大程度實現工廠內規模生產、模塊化配送，有效減少現場安裝、接線、調試工作。

3 結束語

二次設備就地化具有簡化站內結構、節省空間、運維方便等特點，已成為繼電保護技術發展重要方向。在國家電網公司正積極穩妥地推進掛網試運行的同時，仍然面對技術層面和經濟層面的諸多實際挑戰，整站落地方案、就地化優化設計方案、設備研發、經濟性評估等多方面的論證實踐工作將不斷深入。隨著通信技術、電力電子技術的發展，長遠來看，就地化保護的無線接入技術、一二次設備集成技術將更進一步推進保護就地化實踐，促進智能變電站設計、安裝和運維等環節工作的變革和效率提升。