基于IEC 61850數字化技術在三代核電輔助變壓器中的應用

中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司 陳利芳

臺山核電站采用中法共同建設模式，在國際最新型反應堆（EPR）技術的基礎上應用了大量經過充分驗證的成熟技術和優秀工藝，充分借鑒全世界最先進的核電站經驗，其中技術先進、安全可靠的改進型壓水堆技術全面滿足EUR 要求，在運行條件、環境保護等方面獲得了重大突破，大大提升了項目的競爭力。臺山核電站的成功經驗對我國學習應用世界先進的核電技術，加快實現EPR 三代核電機組的設計、施工、調試、運營以及設備制造等國產化，培養高素質核電人才，加快我國核電產業建設與核電裝備制造業發展，為進一步加強國際合作奠定了更加堅實的基礎。

本文以臺山核電一期工程為例，介紹了國內首次成功應用的一種基于IEC 61850數字化技術的核電站輔助變壓器繼電保護實施方法，也是在此項目背景情況下產生的技術成果。

1 技術背景

1.1 臺山核電廠工程項目簡介

臺山核電站位于廣東省臺山市赤溪鎮，總投資500億元，建設6臺核電機組，年上網電量260億千瓦時，是我國首座采用EPR 三代核電技術建設的大型商用核電站（全球第三座），也是迄今為止中外共同開發建設的最大核電項目。臺山核電站一期工程建設2臺單機容量175萬千瓦機組，采用歐洲壓水堆（EPR），兩臺機組分別于2009年和2010年開工建設，目前均已投入商運。

核電站由中方（中廣核集團公司等）和法方（法國電力公司）按照7：3投資組成的臺山核電合營有限公司負責建設和運營、管理。核電站設計、設備制造等由中法兩國企業共同承擔（其中中方承擔的工作達到或超過一半）：法國阿爾斯通公司(ALSTOM)與中廣核集團公司組成的聯合體承擔了核島設計及設備供貨；汽輪發電機組由中國東方電氣集團與阿爾斯通公司(ALSTOM)聯合生產；中廣核設計公司、阿爾斯通公司及廣東省電力設計研究院組成聯合體承擔了常規島的設計供貨；中廣核工程公司還承擔電站輔助設施的設計供貨。

1.2 基于通用網絡通信平臺的IEC61850標準

在電力系統中，隨著近些年自動化程度的快速提升，需要一種通用的通信方式來實現對變電站中各種IED 的管理以及設備間的互聯，以滿足變電站自動化越來越高的要求。IEC61850就是在這種情況下，由國際電工委員會第57技術委員會(IECTC57)吸收了IEC60870系列標準和UCA 的經驗及部分先進技術制定了一份公共通信標準。該標準參考和包括的主要標準有：IEC870-5-101（遠動通信協議標準）；IEC870-5-103（繼電保護信息接口標準）；UCA2.0-Utility Communication Architecture2.0(變電站和饋線設備通信協議體系2.0)；MMS-Manufacturing Message Specification（制造商信息規范ISO/IEC 9506）等。

IEC61850標準作為基于網絡通訊平臺的變電站唯一國際標準，它通過系統各類設備的規范化、設備輸出的規范化，實現設備與設備之間的無縫連接，對變電站自動化系統（SAS）的設計、尤其是保護和控制等自動化產品的設計生產等產生了非常深刻的影響[1,2]。目前，不僅在變電站系統內部，還包括變電站與調度中心、各級調度中心之間，也在將不斷推廣應用IEC61850標準。因此，世界各國的研究機構及科研設計單位、設備廠家、電力公司等都在積極研究，尋找應對策略，調整研究方向，加快與新國際標準接軌，以求在市場競爭中搶占先機[3,4]。

2 基于IEC 61850的繼電保護方案

2.1 傳統的繼電保護方法[5,6]

傳統的核電站輔助變壓器繼電保護實施辦法通常做法如下：將輔助變壓器高、低壓側的電壓電流互感器的二次交流量轉換為模擬信號；通過電纜將模擬信號輸出至繼電保護裝置；通過比率制動實現差動保護；跳閘命令也是通過電纜將該指令輸出至輔助變壓器的高、低壓斷路器的操作機構。

2.2 傳統繼電保護方法的缺陷

如果輔助變壓器高低壓側電流互感器安裝位置相隔不遠，這種傳統繼電保護實施辦法是安全可靠的。對于輔助變壓器高低壓側電流互感器之間距離較遠的工程，差動保護的電流輸入仍采用傳統的電纜輸入方式的話，長距離的傳輸損耗極易引發差動保護的誤動問題。以臺山核電廠一期項目為例分析如下：臺山一期輔助變壓器高、低壓側電流互感器二次側額定電流為1A，二者之間的直線距離約為1公里。在這種情況下，若繼電保護仍采用傳統的長距離電纜來傳輸模擬信號的方式來進行，可能帶來電流互感器二次負擔較重而引起差動保護誤動；此外，跳閘控制電纜長距離的對地分布電容大、易受外界干擾，也會引起保護誤跳閘。

2.3 基于IEC 61850的繼電保護技術方案

在臺山核電站一期工程實踐中，為了解決由于核電站主設備和保護設備距離較遠、長距離電纜傳輸模擬量信號帶來的電流互感器二次負擔較重而引起保護誤動、以及長距離的跳閘電纜對地分布電容大易受干擾導致誤跳閘等問題，我們基于IEC 61850數字化技術，采用了一種科學可靠的輔助變壓器繼電保護實施方法，即通過繼電保護設備IEC 61850標準化，將模擬量采集就地數字化；再通過光纖傳輸，通過進出電流平衡快速對比，實現差動保護。整個繼電保護的具體實現過程如下：

首先，模擬量采集、就地數字化。在變壓器各側的CT/PT 安裝處將模擬量通過CSN-15B 裝置就地數字化。CSN-15B 的模/數轉換模塊將模擬量信號轉換為數字量信號，數字信號再通過合并單元模塊轉換為符合IEC61850-9-1通訊規約的報文。為了提高保護的可靠性，CSN-15B 采用雙AD 冗余采集，即將同一路電流量通過不同的兩片AD 芯片進行同時采集，防止因單片AD 故障導致保護誤動的問題。為了保證變壓器各側模擬量采集的同步，通過CSC-196時鐘同步裝置采用時鐘同步技術來保證每個CSN-15B 的采集的同步性。

第二，通過光纖傳輸控制數據。將變壓器各側的CSN-15B 生成的IEC61850-9-1規約的報文通過光纖連接至SV 交換機，然后再由SV 交換機將采用數據送至繼電保護裝置。控制數據光纖傳輸解決了采用長電纜傳遞模擬量時帶來的CT 二次負擔大、易受干擾等問題。

最后，通過比率制動實現差動保護。

圖1 繼電保護系統二次圖

繼電保護裝置將SV 交換機送過來的IEC61850-9-1規約的采樣信息進行分組解碼，得到各側的電流量和電壓量。保護裝置采用雙CPU 冗余模式，每個CPU 使用的模擬量分別來自不同的CSN-15B 的AD 轉換芯片，當兩個CPU 都動作后保護才最終發出動作指令，防止因單個AD 芯片異常導致的誤動。保護動作后，通過CSY-102遠跳裝置將跳閘信號通過光纖傳到變壓器高壓側的遠跳接收裝置CSY-102，由就地的CSY-102完成跳高壓側開關功能。通過CSY-102來進行遠跳的方案解決了長距離跳閘電纜易受干擾發生誤動的問題。通過這種繼電保護實施方法可降低保護誤動的發生，為核電機組的安全運行提供可靠的高壓輔助電源。

3 基于IEC 61850的繼電保護方案的技術探討

3.1 解決的主要技術問題

基于IEC 61850的繼電保護方法的關鍵點在于應用IEC 61850標準化設備、合并單元技術和時鐘同步技術等實現核電站輔助變壓器繼電保護的功能，從技術上主要解決了以下問題：長距離電纜傳輸模擬信號引起差動保護誤動問題。由于一些核電站的主設備和保護設備之間的距離較遠，傳統的繼電保護模式可能導致電流互感器二次負擔較重；受外界干擾引起的保護誤跳閘問題。核電站主設備斷路器和保護設備距離較遠，跳閘控制電纜長距離的對地分布電容大、易受外界干擾，引起誤跳閘。

3.2 主要的技術創新點

基于IEC 61850的數字化技術已逐步應用于國內外數字化變電站，但國內采用基于IEC 61850標準化的保護設備同時采用數字化跳閘的繼電保護實施方法在核電站輔助變壓器保護應用尚無成功先例。在臺山核電站一期工程中，首次采用了基于IEC 61850數字化技術的輔助變壓器繼電保護，解決了核電站供電系統輔助變壓器保護高壓側開關和低壓側開關距離較遠，長距離的CT 電纜和跳閘電纜帶來的CT 二次負載大、易受干擾等問題，大大提高了高壓輔助變壓器保護的可靠性和安全性[7,8]。本項目采用的新型核電站輔助變壓器繼電保護實施方法，實現了以下三個方面的創新：

第一次采用IEC61850實現核電站的輔助變壓器繼電保護標準化。采用IEC61850標準化保護設備，通過標準的規約獲取裝置內部信息，實現高度的互操作性，為后續實現保護裝置的自動化測試提供了條件；第一次實現了模擬量信號采集就地數字化。通過合并單元技術、IEC61850-9-1規約和時鐘同步技術，成功解決了長距離電纜傳輸模擬量信號可能存在的保護誤動問題。針對性解決了核電站主設備和保護設備距離較遠，電流互感器二次負擔較重的問題；實現數字化跳閘，提高變壓器保護的可靠性和安全性。成功解決了核電站主設備斷路器和保護設備距離遠、跳閘電纜對地分布電容大、易受干擾導致誤跳閘的問題。

同時，這種技術在臺山核電站一期工程中的成功應用，不僅開辟了IEC 61850數字化技術在繼電保護領域應用的先河，還必將拓展數字化變電站的應用范圍。

綜上，臺山核電站投入運行以來，安全穩定，有效緩解了廣東省電力長期緊張局面，優化了大灣區的電網結構，實現大灣區社會經濟和生態環境可持續協調發展，加快大灣區的資源節約型、環境友好型社會建設。同時，通過采取中外共同建設模式，學習借鑒世界上先進核電站大量經過充分驗證的成熟技術和優秀工藝，對我國緊密跟蹤世界先進核電技術，在加強國際合作的基礎上培養自己的高素質核電人才，加快實現我國在EPR 三代核電機組設計、制造、施工、調試、運營等全方位的自主化目標、促進我國核電裝備制造業發展、加快我國核電產業建設發展步伐具有重要意義。

電力系統設施的智能化和數字互聯，智能電網、數字電網是21世紀電力系統的重大科技創新和發展趨勢，其中互聯標準在其中起著非常關鍵的作用。IEC 61850作為電力領域的全球標準之一，帶動了整個行業的思想變革和技術變革。基于IEC 61850的綜保裝置近年來已經在數字化變電站領域得到成功應用，通過采用基于IEC 61850數字技術的新型繼電保護方法，成功解決了長距離電纜傳輸模擬量信號可能存在的保護誤動問題，切實保障核電機組的安全運行，同時這種方法也可在常規的大容量火電廠中推廣應用。