智能變電站500 kV斷路器保護配置方案研究

趙亞飛 范 巖

(中國電力技術裝備有限公司鄭州電力設計院，河南 鄭州 450000)

0 引言

新型智能變電站建設目標重點提出“結構布局合理、系統(tǒng)高度集成、技術裝備先進、經濟節(jié)能環(huán)保、支持調控一體”的目標[1]。二次設備的整合直接關系到“系統(tǒng)高度集成、技術裝備先進”等方面，整合后的效果又有利于“結構布局合理、經濟節(jié)能環(huán)保”。可見，在新一代智能變電站建設中，二次系統(tǒng)的集成整合也是重要的研究方向。

本文依照國家電網相關規(guī)程規(guī)范的要求，結合工程實踐中的經驗和問題針對500 kV智能變電站斷路器保護配置進行分析，優(yōu)化斷路器配置方案，完善斷路器與其他二次設備結合問題。在保證功能正常實現(xiàn)的基礎上，既實現(xiàn)減少設備數(shù)量，降低設備投資，又簡化系統(tǒng)結構，提高可靠性。

1 綜自變電站500 kV斷路器保護

500 kV綜自變電站主要采用3/2接線形式的斷路器保護，其包含自動重合閘、失靈保護、死區(qū)保護、充電過流保護功能元件，滿足國家電網相關規(guī)程規(guī)范關于斷路器的裝設要求。500 kV斷路器保護均為單套配置，接收雙套線路保護/主變保護的失靈啟動信號、啟動重合閘信號等，單套斷路器保護跳閘動作于雙跳閘線圈[2]。例如許繼WDLK-862A-G-001型500 kV斷路器保護，該裝置可以啟動線路及母差的雙套保護，出口回路獨立，其啟失靈流程如圖1所示。

通過上述分析可知，單套配置從功能配置上完全可以滿足現(xiàn)有繼電保護規(guī)程要求。同時，由于3/2接線中，針對串內各區(qū)間故障都已完整配置了雙套的主保護，如母線差動保護、線路差動保護、主變差動保護，實現(xiàn)各保護范圍交叉，不存在主保護的范圍缺失。500 kV斷路器保護主要承擔的功能：失靈保護、重合閘均為后備保護，完全可以單套配置。

2 智能變電站500 kV斷路器保護

目前智能變電站中，500 kV斷路器保護均為雙套配置，兩套斷路器保護分別接收：各自一套線路保護或主變保護的啟動失靈、啟動重合閘、母線保護的跳閘信號；兩套斷路器保護分別通過GOOSE網發(fā)送：啟失靈，跳母差保護范圍內的各個斷路器，線路保護發(fā)遠傳跳對側斷路器；雙套斷路器保護跳閘分別動作于對應的一組跳閘線圈。其詳細工作流程圖如圖2所示。

2.1 斷路器保護雙套配置的缺陷

保護裝置正常運行情況線路故障：線路保護1/2發(fā)跳閘命令，同時向斷路器保護1/2發(fā)啟斷路器失靈；斷路器保護1/2檢測到一次回路仍有電流(線路保護跳閘失敗)，斷路器保護1/2發(fā)跳閘命令跟跳。同時向線路保護1/2及母差1/2(邊斷路器)發(fā)啟失靈信號，母差1/2跳開母線側所有開關，線路保護1/2發(fā)跳命令，如圖3所示。

保護裝置檢修或故障時退出運行情況下線路故障：

1)第一套母差/線路保護退出運行：

由圖4分析：第一套母差退出運行，且斷路器保護雙套配置，一套線路保護跳閘失敗，通過斷路器啟母差不成功的情況下，并不影響另一套保護及網絡的正常工作。此情況下雙套保護的可靠性比較高。

2)第一套母差及第二套線路保護同時退出運行(交叉投運)：

由圖5分析：線路故障，第一套線路保護跳閘并給斷路器第一套保護發(fā)啟失靈，斷路器跟跳，同時斷路器保護向所在第一套母差發(fā)啟動母差失靈信號，此時第一套母差退出，不能聯(lián)跳該母差保護范圍內的各斷路器。由于第二套線路退出運行，斷路器第二套保護接收不到跟跳信號，也不會向第二套母差發(fā)啟失靈，導致保護跳閘失敗，危害電網的安全穩(wěn)定。

2.2 斷路器保護單套配置分析

通過以上分析雙套斷路器保護配置，一定的保護退出情況下不能很好的保證電網安全運行，因此結合500 kV保護模擬量采樣、GOOSE跳閘的技術條件，提出500 kV斷路器保護單套配置方案，優(yōu)化配置，簡化二次回路，優(yōu)化設備配置，提升集成度。下面分析斷路器單套配置情況下保護電網情況，如圖6所示。

1)保護裝置正常運行情況線路故障：線路保護跳閘失敗，斷路器保護跟跳，同時向兩套母差發(fā)啟失靈信號，母差保護跳開保護范圍內的所有斷路器。

2)保護裝置檢修或故障時退出運行情況下線路故障，交叉投運時，即第一套母差保護及第二套線路保護同時退出運行時。

第一套線路保護發(fā)跳閘命令并同時啟斷路器失靈，斷路器保護向雙智能終端發(fā)跳閘命令，同時能夠啟動第二套母差保護，第二套母差保護跳開其他各串斷路器，切除故障，保障電網的安全運行，如圖7所示。

2.3 斷路器保護單套存在問題及解決辦法

斷路器保護單套配置，必然會引起單套斷路器保護與其他雙套配置保護(如：母差、線路差動、主變差動等)配合的問題。智能變電站采用雙重化星形以太網絡，雙重化的網絡物理上相互獨立，保證單一網絡故障時不影響系統(tǒng)運行[3]。由圖6，圖7可看到，單套斷路器保護需要跨接雙重化過程層網絡來完成與其他二次設備的配合。

如果使二次裝置各個數(shù)據(jù)端口物理回路相互獨立，二次裝置中央處理器對外數(shù)據(jù)接口通過GOOSE網接收到幀結構的數(shù)據(jù)包后，經過變換器中的變壓器隔離和阻抗匹配后送到PHY(物理接口芯片)中，在此芯片中完成RMII接口的數(shù)字信號變換，獲得信息。不同數(shù)據(jù)端口的內部回路及處理芯片完全獨立。配置數(shù)據(jù)接口控制器實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)端口間無任何依存關系上送至總線，以實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)間的獨立性。

由此可見，裝置不同數(shù)據(jù)端口在物理上完全獨立，不存在相互影響的可能，且不因同一裝置跨接雙網而引發(fā)兩個網絡間發(fā)生數(shù)據(jù)交換單套斷路器保護通過獨立的數(shù)據(jù)接口跨接雙重化網絡，實現(xiàn)與其他雙套配置二次設備的信息交互,如圖8所示。

3 經濟性分析

根據(jù)以上單套斷路器配置方案，對全站500 kV斷路器保護配置方案進行技術經濟分析。

按照500 kV智能變電站3/2接線建設1個完整串，2個半串的規(guī)模考慮，可以減少7臺斷路器保護裝置。按照每臺斷路器保護15萬計，可減少設備投資105萬元。遠期規(guī)模按7個完整串考慮，可減少21臺斷路器保護裝置，總計減少設備投資315萬元。

4 結語

本工程圍繞“兩型一化”“配送式、模塊化建設”的核心理念，深入總結提煉已投運試點工程經驗，提高智能變電站信息共享程度和功能集成程度。通過分析500 kV斷路器保護配置方案，解決了斷路器保護雙套配置的存在的隱患，提出了單套斷路器保護對應雙保護裝置采用不同數(shù)據(jù)端口在物理上完全獨立的方案，且該方案下不會因同一裝置跨接雙網而引發(fā)兩個網絡間發(fā)生數(shù)據(jù)交換，單套斷路器保護通過獨立的數(shù)據(jù)接口跨接雙重化網絡，實現(xiàn)與其他二次設備的信息交互。