數字化變電站中電氣二次設計分析

周 平

（國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京 211100）

0 引言

隨著科學技術的發展，智能化技術日趨成熟，其在變電站中的合理運用推動著變電站的發展。隨著電力系統的智能化，電力系統的二次設計也逐漸采用了數字化技術。在目前的科學技術條件下，要使變電站構成的二次裝置能夠正常工作，才能保證變電站的安全。二次前置分為8 大部件，既有測量控制、遠程傳輸、在線檢測、故障記錄等功能，又具有繼電保護、防誤閉鎖、電壓無功控制和同步運行等功能。為確保二次設備運行的穩定、高效，必須確保8 種設備的規范化。現階段，智能化變電站越來越注重對數據資源的充分利用與分享，因此，變電站的智能化電氣二次分析、設計工作對變電站的正常運行起著至關重要的作用[1]。

1 變電站電氣二次系統重要作用

近幾年，隨著電網建設的不斷推進，電網向超高壓、長距離輸電、智能化發展，對輸電系統的安全、穩定、可靠的要求也越來越高，同時也需要更加經濟地運行。二次設備是變電站的關鍵設備，它的作用是保證一次設備的安全穩定運行。尤其是近幾年，變電站的現代化、便利性、微型化發展速度加快，加上社會發展對電力供應的需求越來越大，進而電力設備在傳輸、分配等方面的安全問題也越來越突出。因此，要使一次回路、設備的安全得到有效的保障，就必須合理地進行二次系統的設計與使用，并從多個角度考慮各種因素，以使其更加科學合理地設計，并使其在實際中得到更好的應用，從而使一次設備得到更好的保護，為整個變電站的安全打下堅實的基礎。

2 數字變電站概述及特點

2.1 數字變電站概述

揚州110 kV 何橋變電站按照ⅠEC61850（DL/T860）、《智能變電站技術導則》和《110（66） kV～220 kV 智能變電站設計規范》進行了全面的設計。該系統具有智能報警、順序控制等先進智能應用功能，并實時監控主變、避雷器等設備，滿足了變電站無人值守的需求。

2.2 數字變電站的特點

2.2.1 一次設備智能化

由于線纜具有較大的空間和較慢的速度等特性,數字變電站在應用中已不能再利用常規的線纜，而是用電子數字代替原有的信號，實現了數據連續傳輸和信息轉換，極大地提升了信息傳輸和利用效率。在變電站中，較常用的輔助設備有保護裝置、測量控制裝置、電壓控制裝置等。在數字變電站中，采用網絡技術可以快速傳輸數據，實現資源的共享。

2.2.2 運行管理系統自動化

在變電站的運行管理系統中，通常采用自動的網絡技術來進行數據的錄入和分析，而不需要紙張來記錄，一旦發生故障，管理系統就能對故障情況進行分析，并提出相應的解決方案及有效的記錄。采用自動化管理系統，無需進行常規維修，只需進行狀態維修，可以自動發送檢修的報告評估數據，勞動力得以有效分配。

3 智能化變電站電氣二次設計要點

3.1 智能化變電站設備選擇要點

智能化變電站的關鍵在于如何合理地選擇電氣二次設備，如智能變電站的智能開關、電感器等。現在的變電站，往往都是采用網格化的方式保證電力二次設備的正常運轉。在智能變電站的二次設計中的智能開關和電感器設計中，常會遇到下列問題。①在選用智能開關時，必須根據實際情況，選用最適合的交換機。在諸多選擇中，最具科學性和合理性的就是智能切換。智能開關的應用直接關系到智能化變電站的安全穩定。智能開關的選取，直接關系到整個智能變電站的運行性能，對智能變電站的智能化控制能力也有很大的影響。此外，智能切換的合理利用，也可以極大地促進數字的實現，其應用為其提供了一個界面，從而將智能化水平進一步提高。當然，智能開關也有其不足之處，例如造價及維護費用較高。②如果在智能化變電站中使用一般的開關，盡管這樣的開關可以提供一個數字界面，但在此情形下，聯機監控功能就無法使用。③在選擇電子互感器時，通常要考慮采用主動型或被動型。在實際應用中，人們更傾向于采用有源式變壓器，它采用激光進行相關匹配，改善了電源的穩定性。而被動式的電子互感器則采用了基于光敏的傳感器，這不僅造價昂貴，而且還不穩定，因此大多數人都會選擇前者。

3.2 通信規約選擇要點

在智能變電站的二次設計中，通常所選用的通訊規范存在著一定的差別。103 通信協議對站控層網絡可能更合適。103 使用了常規的功能設計方式，但也有一些缺陷，例如，在運行上沒有任何優點，主要應用于要求較低的變電站。ⅠEC 61850 則是一種更好的通訊規約，它的可操作性更強，但也有一個弊端，即成本太高。由于過程層網絡規約采用FT3幀，具有更高的實現性能、傳輸時延的固定等優勢。除此之外，ⅠEC 60044-8通訊規約也是一種格式，它的目的是為了實現目標的設計，這樣就可以讓智能變電站變得更加完善。但是，這種通訊規約在實際應用中，也有很大的限制，比如傳送延遲不能確定，穩定性不高，而且價格昂貴。

3.3 網絡結構設計要點

在網絡的設計中，把智能變電站分為過程層、網絡層和站控層三層。工作人員都要針對每個層面的特性進行單獨設計。其中，過程層的設計是區別智能變電站與常規變電站的關鍵環節，因此，在具體的設計中，必須引起足夠的重視。目前，在對智能變電站站控層系統的選型中，要綜合考量以上各種因素，選取投入最低、科學合理、最穩定、最安全可靠的方法，而星型太網則成為支撐的最佳方式。

3.4 保護配置

在變電站內，每個主變設置2個變壓器保護（主后合一）、1 個變壓器本體保護；在高壓側和低壓側各設有一操作盒，其主要作用是實現分合高、低壓側開關。變壓器的保護方式是主后合一型，即后備和差動保護，以差動和氣體保護為主，差動保護在瞬間跳過變壓器兩邊的斷路器，而內橋側的斷路器則跳過。變壓器的本體保護包括油溫、減壓等方面的保護，一旦出現異常，就會向操作人員報告異常情況。

3.5 控制保護電源

在220 kV 智能變電站的施工中，由于采用了無人值守或極少有人值守，對變壓器保護和220 kV 線路保護采用了雙組，并對一些關鍵的控制電路進行了充分而必要的冗余設計。在變電站的控制上，可選用兩組VRLA 型密封蓄電池，其直流電壓為110 V，電池容量為500 Ah，電池的數量為54 個，電池的浮充電壓為2 V。

3.6 線路保護

在整個故障產生和操作中，若故障是在出線處，則可以利用反向判斷的方式以更好地判斷問題，也可以在第一時間準確地找到故障，一旦發現問題，立刻就能發送出閉鎖信息，從而保證整個電力設備的安全，也能保證整個變電站的正常運轉。

4 數字化變電站中的電氣二次設計方案

4.1 對電氣智能設備進行合理選擇

在變電系統中，通常都要進行相關的二次設備的設置，其中網絡二次設備是數字化變電站所必需的，因為只有通過網絡二次設備才能實現與數字變電站系統的連接和對應的網絡通訊。目前，在變電站的選型中，通常采用有源和無源兩種方法。與被動式電子變壓器相比，有源式電子變壓器具有更好的性能和工作效率，因而其應用領域也更廣。在選擇二次設備的同時，還要考慮到智能開關的選擇，最好采用智能終端，因為它能夠滿足各種設備的切換要求。

4.2 設計組屏方案

數字變電站的二次部分組屏方案與傳統的方案有很大的區別。相比而言，二次部分組屏方案功能全面，操作簡單，而且還可以根據不同等級的電壓集成設備，將多個屏幕組合在一起。在進行設計時，必須將遠動主機、監控主機、工程師工作站等設備設置在主控室中，而不像ⅠEC 61850 的智能設備，需要分別設置組屏。

4.3 繼電保護模式設計

為了使變電站能夠正常工作，變電站需要繼電器保護裝置和保護設備。繼電器是電力系統的核心部件，所以需要對繼電器的設計進行了優化。從本質上說，需要在監測系統中設置獨立的繼電保護，并使其與監測系統處于相互獨立的狀態。在此基礎上，即使在自動變電站突發故障時，該系統內部的保護裝置仍然能正常工作。就目前的情況而言，保護與控制設備應包括電容器、變壓器、線路等部件，并對重要部件進行多層保護。通過測量和控制，可以得到實時的電壓和電流信息。同時，該CPU 具有特殊的邏輯模塊，能夠根據該邏輯模塊對各分片的性能進行判斷。

4.4 增加防誤閉鎖設計

電力系統的安全性是數字化變電站電氣設計的重要內容。在進行二次電氣設計時，既要確保設計方案的科學性，又要針對發生的問題制訂一套完整的防范措施，以確保電網的正常運轉。因此，在進行數字化變電站二次設計時，應科學、合理地設置安全防誤裝置，以保證其與電網的設計和施工相適應。在變電站的自動控制系統中，應設置一個防誤閉鎖裝置，其主要目的是防止高壓裝置突然發生誤動作。從現狀來看，防誤閉鎖可以劃分為電氣型與微機型的兩種類型。通過電氣連鎖控制，可以對每一條電路進行優化，并通過相應的防誤裝置實現以上的優化，但其困難是設計者需要將多根二次電纜連接到整個系統中，增加了操作的難度。另外，在以后更換二次線路時，將會花費大量的人力和財力。與之相比，基于計算機控制的防誤閉鎖具有其獨有的技術優越性。這是因為計算機控制方式設計了一種特殊的鎖定規則，從而建立了一個數字的鎖定轉換模型。

4.5 光纖縱差保護設計

光纖縱差保護是利用光纖兩端的電氣量來實現數字信號的變換，從而達到通信目的。光纖縱差保護功率電纜具有較長的長度，與常規差動保護相比，不會產生環負荷問題，其應用具有顯著的優越性。此外，纖維的放電性能及抗雷擊性能更好，信息可以傳遞更遠，傳遞的信息更多。然而，在與繼電保護裝置進行通訊連接后，由于存在著盲區，光纖通信自愈切換所需的時間較長。為有效地解決這個問題，在進行光纖縱差保護的設計時，必須從通訊機房和繼電保護裝置的聯接、保護等方面進行全面的研究。

4.6 監控系統、應急系統、智能控制系統的設計

監控系統是電力二次系統中的關鍵部件，它的主要功能是對一次、二次裝置進行控制，一般都是采用分布式通過雙擊方式來實現對斷路器的遙控，并通過三種方式實現對斷路器的遙控。變電站二次系統中的緊急控制系統通過設置消防警報，可以有效地應對各種突發情況。尤其是在變電站的工作環境下，當出現雷擊、超負荷運轉時，變電站的應急系統可以保證變電站的安全、可靠。變電站二次系統的高效率運轉，以及它的自動化、智能決策功能，都離不開智能控制系統，在變電站的運行中，當發生安全事故時，它可以根據所得到的信息進行快速的判斷和處理，從而在最短的時間內做出相應的反應，既可以降低損失，又可以提升整個變電站的工作效率。目前，神經智能與專家系統的研究還在繼續，將來必將在電力二次系統中得到廣泛的應用。

4.7 直流系統的設計

直流輸電在變電站的二次供電中占有重要的位置，它可以為電網的自動控制提供大量的能量，從而確保電網的數據采集和控制等工作順利進行，為電網的安全運行提供有力的技術支持。在變電站的二次電力系統中，斷路器的運行是由電動彈簧來進行的，由于變電站里面的電流并不多，為了保證在停電時可以工作2 h，必須要將電力儲存起來，并且設定為300 mA。此外，還必須引進智能計算機技術，將其用于控制系統的切換。

4.8 設計端子排圖

在進行數字變電站二次部件的終端布線時，可以省去一次和二次之間的接線布置，同時還可以對控制電路進行優化。這簡化了二次電路的設計，比如保護壓板、按鈕和把手的數目大幅降低，降低了操作和維修工人的安全風險，而且還徹底解決了光纜使用中的老化問題，提高了系統的穩定性，達到了全數字化的目的。

5 數字化變電站中電氣二次設計注意事項

5.1 對線路保護方面

線路保護的內容包括：過流保護、距離保護、分相電流差動保護。飽和電磁互感將會對逆時過電流保護的工作時間產生很大的影響，并導致保護工作時間延長。失真發生在二次電流波形上，所以在選用非常規變壓器時應選用不飽和特性的變壓器。其次是距離保護。距離保護主要是為了判斷電流中的非周期成分，一般不能從根本上改變非周期成分，從而導致測量誤差過大。采用微分方程的阻抗算法，可以縮短數據窗口，增加數據窗口，增加距離保護操作速度，減少測距誤差。第三種是分相電流差動保護。分相電流差動誤差主要是因為變壓器飽和引起的，如果要有效地解決線路分相電流差動保護的誤動問題，可以選用具有非飽和特性的電子互感器。

5.2 對母差保護方面

通過母差分站把模擬信號轉換成數字信號，即可完成整個母差系統的數字化。母差維護是把舊母差式保護轉化為新的母差式保護，一般分為兩大類：分站和主站。一般情況下，分臺間只需要將匯流端的電流和開關連接。當進行了對各個分室的數字化設置之后，就可以實現電壓、電流和母差式的與主站間的逐漸連接，而通過GOOSE 接口后，就能夠實現網絡的連通性。

5.3 對數字化低周保護方面

與傳統的低周保護相比，數字低周保護存在很大差別，它的特點是數字低周保護沒有信號。數字低周保護是在接收到單位位置的母線電壓后，對其進行相應的頻率運算，然后以報文的形式通過跳閘指令輸出。例如，根據預定的時間，在10 kV 區間內設定自動回撤低周壓板，并在一定的出口提前跳閘，從而確保低周跳的功能。

6 結束語

當前，我國正處于經濟和社會轉型的階段，工業發展需要大量的電力能源，對供電的要求也越來越高，要求電力系統提供更加穩定的電能。在電力系統中，變電站是最重要的，數字化變電站是未來的發展趨勢，因此數字變電站二次設計的分析具有重要意義。