裘愉濤，王德林，胡 晨，董新濤

(1.浙江省電力公司，浙江 杭州 310007；2.國家電力調度控制中心，北京 100031；3.國網杭州供電公司，浙江 杭州 310007；4.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

無防護安裝就地化保護應用與實踐

裘愉濤1，王德林2，胡 晨3，董新濤4

(1.浙江省電力公司，浙江 杭州 310007；2.國家電力調度控制中心，北京 100031；3.國網杭州供電公司，浙江 杭州 310007；4.許繼電氣股份有限公司，河南 許昌 461000)

闡述了國內微機保護的發(fā)展歷程以及目前繼電保護所暴露的一些問題，提出了繼電保護的小型化和就地化。具體研究了全站二次系統(tǒng)架構、智能管理單元及就地化操作箱。提出了無防護安裝就地化保護的預期目標：通過就地安裝減少中間環(huán)節(jié)提升保護快速性，可靠性和減少干擾；通過即插即用的檢修模式縮短保護裝置的更換時間，提高檢修效率；推動智能站二次系統(tǒng)整體設計方案優(yōu)化及運維技術和管理的創(chuàng)新，實現變電站安全可靠、運維便捷、節(jié)能環(huán)保、經濟高效。無防護安裝就地化保護的基礎技術條件已具備，已有就地化線路保護與就地化分布式母線保護經過了實踐檢驗，無防護安裝的就地化保護將開啟變電站建設、運維的全新模式。

無防護安裝；就地化保護；智能管理單元；即插即用

0 引言

國內微機保護的研究開始于 70 年代末期，起步較晚，但發(fā)展很快。自 1984 年我國第一套微機距離保護樣機在試運行后通過鑒定并批量生產以來，國產微機保護經過多年的實際運行，依靠先進的原理和技術及良好的工藝已全面超越進口保護。從80年代 220 kV 及以上電壓等級的電力系統(tǒng)全部采用進口保護，到現在 220 kV 系統(tǒng)繼電保護基本國產化，反映了繼電保護技術在我國的長足發(fā)展和國產繼電保護設備的明顯優(yōu)勢。無論是理論基礎、規(guī)范規(guī)程、還是保護設備，中國繼電保護的發(fā)展均處于國際領先水平，但在很多方面也暴露出一些新的問題[1-2]。

(1) 接口形式老舊

但長期以來，保護裝置對外的接口始終采用端子排形式，并未隨著繼電保護裝置技術的發(fā)展而進步。老舊的接口形式，使得繼電保護裝置運維始終保持著較為傳統(tǒng)的方式，阻礙了繼電保護運維效率的進一步提高。

(2) 回路復雜，接口不統(tǒng)一

現階段二次設備種類繁多、二次回路復雜，現場接線、配置、調試及檢修等工作量大，設備試驗需要多間隔設備甚至全站陪停，安裝調試及檢修時間長。隨著電網規(guī)模不斷擴大，現有安裝調試及運維檢修力量承載力不足，難以支撐電網建設和運行的需要。

(3) 人員承載力不足

電網規(guī)模不斷擴大，國網現有 110 kV 及以上存量變電站 1.5 萬座，每年新建近 1 000 座變電站，而運維檢人員定崗定編，基本沒有增長。以國網某省電力公司為例：300 多名一線運維人員，500 多座110 kV 以上變電站，二次運維人員嚴重不足。

(4) 大量使用熱交換系統(tǒng)，能耗高，系統(tǒng)可靠性差

智能站過程層設備大量采用就地戶外柜安裝方式，戶外柜運行環(huán)境差，現有裝置防護等級低、光口數量多、發(fā)熱量大、抗電磁干擾能力差、故障率高。為改善二次設備運行環(huán)境加裝了戶外柜空調等輔助設備，而溫控設備本身可靠性差，運維工作量大，效果欠佳。

此外，由于工作環(huán)境的惡劣，造成二次設備缺陷率的增加。僅 2012 年，智能終端缺陷率為 4.487次/百臺?年，合并單元缺陷率為 11.089 次/百臺?年，分別是常規(guī)保護裝置的 2.2 倍和 5.4 倍。

(5) 占用土地資源

隨著城市的不斷發(fā)展，土地資源越來越寶貴和稀缺。同時，用電負荷中心往往在人口高度密集，土地資源匱乏的市中心，進一步加劇了用地矛盾。傳統(tǒng)微機保護需要單獨組屏，屏柜的使用率低，并且屏后的端子排也成為限制繼電保護屏柜體積減小的重要限制因素。

在一系列“六統(tǒng)一”的標準和規(guī)范實施后，如Q/GDW 1175~2013《變壓器、高壓并聯電抗器和母線保護及輔助裝置標準化設計規(guī)范》、Q/GDW 1161~2014《線路保護及輔助裝置標準化設計規(guī)范》，保護裝置的輸入輸出量、壓板、端子、報告和定值的統(tǒng)一，規(guī)范了保護裝置的對外接口、內部邏輯和輸出信息。在此基礎上，具備進一步簡化裝置接口，同時將接口的物理實現形式由端子排轉變?yōu)閷Ｓ眠B接器。

專用連接器能夠實現快速、可靠插接，縮短現場作業(yè)時間，操作簡單方便，裝置運維更加便利。專用連接器本身具備色帶和鍵位等防誤設計，能夠防誤插拔，降低“三誤”事件概率和作業(yè)安全風險。同時專用連接器接口密封采用特殊工藝處理，能夠滿足防水、防塵等具體要求，提高了裝置的防護等級。

芯片技術的不斷發(fā)展和進步，使得芯片的計算處理能力越來越強的同時發(fā)熱量也越來越小，使得保護裝置具備了小型化和就地化的基礎條件[3-7]。

1 研究內容

1.1 全站二次系統(tǒng)架構

全站二次系統(tǒng)采用分散加集中的設計理念：對于單間隔保護，本間隔相關的電流、電壓采集以及斷路器位置和控制采用電纜直接接入，自成體系，即使與外部聯系中斷，保護功能也不受影響；對于跨間隔的變壓器和母差保護，采用分布式設計[8]，將跨間隔保護間隔化；對于網絡記錄分析裝置等站端二次設備采用網絡方式傳輸SV和 GOOSE 信息，集中布置于主控制室。

線路保護具有完整的主后備保護功能，兩套雙重化保護相互獨立；采用模擬量電纜采樣，采集本間隔電流互感器的保護電流及本間隔三相電壓；采用電纜跳閘方式，通過 GOOSE 網絡發(fā)布本裝置的跳閘信號及其他狀態(tài)信號，通過 GOOSE 網訂閱其他保護或控制設備的相關信號，例如啟動失靈、閉鎖重合閘；通過模擬量輸入方式接入必要的斷路器信息，例如斷路器位置；線路保護采用標準化接口，單端預制方式；線路保護和母線保護的跳合閘出口硬壓板設置在斷路器就地控制柜內；按間隔配置兩套或一套操作插件(箱)，完成對本間隔斷路器的跳合閘控制功能，安裝于本間隔就地控制柜中。

跨間隔保護(母差、主變)采用分布式設計，按間隔配置子機，子機無防護就地化安裝，各保護子機互相獨立。子機電纜直接采樣，電纜直接跳閘，子機和子機間采用環(huán)網通信，各子機宜采用同一廠家設備，子機間的通信應采用標準規(guī)約?？蛇x用有主式或無主式方案，采用主機或從各子機中選取一臺作為對外通信的接口，連接過程層網絡收發(fā)聯閉鎖信號，連接站控層網絡進行信息上送及配置下載。

圖1 為 220 kV 雙母線接線 220 kV 側單套配置保護的二次系統(tǒng)架構圖，其他電壓等級變電站可采用相同的設計理念得到相應的二次系統(tǒng)架構。

1.2 智能管理單元

由于無防護就地化安裝的保護裝置取消了鍵盤和液晶顯示，因此在站控層設置就地化保護智能管理單元，提供人機交互的手段，同時就地化保護智能管理單元還能實現所有保護裝置的集中配置功能。

所有保護設備都應具備兩個MMS網口，分別接入站控層的MMS網絡，智能管理單元通過MMS網絡獲取與就地化保護集中界面和配置管理相關的數據，就地化保護智能管理單元網絡結構如圖2所示。其中智能管理單元采用雙機配置，與站控層雙網連接，獲取保護數據。

圖1 220 kV 變電站全站二次系統(tǒng)架構Fig. 1 Secondary system architecture of 220 kV substation

圖2 就地化保護智能管理單元網絡結構示意圖Fig. 2 Structure of networks of smart management unit of outdoor installation protection equipment

智能管理單元實現的功能如下所述。

(1) 裝置界面：智能管理單元應能按照規(guī)范的菜單格式，提供所有保護裝置信息的遠程展示界面，供運維人員查看及操作，從而在智能管理單元實現對保護裝置的完全控制。

(2) 備份管理：智能管理單元設置專門的保護配置備份區(qū)，在保護調試工作完成后投入運行時，對保護的配置進行備份，以防因意外情況造成保護失效而無法獲取備份。當保護裝置出現異常需要重新配置時，可從保護配置備份區(qū)獲取裝置的配置并進行下載，縮短消缺時間，提高檢修效率。

(3) 保護設備狀態(tài)監(jiān)測：智能管理單元能夠通過MMS網絡，接收裝置保護動作、告警信息、狀態(tài)變位、監(jiān)測信息，在線分析采集的各種數據信息；對收集到的數據進行必要的處理，對收集到的數據進行過濾、分類、存儲等；實時監(jiān)視并分析網絡通信狀態(tài)。

(4) 定值比對：智能管理單元具備自動召喚定值并和上次召喚時保存的定值進行自動比對功能，當發(fā)現定值不一致時，在本地給出相應提示，向所有遠端主站發(fā)送定值變化告警信號，并將新定值保存在數據庫中作為下次比對的基礎。

(5) 故障信息管理：智能管理單元能對所接入保護裝置的故障錄波文件列表及故障錄波文件進行召喚。在保護裝置支持的情況下，應能召喚中間節(jié)點文件；能對故障錄波文件進行波形分析，以多種顏色顯示各個通道的波形、名稱、有效值、瞬時值、開關量狀態(tài)；能自動收集廠站內一次故障的相關信息，整合為故障報告，內容包括一二次設備名稱、故障時間、故障序號、故障區(qū)域、故障相別、錄波文件名稱等。

(6) 遠程功能：智能管理單元能夠實現保護事件、告警、開關量變化、通信狀態(tài)變化、定值區(qū)變化、定值不一致、配置不一致等突發(fā)信息；故障錄波文件(包括中間節(jié)點文件)、智能診斷結果文件等上送遠端主站的功能，同時支持主站遠程召喚模擬量數據、定值數據、歷史數據及其他文件。

(7) 其他高級功能：智能管理單元還能夠實現SCD 模型文件管理，繼電保護系統(tǒng)診斷等其他高級功能。

1.3 就地化操作箱

一次設備智能化水平低，開關無法做到標準化和智能化，因此需要使用操作箱作為一次設備和二次設備間的接口。

就地化操作箱僅保留基本的斷路器跳合閘及必要的監(jiān)視功能。斷路器本體機構已實現的功能，操作箱不再重復設置，例如：防跳、壓力閉鎖、三相不一致等功能。通過傳輸和轉化環(huán)節(jié)的競合和回路的優(yōu)化設計，提升保護動作的快速性，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

隨著本體機構的逐步智能化，將就地化操作箱實現的功能逐步轉移至斷路器本體機構，最終實現一次設備智能化。

2 預期目標

2.1 提升保護性能：快速性，可靠性，減少干擾

相較于智能變電站，無防護安裝的就地化保護可減少保護中間環(huán)節(jié)，保護動作快、單間隔保護裝置整組動作時間相較目前智能變電站可減少 8~10 ms[9]，提升保護的快速性。

無防護安裝的就地化保護通過單間隔功能縱向集成，能夠減少裝置類型及數量，整體降低設備缺陷率，單裝置失效影響范圍減小，系統(tǒng)可靠性得到明顯提升。

此外，基于無防護、開關場安裝的就地化二次設備網絡架構簡單，就地電纜跳閘電纜采樣，解決長電纜傳輸信號帶來的問題，如 CT飽和、多點接地、回路串擾、分布電容放電等問題。

2.2 即插即用的檢修模式

由于采用無防護就地化安裝，保護裝置的物理形式發(fā)生了根本性變化，過去在檢修過程中更換插件/消除保護裝置缺陷的方法不再適用，當裝置出現故障時，需要對裝置整體進行更換。由于采用了專用連接器，連接器的所有線芯都經過標準化，在更換保護裝置時，裝置的所有外部回路均保持不變，只需將故障的保護裝置與專用連接器分離，并更換新的保護裝置，經過簡單的回路傳動試驗后，保護裝置即可投入運行，實現了保護裝置的即插即用。由于沒有外部回路的工作，保護裝置的更換時間大大縮短，現場作業(yè)簡單高效，檢修效率大大提高。

要做到保護裝置的即插即用，除了采用統(tǒng)一的專用連接器外，在更換保護裝置前，還應對保護裝置的功能進行校驗，為縮短保護裝置更換時間，保護裝置的校驗應在保護裝置更換前完成，校驗的內容包括保護裝置的邏輯功能、對外部的開入、開出傳動等內容。

2.3 全過程降本增效

通過就地化保護應用推動智能站二次系統(tǒng)整體設計方案優(yōu)化、一次設備接口標準化及運維技術和管理的創(chuàng)新[10]，促進智能站設計建設、安裝調試和運行維護等環(huán)節(jié)全面提升，實現變電站安全可靠、運維便捷、節(jié)能環(huán)保、經濟高效。以 220 kV 典型規(guī)模工程為例：電壓等級為 220/110/10 kV，本期 6 回220 kV 線路，8 回 110 kV 線路，2 臺主變，12 回10 kV 饋線。應用就地化二次設備方案，較非就地化智能站建設模式相比：

設計建設階段：由于所有保護均采用就地無防護直接安裝，取消間隔保護屏和智能控制柜、僅配置就地端子箱，屏柜數量減少 59 面，降幅達 60%以上；因采用小型化、就地化設備建設模式，取消保護小室、縮減建筑縮減 430 m2，降幅近 50%；因保護集成合并單元和智能終端， 并通過航空插頭直接采樣、跳閘，光纜數量減少 11.6 km，降幅近 60%。

安裝調試階段：保護裝置就地布置，長線纜大幅減少，敷設容易；裝置采用無防護就地安裝且大部分接線采用航空插頭預制，安裝簡單，整站二次設備安裝時間縮短至一周左右，降幅約 65%；專業(yè)化檢修中心利用自動測試技術等提高測試效率；全站保護配置、調試完畢后發(fā)往現場，現場經整組傳動后即可投運，調試時間縮短至一周左右，降幅約 75%。

運行維護階段：利用就地化保護便于安裝和更換的優(yōu)勢，現場檢修工作以快速更換為主，減少設備停電時間和電網正常方式破壞時間，提高電網運行效率和可靠性；無間隔保護虛回路設計，簡化全站 SCD 配置及管控難度；配置一鍵式下裝，實現少維護、易維護，現場工作量大幅降低；結合二次設備狀態(tài)監(jiān)測、虛回路可視化及配置文件管控，提高設備全生命周期管理質量、確保系統(tǒng)穩(wěn)定安全運行。以上述 220 kV 工程為例，按設備壽命 15 年及規(guī)定的檢修周期(第 1、7、13 年全檢，4、10 年部檢，非就地化保護全檢 36 h、部檢 12 h，就地保護更換式檢修 30 min)，停電時間由 132 h 縮短至 2.5 h。裝置消缺時間由 26.88 h(2012-2015 年統(tǒng)計數據)縮短至 1 h 左右。

3 探索實踐

3.1 線路保護

浙江公司以設備就地化、小型化為突破口，開展科技項目研究，攻克防護等級、電磁兼容、熱設計等關鍵技術難關，保障就地化保護裝置的可靠運行，推動了繼電保護技術的變革。就地化線路保護2013 年在湖州 220 kV 金釘變、太傅變正式投運，實現了全國首套 220 kV 線就地化線路保護掛網運行。裝置在浙江湖州掛網運行三年來，開展日常巡視 150 多次，專項巡視 10 多次，完成停電全部校驗1次，經歷了 3個夏天、2個冬天、10多次臺風和200 多天雷雨天氣，裝置正常啟動 60 多次，區(qū)外故障，保護行為正確，驗證了惡劣自然條件下裝置的穩(wěn)定性和可靠性。

3.2 母差保護

主變保護、母線保護等跨間隔保護要實現就地化安裝，需要對保護裝置采取分布式布置的方法，將跨間隔保護間隔化。浙江公司 2014 年 3 月在 220 kV 浙江嘉興安江變投運環(huán)網分布式母線保護。安江變?yōu)殡p母線接線，共投運五個間隔，分別為母聯、兩臺主變、兩條線路。五臺間隔子機加一臺 PT 子機共同組成環(huán)網分布式母線保護。投運至今，共發(fā)生區(qū)外擾動12次，未發(fā)生拒動、誤動，未發(fā)生裝置異常，運行情況良好。通過分布式母線保護，將跨間隔保護間隔化，首先做到保護裝置小型化，繼而實現跨間隔保護的就地化無防護安裝。

分布式母線保護的掛網試運行，不僅驗證了分布式保護的可靠性和技術指標，更為分布式保護的運維檢修積累了寶貴經驗。

4 結論

無防護安裝的就地化保護，具備芯片技術、連接技術等關鍵技術的支撐，能夠提升保護動作的快速性和可靠性，實現設計建設、安裝調試和運行維護的全過程降本增效，具有極高的實際應用價值，并且已有部分就地化保護裝置經過了實踐檢驗，能夠滿足現場惡劣的工作環(huán)境，具備了推廣使用的基礎。

無防護安裝的就地化保護、更換式檢修和遠程可視化運維，即將開啟變電站建設、運維的全新模式。

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(編輯 葛艷娜)

Application and practice of unprotected outdoor installation protection

QIU Yutao1, WANG Delin2, HU Chen3, DONG Xintao4
(1. State Grid Zhejiang Electric Power Company, Hangzhou 310007, China; 2. National Electric Power Dispatching and Control Center, Beijing 100031, China; 3. State Grid Hangzhou Supply Company, Hangzhou 310007, China; 4. XJ Electric Co., Ltd., Xuchang 461000, China)

This paper expounds the development of the microcomputer-based protection in China and some problems that are appeared at present. The miniaturization and outdoor installation of relay protection are proposed. The secondary system architecture of substation, smart management unit and outdoor installation operation box are studied in detail. The expected target of unprotected outdoor installation is listed: by outdoor installed locally to reduce intermediate links to increase rapidity, reliability and avoid the interference; through the plug and play, shorten the maintenance time, improve maintenance efficiency; promote the optimization of smart substation secondary system design scheme and the innovation of the operation and maintenance technology and management to make substation safe, reliable, convenient operation and maintenance, energy saving, environmental protection, and economic. Technical conditions for unprotected outdoor installation are mature, and outdoor installation line protection and outdoor installation distributed bus protection have experienced the test of practice, and outdoor installation relay protection will open a new model of substation construction, operation and maintenance.

unprotected installation; outdoor installation protection; smart management unit; plug and play

10.7667/PSPC201664

2016-07-06

裘愉濤(1967-)，男，碩士，高級工程師，主要從事繼電保護專業(yè)管理、智能變電站研究工作；E-mail: zdqyt@vip. sina.com

王德林(1972-)，男，高級工程師，研究方向為繼電保護及高壓直流輸電技術；E-mail: wang-delin@sgcc.com.cn

胡 晨(1987-)，男，博士，工程師，主要從事繼電保護及運維研究工作。E-mail: qzhuchen@sina.com