朱 萍，郭朝云，尹 星，習(xí) 雯

(河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北 石家莊 050031)

1 概述

國家電網(wǎng)公司提出了新一代智能變電站設(shè)計(jì)理念，即“一個(gè)設(shè)備、一級(jí)網(wǎng)絡(luò)、一個(gè)系統(tǒng)”，要求智能設(shè)備及自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)高度集成化，加強(qiáng)對(duì)站控層、間隔層及過程層設(shè)備的整合。目前智能變電站二次設(shè)備配置主要存在問題：(1)由于增加了過程層網(wǎng)絡(luò)中間實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)，帶來繼電保護(hù)整組動(dòng)作時(shí)間延長問題；(2)間隔內(nèi)設(shè)備功能分散，分別布置在開關(guān)場(chǎng)和保護(hù)室，未形成統(tǒng)一硬件模塊；(3)設(shè)備冗余配置，硬件利用率低下；(4)光纖和虛端子復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及檢修復(fù)雜。

目前智能變電站內(nèi)二次設(shè)備多為橫向整合，無法從根本上解決變電站智能化帶來的保護(hù)速動(dòng)性下降、虛端子復(fù)雜等問題，因此有必要研究間隔層、過程層設(shè)備跨層集成，利用集成單裝置實(shí)現(xiàn)間隔內(nèi)保護(hù)或測(cè)控的完備功能。

2 二次功能就地化縱向集成需求分析

2.1 保護(hù)速動(dòng)性、可靠性的需求

常規(guī)綜合自動(dòng)化變電站線路保護(hù)采用“常規(guī)互感器+保護(hù)裝置”方案，智能變電站采用“常規(guī)互感器+合并單元+保護(hù)裝置+智能終端”方案。常規(guī)綜自變電站和智能變電站相對(duì)應(yīng)的同一類型保護(hù)裝置的保護(hù)原理和邏輯處理機(jī)制是基本相同和移植通用的，只是裝置的結(jié)構(gòu)及外部接口發(fā)生了變換 ，以220 kV線路保護(hù)裝置整組動(dòng)作時(shí)間為例進(jìn)行分析。

(1) 常規(guī)綜合自動(dòng)化變電站

表1 常規(guī)綜自變電站線路保護(hù)整組動(dòng)作時(shí)間構(gòu)成

(2) 智能變電站

表2 智能變電站線路保護(hù)整組動(dòng)作時(shí)間構(gòu)成

比較表1、表2可知：在220 kV線路上發(fā)生金屬性故障時(shí)，常規(guī)綜自站線路保護(hù)整組動(dòng)作時(shí)間為13.5 ms～17.5 ms，智能站線路保護(hù)整組動(dòng)作時(shí)間為18.3 ms～23.3 ms。因中間中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)的增多，智能變電站比常規(guī)綜自站線路保護(hù)整組動(dòng)作時(shí)間慢4.8 ms～5.8 ms。同時(shí)智能變電站采用的合并單元、智能終端等公共設(shè)備故障率較常規(guī)保護(hù)2倍以上，降低了繼電保護(hù)的可靠性。

為更好地滿足保護(hù)速動(dòng)性和系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求，面向一次設(shè)備間隔，可采用集成間隔內(nèi)保護(hù)、合并單元、智能終端功能的多功能保護(hù)裝置，直接電纜采樣實(shí)現(xiàn)間隔內(nèi)保護(hù)功能并提升保護(hù)速動(dòng)性。

2.2 設(shè)備就地化的需求

二次裝置就地化安裝可大大減少電纜(光纜)用量，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)配置，在設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試、運(yùn)維等環(huán)節(jié)具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。二次設(shè)備就地化布置以后，如果仍按間隔內(nèi)保護(hù)、智能終端、合并單元設(shè)置方式，必然會(huì)造成硬件的重復(fù)配置和浪費(fèi)，因此就地化必然要求二次設(shè)備的縱向集成。

2.3 管理運(yùn)維的需求

智能站以光纜、交換機(jī)和配置邏輯代替二次回路，以SCD文件(二次系統(tǒng)配置文件)描述二次設(shè)備連接關(guān)系后，二次“虛回路”無法直觀可見，安全風(fēng)險(xiǎn)大。

通過縱向集成，單間隔內(nèi)裝置間不再有虛端子回路，減少SCD工作量，集成和調(diào)試簡(jiǎn)單清晰，可大大減少現(xiàn)場(chǎng)管理運(yùn)維的難度和錯(cuò)誤率。

3 二次功能就地化縱向集成設(shè)計(jì)方案

3.1 二次功能就地化縱向集成兩種設(shè)計(jì)方案

(1)方案一：保護(hù)/測(cè)控、合并單元、智能終端縱向集成方案

面向一次設(shè)備間隔，集成間隔內(nèi)保護(hù)、合并單元、智能終端或間隔內(nèi)測(cè)控、合并單元功能，使單裝置可實(shí)現(xiàn)間隔內(nèi)保護(hù)或測(cè)控功能。保護(hù)或測(cè)控裝置與智能終端插件、合并單元插件通過裝置內(nèi)部總線實(shí)現(xiàn)信息共享，集成裝置與外部聯(lián)系通過SV/GOOSE光口實(shí)現(xiàn)直采或組網(wǎng)。此種方式裝置內(nèi)設(shè)有合并單元、智能終端獨(dú)立插件，適合和外部聯(lián)系比較多的220 kV及以上電壓等級(jí)。

(2)方案二：就地化、小型化方案

間隔內(nèi)取消合并單元和智能終端，保護(hù)直接采樣，電纜跳閘，裝置采用無防護(hù)方式，通過航空插頭接口標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)裝置“更換式檢修”。此種方式裝置一體化設(shè)計(jì)，適合和外界聯(lián)系少、集成度高的110 kV間隔二次設(shè)備。

220 kV站內(nèi)35 kV(10 kV)一般為開關(guān)柜，設(shè)備均采用電纜直采直跳的方式，已集成合并單元智能終端等功能，不需再進(jìn)行優(yōu)化集成。因此本文主要論述220 kV及110 kV的集成方案。

3.2 220 kV二次功能就地化縱向集成

3.2.1 220 kV二次功能就地化縱向集成方案

(1)總體集成方案

220 kV間隔集成方案采用3.1中的方案一,多功能集成保護(hù)裝置設(shè)置獨(dú)立光口插件，通過光纖直連220 kV母差保護(hù)，實(shí)現(xiàn)母差保護(hù)的直采直跳；多功能集成保護(hù)、測(cè)控裝置通過電纜聯(lián)系交互跳合閘信息，同時(shí)多功能集成保護(hù)、測(cè)控裝置均接入過程層網(wǎng)絡(luò)，共享SV、GOOSE信息給錄波、網(wǎng)絡(luò)分析等設(shè)備。220 kV單間隔縱向集成前、集成后聯(lián)系示意圖見圖1、圖2。

圖1 220 kV單間隔聯(lián)系示意圖(集成前)

圖2 220 kV單間隔聯(lián)系示意圖(集成后)

由圖1、圖2可知，縱向集成后220 kV單間隔內(nèi)原7臺(tái)二次設(shè)備縮減為3臺(tái)。

多功能保護(hù)/測(cè)控裝置均采用就地電纜直采直跳，保測(cè)回路相互獨(dú)立，兩者之間唯一的關(guān)聯(lián)，就是多功能測(cè)控通過多功能保護(hù)的操作回路通過電纜跳合閘。

(2)虛端子變化

因裝置集成，大大壓縮虛端子數(shù)量。因保護(hù)和測(cè)控功能相互獨(dú)立、充分解耦，提高SCD配置的安全性。

(3)各間隔就地化縱向集成方案

①220 kV線路、母聯(lián)間隔

220 kV線路、母聯(lián)就地化縱向集成方案見圖3。就地化多功能保護(hù)裝置集成后功能見表3。就地化多功能測(cè)控裝置集成后功能見表4。

圖3 220 kV線路、母線就地化縱向集成方案示意圖

表3 220 kV線路、母聯(lián)多功能保護(hù)裝置功能

220 kV多功能保護(hù)對(duì)外連接主要包括：保護(hù)電流輸入、電壓輸入及切換、GOOSE跳閘輸入/輸出、電纜開入、分相操作回路等相關(guān)插件。線路保護(hù)通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或網(wǎng)絡(luò)輸出(IEC61850－9－2規(guī)約)給母線保護(hù)和故障錄波。戶外就地化需配置單獨(dú)的220 kV母線電壓并列裝置。

表4 220 kV線路、母聯(lián)多功能測(cè)控裝置功能

220 kV多功能測(cè)控對(duì)外連接主要包括：測(cè)量電流輸入、電壓輸入及切換、電纜開入/開出至多功能保護(hù)等相關(guān)插件。測(cè)控通過網(wǎng)絡(luò)輸出(IEC61850－9－2規(guī)約)給相量測(cè)量。

②主變間隔

主變保護(hù)需要跨電壓等級(jí)，覆蓋各側(cè)多個(gè)斷路器、電流互感器。所以還是采用合/智功能與保護(hù)功能分立的方案。主變保護(hù)到各側(cè)合智裝置采用SV/GOOSE共口點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式。主變測(cè)控按側(cè)配置，可考慮分側(cè)將測(cè)控裝置和合并單元、智能終端集成。

③220 kV母線間隔

220 kV母線保護(hù)采用直采直跳，220 kV線路、母聯(lián)間隔的多功能保護(hù)裝置提供本間隔SV和刀閘位置并執(zhí)行跳令，主變間隔由合并單元、智能終端集成裝置配合提供相關(guān)信息。220 kV母線保護(hù)的電壓從母線合并單元點(diǎn)對(duì)點(diǎn)獲取。220 kV母線電壓經(jīng)并列箱用電纜接至各間隔，各間隔做切換。PT刀閘位置、測(cè)量電壓采集，設(shè)置一臺(tái)就地化母線測(cè)控，集成智能終端、合并單元功能。

3.2.2 設(shè)備研制

就地化集成裝置基于采用背板數(shù)據(jù)總線技術(shù)，總線速率為25 M，設(shè)計(jì)功能解耦的軟硬件平臺(tái)，就地化多功能裝置硬件平臺(tái)示意圖見圖4。

圖4 就地化多功能裝置硬件平臺(tái)示意圖

3.3 110 kV二次功能就地化縱向集成

(1)功能集成

智能變電站110 kV間隔集成方案采用3.1中的方案二，110 kV線路、分段、母線、PT間隔內(nèi)縱向功能集成，直接采樣、電纜跳閘，簡(jiǎn)化中間環(huán)節(jié)，提升保護(hù)速動(dòng)性和系統(tǒng)可靠性。

相對(duì)于方案一來說此方案最大特點(diǎn)為裝置采用無防護(hù)方式，防護(hù)等級(jí)高，同時(shí)裝置對(duì)外接口為航空插頭，使用預(yù)制電纜實(shí)現(xiàn)設(shè)備間連接，可實(shí)現(xiàn)裝置“更換式檢修”。

(2)設(shè)備研制

就地化集成裝置基于高速總線技術(shù)、獨(dú)立插件，采用高防護(hù)、抗干擾、一體化硬件設(shè)計(jì)，滿足戶外無防護(hù)就地化布置。110 kV就地化集成裝置硬件示意圖見圖5。

圖5 110 kV就地化集成裝置硬件示意圖

4 二次功能就地化縱向集成效益分析

4.1 保護(hù)動(dòng)作快、裝置可靠性高

(1) 保護(hù)動(dòng)作速度快：?jiǎn)窝b置實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，減少SCD工作量，省卻了SV采樣和GOOSE跳閘的信號(hào)傳輸和處理環(huán)節(jié)，較集成前智能站線路保護(hù)整組動(dòng)作時(shí)間快了4.8 ms～5.8 ms；

(2) 可靠性高：去掉了設(shè)備故障率為常規(guī)保護(hù)2倍以上的合并單元、智能終端等中間中轉(zhuǎn)裝置，減少了交換機(jī)數(shù)量，減少了潛在的故障點(diǎn)，并且單裝置所需的光口數(shù)量少，降低了發(fā)熱量，提高了可靠性。

4.2 占地少、造價(jià)省

采用縱向集成方案后，經(jīng)濟(jì)性能也很明顯：

(1)節(jié)省裝置，取消了就地合并單元、智能終端裝置，1個(gè)220 kV間隔可節(jié)省二次裝置4臺(tái)，1個(gè)110 kV間隔降節(jié)省2臺(tái)裝置。

(2)減少了交換機(jī)數(shù)量，取消了間隔內(nèi)過程層交換機(jī)，間隔內(nèi)節(jié)省過程層交換機(jī)2臺(tái)。

(3)減少光纜和光纖使用量，僅需要集成裝置到過程層中心交換機(jī)和母差聯(lián)系光纜。

(4)減少屏柜數(shù)量和占地面積，僅需將電壓等級(jí)內(nèi)公用的二次設(shè)備放入預(yù)制艙或保護(hù)小室內(nèi)，間隔內(nèi)設(shè)備全部就地化布置，降低了直接造價(jià)。

4.3 效果對(duì)比

假定變電站本期220 kV出線4回，1個(gè)母聯(lián)，2個(gè)母線PT；110 kV出線4回，1個(gè)母聯(lián)，2個(gè)母線PT，均采用雙母線接線，集成效果對(duì)比見表5。

表 5 縱向集成效果對(duì)比

保護(hù)功能獨(dú)立性 分散 獨(dú)立保護(hù)快速性 較快 快保護(hù)可靠性 較高高

5 結(jié)論

為貫徹新一代智能變電站小型化、就地化、集成化、模塊化建設(shè)要求，本文確定設(shè)計(jì)方案如下：

(1)220 kV配置多功能保護(hù)裝置，集成間隔內(nèi)保護(hù)、合并單元、智能終端等功能；配置多功能測(cè)控裝置，集成間隔內(nèi)測(cè)控、合并單元等功能。母線保護(hù)通過各間隔多功能保護(hù)SV直采。

(2)110 kV配置就地化無防護(hù)多功能二次裝置，集成保護(hù)、測(cè)控、計(jì)量、合并單元、智能終端等功能。

(3)多功能裝置采用功能解耦的軟硬件平臺(tái)，確保各功能相互獨(dú)立。該方案主要優(yōu)點(diǎn)如下：

間隔內(nèi)二次功能縱向集成后，可取消間隔內(nèi)過程層交換機(jī)，集成后裝置就地直接采樣、電纜跳閘，簡(jiǎn)化了中間環(huán)節(jié)，提升保護(hù)速動(dòng)性和系統(tǒng)可靠性。

縱向集成后單間隔內(nèi)裝置間無虛端子回路，減少SCD工作量，虛端子回路只存在于跨間隔裝置間，調(diào)試簡(jiǎn)單清晰。

減少了二次裝置、光纜、屏柜數(shù)量，降低了工程造價(jià)。

[1] 劉振亞．國家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計(jì)，110(66) kV～750 kV智能變電站部分[M]．北京：中國電力出版社，2011．

[2] 劉振亞．國家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計(jì)，330～750 kV智能變電站通用設(shè)計(jì)二次系統(tǒng)修訂版[M]．北京：中國電力出版社，2015．

[3] Q/GDW 441－2010，智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范[S]．

[4] 魏勇，等．基于IEC61850－9－2及GOOSE共網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)字化變電站技術(shù)應(yīng)用與分析[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38(24)．

[5] 修黎明，等．智能變電站二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40(22)．

[6] Q/GDW 396－2010，IEC61850工程繼電保護(hù)應(yīng)用模型[S]．

[7] 馮軍．智能變電站原理及測(cè)試技術(shù)[M]．北京：中國電力出版社，2011．

[8] 宋璇坤，等．新一代智能變電站概念設(shè)計(jì)[J]．電力建設(shè)，2013，(6)．

[9] Q/GDW 11152－2014，智能變電站模塊化建設(shè)技術(shù)導(dǎo)則[S]．