110 kV佟村變改造數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用及分析

劉 寧，肖學(xué)權(quán)，周 磊

（徐州供電公司，江蘇 徐州221005）

隨著光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，變電站綜合自動化進入了數(shù)字化的新階段。電子技術(shù)、通信技術(shù)的飛速發(fā)展給數(shù)字化變電站的發(fā)展提供了堅實的基礎(chǔ)。數(shù)字化變電站技術(shù)的研究應(yīng)用將對今后電網(wǎng)安全穩(wěn)定和經(jīng)濟運行產(chǎn)生積極重要的影響，也將標(biāo)志著我國電網(wǎng)自動化達到一個新的技術(shù)水平。110 kV佟村數(shù)字化變電站是其中的一種模式，通過對該站進行成功的數(shù)字化變電站技術(shù)改造，為數(shù)字化變電站的推廣奠定了基礎(chǔ)。

1 佟村110 kV數(shù)字化變電站改造方案

1.1 數(shù)字化變電站與傳統(tǒng)變電站的區(qū)別

“一次設(shè)備數(shù)字化、二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、通信接口標(biāo)準(zhǔn)化”是數(shù)字化變電站與傳統(tǒng)變電站主要區(qū)別，數(shù)字化變電站設(shè)備外觀特征表現(xiàn)在：

（1）傳統(tǒng)電磁式互感器被新型體積更小的新型電子式互感器代替；

（2）網(wǎng)線、交換機、路由器構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)取代傳統(tǒng)的控制電纜、電流互感器（TA）、電壓互感器（TV）、電纜等硬接線，設(shè)備間信息傳輸方式以網(wǎng)絡(luò)為主；

（3）一次設(shè)備、二次設(shè)備接口數(shù)字化，設(shè)備帶有以太網(wǎng)數(shù)字通信接口；

（4）裝置逐漸小型化，向保護、測控、計量裝置一體化過渡，站內(nèi)二次設(shè)備數(shù)量減少，系統(tǒng)整合為一；

（5）二次回路接線簡潔，便于排查與檢修；

（6）一、二次設(shè)備的小型化與精簡化，減小了變電站占地面積。

需要指出的是，與傳統(tǒng)站比較，數(shù)字化變電站內(nèi)設(shè)備其保護原理、內(nèi)部算法、邏輯并沒有發(fā)生根本改變，只是由于采樣數(shù)字化、通信介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)化、通信接口標(biāo)準(zhǔn)化改變，提高了變電站自動化系統(tǒng)的可靠性。

1.2 佟村變數(shù)字化架構(gòu)

針對當(dāng)前數(shù)字化變電站處于起步階段，部分技術(shù)尚不完全成熟這一現(xiàn)狀，佟村數(shù)字化站架構(gòu)時決定在采取新技術(shù)的同時部分保留傳統(tǒng)技術(shù),具體做法為主變本體、主變有載、主變中性點刀閘、主變?nèi)齻?cè)開關(guān)及110 kV刀閘的控制及遙信量的采集全部由新寧光電公司生產(chǎn)的XA700系列數(shù)字化智能單元執(zhí)行，10 kV線路的控制及遙信量的采集采用江蘇方天電力技術(shù)有限公司生產(chǎn)的常規(guī)微機測控保護單元；保護遙測計量方面，110 kV側(cè)互感器均采用電子式互感器，10 kV側(cè)除了主變低壓側(cè)的兩組電子式流變，其他均采用傳統(tǒng)流變壓變。采用新技術(shù)部分的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 佟村變電站數(shù)字化部分的架構(gòu)

在110 kV斷路器、刀閘現(xiàn)場就地安裝智能終端，就地進行采集、控制，斷路器、刀閘的控制則由保護、測控裝置發(fā)送命令給智能終端，由智能終端完成實際控制，智能終端與開關(guān)、刀閘設(shè)備之間通過電纜硬接線連接。

變壓器的本體保護、有載調(diào)壓的智能裝置放置于變壓器的智能終端端子箱中。當(dāng)變壓器本體異常動作時，本體保護的跳閘命令通過GOOSE網(wǎng)交換機發(fā)送給智能操作箱，經(jīng)智能操作箱以接點形式送到一次設(shè)備執(zhí)行跳閘；主變有載調(diào)壓的檔位、調(diào)檔也是通過GOOSE網(wǎng)在有載調(diào)壓的智能裝置中實現(xiàn)的。10 kV總開關(guān)間隔的智能終端就地安裝在10 kV開關(guān)柜內(nèi)，所有的遙信遙控均通過柜內(nèi)接線得到解決。由于智能控制裝置就地安裝，二次電纜大大縮短，二次接線工作大大地降低，施工人員的勞動強度也得到很大程度的降低。

1.3 電子式互感器的配置

110 kV系統(tǒng)配置的是南京新寧光電自動化有限公司生產(chǎn)的基于羅氏線圈原理的電子式電流互感器及基于電容環(huán)分壓原理的電子式電壓組合式互感器（ECVT），內(nèi)含TA，TV及遠(yuǎn)端模塊，與之配套的合并裝置是同一廠家生產(chǎn)的OEMV702型光電互感器合并裝置，遠(yuǎn)端模塊安裝在高壓一次側(cè)，負(fù)責(zé)電壓電流量采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。光電互感器合并裝置安裝在二次側(cè)，作用是將各TA，TV傳回的數(shù)據(jù)做處理、同步合并后打包輸出，供保護和測控裝置使用。

110 kV線路、110 kV橋開關(guān)、10 kV總開關(guān)間隔各配置一組電子式TA，這些互感器采集量經(jīng)遠(yuǎn)端模塊、光電互感器合并裝置輸出數(shù)字量到保護測控裝置、備自投和電能表。主變中性點TA為南京新寧光電生產(chǎn)的電子式互感器，經(jīng)遠(yuǎn)端模塊、光電互感器合并裝置后提供給主變后備保護。

1.4 網(wǎng)絡(luò)布置及功能

數(shù)字化變電站的網(wǎng)絡(luò)布置取決于它的結(jié)構(gòu)，數(shù)字化變電站的結(jié)構(gòu)分為站控層、間隔層、過程層3層，與之相關(guān)聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)分為3層：站控層網(wǎng)絡(luò)、專用GOOSE網(wǎng)絡(luò)、過程層網(wǎng)絡(luò)。站控層為星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，專用GOOSE網(wǎng)絡(luò)為單光纖星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，過程層為光纖點對點網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（見圖2）。

圖2 數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

（1）站控層網(wǎng)絡(luò)：該網(wǎng)絡(luò)主要用于站控層和間隔層之間通信數(shù)據(jù)傳輸，即在后臺系統(tǒng)、通信管理機與保護、測控裝置之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，采用100 MB以太網(wǎng)組網(wǎng)，星型連接方式，網(wǎng)絡(luò)通信采用IEC 61850[1]。

（2）過程層網(wǎng)絡(luò)：該網(wǎng)絡(luò)主要用于保護、測控裝置與電子式TA/TV的合并器間通信，點對點光纖以太網(wǎng)，TA合并器按間隔布置，接入TV合并器來的電壓信號，輸出IEC 61850 9-1數(shù)據(jù)[2]?？玳g隔設(shè)備變壓器差動保護采用IEC 60044-8串行FT3協(xié)議；電子式TA/TV與其合并器間光纖連接，使用制造廠自有協(xié)議。

（3）GOOSE網(wǎng)絡(luò)：該網(wǎng)絡(luò)主要用于間隔層設(shè)備之間實現(xiàn)通信，開關(guān)量輸入、保護跳合命令的輸出、測控、保護間動作信息的交換由GOOSE網(wǎng)絡(luò)完成，通過GOOSE報文實現(xiàn)間隔的關(guān)聯(lián)閉鎖和保護跳合閘功能。該信息網(wǎng)絡(luò)單獨組網(wǎng)，不和后臺系統(tǒng)共用網(wǎng)絡(luò)。且全部采用RUGGEDCOM工業(yè)以太網(wǎng)交換機，間隔層網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率滿足系統(tǒng)的實時性要求。

佟村數(shù)字化變電站通過相互獨立的網(wǎng)絡(luò)分層布置，各單元測控裝置相互獨立，互不影響，功能上不依賴于站級監(jiān)控層設(shè)備。實現(xiàn)了把變電站監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)動系統(tǒng)、防誤閉鎖系統(tǒng)、保護信息管理系統(tǒng)等整合為一個系統(tǒng)；并通過軟件方式實現(xiàn)VQC功能，防誤閉鎖功能；主變保護與測控裝置采用GOOSE功能跳閘；并能根據(jù)一次設(shè)備情況，通過邏輯組態(tài)進行順控操作。

GOOSE專網(wǎng)實現(xiàn)了開關(guān)位置、刀閘接點位置等遙信信息的共享，大大減少了重復(fù)采集的資源浪費。備投裝置的開關(guān)位置接點、手分閉鎖備投的接點等都通過GOOSE專網(wǎng)共享開入實現(xiàn)；佟村變無110 kV母線TV，只有線路TV，把線路電壓轉(zhuǎn)換成母線電壓的切換回路和防二次并列回路，原來是通過一次設(shè)備的輔助接點一一串聯(lián)實現(xiàn)，現(xiàn)在通過共享GOOSE專網(wǎng)的開入接點信息進行邏輯判斷，減少了二次回路的接線。

直流系統(tǒng)、微機消諧裝置、消弧線圈自動調(diào)諧裝置等通過規(guī)約轉(zhuǎn)換后接入間隔層網(wǎng)絡(luò)。

2 佟村110 kV數(shù)字化變電站改造施工

佟村變是一座擁有2臺（110 kV/10 kV）變壓器、30路10 kV線路、2臺電容器及2臺接地變的具有電磁式保護的110 kV內(nèi)橋接線變電站，它位于徐州市東面臨近建設(shè)中的京滬高鐵。在制定改造實施方案時，針對佟村變用電負(fù)荷目前較輕這一特點，決定對佟村變?nèi)Ｒ惶?，把承接非重要工業(yè)用戶和居民用電的一次電纜在10 kV開關(guān)柜內(nèi)進行并聯(lián)壓接；對裝有計費電度表的重要工業(yè)用戶一次電纜移位繼續(xù)實行專供，計費電度表由控制室移至相應(yīng)開關(guān)柜掛接，不影響對重要用戶的供電及電費計量。通過上述的一次電纜調(diào)整使供電用戶集中在幾個相臨的10 kV開關(guān)間隔中，這幾個10 kV間隔由另外一個變電站的10 kV出線轉(zhuǎn)供。

在全停的當(dāng)天,準(zhǔn)備了大型的發(fā)電機作為電焊機、切割機等設(shè)備的電源進行變電站母線橋架、開關(guān)柜等的拆除；控制室內(nèi)除老的站用變屏、直流屏、蓄電池屏保留外，其余屏柜、二次電纜等全部拆除。拆除方案考慮周密，工作安排緊張有序，過程安全可靠，晚上19∶00即恢復(fù)了對用戶的供電并對運行的10 kV開關(guān)柜設(shè)置安全硬遮攔。而后將站內(nèi)的舊變壓器、開關(guān)、刀閘、二次電纜和屏柜全部清運，確保站內(nèi)土建和一次設(shè)備安裝工作順利進行。施工中間，結(jié)合現(xiàn)場情況和數(shù)字化變電站的特點，采用了許多新工藝和新方法?？紤]到數(shù)字化變電站使用電纜很少，取消了傳統(tǒng)的電纜溝，代之以電纜管，既縮短工期，又節(jié)約成本，減少了工作量。

3 佟村110 kV數(shù)字化變電站的驗收

3.1 驗收分工

一次設(shè)備驗收組負(fù)責(zé)驗收變電站一次電氣設(shè)備的外觀質(zhì)量、安裝質(zhì)量和施工工藝，檢查設(shè)備交接試驗報告項目是否完善，數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，對重要設(shè)備及重要調(diào)整試驗項目進行抽檢，確保一次設(shè)備無滲漏銹蝕，符合各類規(guī)程要求。二次設(shè)備驗收組負(fù)責(zé)驗收電子式互感器及其合并單元、保護及自動裝置、監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)動設(shè)備及一次設(shè)備的控制輔助回路的安裝質(zhì)量和施工工藝，逐項檢查二次回路接線、光纖插頭是否正確、傳動是否正確、測試設(shè)備之間的光纖通道衰耗是否合格，校驗調(diào)試報告項目是否完善，數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，定值是否準(zhǔn)確，符合各類規(guī)程要求。

3.2 電子式互感器驗收及處理

電子式TA/TV用于測量系統(tǒng)電流、電壓，為數(shù)字化計量、測控及繼電保護裝置提供電流、電壓信息。重點驗收以下測試報告及結(jié)論：

短時工頻耐壓試驗密封性檢測；檢查各接地點是否可靠；光纖傳光性能檢測；互感器變比、角差、比差測試；互感器引出極性檢查；遠(yuǎn)端模塊供電電源檢查，遠(yuǎn)端模塊或合并單元掉電能可靠閉鎖相關(guān)保護，并發(fā)異常信號檢查。

為了確保電流相量的正確，在驗收電子式TA時進行了一次通流的實驗（見圖3）。即合上兩進線開關(guān)、橋開關(guān)、刀閘，拉開主變高壓側(cè)的刀閘，在110 kV兩進線和橋間進行一次通流實驗（進線TA極性端在進線側(cè)；橋TA極性端在110 kV 2號母線），兩進線TA的電流互為參考，檢查1號、2號主變差動電流幅值和相位且差流為0；檢查110 kV備投裝置電流幅值；檢查計量電能表的電流相量，查看后臺遙測電流，但是檢查發(fā)現(xiàn)1號主變高后備的電流為0，2號主變高后備的電流為2倍實驗電流，這是由于佟村變無主變高壓側(cè)TA，主變高后備的電流只能用進線電流加橋電流實現(xiàn)，而橋電流既要給兩主變后備保護用，又要給主變電能表用，還要給橋測量用，所以無法在橋光電合并器中用軟件取反，決定在2號主變后備保護中增加定值項對橋電流取反實現(xiàn)，同時保證保護程序版本的一致性。

圖3 一次通流驗證電子式TA示意圖

若用同一個電源在110 kV，10 kV同時通流檢驗差動保護的電流相位和差流不太可能，所以只能通過合并器通入三側(cè)電流檢查差動保護的正確性。

3.3 啟動送電時電流電壓相量檢查

變電站啟動送電時，數(shù)字化變電站與傳統(tǒng)變電站很明顯不同的是保護裝置測量相量及TV二次核相問題。光纜取代了電纜，數(shù)字量取代了模擬量，傳統(tǒng)變電站使用的鉗形電流表等模擬量測試儀表也失去作用。電流相量只能看裝置的采樣值及差流。具體要求如下：線路帶電后，進線電壓幅值可以在進線電度表中查看，110 kV I，II 2段母線帶電后，2段母線電壓的幅值可在主變后備裝置中檢查相位相角。在主變帶負(fù)荷后主變高低壓側(cè)及橋的電流可以在差動保護中檢查相位、幅值及差流。需要注意的是與傳統(tǒng)變電站一樣，帶負(fù)荷前需要停用差動保護，檢查相量正確后方可投入。由于佟村變10 kV母線TV、線路TA仍是電磁式，所以仍采用傳統(tǒng)的TV核相，鉗型電流表測試模擬量。

3.4 備投的驗收

在佟村變裝備了2套方天公司生產(chǎn)的PSI-05E型備自投保護裝置，為了滿足調(diào)度部門提出的運行方式要求（即無論110 kV橋開關(guān)在分位或合位，兩進線開關(guān)均可以互為備投），根據(jù)此要求重新進行了備投邏輯版本的開發(fā)設(shè)計。為了驗證新邏輯的正確性，提出了包括開關(guān)偷跳啟動備投，保護/手分閉鎖等在內(nèi)的詳盡的備投試驗方案，試驗結(jié)果正確。最后在佟村變送電時對2套備投進行了（6種方式，12種動作行為）備投實模，動作行為完全正確。

3.5 程序化順序控制的驗收

程序化順序控制可極大地減輕運行人員的工作強度，并提高工作效率，是電力系統(tǒng)的長遠(yuǎn)發(fā)展方向。佟村變的刀閘及地刀全是電動機構(gòu)，滿足程序化順序控制的前提條件，GOOSE信息共享使跨間隔的邏輯五防閉鎖功能得以實現(xiàn)，滿足程序化順序控制的必要條件，征求調(diào)度及運行方面的意見，總結(jié)出110 kV側(cè)一次設(shè)備的方式變換種類，設(shè)定了程序順序控制邏輯，實現(xiàn)了站內(nèi)110 kV側(cè)一次設(shè)備運行狀態(tài)、檢修狀態(tài)和熱備用狀態(tài)的一鍵式順控操作。

對其進行實際的驗收實驗，即在佟村真正實現(xiàn)了110 kV側(cè)設(shè)備由一種方式轉(zhuǎn)化為另一種方式時，只需要摁下后臺畫面的一個按鈕即可。

4 常見問題說明

4.1 合并單元告警及通信失敗處理

合并單元故障時，會在液晶屏上產(chǎn)生相應(yīng)的報文，故障類型有下面幾種。（1）遠(yuǎn)端模塊出錯，液晶面板上產(chǎn)生相應(yīng)的報文，同時裝置上的遠(yuǎn)端模塊燈會點亮。如果信號復(fù)歸不掉，或重新上電無效，檢修人員應(yīng)進行以下處理：檢查遠(yuǎn)端模塊是否掉電，沒有掉電則可更換遠(yuǎn)端模塊過來的光纖，如果依然丟幀，則需更換遠(yuǎn)端模塊。（2）光纖通道光強監(jiān)視告警。光纖通信誤碼率與光纖通道光強密切相關(guān)?，F(xiàn)場光纖通信誤碼率高很重要的原因就是光纖衰減太大造成的。因此當(dāng)光纖衰減太大時，液晶面板上會產(chǎn)生通道告警的報文，同時裝置上的遠(yuǎn)端模塊燈會點亮。出現(xiàn)此故障時檢修人員需更換光纖。（3）合并單元內(nèi)DSP板出錯。當(dāng)DSP發(fā)生死機或DSP間出現(xiàn)HTM數(shù)據(jù)傳輸錯誤，則保護和測控裝置接收到的數(shù)據(jù)相應(yīng)置無效狀態(tài)，從而避免保護裝置誤動。

電子式TA/TV三相經(jīng)遠(yuǎn)端模塊由3根光纖分相送至合并單元，遠(yuǎn)端模塊至合并單元中的3根光纖斷開任何1根，報該光纖采樣數(shù)據(jù)無效裝置告警燈亮。光電互感器應(yīng)具有自檢功能，若出現(xiàn)通信故障或光電互感器故障，保護裝置將會因收不到校樣碼正確的數(shù)據(jù)而直接報出互感器異常報文。

當(dāng)報GOOSE通信失敗時，可能是以下幾種情況：一是就地安裝的智能終端失去裝置電源時，無法實現(xiàn)GOOSE網(wǎng)的數(shù)據(jù)通信；二是間隔層的保護測控裝置失電或死機；三是RUGGEDCOM以太網(wǎng)交換機網(wǎng)口損壞等。視具體情況區(qū)別處理。

4.2 極性反的問題

對于數(shù)字化變電站帶負(fù)荷測相量圖時，如果極性反了，只能通過改軟件的方式調(diào)整極性。以主變差動保護為例，若主變?nèi)我粋?cè)TA極性反了，正常運行時會出現(xiàn)差流，此時，只能通過修改軟件，把差動保護中的電流取反。

4.3 激光電源問題

新寧光電生產(chǎn)的合并器與方天保護裝置共同組屏?xí)r，發(fā)現(xiàn)合并器的激光電源發(fā)射板散發(fā)大量熱量，導(dǎo)致合并器裝置及方天保護裝置溫度劇升，裝置外殼溫度最高時達到55℃。這樣會嚴(yán)重影響裝置的可靠運行，并降低裝置的使用壽命。針對這種現(xiàn)象，采取了3種策略：（1）加裝一臺大功率空調(diào)；（2）調(diào)整合并器與保護裝置之間的間隔距離；（3）在合并器下增加排風(fēng)扇以加快熱量的散發(fā)。通過上述策略，裝置溫度下降到35℃左右。

5 結(jié)束語

徐州佟村110 kV數(shù)字化變電站技術(shù)改造的成功，對今后數(shù)字化變電站建設(shè)提供了重要的工程借鑒價值。變電站內(nèi)智能終端設(shè)備就地安裝，設(shè)備間直接就地以光纜和少量電纜連接，站內(nèi)無電纜溝，二次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化、設(shè)備布置靈活緊湊、占地面積小、大量減少土建成本。當(dāng)然數(shù)字化變電站的建成投運也給傳統(tǒng)的運行、檢修、計量等專業(yè)提出了新的課題；電子式互感器的遠(yuǎn)端模塊安裝在一次設(shè)備上，使一次和二次之間的界面模糊等問題，都是今后數(shù)字化變電站安全穩(wěn)定運行所要研究解決的課題，這就要求廣大電力工作者與時俱進，研究適用于數(shù)字化變電站不同模式下的管理、運行、檢修方法，使之更好地服務(wù)于電網(wǎng)，為建設(shè)堅強智能電網(wǎng)作出貢獻。

[1]李 慧，趙 萌，楊衛(wèi)星，等.應(yīng)用IEC 61850規(guī)約的220 kV變電所繼電保護設(shè)計[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2009，37（6）：60-63.

[2]殷志良，劉萬順，楊奇遜，等.基于IEC 61850的通用變電所事件模型[J].電力系統(tǒng)自動化，2005，29（19）：45-50.