110kV高港變數(shù)字化改造

陸玉軍，王俊，陳顥

(江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇南京211102)

描述變電站信息采集、處理、傳輸及應(yīng)用框架的IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施，電子式互感器技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、一次設(shè)備操作智能化技術(shù)的發(fā)展，為變電站自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展注入了新的推動(dòng)力[1]，使變電站自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展邁入了一個(gè)新階段。以上述技術(shù)為主要技術(shù)特征的變電站自動(dòng)化技術(shù)，稱之為數(shù)字化變電站技術(shù)，代表當(dāng)前變電站技術(shù)應(yīng)用的方向。目前，在國(guó)內(nèi)進(jìn)行變電站數(shù)字化建設(shè)應(yīng)用的主要技術(shù)有：

（1）站內(nèi)通信全面采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)；

（2）電子式互感器實(shí)現(xiàn)數(shù)字化采樣；

（3）GOOSE通信實(shí)現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)采集和保護(hù)跳閘、網(wǎng)絡(luò)化聯(lián)閉鎖；

（4）智能終端實(shí)現(xiàn)斷路器智能化操作。

常規(guī)變電站在設(shè)備運(yùn)行多年需要改造升級(jí)時(shí)，選擇進(jìn)行數(shù)字化的改造是變電站技術(shù)應(yīng)用的趨勢(shì)。采用數(shù)字化的實(shí)現(xiàn)模式，與變電站的常規(guī)實(shí)現(xiàn)模式在站內(nèi)設(shè)備組成，站內(nèi)信號(hào)采集、傳輸、處理方面有著根本的差別[2]。由于數(shù)字化變電站技術(shù)實(shí)現(xiàn)目前還沒(méi)有統(tǒng)一的實(shí)現(xiàn)形式或嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范出臺(tái)，針對(duì)現(xiàn)役變電站的改造應(yīng)用，為需滿足地區(qū)的設(shè)備及運(yùn)行監(jiān)控及管理要求，數(shù)字化方案隨著數(shù)字化實(shí)現(xiàn)范圍和實(shí)現(xiàn)程度的要求而變化，同時(shí)數(shù)字化采樣原理的差異性、設(shè)備配置可選性、設(shè)備布置布局靈活性、數(shù)字信號(hào)組網(wǎng)傳輸?shù)亩鄳B(tài)性，使得在現(xiàn)有變電站改造中呈現(xiàn)出多種方案，會(huì)在改造中遇到新的問(wèn)題。

1 改造方案

110kV高港變電站是江蘇省電力公司2010年度數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用推廣的變電站。有110kV和10kV共2個(gè)電壓等級(jí)，1臺(tái)主變；110kV線路2回，為內(nèi)橋接線方式；10kV的主接線，為單母線分段，有電容器1臺(tái)，出線12回，母線分段1臺(tái)，接地變壓器2臺(tái)。

1.1 數(shù)字化改造技術(shù)應(yīng)用原則

（1）按IEC61850標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一建模實(shí)現(xiàn)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)，站內(nèi)二次設(shè)備按站控層、間隔層、過(guò)程層架構(gòu)組織；

（2）站控層、間隔層和過(guò)程層以網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)設(shè)備間數(shù)據(jù)交互；

（3）應(yīng)用電子式互感器實(shí)現(xiàn)電量等參數(shù)的數(shù)字化采集；

（4）以智能終端實(shí)現(xiàn)斷路器智能化，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化跳閘和信號(hào)傳輸控制。

1.2 自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)

（1）110kV及主變部分為全數(shù)字化。①互感器改造為電子式互感器；②采用支持IEC61850-9采樣值傳輸、GOOSE服務(wù)的數(shù)字式保護(hù)；③智能終端實(shí)現(xiàn)開關(guān)就地化操作；④過(guò)程層采用獨(dú)立GOOSE網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)開關(guān)及狀態(tài)信號(hào)上傳、開關(guān)跳閘、邏輯閉鎖；⑤采樣值傳輸采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式，合并器不需要外部同步。

（2）10kV部分為經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)。①互感器不改造；②采用支持IEC61850站控層協(xié)議的數(shù)字式保護(hù)測(cè)控一體化裝置，保護(hù)帶操作箱，就地安裝于開關(guān)柜；③實(shí)現(xiàn)基于站控層網(wǎng)絡(luò)的低頻低壓減載，通過(guò)GOOSE跳10kV開關(guān)。

1.3 改造方案特點(diǎn)

該方案在充分分析110kV變電站數(shù)字化改造的技術(shù)及管理需求基礎(chǔ)上制定，在110kV/10kV部分?jǐn)?shù)字化技術(shù)應(yīng)用上采用了不同的實(shí)現(xiàn)模式，體現(xiàn)了數(shù)字化技術(shù)的全面應(yīng)用和經(jīng)濟(jì)可靠實(shí)現(xiàn)的特征，是目前變電站改造中具有較好應(yīng)用前景的方案。

2 采樣值同步與采集器供能實(shí)現(xiàn)

電子式互感器以數(shù)字式的信號(hào)輸入合并單元，間隔合并單元將合成的間隔電壓電流信號(hào)送入后端的數(shù)字式保護(hù)測(cè)控裝置，保護(hù)測(cè)控裝置要求是輸入信號(hào)必須同步[3]。由于采樣信號(hào)來(lái)自多個(gè)電壓互感器/電流互感器（TV/TA），各路信號(hào)經(jīng)通信傳輸時(shí)，路徑是多樣的，因此間隔合并器的信號(hào)在輸出前必須同步。

為本站改造方案提供的電子式互感器采用雙采集器設(shè)計(jì)，每個(gè)采集器提供1個(gè)保護(hù)和1個(gè)測(cè)量電流采樣輸出，位于TA內(nèi)高壓側(cè)的采集器需要由低壓側(cè)的合并器供能，而每個(gè)合并器只能為一個(gè)采集器進(jìn)行激光供能。如同時(shí)使用TA中高壓側(cè)的2個(gè)采集器必須有2個(gè)獨(dú)立的合并器供能。

本站一次接線為兩線一主變方式，總體而言信號(hào)傳輸不復(fù)雜，但對(duì)于同時(shí)實(shí)現(xiàn)進(jìn)線測(cè)控、備投保護(hù)、主變差動(dòng)等多個(gè)保護(hù)測(cè)控功能時(shí)，需認(rèn)真處理采樣信號(hào)傳輸至保護(hù)裝置的同步問(wèn)題。對(duì)于測(cè)控及后端電能表計(jì)而言，電壓電流的采樣值必須同步；對(duì)于跨間隔的差動(dòng)保護(hù)，需要各支路的電流采樣值必須嚴(yán)格同步，否則會(huì)產(chǎn)生差動(dòng)電流。

由于本站的改造方案中合并器至數(shù)字式保護(hù)的采樣值傳輸為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式，為滿足上述的保護(hù)測(cè)控功能要求，設(shè)計(jì)的采樣值傳輸?shù)奖Ｗo(hù)的路徑，如圖1所示。

圖1 采樣值信號(hào)傳輸示意圖

（1）差動(dòng)保護(hù)采樣值傳輸路徑。進(jìn)線1、進(jìn)線2均有2組保護(hù)TA，其中進(jìn)線1一組采樣至差動(dòng)合并器，進(jìn)線2一組采樣進(jìn)橋合并器（該合并器為采集器供能，以FT3接口輸出采樣數(shù)據(jù)至差動(dòng)合并器），低壓側(cè)也有2組保護(hù)TA，一組接入差動(dòng)合并器，三側(cè)電流在差動(dòng)合并器內(nèi)進(jìn)行同步后以IEC61850-9輸出給差動(dòng)保護(hù)。

（2）進(jìn)線測(cè)控/備投保護(hù)采樣值傳輸路徑。進(jìn)線1、進(jìn)線2的另一組保護(hù)TA、測(cè)量TA進(jìn)入進(jìn)線1、進(jìn)線2合并器；進(jìn)線電壓由TV采集器進(jìn)入110kV TV合并器后，再通過(guò)FT3輸入進(jìn)線1/進(jìn)線2合并器，在進(jìn)線1/進(jìn)線2合并器內(nèi)將電壓、電流同步后以IEC61850-9輸出至進(jìn)線測(cè)控/備投保護(hù)。

該設(shè)計(jì)可以確?？玳g隔的差動(dòng)保護(hù)、進(jìn)線測(cè)控/備投保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)，但卻多出了1個(gè)“多余”的合并器（橋合并器）。此處使用橋合并器：是因?yàn)?10kV戶外獨(dú)立的電子式TA中2個(gè)采集器都需要獨(dú)立的激光供能，供能組件設(shè)在戶內(nèi)的合并器中。而本站的每個(gè)進(jìn)線間隔TA的兩個(gè)采集器均需供能，即需要4個(gè)合并器為進(jìn)線TA的采集器供能，所以需要增加1個(gè)橋合并器。由于沒(méi)有橋TA存在，采用橋合并器則顯出多余。

本站方案設(shè)計(jì)中，認(rèn)為可通過(guò)進(jìn)線2合并器將進(jìn)線2的電流傳輸給差動(dòng)合并器，而不需要增加橋合并器，即進(jìn)線2合并器輸出FT3信號(hào)至差動(dòng)合并器、三側(cè)電流在差動(dòng)合并器進(jìn)行同步即可，這樣現(xiàn)場(chǎng)就不需要“多余”的橋合并器。實(shí)際上，從110kV的TV合并器取電壓信號(hào)進(jìn)入進(jìn)線2合并器進(jìn)行電壓電流同步后，從其輸出的電流信號(hào)，將比橋合并器輸出的電流信號(hào)還多出一級(jí)延時(shí)，兩級(jí)延時(shí)再進(jìn)入差動(dòng)合并器將使得差動(dòng)合并器輸出的電流和實(shí)際的電流時(shí)差達(dá)三級(jí)（時(shí)差超過(guò)3ms），由于這種方案產(chǎn)生的延時(shí)較大，互感器廠家并不支持這樣實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有橋合并器，如何確保差動(dòng)電流延時(shí)小，又滿足進(jìn)線測(cè)控/備投保護(hù)的功能要求，現(xiàn)場(chǎng)的解決方案如下。

從進(jìn)線2的TV中引出第2組信號(hào)，直接接入進(jìn)線2合并器，這樣進(jìn)入進(jìn)線2合并器的電壓電流是同步的，不需要輸入電流進(jìn)行延時(shí)來(lái)確保信號(hào)同步，同時(shí)進(jìn)線2合并器具有前文“橋”合并器的功能，通過(guò)FT3將信號(hào)傳給差動(dòng)合并器時(shí)的延時(shí)小，確保差動(dòng)合并器的輸出信號(hào)同步能滿足現(xiàn)場(chǎng)需要，如圖2所示。

圖2 不采用橋合并器的傳輸示意圖

對(duì)于進(jìn)線測(cè)控/備投保護(hù)而言，做上述改動(dòng)，也能滿足進(jìn)線測(cè)控功能的要求（因?yàn)闊o(wú)論進(jìn)線1或進(jìn)線2電壓、電流都是同步的），對(duì)于備投保護(hù)而言，雖然進(jìn)線1進(jìn)入備投的信號(hào)較進(jìn)線2進(jìn)入備投的信號(hào)多一級(jí)延時(shí)（并不同步），但由于備投保護(hù)從邏輯上，對(duì)輸入信號(hào)沒(méi)有嚴(yán)格的要求，可以接受2個(gè)進(jìn)線合并器的信號(hào)不同步。

改造后，通過(guò)在備自投保護(hù)比對(duì)2組采樣值輸入的電壓信號(hào)存在的相差，可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)線1確實(shí)較進(jìn)線2的信號(hào)輸入多一級(jí)延時(shí)。

3 電壓并列實(shí)現(xiàn)

從圖2看到，該站110kV部分的TV位于進(jìn)線側(cè)，而對(duì)于主變上面的I母、II母（橋間隔沒(méi)有斷路器，只有隔離刀閘）而言，其上的電壓是自動(dòng)化/監(jiān)控中心監(jiān)控的電壓點(diǎn)，如何真實(shí)的反應(yīng)母線上的電壓尤為必要。由于采用了圖2的信號(hào)傳輸方式，110kV的TV合并器沒(méi)有將電壓送給進(jìn)線2合并器，因此采用TV合并器提供電壓并列反映母線電壓則顯得比較困難，由于進(jìn)線1、進(jìn)線2測(cè)控均在備自投保護(hù)裝置內(nèi)實(shí)現(xiàn)，采取在備自投保護(hù)實(shí)現(xiàn)電壓并列、可真實(shí)地反映母線電壓。

實(shí)現(xiàn)電壓并列的方法首先是取并列前的電壓信號(hào)輸入進(jìn)線1合并器，則備投獲取的電壓信號(hào)均為線路側(cè)的真實(shí)電壓。其次，對(duì)于I母、II母而言，母線上帶電是通過(guò)TV1重動(dòng)、TV2重動(dòng)信號(hào)（現(xiàn)場(chǎng)將斷路器及兩端的隔離刀閘合位串接后生成）及橋隔離刀閘合位信號(hào)實(shí)現(xiàn)電壓并列的。判據(jù)如下：

（1）TV 1重動(dòng)、TV 2無(wú)重動(dòng)、橋合，則將進(jìn)線1電壓作為I母、II母電壓；

（2）TV 1重動(dòng)、TV 2無(wú)重動(dòng)、橋分，則將進(jìn)線1電壓作為I母電壓，且II母無(wú)壓；

（3）TV 1無(wú)重動(dòng)、TV 2重動(dòng)、橋合，則將進(jìn)線2電壓作為I母、II母電壓；

（4）TV 1無(wú)重動(dòng)、TV 2重動(dòng)、橋分，則將進(jìn)線2電壓作為II母電壓，且I母無(wú)壓。

當(dāng)采用進(jìn)線測(cè)控/備投保護(hù)實(shí)現(xiàn)母線電壓并列時(shí)，可同時(shí)看到進(jìn)線側(cè)2路電壓，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)對(duì)2路進(jìn)線電壓的核相。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)目前運(yùn)行中的變電站數(shù)字化改造需求分析、方案制定及信號(hào)處理實(shí)現(xiàn)的研究，采用數(shù)字化技術(shù)具有下述優(yōu)勢(shì)：

（1）有利于信號(hào)傳輸和處理。本方案充分利用了信號(hào)采集和傳輸?shù)臄?shù)字化特征，為多個(gè)保護(hù)測(cè)控設(shè)備設(shè)計(jì)了所需輸入的信號(hào)。

（2）可將多個(gè)功能在一個(gè)設(shè)備內(nèi)集成。例如，本方案中將110kV進(jìn)線測(cè)控、備自投保護(hù)及110kV母線測(cè)控、TV并列等功能集成在備自投裝置內(nèi)，減少了母線測(cè)控等公用測(cè)控設(shè)備配置。

（3）信號(hào)傳輸方便，提供了豐富的監(jiān)視和監(jiān)控手段。數(shù)字式保護(hù)測(cè)控裝置可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收多個(gè)過(guò)程層設(shè)備傳輸?shù)男盘?hào)，有利于實(shí)現(xiàn)多個(gè)設(shè)備及狀態(tài)的監(jiān)控。

對(duì)于運(yùn)行多年的常規(guī)變電站進(jìn)行數(shù)字化改造，由于站內(nèi)一二次設(shè)備存在一些特殊的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，這將成為變電站數(shù)字化改造面臨的問(wèn)題，需通過(guò)深入分析，制定可行的方案，方能滿足改造實(shí)施需求。

[1] 高翔.數(shù)字化變電站應(yīng)用技術(shù)[M］.北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[2] 張沛超，高翔.數(shù)字化變電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（24）：74-77.

[3] 殷志良.數(shù)字化變電站中采樣值同步技術(shù)研究[J］.華東電力，2008，36(7)：38-41.