智能變電站二次系統(tǒng)安全性探討

郭積才，曹金元

(國網(wǎng)甘肅省電力公司金昌供電公司，甘肅 金昌 737100)

1 智能變電站二次系統(tǒng)通信方式

智能變電站即數(shù)字化變電站，是由智能化一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備分層構(gòu)建，建立在IEC 61850通信規(guī)約基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)變電站內(nèi)智能電氣設(shè)備間信息共享和交互操作的現(xiàn)代化變電站。智能化一次設(shè)備包括電子式互感器、智能終端，以及今后逐步發(fā)展的智能變壓器、智能斷路器等。

智能變電站二次系統(tǒng)基于DL/T 860(IEC61850)通信標準構(gòu)建，采用開放式分層、分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由站控層、間隔層和過程層3部分組成。站控層和間隔層通信方式均使用雙以太網(wǎng)連接，簡稱“三層兩網(wǎng)”結(jié)構(gòu)。間隔層和過程層之間，采樣系統(tǒng)采用點對點方式，GOOSE系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)通訊方式。

1.1 站控層

站控層主要包括變電站監(jiān)控系統(tǒng)、遠動系統(tǒng)、防誤閉鎖系統(tǒng)、保護信息管理系統(tǒng)、通訊監(jiān)控系統(tǒng)、打印機等。站控層通過兩級高速網(wǎng)絡(luò)匯總?cè)镜膶崟r數(shù)據(jù)信息，不斷刷新實時數(shù)據(jù)庫，按既定規(guī)約將有關(guān)數(shù)據(jù)信息送向調(diào)度或控制中心。接收調(diào)度或控制中心有關(guān)控制命令并轉(zhuǎn)間隔層、過程層執(zhí)行。

1.2 間隔層

間隔層主要包括保護裝置、測控裝置以及其他智能設(shè)備。間隔層設(shè)備直接下放至各間隔智能控制柜及開關(guān)柜上，各間隔設(shè)備相對獨立，僅通過通訊網(wǎng)互聯(lián)，和站控層間采用以太網(wǎng)通信方式。間隔層主要用于匯總本間隔過程層的實時數(shù)據(jù)信息；實施對一次設(shè)備的保護控制功能和本間隔操作閉鎖、操作同期及其他控制功能；承上啟下的通信功能，即同時高速完成與過程層及站控層的網(wǎng)絡(luò)通信功能。

1.3 過程層

過程層主要包括電子互感器(含合并單元)、智能開關(guān)設(shè)備及過程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，是一次設(shè)備與二次設(shè)備的結(jié)合面，或者說過程層是指智能化電氣設(shè)備的智能化部分。過程層使用100M光纖以太網(wǎng)，傳輸介質(zhì)選用光纖。過程層的主要功能分為2類：一是電力運行的實時電氣量檢測；一是操作控制的執(zhí)行與驅(qū)動，包括變壓器分接頭調(diào)節(jié)控制，電容投切控制，斷路器、隔離開關(guān)合分控制等。

2 智能變電站與常規(guī)變電站二次系統(tǒng)的區(qū)別

2.1 硬件區(qū)別

智能變電站的微機保護主要包括模擬量輸入接口單元、開關(guān)量輸入輸出接口、數(shù)據(jù)處理單元、人機接口、通信接口等。

智能變電站數(shù)字化保護的數(shù)據(jù)直接來自電子式電流互感器/電子式電壓互感器(ECT/EVT)的數(shù)字信號。它主要包括光接口單元、中央處理單元、開入單元、開出單元、人機接口和通信接口。

2.2 信號傳輸方式不同

常規(guī)綜自站一次設(shè)備采集到模擬量后，通過電纜將模擬信號傳輸?shù)奖Ｗo裝置，在保護裝置經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后進行數(shù)據(jù)處理，再通過網(wǎng)線將數(shù)字量傳至后臺監(jiān)控系統(tǒng)。同時，監(jiān)控系統(tǒng)和測控保護裝置對一次設(shè)備的控制也是通過電纜傳輸模擬信號實現(xiàn)的。

在IEC 61850規(guī)約中，智能變電站的光電互感器將采樣值經(jīng)過內(nèi)部轉(zhuǎn)換后通過光纖傳輸至合并單元， 合并單元將各路光電互感器傳送來的二次側(cè)數(shù)據(jù)匯總后打上時間標簽送至過程總線，保護等智能電子裝置從過程總線獲取采樣和控制信息。跳閘信號則由光纖以太網(wǎng)取代電纜硬接線方式進行傳輸。

基于IEC 61850規(guī)約的數(shù)字化保護設(shè)備之間的信息傳遞全部網(wǎng)絡(luò)化，傳統(tǒng)電纜接線的測試方法已經(jīng)不再使用。因此有必要開發(fā)新的測試系統(tǒng)，以便能夠?qū)ψ冸娬纠^電保護裝置的基本功能進行閉環(huán)測試。這樣可以反映電力系統(tǒng)的真實情況，對網(wǎng)絡(luò)負荷情況和裝置接口是否正常工作、保護動作時延等相關(guān)因素進行分析。

3 智能變電站二次系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢

3.1 技術(shù)含量高

智能變電站技術(shù)含量高，是采用先進、可靠、集成的智能設(shè)備，以全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標準化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監(jiān)測等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能的變電站。

3.2 構(gòu)建了信息一體化平臺

智能變電站二次系統(tǒng)構(gòu)建了信息一體化平臺，作為變電站全景數(shù)據(jù)收集、處理、存儲的中心。通過三網(wǎng)(GOOSE，SV，MMS)將全站自動化、狀態(tài)監(jiān)測、輔助系統(tǒng)等信息進行了融合，實現(xiàn)了對站外應用服務的統(tǒng)一接口，具備向各子系統(tǒng)提供統(tǒng)一化、標準化、規(guī)范化的數(shù)據(jù)存取訪問以及向調(diào)度系統(tǒng)發(fā)送信息的功能。在信息一體化平臺的基礎(chǔ)上，配置了設(shè)備狀態(tài)可視化系統(tǒng)、信息綜合分析系統(tǒng)、智能在線監(jiān)測系統(tǒng)、無功優(yōu)化控制系統(tǒng)等高級功能軟件，為實現(xiàn)調(diào)控一體化和提高生產(chǎn)精益化管理提供了技術(shù)支撐。

(1)設(shè)備狀態(tài)可視化系統(tǒng)。實時監(jiān)測變電站內(nèi)各種設(shè)備的運行狀態(tài)，具備設(shè)備狀態(tài)在線可視、自動追蹤和記錄等功能，為“調(diào)控一體化”遠程操作設(shè)備奠定堅實的基礎(chǔ)。

(2)信息綜合分析系統(tǒng)。對故障錄波、保護裝置、SOE等相關(guān)事件信息進行挖掘、整合和綜合分析，為電網(wǎng)運行提供輔助決策。

(3)智能在線監(jiān)測系統(tǒng)。實時監(jiān)測站內(nèi)避雷器全電流、動作次數(shù)以及變壓器油的各種數(shù)據(jù)，并遠傳至集控站的分析系統(tǒng)，以便及時、準確地對設(shè)備狀態(tài)作出評估，為狀態(tài)檢修提供數(shù)據(jù)支持。

(4)無功優(yōu)化控制系統(tǒng)。一體化平臺中內(nèi)嵌電壓無功綜合調(diào)節(jié)功能模塊，對電網(wǎng)運行狀態(tài)進行計算分析，根據(jù)預設(shè)目標及優(yōu)化控制策略得出當前無功優(yōu)化策略，上送調(diào)度主站，實現(xiàn)了變電站電壓無功的遠程調(diào)節(jié)與集控中心的在線協(xié)同互動。

4 智能變電站二次系統(tǒng)經(jīng)濟優(yōu)勢

4.1 節(jié)約成本

智能化變電站采用少量光纜代替大量控制電纜，節(jié)約了電纜等耗材；用光纜取代二次電纜，簡化了電纜溝、電纜層和電纜防火等配套設(shè)施，降低了建設(shè)成本；智能變電站的二次回路和接線大幅簡化，使保護裝置與自動化系統(tǒng)調(diào)試、消缺的工作量得以壓縮，減少了運行維護成本。另外，二次等電位地網(wǎng)主要用于防止CT回路2點接地后由2個接地點電位差產(chǎn)生的回路附加電流造成保護誤動，使用ECT后此問題將不復存在，全變電站電纜溝內(nèi)敷設(shè)100mm2銅纜(銅排)二次等電位地網(wǎng)的投資得到節(jié)省。

4.2 提高電力系統(tǒng)的效率和效益

智能化變電站實現(xiàn)信息共享，兼容性高，便于新增功能和擴展規(guī)模，可減少變電站后期擴建、改造的投資成本。設(shè)備使用效率高，提升了電力系統(tǒng)的效率和效益。

4.3 節(jié)約土地和土建投資

智能變電站電子式互感器體積小、重量輕；二次系統(tǒng)集成度高，占地面積和占用空間小，節(jié)約了土地和土建投資，避免了社會資源的浪費，具有低碳、環(huán)保、節(jié)能、高效的多重優(yōu)勢。

5 智能變電站二次系統(tǒng)安全優(yōu)勢

5.1 消除繼電保護裝置安全隱患

通過近幾年繼電保護技術(shù)的改造，110kV及以上系統(tǒng)基本實現(xiàn)微機化，繼電保護正確動作率得到顯著提高；但也很難繼續(xù)提升繼電保護正確動作率，除裝置本身的原因外，還有以下幾個主要原因。

(1)變電站直流電源回路故障接地，引發(fā)繼電保護誤跳閘。

(2)二次回路設(shè)計接線錯誤、電纜長、執(zhí)行反措不到位、電纜老化接地等，造成保護誤動。(3)定值項多，控制字和跳間矩陣設(shè)置錯誤。(4)由于季節(jié)性負荷，備自投、低頻低壓減載壓板等核對切換工作量大，易出錯。

(5)—些配電系統(tǒng)無母差保護、備自投等保護裝置，上一級保護難起后備作用，造成事故擴大，供電中斷。

(6)CT特性惡化或特性不一致，引起故障延遲切除和區(qū)外故障誤動。

(7)保護通道問題。

智能變電站二次電纜少，且不增加硬件設(shè)備、不重復采集交流信息，將相應功能分散到各間隔保護單元中，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化母線保護、網(wǎng)絡(luò)化備自投和網(wǎng)絡(luò)化低頻低壓減載功能，可以基本消除以上限制繼電保護運行水平繼續(xù)提高的瓶頸。同時保護定值、控制字的簡化，保護壓板、按鈕和把手大大減少，也可顯著減少運行維護人員的“三誤”事故。對于保護裝置缺陷，由于直接采用數(shù)字量，能真實反映系統(tǒng)一次電氣量信息，裝置可采用更先進的原理，使其集成度得到提高，抗干擾能力得到大大增強，再加上在線監(jiān)測、在線檢修自動化，裝置運行將更加穩(wěn)定。對于通道及通道設(shè)備故障造成高頻保護誤動的問題，可通過采用光纖通道得以解決。

智能變電站通過過程層數(shù)字化，取消大量電纜硬連接，具有簡潔的二次接線、更好的保護性能、更高的系統(tǒng)可靠性。智能變電站采用IEC 61850標準，實現(xiàn)不同廠家設(shè)備的互操作，取消站內(nèi)信息孤島。智能變電站優(yōu)化了功能布局，減少了設(shè)備數(shù)量，簡化了二次系統(tǒng)，降低了維護工作量，提高了大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定水平和災變防治能力。

5.2 提高變電站可靠性

(1)通信網(wǎng)絡(luò)采用統(tǒng)一的通信規(guī)約IEC 61850，不需要進行規(guī)約轉(zhuǎn)換，加快了通信速度，降低了系統(tǒng)的復雜度以及設(shè)計、調(diào)度和維護的難度，提高了通信系統(tǒng)的性能。

(2)數(shù)字信號通過光纜傳輸，避免了電纜帶來的電磁干擾，傳輸過程中無信號衰減、失真，提升了計量、保護和測量系統(tǒng)的精度。

(3)電子式互感器無磁飽和，精度高，暫態(tài)特性好。保護裝置可針對電子式互感器的這些特點優(yōu)化相關(guān)保護算法，提高保護性能。

(4)按照GB/T14285的要求，“除出口繼電器外，保護裝置內(nèi)的任一元件損壞時，保護裝置不應誤動作跳閘。”智能變電站中的電子式互感器的二次轉(zhuǎn)換器(A/D采樣回路)、合并單元(MU)、光纖連接、智能終端、過程層網(wǎng)絡(luò)交換機等設(shè)備內(nèi)任一個元件損壞(除出口繼電器外)，不會引起保護誤動。這一要求的實現(xiàn)提升了保護裝置的可靠性。

(5)設(shè)備自檢功能強。合并器如收不到數(shù)據(jù)會判斷通訊故障或互感器故障而發(fā)出告警，能對GOOSE網(wǎng)、SV網(wǎng)、MMS網(wǎng)進行實時檢測，既提高了運行的可靠性，又減輕了運行人員的工作量。

5.3 提高變電站安全性

(1)智能變電站采用電子式互感器，其主要特點是電子式互感器不存在二次接地短路和諧振等問題，不存在二次開路及磁飽和問題。與常規(guī)互感器相比，電子式互感器具有絕緣簡單、動態(tài)范圍寬、數(shù)字量輸出等優(yōu)點。電子式互感器高、低壓部分采用光電隔離，從而使得電流互感器二次開路、電壓互感器二次短路等可能危及人身或設(shè)備安全的問題不復存在，大大提高了安全性。此外，ECT不會飽和，二次輸出容量無限制，完全避免了因CT飽和造成保護拒動、誤動的可能性，增強了整個電網(wǎng)的安全性。

(2)光纜代替電纜，避免了傳統(tǒng)電纜接線端子松動、發(fā)熱、開路和短路的危險，大大降低了交、直流二次回路短路或接地的可能性，有效避免了因直流接地造成保護裝置誤動或斷路器偷跳的事故，也避免了因為人員誤碰、電纜破損等造成CT回路2點接地而導致保護誤動或拒動的現(xiàn)象，二次回路出現(xiàn)缺陷的概率大大降低，從而提高了變電站及系統(tǒng)的整體安全運行水平。

1 王 強，賀洲強.智能變電站運行維護管理探討[J].電力安全技術(shù)，2012(5).