智能變電站繼電保護(hù)二次安措標(biāo)準(zhǔn)化的研究

藍(lán)海濤

(國網(wǎng)重慶市電力公司檢修分公司，重慶 400039)

0 引言

智能變電站技術(shù)代表了未來變電站自動化技術(shù)的發(fā)展方向。作為銜接智能電網(wǎng)發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度六大環(huán)節(jié)的關(guān)鍵，智能變電站是智能電網(wǎng)中變換電壓、接受和分配電能、控制電力流向和調(diào)整電壓的重要電力設(shè)施，是智能電網(wǎng)“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”三流匯集的焦點，它對建設(shè)堅強智能電網(wǎng)具有極為重要的作用。

根據(jù)國家電網(wǎng)公司智能電網(wǎng)建設(shè)的整體部署，十二五期間，國家電網(wǎng)公司將全面推進(jìn)智能電網(wǎng)建設(shè)。各網(wǎng)省公司積極開展智能變電站的實踐，積累了大量成功經(jīng)驗，有力地推動了這一新技術(shù)在我國電網(wǎng)的發(fā)展和推廣。目前智能變電站技術(shù)的實踐主要集中在技術(shù)層面，主要關(guān)注新設(shè)備和新標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用，而對于與之相適應(yīng)的變電站二次專業(yè)的運維組織模式研究很少。在眾多二次專業(yè)中，以繼電保護(hù)對安全性、可靠性要求最高，因此研究和制定與智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)相適應(yīng)的二次安全措施實施規(guī)范顯得十分必要和迫切。

1 智能站數(shù)字化保護(hù)與常規(guī)微機保護(hù)比較

智能變電站采用“三層兩網(wǎng)”的結(jié)構(gòu)體系，分別為站控層、間隔層和過程層，站控層與間隔層之間為站控層網(wǎng)絡(luò)，間隔層與過程層之間為過程層網(wǎng)絡(luò)。常規(guī)變電站繼電保護(hù)采用以裝置為中心的組態(tài)模式，而智能變電站則基于過程層網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了跨間隔信息共享，因此其繼電保護(hù)采用以保護(hù)功能模塊化為理念的靈活組態(tài)形式，其保護(hù)實現(xiàn)形式不再依賴于裝置而是取決于保護(hù)需求與網(wǎng)絡(luò)性能。

1.1 保護(hù)裝置的組成結(jié)構(gòu)

(1)常規(guī)微機保護(hù)裝置通常采用模塊化設(shè)計，主要是由模擬量輸入接口、A/D 轉(zhuǎn)換、保護(hù)邏輯處理、開關(guān)量輸入輸出接口、人機對話五大模塊組成，如圖1 所示。一次設(shè)備采集模擬量、開關(guān)量，通過二次電纜傳輸?shù)奖Ｗo(hù)裝置，保護(hù)裝置對各種采集數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯計算，滿足動作條件，則出口動作于相應(yīng)斷路器。保護(hù)裝置對一次設(shè)備的控制信號、保護(hù)裝置間的聯(lián)閉鎖信息通過二次電纜傳輸實現(xiàn)。

圖1 常規(guī)微機保護(hù)結(jié)構(gòu)示意

(2)智能變電站數(shù)字化保護(hù)由合并單元、保護(hù)裝置、智能終端三大模塊組成，如圖2 所示。合并單元負(fù)責(zé)全站電流、電壓模擬量的采集。合并單元的運用實現(xiàn)了全站模擬量信息的集中采集，不同的保護(hù)、測控及其他裝置所需的電流、電壓數(shù)據(jù)均來自于合并單元。保護(hù)裝置僅負(fù)責(zé)保護(hù)動作的邏輯運算處理。智能終端作為一、二次設(shè)備的接口，實現(xiàn)了整間隔內(nèi)斷路器、隔離開關(guān)等一次設(shè)備的控制及狀態(tài)信息的采集。保護(hù)裝置與合并單元、智能終端的連接采用“直采直跳”方式，保護(hù)裝置之間的聯(lián)閉鎖信息、失靈啟動等信息采用GOOSE 網(wǎng)絡(luò)傳輸方式。

圖2 數(shù)字化保護(hù)結(jié)構(gòu)示意

1.2 二次回路的設(shè)計

(1)常規(guī)微機保護(hù)屏柜的端子排是保護(hù)裝置與外部一、二次設(shè)備之間的接口，二次設(shè)備廠家根據(jù)用戶或設(shè)計院的要求將保護(hù)裝置背板插件端子引至屏柜端子排，保護(hù)裝置通過二次電纜與其他一、二次設(shè)備構(gòu)成各種復(fù)雜的二次回路，同時各保護(hù)屏柜之間的聯(lián)系也通過端子排之間的二次電纜實現(xiàn)。

(2)智能變電站中采用光纖或網(wǎng)絡(luò)取代了傳統(tǒng)的二次電纜，過程層網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了二次回路的功能。過程層網(wǎng)絡(luò)分為SV 網(wǎng)和GOOSE 網(wǎng)，SV 網(wǎng)傳輸交流采樣值信息，GOOSE 網(wǎng)傳輸各種各樣的開關(guān)量信息。利用過程層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，復(fù)雜的二次回路的連接變成了網(wǎng)絡(luò)通信連接。設(shè)備廠家根據(jù)用戶需要提供裝置的GOOSE 輸入輸出端子定義，設(shè)計單位根據(jù)該定義設(shè)計二次接線虛端子圖，系統(tǒng)集成商(綜自廠家)通過GOOSE 組態(tài)工具和設(shè)計單位的設(shè)計文件，組態(tài)形成變電站系統(tǒng)配置描述文件(SCD 文件)，各二次設(shè)備廠家使用裝置配置工具和全站統(tǒng)一的系統(tǒng)配置描述文件(SCD 文件)，提取GOOSE網(wǎng)絡(luò)收發(fā)的配置信息并下裝至各具體裝置。

從上述過程可知，智能變電站電氣二次設(shè)計與常規(guī)綜自站相比發(fā)生了很大的變化。智能變電站各層設(shè)備通過光纖和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，設(shè)備間的連接是基于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)字信號，原有二次回路中點對點的電纜連接被網(wǎng)絡(luò)化的光纜連接所取代，已不再有傳統(tǒng)的端子的概念。

1.3 繼電保護(hù)壓板的設(shè)計

常規(guī)微機保護(hù)壓板包含出口壓板和功能壓板等，壓板形式為硬壓板。智能變電站中保護(hù)裝置的壓板，僅保留了一塊“投檢修態(tài)”硬壓板，其他壓板(保護(hù)裝置的“出口壓板”、“功能壓板”)采用軟壓板的形式，保護(hù)屏的壓板布置變得清晰、簡單。采用軟壓板為實現(xiàn)智能變電站的高級應(yīng)用——“順序控制”提供了技術(shù)上的支撐。

常規(guī)微機保護(hù)中同樣存在“投檢修態(tài)”硬壓板，但該壓板在功能上僅局限于控制各種軟報文信息的上傳，不會影響保護(hù)裝置本身跳閘邏輯。智能變電站數(shù)字化保護(hù)裝置的“投檢修態(tài)”硬壓板可以控制裝置GOOSE報文中的檢修狀態(tài)位，投入“投檢修態(tài)”壓板后裝置發(fā)出的GOOSE 報文均為檢修態(tài)報文。處于檢修狀態(tài)的裝置可以接收檢修狀態(tài)GOOSE 報文，運行狀態(tài)(未投入“投檢修態(tài)”壓板)的設(shè)備則不處理檢修狀態(tài)GOOSE 報文。

2 常規(guī)變電站繼電保護(hù)二次安措的現(xiàn)狀

常規(guī)變電站繼電保護(hù)二次安措的執(zhí)行，從本質(zhì)上來說就是斷開檢修設(shè)備與運行設(shè)備之間在二次回路上的一切聯(lián)系。具體來說，可分為兩大類：一類是設(shè)備運行中帶電檢修消缺；另一類是設(shè)備停電檢修、定期校驗。

2.1 設(shè)備運行中帶電檢修消缺的二次安措

(1)在帶電的電流互感器二次回路上工作時，嚴(yán)禁將互感器二次側(cè)開路，不得將回路的永久接地點斷開；短路電流互感器二次繞組，必須使用短路片或短路線，短路應(yīng)妥善可靠，嚴(yán)禁用導(dǎo)線纏繞；嚴(yán)禁在電流互感器與短路端子之間的回路和導(dǎo)線上進(jìn)行任何工作。在帶電的電流互感器二次回路上工作時，要防止二次側(cè)開路產(chǎn)生高電壓的危險。

(2)在帶電的電壓互感器二次回路上工作時，要嚴(yán)格防止二次側(cè)短路或接地。在取下或投入電壓端子連接片及線頭時，必須小心謹(jǐn)慎，不得觸碰旁邊的端子或接地部分，拆開的電壓線頭應(yīng)做好記號并用絕緣布包好。操作時應(yīng)使用絕緣工具，戴絕緣手套。必要時，在征得值班負(fù)責(zé)人或調(diào)度員同意后，可在工作前停用相關(guān)的保護(hù)裝置。接臨時負(fù)載時，必須裝有專用的隔離開關(guān)(刀閘)和熔斷器(保險)，熔斷器的熔絲熔斷電流必須與電壓互感器保護(hù)熔絲配合。

(3)對于在消缺過程中可能誤動的保護(hù)裝置，必要時，在消缺前征得值班員或調(diào)度員同意后，可退出相關(guān)保護(hù)跳閘回路及其失靈啟動回路。

2.2 設(shè)備停電檢修中的二次安措

(1)斷開與被檢修設(shè)備聯(lián)系的電流回路和電壓回路。

(2)斷開被檢修設(shè)備電流互感器至母線保護(hù)之間的電流回路。

(3)斷開被檢修設(shè)備與運行斷路器之間的跳閘回路，如主變后備保護(hù)跳母聯(lián)、分段、旁路斷路器的跳閘回路。

(4)斷開被檢修設(shè)備啟動失靈保護(hù)跳閘回路，包括啟動遠(yuǎn)跳對側(cè)斷路器的相關(guān)回路。

(5)斷開被檢修設(shè)備啟動中央信號、故障錄波回路。

3 智能變電站繼電保護(hù)二次安措的實施

智能變電站用光纜取代了常規(guī)變電站的電纜接線方式，各設(shè)備由傳統(tǒng)的點對點模擬節(jié)點信號傳輸方式變?yōu)橛蒅OOSE、SMV、MMS 網(wǎng)絡(luò)組成的虛擬報文傳輸方式。這一轉(zhuǎn)變帶來了二次回路構(gòu)成的重大改變，與之相對應(yīng)的二次回路安全措施也發(fā)生了很大的變化。根據(jù)智能變電站二次設(shè)備的特征實施相關(guān)措施，才能保證在二次系統(tǒng)上工作的安全。

智能變電站中檢修設(shè)備與其他運行設(shè)備的聯(lián)系主要依靠光纖和網(wǎng)絡(luò)，在不破壞網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的前提下，物理上就不能完全將檢修設(shè)備和運行設(shè)備隔離。要實現(xiàn)有效的隔離，只有通過對裝置進(jìn)行各種設(shè)置，改變信息發(fā)送方和接收方的狀態(tài)，才能避免誤跳運行回路等情況的發(fā)生。

3.1 單間隔設(shè)備不停電裝置檢修

單間隔設(shè)備不停電裝置檢修是指，一次設(shè)備不停電，需要處理的裝置為本間隔單套保護(hù)的某一臺裝置。下面以220 kV 雙母線接線的線路間隔為例，說明智能站不停電裝置檢修時繼電保護(hù)二次安措的實施。圖3 為220 kV 雙母線接線的線路保護(hù)構(gòu)成示意。

圖3 220 kV 雙母線接線的線路保護(hù)構(gòu)成示意

3.1.1 合并單元消缺

智能變電站保護(hù)所需電流、電壓數(shù)據(jù)取自合并單元(配置獨立的三相ECVT 的間隔可不配置合并單元)。A 套合并單元的故障導(dǎo)致電流、電壓數(shù)據(jù)異常時，將影響到該間隔第A 套線路保護(hù)、第A套母線保護(hù)，通常也會影響到該間隔遙測回路；B套合并單元故障將影響到該間隔第B 套線路保護(hù)、第B 套母線保護(hù)。因此檢修合并單元時，凡使用其采樣數(shù)據(jù)的裝置必須全部退出運行。其二次安措具體包括以下內(nèi)容：

(1)投入需檢修合并單元“投檢修態(tài)”壓板；

(2)退出對應(yīng)線路保護(hù)“跳閘出口GOOSE 發(fā)送軟壓板”、“重合閘出口GOOSE發(fā)送軟壓板”和“啟動失靈GOOSE 發(fā)送軟壓板”；

(3)退出對應(yīng)線路斷路器失靈保護(hù)“啟動失靈GOOSE 發(fā)送軟壓板”、“跳閘出口一GOOSE 發(fā)送軟壓板”、“跳閘出口二GOOSE 發(fā)送軟壓板”；

(4)退出對應(yīng)母線保護(hù)的所有間隔“跳閘出口GOOSE 發(fā)送軟壓板”；

(5)必要時，退出對應(yīng)智能終端“出口跳閘”、“重合閘”硬壓板。

如果電流、電壓采用傳統(tǒng)互感器接入合并單元采樣的形式，則同時需采取防止電流二次回路開路、電壓二次回路短路的措施。

3.1.2 線路保護(hù)裝置消缺

線路保護(hù)裝置消缺的二次安措則相對簡單，主要包括以下3 點：

(1)投入線路保護(hù)“投檢修態(tài)”壓板，保證線路保護(hù)的報文不出口，不對母線保護(hù)裝置造成影響；

(2)退出線路保護(hù)“跳閘出口GOOSE 發(fā)送軟壓板”、“重合閘出口GOOSE 發(fā)送軟壓板”和“啟動失靈GOOSE 發(fā)送軟壓板”；

(3)退出對應(yīng)母線保護(hù)“××× GOOSE 接收軟壓板”。

由于整個二次安措只有邏輯斷開點，而缺少硬件斷開點，因此在完成對線路保護(hù)的處理后，如果需要做試驗，則需要將線路保護(hù)的采樣光纖接口拔出，使用數(shù)字式測試設(shè)備直接對裝置注入采樣數(shù)據(jù)，保護(hù)裝置的反饋GOOSE 信號可以從相應(yīng)的GOOSE 測試接口獲得。

3.1.3 智能終端消缺

智能終端作為一、二次設(shè)備的接口，除具備傳統(tǒng)操作箱的功能外(不具備斷路器防跳功能)，還包括了整個間隔內(nèi)所有隔離開關(guān)的遙控、遙測、遙信功能。因此，智能終端消缺的二次安措同樣相對困難。具體安措為：

(1)投入智能終端“投檢修態(tài)”壓板；

(2)斷開智能終端“出口跳閘”、“重合閘”硬壓板；

(3)考慮到間隔內(nèi)隔離開關(guān)位置可能發(fā)生改變，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況考慮停用對應(yīng)保護(hù)，并將對應(yīng)母線保護(hù)該間隔刀閘位置按實際狀態(tài)強制。

3.2 單間隔設(shè)備停電裝置檢修

單間隔設(shè)備停電裝置檢修主要針對線路保護(hù)定檢或線路保護(hù)消缺必須停用一次設(shè)備的情況，其二次安措相對于帶電消缺來說相對簡單，同樣以220 kV 雙母線接線的線路間隔為例進(jìn)行說明，具體安措為：

(1)投入本間隔合并單元“投檢修態(tài)”壓板；

(2)退出2 套母線保護(hù)“×××間隔投入軟壓板”，保證母線保護(hù)裝置不處理本間隔合并單元的采樣數(shù)據(jù)；

(3)投入本間隔線路保護(hù)“投檢修態(tài)”壓板，投入本間隔智能操作箱“投檢修態(tài)”壓板，保證本間隔的GOOSE 報文不對運行的母線保護(hù)造成影響。

3.3 多間隔設(shè)備不停電裝置檢修

以220 kV 雙母線接線的母線保護(hù)為例，具體安措有以下2 點。

(1)常規(guī)220 kV 母線微機保護(hù)不停電定檢校驗時，二次安全措施的執(zhí)行步驟為：首先斷開母線保護(hù)所有間隔出口跳閘壓板、母差保護(hù)動作啟動主變失靈跳三側(cè)壓板；然后將母線保護(hù)所有電流回路短接，拆除電壓二次回路。常規(guī)220 kV 母線微機保護(hù)校驗整組傳動試驗時，采用測量“跳閘脈沖”的方法驗證回路的完整性。

(2)智能變電站母線保護(hù)二次安措僅靠投入保護(hù)裝置“投檢修態(tài)”壓板、退出保護(hù)出口跳所有間隔“××× GOOSE 發(fā)送軟壓板”，顯然不夠完善，對于電流、電壓二次回路只能依靠拔光纖的方法實施。智能變電站母線保護(hù)可通過抓取GOOSE 報文的形式驗證保護(hù)的動作行為正確性。為了通過網(wǎng)絡(luò)報文分析儀獲取母線保護(hù)動作GOOSE 報文，需投入所有間隔“××× GOOSE 發(fā)送軟壓板”。由于缺少硬件上的隔離措施，采用這種方法將帶來一定的風(fēng)險?？紤]到母線保護(hù)的重要性，通常是拔下保護(hù)直跳光纖，將其接入數(shù)字報文分析儀，從而進(jìn)行保護(hù)動作行為分析。

4 智能變電站繼電保護(hù)二次安措標(biāo)準(zhǔn)化建議

智能變電站繼電保護(hù)二次安全措施與常規(guī)變電站相比發(fā)生了很大變化，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場實際工作，對智能變電站繼電保護(hù)二次安全措施標(biāo)準(zhǔn)化提出合理化建議，將其歸納為保證二次回路安全工作的“三道防線”。

(1)投入被檢修設(shè)備“投檢修態(tài)”壓板?！巴稒z修態(tài)”壓板的作用是將裝置發(fā)送的報文中的“test”位置“1”，目的是將本裝置正處于檢修中的信息傳遞給其他設(shè)備。收到這個信息的其他裝置雖然仍然和它有信息交換，但是不再互相操作；如果同時有多個裝置在檢修狀態(tài)中，它們之間是可以互相操作的?！巴稒z修態(tài)”壓板構(gòu)成整個二次安措的最底層防線。目前，有的保護(hù)廠家在裝置面板上缺少對該壓板狀態(tài)的明顯信號提示，只將該壓板狀態(tài)反映在保護(hù)裝置開入位置變位中，這給保護(hù)人員實時把握該壓板實際投入狀態(tài)帶來了困難。如果由于“投檢修態(tài)”壓板接觸不良或壓板連接二次引線松動，造成壓板工作位置與實際不對應(yīng)，將會帶來非常嚴(yán)重的后果。因此，建議繼電保護(hù)廠家在新裝置設(shè)計中能在保護(hù)面板醒目位置給出該壓板實際投入與否的狀態(tài)信號提示。

(2)“保護(hù)出口GOOSE 發(fā)送軟壓板”、“失靈啟動GOOSE 發(fā)送軟壓板”、“間隔投退軟壓板”、“GOOSE 接收軟壓板”的投退。軟壓板的投退給出了檢修設(shè)備與運行設(shè)備之間的邏輯斷開點。目前不同廠家設(shè)備對軟壓板的命名和功能定義沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，如220 kV 母線保護(hù)中，PCS-915 裝置采用“×××間隔投入軟壓板”，BP-2C-D 裝置采用“××× GOOSE 接收軟壓板”、“××× SV 接收軟壓板”實現(xiàn)間隔投退。因此，保護(hù)人員必須熟悉掌握不同廠家軟壓板的名稱和功能上的差異，才能做到安全措施到位、無遺漏。這對現(xiàn)場保護(hù)人員的專業(yè)素質(zhì)提出了很高的要求。建議在新的智能變電站繼電保護(hù)“六統(tǒng)一”標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)范不同廠家設(shè)備軟壓板的名稱和功能定義，這對保證智能變電站二次設(shè)備運行維護(hù)有重要意義。

(3)拔除光纖形成硬隔離措施。常規(guī)微機保護(hù)在設(shè)備不停電檢修時，對整組傳動試驗可采用測“跳閘脈沖”的方法實現(xiàn)對回路完整性的檢驗。智能變電站由于其自身的特點，在不拔除光纖的前提下，無法實現(xiàn)有效的硬件隔離。光纖的反復(fù)插拔也給設(shè)備的長期安全穩(wěn)定運行帶來的一定的隱患，一般不建議使用拔除光纖的方法。因此，必須高度重視新建變電站的調(diào)試驗收工作，對保護(hù)的所有跳閘邏輯進(jìn)行全面細(xì)致的檢驗。此外，保護(hù)校驗工作也應(yīng)由定期檢修逐步向狀態(tài)檢修過渡。

5 結(jié)束語

智能變電站繼電保護(hù)二次安措的實施是智能變電站運行維護(hù)的一個非常重要的課題。目前，智能變電站技術(shù)仍處在不斷發(fā)展和完善的階段，不同廠家保護(hù)裝置的差異給現(xiàn)場保護(hù)人員執(zhí)行二次安措帶來了困難。傳統(tǒng)的作業(yè)方式正面臨著巨大的轉(zhuǎn)變，有必要在設(shè)計、制造、施工、運行各階段達(dá)成共識，形成統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的二次安全措施作業(yè)規(guī)范，這對于保證智能變電站安全穩(wěn)定運行，推進(jìn)智能變電站技術(shù)的發(fā)展有著非常重要的意義。

1 高 翔．?dāng)?shù)字化變電站應(yīng)用技術(shù)[M]．北京: 中國電力出 版社，2008．

2 賈 巍，曹津平，李 偉．?dāng)?shù)字化變電站中過程層的技術(shù) 研究[J]．電力自動化設(shè)備，2008(10)．

3 胡春潮，蔡澤祥，竹之涵．提高數(shù)字化變電站關(guān)鍵報文傳 輸可靠性方法研究[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011(9).

4 李文正，李寶偉，倪傳坤，等．智能變電站光纖差動保護(hù) 同步方案研究[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012(16)．

5 李 鋒，謝 俊，趙銀鳳，等．基于IEC 61850 的智能變 電站交換機IED信息模型[J]．電力系統(tǒng)自動化，2012(7)．

6 李寶偉，倪傳坤，唐艷梅，等．智能變電站組網(wǎng)傳輸采樣 值光纖差動保護(hù)同步方案研究[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013(9)．

7 馮亞東，李 彥，王 松，等．IEC 61850-9-2 點對點采樣值傳輸在繼電保護(hù)中的實現(xiàn)與應(yīng)用[J]．電力系統(tǒng)自動化，2012(2)．

8 趙曼勇，周紅陽，陳朝暉，等．基于IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)的廣域一體化保護(hù)方案[J]．電力系統(tǒng)自動化，2010(6)．

9 樊 陳，倪益民，沈 健，等．IEEE 1588 在基于IEC 61850-9-2 標(biāo)準(zhǔn)的合并單元中的應(yīng)用[J]．電力系統(tǒng)自動化，2011(6)．

10 Q/GDW441 智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范[S]．