1 000 kV變電站智能化方案研究

張志鵬，梁猛，郭朝云

(河北省電力勘測設(shè)計研究院，石家莊市 050031)

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1 000 kV變電站智能化方案研究

張志鵬，梁猛，郭朝云

(河北省電力勘測設(shè)計研究院，石家莊市 050031)

為了發(fā)展堅強(qiáng)智能電網(wǎng)，促進(jìn)1 000 kV智能變電站的建設(shè)，研究1 000 kV變電站的智能化模式和過程層數(shù)字化的關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)。首先，對1 000 kV變電站智能化現(xiàn)狀進(jìn)行分析，提出1 000 kV變電站5種智能化模式，推薦目前采用過程層無數(shù)字化的模式；其次，研究了1 000 kV變電站過程層數(shù)字化的關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)，提出目前采用“常規(guī)互感器+合并單元”的方式實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)字化，采用“常規(guī)一次設(shè)備+智能終端”的方式實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)化，并提出了1 000 kV和500 kV電流互感器保護(hù)繞組優(yōu)化配置方案；最后，通過基于交換機(jī)N-1和N-2故障方式下網(wǎng)絡(luò)可靠性原則，提出一種1 000 kV過程層網(wǎng)絡(luò)新型設(shè)計方案，推薦SV和GOOSE共同組網(wǎng)、雙重化保護(hù)各設(shè)置獨(dú)立的雙網(wǎng)。

1 000 kV變電站；智能變電站；智能化方案；過程層

0 引 言

建設(shè)特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架、各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的統(tǒng)一堅強(qiáng)智能電網(wǎng)是國家電網(wǎng)公司的戰(zhàn)略目標(biāo)，智能變電站是統(tǒng)一堅強(qiáng)智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和支撐。目前，國家電網(wǎng)公司110(66)-750 kV新建變電站均按照智能變電站設(shè)計。

對于已投運(yùn)的1 000 kV變電站，智能化相關(guān)技術(shù)也得到了一定應(yīng)用。目前已投運(yùn)的交流特高壓工程有：晉東南—南陽—荊門特高壓交流試驗(yàn)示范工程、皖電東送特高壓交流示范工程、浙北—福州特高壓交流輸變電工程。

在這些工程中，一次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)及IEC61850協(xié)議得到了普遍應(yīng)用，狀態(tài)監(jiān)測參量典型配置如下：

(1)主變壓器和1 000 kV并聯(lián)電抗器油中溶解氣體監(jiān)測；

(2)1 000 kV GIS局部放電監(jiān)測；

(3)1 000 kV和500 kV GIS SF6氣體密度監(jiān)測。

2014年，國家電網(wǎng)公司制定了1 000 kV變電站通用設(shè)計，吸收了智能變電站建設(shè)的某些成果[1]，要求新建1 000 kV變電站站控層設(shè)備按照文獻(xiàn)[2]相關(guān)要求配置，并實(shí)現(xiàn)該文獻(xiàn)要求的運(yùn)行監(jiān)視、操作與控制、信息綜合分析與智能告警、運(yùn)行管理、輔助應(yīng)用5類功能，構(gòu)建智能輔助控制系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)智能輔助系統(tǒng)后臺、狀態(tài)監(jiān)測后臺與一體化監(jiān)控系統(tǒng)綜合應(yīng)用服務(wù)器整合[3]。

基于可靠性和技術(shù)成熟度考慮，智能變電站的關(guān)鍵技術(shù)——過程層數(shù)字化技術(shù)[4-6]，未在1 000 kV變電站中應(yīng)用，僅個別站進(jìn)行了1 000 kV電子式電流互感器的掛網(wǎng)運(yùn)行。

隨著智能變電站技術(shù)的發(fā)展和成熟，1 000 kV變電站實(shí)現(xiàn)全面智能化、建設(shè)1 000 kV智能變電站是必然趨勢，這也是建設(shè)統(tǒng)一堅強(qiáng)智能電網(wǎng)的客觀要求。

目前國內(nèi)外尚無1 000 kV智能變電站的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，考慮到1 000 kV變電站在系統(tǒng)中的關(guān)鍵地位，其智能化模式不宜直接采用僅存在于我國西北地區(qū)的750 kV智能變電站方案，應(yīng)根據(jù)1 000 kV變電站的特點(diǎn)對其智能化模式和過程層數(shù)字化關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)重點(diǎn)研究，提出適合特高壓電網(wǎng)特點(diǎn)的解決方案。

本文將對1 000 kV變電站的智能化模式和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討和分析，為建設(shè)1 000 kV智能變電站提供參考。

1 1 000 kV變電站智能化模式

1.1 各種智能化模式特點(diǎn)

根據(jù)智能變電站的技術(shù)現(xiàn)狀，提出5種1 000 kV變電站智能化模式如下。

1.1.1 模式1：過程層無數(shù)字化

此模式即1 000 kV變電站通用設(shè)計方案，系統(tǒng)圖如圖1所示。

圖1 智能化模式1系統(tǒng)圖Fig.1 System diagram of intelligent mode 1

模式1特點(diǎn)：

(1)采用常規(guī)一次設(shè)備，與間隔層設(shè)備通過電纜交換模擬量信息；

(2)主變壓器、高抗、GIS等一次設(shè)備配置狀態(tài)監(jiān)測，由傳感器+監(jiān)測IED實(shí)現(xiàn)；

(3)采用基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的一體化監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)5類應(yīng)用。

1.1.2 模式2：過程層半數(shù)字化

此模式僅對控制信息實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 智能化模式2系統(tǒng)圖Fig.2 System diagram of intelligent mode 2

模式2特點(diǎn)：

(1)采用常規(guī)互感器，通過電纜將電流電壓模擬量信息送給間隔層設(shè)備；

(2)采用常規(guī)開關(guān)/變壓器/高抗+智能終端的方式實(shí)現(xiàn)控制信息的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，通過光纜與間隔層設(shè)備交換信息；

(3)其余智能化方案同通用設(shè)計。

1.1.3 模式3：過程層全數(shù)字化

此模式對電流電壓、控制信息均實(shí)現(xiàn)數(shù)字化[7]，系統(tǒng)圖如圖3所示。

模式3特點(diǎn)：

(1)采用電子式互感器或常規(guī)互感器+合并單元的方式實(shí)現(xiàn)電流電壓信息的數(shù)字化，通過光纜發(fā)送至間隔層設(shè)備；

(2)采用常規(guī)開關(guān)/變壓器/高抗+智能終端的方式實(shí)現(xiàn)控制信息的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化，通過光纜與間隔層設(shè)備交換信息；

(3)其余智能化方案同通用設(shè)計。

圖3 智能化模式3系統(tǒng)圖Fig.3 System diagram of intelligent mode 3

1.1.4 模式4：部分等級過程層數(shù)字化

此模式為模式1和模式3的混合，即僅對1 000 kV變電站的中低壓側(cè)過程層進(jìn)行數(shù)字化，高壓側(cè)過程層仍采用常規(guī)模擬傳輸方式。

1.1.5 模式5：部分間隔過程層數(shù)字化

此模式僅對1 000 kV變電站部分間隔過程層進(jìn)行數(shù)字化，如僅對1 000 kV某串過程層進(jìn)行數(shù)字化，其余串采用常規(guī)模擬方式。

1.2 智能化模式選擇

根據(jù)已投運(yùn)的智能變電站運(yùn)行情況反饋，安裝于戶外的過程層設(shè)備故障率較高，尤其是電子式互感器、合并單元。在目前的智能化技術(shù)水平下，過程層數(shù)字化后將造成變電站的可靠性降低[8]。

在數(shù)字化上，從模式1到模式3依次增加；在可靠性上，從模式1到模式3依次降低。

在設(shè)備支持性上，模式1可選用定型設(shè)備；模式2中1 000 kV等級智能終端雖無定型設(shè)備，但技術(shù)要求與500 kV智能終端基本相同，容易研發(fā)；模式3中1 000 kV等級若采用電子式互感器，無成熟產(chǎn)品且研發(fā)難度大；1 000 kV等級采用常規(guī)互感器+合并單元的方式時，技術(shù)要求與500 kV合并單元基本相同，較易研發(fā)。

目前特高壓電網(wǎng)正處于起步階段，相對薄弱，對1 000 kV變電站的可靠性要求極高，1 000 kV變電站智能化后不應(yīng)降低其可靠性?；诳煽啃院驮O(shè)備支持性，目前1 000 kV變電站的智能化仍推薦采用模式1。

隨著過程層設(shè)備和技術(shù)的逐步成熟，可試點(diǎn)應(yīng)用模式5、模式4或模式2，發(fā)現(xiàn)問題，不斷改進(jìn)，為最終實(shí)現(xiàn)模式3的全數(shù)字化作準(zhǔn)備。

2 1000 kV變電站過程層數(shù)字化關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)

2.1 采樣數(shù)字化

2.1.1 實(shí)現(xiàn)方案

采樣數(shù)字化的理想解決方案是采用電子式互感器，在原理上電子式互感器又分為有源式(電學(xué)原理)和無源式(光學(xué)原理)兩大系列[9]。

在數(shù)字化變電站及智能變電站的工程實(shí)踐中，有源式和無源式電子式互感器均暴露出了很多問題，可靠性較常規(guī)互感器有較大差距，且價格較高，導(dǎo)致近幾年電子式互感器的應(yīng)用幾乎停滯，而采用了常規(guī)互感器+合并單元的解決方案。

對于1 000 kV變電站，可靠性是設(shè)備選擇的首要因素，電子式互感器目前還難以適應(yīng)工程應(yīng)用需要，宜先掛網(wǎng)運(yùn)行觀察效果。

現(xiàn)階段可行的方案為“常規(guī)互感器+合并單元”方式，但需解決合并單元輸出波形的一致性問題，要求合并單元中的小TA能夠準(zhǔn)確傳變含有直流分量的波形。

2.1.2 1 000 kV和500 kV等級TA保護(hù)繞組配置方案

(1)智能變電站通用設(shè)計TA繞組配置方案分析。

500 kV一個半斷路器接線TA保護(hù)級繞組配置方案為：斷路器/TPY/TPY/5P/5P[10]。其中TPY級供線路/母差/主變差動等主保護(hù)使用，5P級供斷路器失靈保護(hù)使用。以邊斷路器為例，配置示意圖如圖4所示。

1)邊斷路器K1點(diǎn)故障分析。

K1發(fā)生短路時，故障處于2套母差保護(hù)動作區(qū)內(nèi)、2套線路保護(hù)動作區(qū)外。2套母差保護(hù)動作跳開1DL(未失靈)，但K1點(diǎn)故障未清除，母線保護(hù)跳令不返回，同時2個5P級繞組均通過故障電流，滿足失靈保護(hù)動作條件，2套失靈保護(hù)動作跳開邊、中及線路對側(cè)斷路器，以較短延時隔離故障，一般情況下僅停1回500 kV線路。

2)邊斷路器K3點(diǎn)故障分析。

K3發(fā)生短路時，故障處于2套線路保護(hù)動作區(qū)內(nèi)、2套母線保護(hù)動作區(qū)外。2套線路保護(hù)動作跳邊、中及線路對側(cè)斷路器。若斷路器均正常，則故障在最短時間內(nèi)清除；若邊斷路器失靈、其余斷路器正常，則中斷路器及線路對側(cè)斷路器跳開后故障電流僅能由母線提供，故障電流僅能到達(dá)K3，不能通過2個5P繞組，失靈保護(hù)感受不到電流則不啟動，K3故障的切除僅能依賴500 kV所有線路和主變的后備保護(hù)，500 kV系統(tǒng)將全部停電。

圖4 通用設(shè)計TA繞組配置圖Fig.4 TA winding configuration diagram of universal design

3)分析結(jié)果。

對于斷路器與TA之間的K1點(diǎn)故障，該方案能夠有選擇性的隔離故障，但需要經(jīng)較短延時，對穩(wěn)定運(yùn)行不利；對于TA內(nèi)部的K3點(diǎn)故障，雖然概率很低，但面臨系統(tǒng)全停的風(fēng)險，宜進(jìn)行優(yōu)化。

(2)繞組優(yōu)化配置方案。

推薦1 000 kV變電站1 000 kV和500 kV等級TA均采用TPY/ TPY/5P/斷路器/5P /TPY/TPY的保護(hù)級繞組配置方案，即配置4組TPY繞組，線路與母線(對中開關(guān)為線路1與線路2)差動保護(hù)分別使用斷路器兩側(cè)的TA繞組。

經(jīng)過故障分析可知，在2套合并單元及所有保護(hù)均正常運(yùn)行時，本方案能夠解決TA內(nèi)部故障導(dǎo)致的系統(tǒng)全停問題，且能夠以最短時間隔離故障；當(dāng)1套合并單元或1套保護(hù)檢修、4套主保護(hù)交叉停運(yùn)2套時均不會出現(xiàn)TA內(nèi)部故障導(dǎo)致系統(tǒng)全停問題。

2.1.3 合并單元配置原則

1 000 kV變電站可采用500 kV智能變電站合并單元的配置原則，具體如下：

(1)1 000 kV、500 kV、主變各側(cè)、主變中性點(diǎn)合并單元雙重化配置；

(2)除主進(jìn)間隔外，低壓側(cè)各間隔合并單元單套配置；

(3)1 000 kV、500 kV斷路器每套合并單元應(yīng)能接入4組電流量(2組TPY、1組5P、1組0.2s)。

2.2 控制網(wǎng)絡(luò)化

2.2.1 實(shí)現(xiàn)方案

控制網(wǎng)絡(luò)化的理想解決方案是采用智能一次設(shè)備(開關(guān)/主變/無功)，一次設(shè)備內(nèi)置智能組件，輸入輸出數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。在智能一次設(shè)備上，目前國內(nèi)外廠家均無成熟的產(chǎn)品，國內(nèi)的智能變電站工程實(shí)踐中也無案例。

因此，1 000 kV變電站控制網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)現(xiàn)方案仍推薦采用智能變電站通用的“常規(guī)一次設(shè)備+智能終端”方式。

2.2.2 智能終端配置原則

1 000 kV變電站可采用500 kV智能變電站智能終端的配置原則，具體如下：

(1)1 000 kV、500 kV、主變各側(cè)智能終端雙重化配置，主變/電抗器本體智能終端單套配置[11]；

(2)除主進(jìn)間隔外，低壓側(cè)各間隔智能終端單套配置，且宜采用合并單元智能終端集成裝置。

2.3 過程層網(wǎng)絡(luò)方案

2.3.1 750 kV/500 kV智能變電站高壓側(cè)過程層網(wǎng)絡(luò)方案

(1)配置原則。

750 kV/500 kV智能變電站通用設(shè)計中750 kV/500 kV一個半斷路器接線過程層網(wǎng)絡(luò)配置原則如下：

1)分別設(shè)置SV和GOOSE星形雙網(wǎng)，每網(wǎng)按串配置交換機(jī)[12-13]；

2)雙重化保護(hù)與雙重化網(wǎng)絡(luò)按照一一對應(yīng)的方式連接[14]。

基于上述原則的750 kV/500 kV過程層網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖5所示。

圖5 750 kV/500 kV過程層網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.5 750 kV/ 500 kV process layer network

(2)可靠性分析。

在上述過程層網(wǎng)絡(luò)方案中，雙重化保護(hù)與雙重化過程層網(wǎng)絡(luò)一一對應(yīng)連接，交換機(jī)N-1故障將造成一個網(wǎng)絡(luò)的信息交換中斷，某些重要功能(失靈聯(lián)跳等)可靠性降低50%，對系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來不利影響；極端情況下，交換機(jī)N-2故障，可能造成2個網(wǎng)絡(luò)的信息交換中斷，失去某些重要功能(失靈聯(lián)跳等)，對系統(tǒng)的安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重威脅。

2.3.2 1 000 kV變電站過程層網(wǎng)絡(luò)方案

(1)設(shè)計原則。

根據(jù)1 000 kV變電站特點(diǎn)，提出其過程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計原則如下。

1)技術(shù)統(tǒng)一性原則。

1 000 kV變電站過程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計原則應(yīng)與相應(yīng)等級保護(hù)裝置的技術(shù)原則統(tǒng)一，體現(xiàn)二次系統(tǒng)設(shè)計的統(tǒng)一性。基于此原則，1 000 kV變電站中低壓側(cè)過程層網(wǎng)絡(luò)可采用如下方案。

(a)1 000 kV變電站的500 kV等級過程層網(wǎng)絡(luò)采用500 kV智能變電站相應(yīng)等級設(shè)計原則，雙重化保護(hù)與雙重化網(wǎng)絡(luò)按照一一對應(yīng)的方式連接，與保護(hù)的配置和通道組織原則統(tǒng)一。

(b)1 000 kV變電站的110 kV等級過程層網(wǎng)絡(luò)采用500 kV智能變電站低壓側(cè)設(shè)計原則，主進(jìn)配置雙重化網(wǎng)絡(luò)，無功配置單套網(wǎng)絡(luò)。

2)高可靠性原則。

1 000 kV過程層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有比750 kV/500 kV過程層網(wǎng)絡(luò)更高的可靠性，應(yīng)保證交換機(jī)N-1和N-2故障方式下過程層網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

(2)1 000 kV過程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方案。

基于高可靠性原則，本文推薦1 000 kV過程層網(wǎng)絡(luò)采用如下方案：SV、GOOSE共同組網(wǎng)，雙重化保護(hù)各設(shè)置獨(dú)立的雙網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖6所示。

圖6 1 000 kV過程層網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.6 1 000 kV Process layer network

方案特點(diǎn)：

1)基于共網(wǎng)共端口技術(shù)，SV、GOOSE共網(wǎng)傳輸[15]；

2)每串需設(shè)置4個網(wǎng)絡(luò)，每網(wǎng)配置1～2臺交換機(jī)；

3)雙重化的A、B套裝置過程層信息相互獨(dú)立傳輸，交換機(jī)負(fù)載較輕；

4)交換機(jī)N-1故障不影響保護(hù)信息傳輸，N-2故障最多影響1套保護(hù)的信息交換，不影響第2套保護(hù)功能；

5)冗余信息處理方案可采用基于FPGA的雙網(wǎng)雙工應(yīng)用層處理方案[16]或基于PRP的鏈路層處理方案[17-19]；

6)交換機(jī)配置數(shù)量與750 kV/500 kV過程層網(wǎng)絡(luò)基本相同，具有高性價比。

3 結(jié) 論

(1)提出了1 000 kV變電站5種智能化模式，推薦目前采用過程層無數(shù)字化的模式，并積極試點(diǎn)部分間隔過程層數(shù)字化、部分等級過程層數(shù)字化、過程層半數(shù)字化的模式，為實(shí)現(xiàn)1 000 kV智能變電站作準(zhǔn)備。

(2)現(xiàn)階段推薦采用“常規(guī)互感器+合并單元”的方式實(shí)現(xiàn)1 000 kV變電站采樣數(shù)字化，并優(yōu)化1 000 kV和500 kV等級TA繞組配置方案。

(3)配置智能終端以實(shí)現(xiàn)1 000 kV變電站常規(guī)一次設(shè)備的數(shù)字化和控制網(wǎng)絡(luò)化。

(4)提出了1 000 kV變電站過程層網(wǎng)絡(luò)2個設(shè)計原則：高可靠性原則和技術(shù)統(tǒng)一性原則。

(5)基于交換機(jī)N-1和N-2故障方式下網(wǎng)絡(luò)可靠性原則，首次提出了1種1 000 kV過程層網(wǎng)絡(luò)新型設(shè)計方案，即SV、GOOSE共同組網(wǎng)，雙重化保護(hù)各設(shè)置獨(dú)立的雙網(wǎng)，冗余信息處理方案可采用基于FPGA的雙網(wǎng)雙工應(yīng)用層處理方案或基于PRP的鏈路層處理方案。

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(編輯：張媛媛)

Intelligent Scheme Research of 1 000 kV Substation

ZHANG Zhipeng，LIANG Meng，GUO Chaoyun

(Hebei Electric Power Design & Research Institute, Shijiazhuang 050031, China)

To develop the strong and smart grid, promote the construction of 1 000 kV smart substation, this paper studied the intelligent modes of 1 000 kV substation and the key design technology of the digital process layer. Firstly, the paper analyzed the intelligent situation of 1 000 kV substation, put forward five intelligent modes of 1 000 kV substation, and recommended no-digital mode for the process layer. Then, this paper studied the key design technology of the digital process layer for 1 000 kV substation, and suggested that it should adopt ’conventional transformer + merging unit’ to realize digital sampling, and ‘conventional primary equipment + intelligent terminal’ to realize networked control. Meanwhile, this paper proposed the configuration optimization scheme of the protective winding for 1 000 kV and 500 kV current transformer. Finally, based on the network reliability principle in switchN-1 andN-2 fault mode, this paper proposed a new design scheme for 1 000 kV process level network, and recommended that SV and GOOSE should set up the network together, each one of double protections should set up independent dual network.

1 000 kV substation; smart substation; intelligent scheme; process layer

TM 76， TM 63

A

1000-7229(2015)05-0099-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.05.016

2015-03-02

2015-03-18

張志鵬(1977)，男，碩士，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、自動化及二次方面的設(shè)計工作；

梁猛(1976)，男，碩士，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、自動化及二次方面的設(shè)計工作；

郭朝云(1982)，男，碩士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、自動化及二次方面的設(shè)計工作。