智能變電站過(guò)程層設(shè)備及二次回路優(yōu)化研究

郭朝云，朱 萍

(河北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北 石家莊 050031)

1 概述

智能化變電站的發(fā)展一個(gè)重要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備的智能化，即通過(guò)高壓設(shè)備本體和智能組件的結(jié)合使一次設(shè)備具有自動(dòng)測(cè)量、控制、調(diào)節(jié)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)及預(yù)警、通信功能,目前一次設(shè)備智能化的發(fā)展逐漸向過(guò)渡階段發(fā)展。鑒于目前一二次廠家的融合情況，本文僅論述過(guò)程層智能組件的整合和回路優(yōu)化情況，采用“一次設(shè)備+智能組件”的方式實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備智能化。

過(guò)程層被定義為一次設(shè)備與二次設(shè)備的結(jié)合面，或者說(shuō)過(guò)程層即為電氣設(shè)備的智能化部分，其主要功能有：電氣量實(shí)時(shí)檢測(cè)、設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)、信息采集與操作控制。鑒于目前國(guó)內(nèi)一次廠家在二次組件生產(chǎn)方面能力較弱，因此智能組件基本由二次廠家提供，機(jī)構(gòu)本體二次回路由一次廠家提供，因此一方面可將二次廠家提供的智能組件進(jìn)行整合，一方面可簡(jiǎn)化一次廠家提供的本體二次回路，從而實(shí)現(xiàn)智能組件的整合和功能擴(kuò)展，進(jìn)一步加強(qiáng)變電站內(nèi)智能化水平。

2 智能終端和合并單元的整合

合并單元作為互感器智能化的重要組件，實(shí)現(xiàn)了將不同的電壓電流信號(hào)合并、同步以及進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換的功能。智能終端則通過(guò)快速通信功能(Generic Object Oriented Substation Event,GOOSE)實(shí)現(xiàn)了對(duì)開(kāi)關(guān)整間隔的完整信息采集和控制。采用全下放方式時(shí)，智能控制柜中二次設(shè)備有時(shí)要多達(dá)9個(gè)裝置，柜內(nèi)空間較緊張。因此如果對(duì)兩者進(jìn)行集成，則可以很好地解決二次設(shè)備的安裝問(wèn)題，又可以節(jié)省一定的資金。

2.1 中央處理器(CPU)整合

合并單元作需采集三相電流、電壓，保護(hù)用需雙A／D采樣，采樣信號(hào)多達(dá)20路左右，采樣速率為4kHz，采集量較大，CPU負(fù)載率可達(dá)82%，因此需設(shè)置單獨(dú)CPU處理。而合并單元IEC61850－9－2采樣值的組包和發(fā)送占用CPU資源較少，智能終端GOOSE接受和發(fā)送占用資源也不是很多，所以完全可能將IEC61850－9－2和GOOSE報(bào)文的處理放在一個(gè)CPU上完成，設(shè)計(jì)時(shí)只需要保證IEC 61850－9－2運(yùn)行優(yōu)先級(jí)比GOOSE優(yōu)先級(jí)高，保證9－2信息的實(shí)時(shí)性即可。

2.2 光口整合

合并單元和智能終端均為過(guò)程層設(shè)備，分別使用IEC61850—9—2和GOOSE傳輸數(shù)據(jù)，雖然協(xié)議不同，但都是通過(guò)光纖以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)，所以光口是完全可以復(fù)用的，裝置僅需配置n個(gè)GOOSE+SV口和1個(gè)光對(duì)時(shí)口即可。采用集成裝置后，合并單元通過(guò)內(nèi)部信息共享采集刀閘進(jìn)行電壓切換，告警信號(hào)軟報(bào)文也可通過(guò)集成裝置的光口進(jìn)行上傳，從而可以減少交換機(jī)光口占用量。集成裝置硬件邏輯圖見(jiàn)圖1。

圖1 集成裝置硬件原理圖

2.3 集成后的裝置尺寸

合并單元尺寸大小不一，有整層4U的，也有半層4U的，總體來(lái)說(shuō)裝置空間比較富余。而智能終端隨著電壓的不同，1個(gè)間隔內(nèi)對(duì)遙控和遙信數(shù)量需求也有所不同，裝置空間剩余不多，一般整層4U裝置來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。但通過(guò)CPU插件、光口插件及電源插件的整合，合并單元和智能終端完全可以集成到一個(gè)整層4U裝置機(jī)箱中，見(jiàn)圖2。

圖2 集成裝置示意圖

3 智能終端和狀態(tài)監(jiān)測(cè)IED的整合

3.1 整合可行性分析

狀態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)智能電子設(shè)備(Intelligent Electroned Device,IED)處理實(shí)時(shí)性要求與監(jiān)測(cè)量有關(guān)，不同的狀態(tài)監(jiān)測(cè)參量需要的DSP采樣速率要求不同。但是，一般來(lái)說(shuō)，除設(shè)備局部放電及油中溶解氣體外，其它狀態(tài)監(jiān)測(cè)參量信息量較小并采用4 mA～20 mA輸出，可以整合到智能終端裝置中。按上傳至主IED的監(jiān)測(cè)信息量，可將狀態(tài)監(jiān)測(cè)參量按表1分類。

表1 狀態(tài)監(jiān)測(cè)參量數(shù)據(jù)量

因此，可以看出局部放電對(duì)采集設(shè)備要求較高，其IED宜單獨(dú)設(shè)置，或在組件中設(shè)置獨(dú)立的局放DSP；油中溶解氣體的采集和監(jiān)測(cè)需經(jīng)復(fù)雜油氣分離、處理和分析，宜由專用設(shè)備實(shí)現(xiàn)；其它狀態(tài)監(jiān)測(cè)參量完全可由智能終端單獨(dú)處理完成，監(jiān)測(cè)IED功能可整合到智能終端中。

3.2 整合方案

智能終端中增加狀態(tài)監(jiān)測(cè)插件，直接接收傳感器的采樣數(shù)據(jù)，通過(guò)間隔測(cè)控裝置進(jìn)行采集處理并將數(shù)據(jù)傳到一體化平臺(tái)。

(1) 主變狀態(tài)監(jiān)測(cè)IED

主變的監(jiān)測(cè)參量為油中溶解氣體、鐵芯接地電流、油溫。鐵芯接地電流和油溫傳感器均可輸出4 mA～20 mA，可直接接入本體智能終端，不需設(shè)置獨(dú)立的監(jiān)測(cè)IED；油中溶解氣體的采集和監(jiān)測(cè)需經(jīng)復(fù)雜油氣分離、處理和分析，宜配置專用的IED裝置實(shí)現(xiàn)其功能，不宜整合在智能終端中。

(2) 220 kV 狀態(tài)監(jiān)測(cè)IED

220 kV在線監(jiān)測(cè)參量為SF6氣體密度、避雷器泄漏電流和動(dòng)作次數(shù)。SF6氣體密度、避雷器傳感器可輸出4 mA～20 mA或RS485信號(hào)，直接接入智能終端，不設(shè)獨(dú)立的監(jiān)測(cè)IED。雙套配置智能終端的，狀態(tài)監(jiān)測(cè)IED集成在智能終端A中。

考慮到局放狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量較大，需單獨(dú)配置1臺(tái)局放監(jiān)測(cè)IED，用于采集局部放電傳感器的信息。同時(shí)，設(shè)置一臺(tái)局部放電主IED，用于處理局放狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并上傳至一體化平臺(tái)。

4 智能終端和GIS二次回路的整合

氣體絕緣封閉組合電器(Gas Insulated Switchgear,GIS)二次回路在斷路器切斷一次回路過(guò)程中起著重要的輔助和保護(hù)作用，目前的規(guī)程并沒(méi)有對(duì)GIS二次回路進(jìn)行詳細(xì)的規(guī)定。各地習(xí)慣和設(shè)計(jì)上的差異使得作法多樣，不便于運(yùn)行管理。另外，也存在一、二次設(shè)備生產(chǎn)廠家在二次回路上相互配合不好、功能重復(fù)等現(xiàn)象。智能終端一般下放到GIS就地控制柜中，智能終端中的二次回路和斷路器機(jī)構(gòu)二次回路存在很多重復(fù)的地方，可以將這兩者統(tǒng)一考慮，進(jìn)行整合，簡(jiǎn)化，同時(shí)也可提高保護(hù)出口的獨(dú)立性和可靠性。

4.1 GIS 就地控制柜簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)

(1) 利用智能終端與過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)信息的共享機(jī)制減少機(jī)構(gòu)輔助接點(diǎn)、繼電器、端子排數(shù)量，縮小就地模擬盤(pán)的尺寸。

(2) 利用智能終端面板狀態(tài)指示取消本體顯示光字牌。

(3) 本體端子箱和智能控制柜之間全部通過(guò)航空插頭進(jìn)行插件，方便現(xiàn)場(chǎng)施工。

4.2 斷路器防跳回路整合

目前運(yùn)行的變電站一般采用兩種防跳方式：操作箱防跳和斷路器機(jī)構(gòu)防跳。如果采用操作箱防跳功能，解除機(jī)構(gòu)箱防跳功能后，由于在機(jī)構(gòu)箱內(nèi)的合閘路引接處通常接有就地／遠(yuǎn)方轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，解除了機(jī)構(gòu)箱防跳回路，使得就地操作時(shí)就失去了防跳功能。采用機(jī)構(gòu)箱防跳回路可以保證就地／遠(yuǎn)方操作和一些非正常情況時(shí)均具有完整的斷路器防跳功能，在智能終端的功能上可以剝離相應(yīng)的防跳接線，以達(dá)到簡(jiǎn)化、優(yōu)化，提高可靠性的目的。

4.3 壓力閉鎖回路整合

壓力閉鎖回路分為SF6氣體閉鎖和儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)壓力閉鎖(液壓、油壓等)兩種。考慮到SF6氣體為機(jī)構(gòu)絕緣氣體，涉及到機(jī)構(gòu)的安全問(wèn)題，因此SF6氣體閉鎖回路放在機(jī)構(gòu)本體較合適。

目前變電站操作箱和斷路器機(jī)構(gòu)一般均配置完善的跳合閘壓力閉鎖回路，可通過(guò)接入機(jī)構(gòu)接點(diǎn)實(shí)現(xiàn)壓力閉鎖。這種方案的問(wèn)題在于，就地操作或操作箱與機(jī)構(gòu)箱間的相應(yīng)回路斷線時(shí)將使斷路器的壓力閉鎖失去作用，因此考慮取消智能終端的壓力閉鎖回路，采用機(jī)構(gòu)低氣壓閉鎖回路。

壓力低閉鎖重合閘接點(diǎn)可作為遙信開(kāi)入到智能終端中，智能終端通過(guò)GOOSE提供給保護(hù)裝置。

4.4 非全相保護(hù)整合

斷路器非全相保護(hù)的實(shí)現(xiàn)有兩種方式，一種是斷路器機(jī)構(gòu)箱的非全相保護(hù)，利用三相位置接點(diǎn)啟動(dòng)時(shí)間繼電器出口直接跳閘；另一種是斷路器保護(hù)中的非全相保護(hù)，一般由非全相判別元件和靈敏的負(fù)序電流元件組成與門(mén)啟動(dòng)時(shí)間元件。

對(duì)于智能終端的非全相保護(hù)，當(dāng)控制回路斷線和位置繼電器故障時(shí)，斷路器位置監(jiān)視回路不能正確反映斷路器位置的實(shí)際狀態(tài)。在跳閘線圈分相設(shè)置斷路器的操作回路中，由于每相的跳閘線圈各有一個(gè)合閘位置監(jiān)視繼電器，只要有一個(gè)繼電器返回，就將發(fā)出斷路器三相位置不一致信號(hào)，可能導(dǎo)致出口。而采用機(jī)構(gòu)箱三相不一致保護(hù)，直接采用斷路器原始位置接點(diǎn)就近出口。因此應(yīng)采用斷路器機(jī)構(gòu)箱實(shí)現(xiàn)三相不一致保護(hù)功能，取消智能終端中的三相不一致接線。

4.5 GIS五防聯(lián)閉鎖整合

監(jiān)控系統(tǒng)采集了變電站中各間隔元件的模擬量、狀態(tài)量，防誤操作可利用監(jiān)控系統(tǒng)的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，取消就地橫向電氣聯(lián)閉鎖接線和五防鎖具，僅保留本間隔內(nèi)聯(lián)閉鎖回路，利用GOOSE實(shí)現(xiàn)橫向聯(lián)閉鎖功能，遠(yuǎn)方/就地操作均由本間隔電氣接點(diǎn)閉鎖回路和智能終端輸出操作閉鎖接點(diǎn)串聯(lián)來(lái)共同實(shí)現(xiàn)；手動(dòng)操作的設(shè)備及網(wǎng)門(mén)等采用電磁鎖實(shí)現(xiàn)防誤操作。監(jiān)控系統(tǒng)的防誤閉鎖邏輯判斷還可以包含模擬量判別條件，充分保證防誤操作的可靠性，見(jiàn)圖3。

圖3 采用五防閉鎖接點(diǎn)的控制回路

4.6 其它二次回路整合

跳合位監(jiān)視可通過(guò)在跳合閘出口接點(diǎn)上并聯(lián)光耦監(jiān)視回路，以監(jiān)視斷路器跳合閘回路狀態(tài)；事故總信號(hào)則通過(guò)裝置軟件對(duì)合后位置的置位來(lái)實(shí)現(xiàn)；智能終端一方面經(jīng)GOOSE接受保護(hù)、測(cè)控發(fā)出的閉重信號(hào)，同時(shí)也通過(guò)硬連線接收另一個(gè)智能終端的閉重信號(hào)。

5 主變壓器二次回路整合

主變壓器的測(cè)量信息主要有油溫信號(hào)、氣體繼電器動(dòng)作信號(hào)可直接接入本體智能終端中，本體智能終端一般考慮整合非電量功能，下面主要論述有載調(diào)壓回路和風(fēng)冷控制回路的整合。

5.1 有載調(diào)壓控制器二次回路整合

目前主變壓器有載調(diào)壓控制主要分為兩種，一是控制回路在機(jī)構(gòu)本體，通過(guò)帶觸點(diǎn)的電器元件和機(jī)械零部件等組成一個(gè)復(fù)雜的傳動(dòng)控制系統(tǒng)，這種復(fù)雜系統(tǒng)直接影響了機(jī)構(gòu)本身的機(jī)械壽命及運(yùn)行質(zhì)量；二是將有載調(diào)壓回路做成控制器可放于控制屏內(nèi)，本體中僅保留交流接觸器和電機(jī)，本體和控制器之間通過(guò)航空插頭連接，使用電氣信號(hào)的通斷，不需要用觸點(diǎn)及機(jī)械控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電分離?？梢钥闯龊笠环N控制模式比較符合智能化的精神，是今后發(fā)展的方向。

但目前有載調(diào)壓控制器均不具有以太網(wǎng)口，需在原有裝置上增加支持DL/T860協(xié)議網(wǎng)口，并加入有載調(diào)壓狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能，形成有載調(diào)壓智能組件，放置于就地主變智能柜中。基本原理如下：變壓器有載分接開(kāi)關(guān)位置信號(hào)及信異常狀態(tài)息(如電源故障、拒動(dòng))通過(guò)航空插座傳入控制器，控制器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送至測(cè)控裝置，同時(shí)接受調(diào)度系統(tǒng)調(diào)壓指令或通過(guò)自動(dòng)控制策略進(jìn)行調(diào)壓。

隨著技術(shù)發(fā)展可考慮將有載調(diào)壓功能集成在主變本體智能終端中，有載調(diào)壓智能組件的主要功能是控制和調(diào)節(jié)功能，對(duì)處理器要求并不高，完全有可能利用本體智能終端處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

5.2 變壓器冷卻系統(tǒng)控制回路整合

目前220 kV及以上的變壓器多采用風(fēng)冷的冷卻方式，由于風(fēng)冷控制系統(tǒng)在室外惡劣環(huán)境頻繁啟停、長(zhǎng)期工作，交流接觸器的觸頭會(huì)氧化、磨損；而在出現(xiàn)斷相或電機(jī)內(nèi)部故障而電流不平衡時(shí)，其它兩相的電流增大不超過(guò)20%，熱繼電器不足以引起發(fā)熱而啟動(dòng)電機(jī)保護(hù)，往往會(huì)導(dǎo)致電機(jī)損壞。所以現(xiàn)有風(fēng)冷控制系統(tǒng)存在腐蝕老化、維護(hù)量大、電機(jī)保護(hù)配置不全、運(yùn)行不便的缺陷，而且沒(méi)有通信功能，已不能適應(yīng)變電站智能化的要求。

5.2.1 智能風(fēng)冷實(shí)施方案

風(fēng)冷系統(tǒng)智能控制裝置以可編程控制器(PLC)為控制核心，對(duì)風(fēng)冷系統(tǒng)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)運(yùn)行中變壓器的負(fù)荷電流、油溫和環(huán)境溫度等條件，進(jìn)行各類數(shù)據(jù)的優(yōu)化判斷后，自動(dòng)控制冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行；遠(yuǎn)方集控中心可通過(guò)裝置的網(wǎng)絡(luò)通信功能對(duì)整個(gè)主變壓器風(fēng)冷系統(tǒng)的工作狀態(tài)和故障情況實(shí)時(shí)監(jiān)控，以保證變電站的變壓器正常運(yùn)行，見(jiàn)圖4。

圖4 智能風(fēng)冷系統(tǒng)框圖

當(dāng)變壓器的負(fù)荷增加或上層油溫超過(guò)設(shè)定溫度時(shí)，PLC根據(jù)主變過(guò)流信號(hào)和變壓器油溫度計(jì)閉合接點(diǎn)送入的信號(hào)進(jìn)行判斷，發(fā)出相應(yīng)指令，投入備用冷卻器。投入時(shí)先投入一組冷卻器，如果投入后延時(shí)一段時(shí)間油溫降不下來(lái)，則繼續(xù)投入其他備用冷卻器組。如果油溫下降低于設(shè)定的溫度下線一段時(shí)問(wèn)后，則自動(dòng)一組一組退出備用冷卻器組，實(shí)現(xiàn)了備用冷卻器組的自動(dòng)控制。

5.2.2 智能風(fēng)冷變頻調(diào)速分析

從多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)看，冷卻系統(tǒng)最易損壞的是風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)，而損壞的原因是風(fēng)機(jī)軸承磨損。隨著控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器的使用越來(lái)越廣泛。變頻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)電流小，速度可調(diào)節(jié)，電動(dòng)機(jī)可以調(diào)速化和小型化，保護(hù)功能齊全(如過(guò)載保護(hù)、過(guò)電壓和欠電壓保護(hù))等。因此可采用變頻器控制主變風(fēng)冷系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)主變的不同溫度改變電機(jī)的頻率，從而控制風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，這種控制方式可以使系統(tǒng)安全、有效的運(yùn)行，同時(shí)延長(zhǎng)風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)的壽命，節(jié)約電能。

6 結(jié)論

本文分析了合并單元智能終端集成裝置實(shí)現(xiàn)的可行性和方法，通過(guò)共享機(jī)箱、電源、CPU、通信光口，有效節(jié)約智能控制柜的空間；分析了各種狀態(tài)檢測(cè)參量的數(shù)據(jù)量，推薦由智能終端完成SF6氣體密度、

油溫和避雷器泄漏電流、放電次數(shù)的采集；將智能終端和斷路器二次回路進(jìn)行整合，去掉重復(fù)功能，簡(jiǎn)化二次回路；配置具有過(guò)程層接口的主變有載調(diào)壓IED，整合有載調(diào)壓二次控制回路；采用PLC可編程控制器實(shí)現(xiàn)智能風(fēng)冷，實(shí)現(xiàn)風(fēng)冷數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)字化，采用變頻器實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)的變頻控制，達(dá)到節(jié)能和延長(zhǎng)風(fēng)扇壽命的可能性。

[1]Q/GDW 383，智能變電站技術(shù)導(dǎo)則[S]．

[2]Q/GDW Z410－2010，高壓電器設(shè)備智能化技術(shù)導(dǎo)則[S]．

[3]Q/GDW 441，智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范[S]．

[4]劉振亞．國(guó)家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計(jì)：110(66) kV～750 kV智能變電站部分[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2011．

[5]劉曦，朱繼紅．關(guān)于合并單元和智能終端應(yīng)用模式的探討[J]．浙江電力，2011，(3)：15-18．

[6]郭志紅，等．變壓器智能風(fēng)冷控制技術(shù)研究及設(shè)備研制[J]．?dāng)?shù)學(xué)技術(shù)與應(yīng)用，2012，(11)，32-33．

[7]李敬如，等．智能變電站一、二次設(shè)備集成技術(shù)[J]．電力建設(shè)，2013，(6)，16-21．

[8]宋璇坤，等．新一代智能變電站概念設(shè)計(jì)[J]．電力建設(shè)，2013，(6)，11-15．

[9]姚蓉．智能變電站中就地智能終端與一次設(shè)備操作機(jī)構(gòu)二次回路功能整合方案[J]．電力建設(shè)，2013，(9)．