基于站域保護(hù)的變壓器中性點地刀智能切換技術(shù)研究

田 偉，劉 更，原宇光，彭 宇，宋曉亮

基于站域保護(hù)的變壓器中性點地刀智能切換技術(shù)研究

田 偉1，劉 更1，原宇光1，彭 宇1，宋曉亮2

(1.國網(wǎng)黑龍江省電力公司，黑龍江 哈爾濱150090；2.長園深瑞繼保自動化有限公司，廣東 深圳518057)

為了對變電站內(nèi)變壓器中性點接地進(jìn)行有效的管理，確保電網(wǎng)零序網(wǎng)絡(luò)基本穩(wěn)定，在研究新一代智能變電站保護(hù)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于站域保護(hù)實現(xiàn)的變壓器中性點地刀智能切換技術(shù)。該技術(shù)充分利用了站域保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)化信息交互共享機(jī)制，通過對智能切換的邏輯原理及其具體實現(xiàn)方式的研究，實現(xiàn)接地刀閘的快速、可靠、自動控制。分析表明該智能切換技術(shù)解決了傳統(tǒng)方式現(xiàn)場操作復(fù)雜、施工繁瑣、存在諸多安全隱患等問題。該技術(shù)可有效地實現(xiàn)變電站內(nèi)變壓器中性點地刀控制的數(shù)字化、自動化、信息化，能夠有效提高電力系統(tǒng)的運行控制能力。

智能變電站；站域保護(hù)；變壓器；中性點；接地刀閘；智能切換

0 引言

對于110 kV及以上電壓等級的中性點直接接地系統(tǒng)，中性點直接接地的變壓器數(shù)目，直接影響整個網(wǎng)絡(luò)零序電流的大小和分布，進(jìn)而影響零序過流保護(hù)的適應(yīng)性和整定計算[1]。因此，《電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)》明確規(guī)定，變電站的運行管理，必須確保電網(wǎng)零序網(wǎng)絡(luò)的基本穩(wěn)定[2]。

對于變壓器中性點直接接地的變電站，通常通過變壓器中性點地刀的位置，來判斷其是否直接接地，通過操作地刀的分合，來實現(xiàn)中性點直接接地的變壓器切換。因此，變壓器中性點地刀的管理，主要是變壓器中性點地刀的位置識別，以及對變壓器中性點地刀的操作控制。

目前，中性點地刀的管理主要有兩種方式，第一種為現(xiàn)場操作方式，即值班人員到現(xiàn)場確認(rèn)中性點地刀的位置狀態(tài)，人工去分合中性點地刀，這種方式操作過程復(fù)雜，操作時間長，在變電站出現(xiàn)事故時，往往因忙于事故處理而忽略了中性點地刀的操作，甚至?xí)斐蓴U(kuò)大事故，此外，這種方式操作人員的人身安全也得不到保障；第二種為傳統(tǒng)的自動化管理方式，這種方式需要裝置采集開入量、模擬量，控制出口回路，這樣就需要有較多電纜接入自動化控制裝置，過程復(fù)雜，施工繁瑣，不利于長期推廣應(yīng)用。

為了最大限度的降低事故風(fēng)險，簡化操作施工過程，同時充分利用數(shù)字信息化技術(shù)的優(yōu)勢，提高控制的可靠性，本文提出一種基于以多源信息實時共享為基礎(chǔ)的站域保護(hù)的變壓器中性點地刀智能切換技術(shù)，這種方式能夠充分利用全站的實時數(shù)據(jù)資源，不僅可以避免過多電纜接入保護(hù)裝置，還實現(xiàn)了中性點地刀控制的數(shù)字化、信息化。

1 中性點地刀智能切換技術(shù)的可行性分析

新一代智能變電站，是系統(tǒng)高度集成化，一體化服務(wù)的變電站，通過整合系統(tǒng)資源，優(yōu)化結(jié)構(gòu)配置，讓變電變得更加智能、穩(wěn)定、可靠、合理。站域保護(hù)設(shè)備，是新一代智能變電站站域?qū)又饕谋Ｗo(hù)設(shè)備，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化信息交互共享機(jī)制，獲取全站信息量，通過多信息冗余算法，判別變電站整體運行狀態(tài)，識別故障信息，實現(xiàn)全站層面的保護(hù)和控制協(xié)調(diào)功能。

站域保護(hù)是基于變電站全局視角的保護(hù)和控制功能的實現(xiàn)，與傳統(tǒng)的保護(hù)相比，具有以下優(yōu)勢：① 基于全站多源信息，能夠獲得更多故障信息特征，有助于改進(jìn)保護(hù)性能；② 綜合判斷全站運行狀態(tài)，優(yōu)化全站控制功能；③ 優(yōu)化和簡化保護(hù)控制結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)的整體保護(hù)和控制。

變電站不同的運行狀態(tài)，所需要中性點直接接地的變壓器數(shù)目不同，變壓器中性點地刀的切換操作，是基于全站視角出發(fā)的，站域保護(hù)采集了全站多源信息，具有高度集成度，能夠成功識別全站的不同運行狀態(tài)，所以，在站域保護(hù)中實現(xiàn)中性點地刀的智能切換是可行的。此外，在站域保護(hù)中，已經(jīng)成功開發(fā)了備自投、失靈保護(hù)、低頻低壓減載等多種跨間隔保護(hù)，具有成功應(yīng)用的先例[3-6]。

2 中性點地刀智能切換技術(shù)的邏輯原理

在東北電網(wǎng)220 kV變電站中，一般以主接線配置兩臺三圈變，高壓側(cè)雙母線接線，高壓側(cè)需要中性點接地的情況居多[7]，現(xiàn)以這種較為普遍的情況為例進(jìn)行分析，研究結(jié)論可推廣并適用于其他主接線形式的廠站。電氣主接線如圖1所示。

變壓器中性點地刀智能切換的總體原則為：當(dāng)中性點直接接地的變壓器故障或者跳閘后，自動切換經(jīng)間隙接地變壓器的中性點地刀，使其中性點直接接地，確保全站整個零序網(wǎng)絡(luò)盡量不變。下面將依此原則詳細(xì)討論中性點地刀的切換邏輯。

2.1 輸入量

中性點地刀智能切換裝置需要采集開入量和模擬量，開入量的采集由智能終端完成，主要需要采集的開入量如表1所示。

圖1 電氣主接線圖Fig. 1 Electrical main wiring diagram

表1 開入量Table 1 Input quantity

模擬量的采集由合并單元完成，需要采集的模擬量如表 2所示，其中零序電壓通過裝置自身計算獲得。

表2 模擬量Table 2 Analog quantity

2.2 運行方式判別

根據(jù)如圖1所示的主接線方式，需要作如下設(shè)定，設(shè)定01號隔離刀固定掛接I母，02號隔離刀固定掛接Ⅱ母。設(shè)定變壓器的兩種運行狀態(tài)如下：① 運行變，變壓器高側(cè)的斷路器處于合位，#1(2)變的01隔離刀和02隔離刀，至少一個處于合位，判定該變壓器處于運行狀態(tài)；② 接地變，中性點地刀處于合位的運行變壓器，即為接地變。

設(shè)定系統(tǒng)的主要運行方式如下：① 單母線運行方式，所有掛接在Ⅰ母上的隔離刀位置相同，同時所有掛接在Ⅱ母上的隔離刀位置相同；② 雙母線并列運行，兩臺運行變的情況下，所有掛接在Ⅰ母和Ⅱ母上的隔離刀狀態(tài)，均不同，且分列壓板退出，母聯(lián)斷路器處于合位；③ 雙母線分列運行，兩臺運行變的情況下，所有掛接在Ⅰ母和Ⅱ母上的隔離刀狀態(tài)，均不同，且分列壓板投入，母聯(lián)斷路器處于分位；④ 單臺變壓器運行，僅有一臺運行變。⑤ 沒有變壓器運行，沒有運行變運行。

2.3 充放電邏輯

通過充電邏輯來確認(rèn)智能切換邏輯需要滿足的條件，只有充電完成，智能切換邏輯才能動作。如圖2所示，充電為“與”邏輯，充電條件為：(1)智能切換功能投入，包括“中性點地刀自投軟壓板”和“中性點地刀自投控制字”均投入；(2)兩臺變壓器運行，即兩臺變壓器的高側(cè)斷路器位置處于合位；(3)兩臺變壓器，一臺為接地變，另外一臺為非接地變；(4)單母線運行方式，或者雙線并列運行方式；(5)不滿足放電條件；(6)充電未完成。充電條件滿足10 s后，智能切換邏輯完成充電。

圖 2 充電邏輯框圖Fig. 2 Charging logic diagram

智能切換邏輯未啟動前，判斷放電條件，放電條件為“或”邏輯，即任意放電條件滿足，智能切換邏輯放電。放電條件：(1)智能切換功能退出；(2)全站中性點地刀全分/全合閉鎖智能切換；(3)非接地變故障或者保護(hù)動作跳閘；(4)變壓器故障開入閉鎖放電；(5)不滿足其他充電條件。

2.4 動作邏輯

變壓器中性點接地刀閘智能切換邏輯的總體思路為，兩臺變壓器同時運行時，一臺接地變，一臺非接地變，當(dāng)接地變故障或者其保護(hù)動作跳閘后，通過合上非接地變的中性點地刀，將直接接地點，從原始接地變切換到非接地變的過程，動作邏輯如圖3所示。

充電完成后，詳細(xì)智能切換邏輯如下：

(1) #2變?yōu)榻拥刈儯?1變?yōu)榉墙拥刈?。?dāng)#2變的保護(hù)動作跳開#2變高側(cè)斷路器后，經(jīng)“合閘延時”合#1變中性點地刀。若#1變的保護(hù)動作跳開#1變高側(cè)斷路器，切換邏輯放電；

(2) #1變?yōu)榻拥刈儯?2變?yōu)榉墙拥刈?。?dāng)#1變的保護(hù)動作跳開#1變高側(cè)斷路器后，經(jīng)“合閘延時”合#2變中性點地刀。若#2變的保護(hù)動作跳開#2變高側(cè)斷路器，切換邏輯放電；

(3) 單母線運行時，按照上述動作邏輯執(zhí)行。雙母線運行時，按照上述動作邏輯執(zhí)行的同時，當(dāng)母聯(lián)位置由跳位變?yōu)楹衔粫r，合非接地變中性點地刀；

(4) 變壓器中性點地刀智能切換動作邏輯，受母線零序電壓閉鎖邏輯控制，只有在沒有零序電壓閉鎖時才動作自投，只要閉鎖條件滿足，立即閉鎖切換動作邏輯。

2.5 告警提示及閉鎖邏輯

電網(wǎng)運行相關(guān)規(guī)程規(guī)定，多臺變壓器同時運行的變電站，不能無變壓器中性點直接接地，也不能多臺變壓器中性點直接接地[7]。因此，當(dāng)變電站無變壓器中性點直接接地時，設(shè)置全站變壓器中性點地刀全分告警；當(dāng)變電站所有變壓器中性點直接接地時，設(shè)置全站變壓器中性點地刀全合告警。全分/全合告警，均同時閉鎖智能切換邏輯。分列運行時，若任意母線上，無接地變，作告警提示。全站只有一臺變壓器運行，若出現(xiàn)運行變不接地，非運行變接地的情況，也將作告警提示。告警的同時，閉鎖中性點地刀智能切換邏輯。

2.6 智能切換安全處理措施

為了防止中性點地刀，合于系統(tǒng)接地故障，引起變壓器中性點弧光過電壓擴(kuò)大事故[8]，如圖4所示，設(shè)置母線零序電壓3U0閉鎖措施，零序電壓大于整定值時閉鎖合閘回路。

圖3 智能切換動作邏輯框圖Fig. 3 Execution logic diagram of smart switching

圖 4 零序電壓閉鎖邏輯示意圖Fig. 4 Logic diagram of zero-sequence voltage blocking

考慮存在運行人員手動操作變壓器中性點地刀合閘回路的可能性，為了保證人身安全，設(shè)置 3U0閉鎖合閘回路措施。如圖5所示，在人工手動合閘回路里，串聯(lián)接入由智能終端引出的母線零序電壓繼電器的常閉接點，3U0閉鎖判據(jù)滿足后，出口3U0閉鎖，閉鎖人工合閘回路。

3 中性點地刀智能切換技術(shù)的實現(xiàn)方式

根據(jù)變壓器中性點地刀智能切換邏輯原理，行業(yè)內(nèi)目前具有以下兩種實現(xiàn)方式。

圖 5 零序電壓閉鎖出口接點連接示意圖Fig. 5 Diagram of zero-sequence voltage blocking outlet connection

第一，直接將其他保護(hù)裝置采集的位置接點信息和母線零序電壓，送給變電站的后臺監(jiān)控系統(tǒng)(如，微機(jī)五防操作系統(tǒng))，在后臺監(jiān)控系統(tǒng)中實現(xiàn)變壓器中性點地刀切換的邏輯。該實現(xiàn)方式比較經(jīng)濟(jì)，利用變電站現(xiàn)有的資源，不需要額外接入過多的電纜，但實現(xiàn)環(huán)節(jié)多，實時性、穩(wěn)定性、可靠性均不高。

第二，將采集各種狀態(tài)信息的電纜，直接接入保護(hù)裝置，由保護(hù)裝置實現(xiàn)中性點地刀的切換邏輯功能。這種實現(xiàn)方式，需要采集多間隔的狀態(tài)信息，接入較多電纜，集成度不高，施工不便，不利于保護(hù)的信息化、數(shù)字化。

本文提出一種基于站域保護(hù)的中性點地刀智能切換方法，實現(xiàn)過程示意如圖6所示，新一代智能變電站分為就地層、站域?qū)?、廣域?qū)尤龑咏Y(jié)構(gòu)[9-12]，在就地層，就地化智能終端采集斷路器位置信息，中性點地刀的狀態(tài)信息，以及掛接在母線上隔離刀的狀態(tài)等信息，然后傳送到過程層交換機(jī)(GOOSE報文)。就地化合并單元采集母線電壓，也傳送到過程層交換機(jī)(SV報文)[13]。在站域?qū)?，交換機(jī)再將需要的采集量傳送到站域保護(hù)裝置，完成邏輯算法，一方面將控制中性點地刀的分合的執(zhí)行信息，通過過程層交換機(jī)，反饋給就地化智能終端執(zhí)行；另一方面，站域保護(hù)裝置通過站控層交換機(jī)，將位置信息、動作信息、告警信息等，傳送到廣域?qū)拥膹V域保護(hù)裝置和一體化信息主機(jī)。在廣域?qū)樱瑥V域保護(hù)裝置可以根據(jù)變電站的運行情況，在線優(yōu)化保護(hù)定值；一體化信息主機(jī)，可以統(tǒng)計長年變電站的運行工況，包括中性點地刀不同時期的切換過程，通過大數(shù)據(jù)統(tǒng)計，向運行人員預(yù)告下一時期的中性點地刀操作。

就地層與站域?qū)泳W(wǎng)絡(luò)通信中斷的情況下，站域保護(hù)裝置會有相應(yīng)的 Svcb中斷以及 Gocb中斷告警，同時閉鎖變壓器中性點地刀智能切換；站域?qū)优c廣域?qū)又袛嗟那闆r下，廣域保護(hù)裝置以及一體化信息主機(jī)也會有相應(yīng)的通信中斷告警，但是不影響保護(hù)動作。

圖6 實現(xiàn)方式示意圖Fig. 6 Implementation mode diagram

4 工程應(yīng)用

本文所提出的變壓器中性點地刀智能切換技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于東北黑龍江站域保護(hù)的科技項目中，測試、驗收均能順利通過，目前掛網(wǎng)試運行狀況良好。

5 結(jié)論

本文從新一代智能變電站技術(shù)出發(fā)，分析了站域保護(hù)在智能電網(wǎng)中應(yīng)用的優(yōu)勢，探討了在站域保護(hù)中實現(xiàn)變壓器中性點地刀智能切換的可行性，在研究變壓器中性點智能切換原理邏輯的基礎(chǔ)上，提出了基于站域保護(hù)實現(xiàn)智能切換的方式。具有以下幾點重要意義。

首先，變壓器中性點地刀的有效管理，對規(guī)避變電安全隱患，杜絕變電事故，實行安全變電具有重要意義。

其次，變壓器中性點地刀智能切換功能在站域保護(hù)中的集成，是電網(wǎng)向高度集成化方向發(fā)展，有效整合資源，優(yōu)化配置的典型應(yīng)用。

最后，實現(xiàn)變壓器中性點地刀的智能切換，對電網(wǎng)向數(shù)字化、信息化、智能化方向發(fā)展，具有一定的推動作用。

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(編輯 姜新麗)

Research on the smart switching technology of transformer neutral point earthing switch based on substation protection

TIAN Wei1, LIU Geng1, YUAN Yuguang1, PENG Yu1, SONG Xiaoliang2
(1. Heilongjiang Electric Power Company, Harbin 150090, China; 2. CYG SUNRUI Co., Ltd., Shenzhen 518057, China)

In order to realize the efficiency management of the transformer neutral point earthing in substation, and the zero-sequence network stability, based on the research of the new generation protection and control technology of smart substation, one transformer neutral point earthing switch’s smart switching method which is realized based on substation protection technology is proposed. This method takes full advantage of the standard information exchange and sharing mechanism of the substation protection, the study of the smart switching principle and the specific implementation finally comes to the achievement of the earthing switch’s fast, reliable and automatic control. The analysis shows that this method can solve the problems of traditional ways, for one thing, the complex operation, the complicated construction and the security risks. In a word, this method can effectively realize the digitalization, automation and informatization of the neutral point of the transformer in the substation, which can improve the operation control of the power system availably.

smart substation; substation protection; power transformer; neutral point; earthing switch; smart switching

2015-10-28；

2016-02-01

田 偉(1968-)，男，高級工程師，主要研究電力系統(tǒng)及其自動化、繼電保護(hù)專業(yè)；E-mail: tianwei3110@ sina.com

劉 更(1968－)，男，高級工程師，主要研究電力系統(tǒng)及其自動化、繼電保護(hù)專業(yè)；E-mail: hlj_liugeng@sina. com

原宇光(1974- )，男，高級工程師，主要研究電力系統(tǒng)及其自動化、繼電保護(hù)專業(yè)。E-mail: jdbh0451@ 126.com

10.7667/PSPC151900