GIS智能開關(guān)站在猴子巖水電站的應用

唐 詩，宋 柯

(國電大渡河猴子巖水電建設有限公司，四川 康定 626005)

0 引 言

猴子巖水電站位于四川省康定縣境內(nèi)，是大渡河干流梯級開發(fā)第9級電站。電站裝機容量1 700 MW(4×425 MW)，計劃2016年底首臺機4號機組投運，是大渡河流域第一個開關(guān)站為智能站的水電站。

猴子巖500 kV開關(guān)站采用4/3接線方式，出5回500 kV線路，至丹巴500 kV變2回，單回線路長約45 km。至康定500 kV變3回，單回線路長約63 km 。4路發(fā)變組間隔，共形成3個完整串。500 kV升壓站接線如圖1所示。

圖1 猴子巖GIS接線示意

猴子巖500 kV開關(guān)站遵循IEC61850信息分層結(jié)構(gòu)構(gòu)建，通過MMS、GOOSE網(wǎng)實現(xiàn)智能終端裝置、繼電保護裝置、測控裝置與水電監(jiān)控后臺之間數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)開關(guān)站保護、監(jiān)控等功能。

常規(guī)的開關(guān)站，繼電保護、故障錄波、監(jiān)控系統(tǒng)LCU、電能量采集等系統(tǒng)相互獨立，各個系統(tǒng)通信線路重復配置，二次接線復雜，投資成本大。猴子巖智能站通過引入IEC 61850技術(shù)，達到了減少設備投資，提高電力系統(tǒng)運行和管理效率的目的。但是在猴子巖開關(guān)站建設過程中依然存在著二次設備之間硬回路融合困難，設備規(guī)劃不合理等問題。

1 猴子巖GIS智能開關(guān)站

1.1 猴子巖智能化開關(guān)站網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

建立在IEC61850通信規(guī)約基礎(chǔ)上的智能開關(guān)站按照功能劃分為：過程層、間隔層、站控層。過程層設備通過GOOSE雙網(wǎng)與間隔層設備數(shù)據(jù)交換，間隔層設備通過MMS雙網(wǎng)與站控層設備數(shù)據(jù)交換。GIS保護、測控、計量、錄波等二次系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)機協(xié)議轉(zhuǎn)換成TCP/IP規(guī)約與水電站監(jiān)控后臺通訊。以開關(guān)站內(nèi)其中一個斷路器間隔為例(每個斷路器配置兩個智能終端)，數(shù)據(jù)交互如圖2所示。

圖2 智能開關(guān)站網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

過程層設備為智能終端裝置，此裝置具備采集傳送斷路器、刀閘位置信號，斷路器操作、監(jiān)視功能(與傳統(tǒng)的斷路器操作箱功能類似)。與傳統(tǒng)操作箱回路比較，取消了三相不一致、防跳等回路，其功能由GIS本體實現(xiàn)，簡化了二次回路；同時，為滿足國網(wǎng)公司反措要求，開關(guān)站內(nèi)CT、PT交流信號通過傳統(tǒng)方式電纜采集、傳送。

間隔層設備包括保護裝置、測控裝置。為保證采集交流信號的安全、可靠性，保護裝置、測控裝置通過傳統(tǒng)硬電纜方式采集CT、PT信號，智能終端裝置通過點對點GOOSE通信方式將斷路器位置信號傳送給本間隔內(nèi)的保護裝置，保護裝置通過點對點GOOSE通信方式將跳合閘信號傳送給智能終端，這在智能站的定義為“直采直跳”。測控裝置通過GOOSE網(wǎng)絡實現(xiàn)開關(guān)量信息采集、閉鎖信號傳遞，一次設備操作命令下發(fā)。后臺通過MMS網(wǎng)向測控裝置下達操作命令。

站控層設備完成數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制，保護信息管理等功能。

1.2 智能開關(guān)站組屏方案

猴子巖500 kV系統(tǒng)相關(guān)的繼電保護、測控裝置、網(wǎng)絡通信交換機等二次設備布置在GIS室內(nèi)。其中繼電保護裝置單獨組屏。參與斷路器、刀閘操作控制的二次設備(測控裝置、智能終端、常規(guī)匯控柜控制單元)按照間隔劃分的方式組成智能匯控柜，與GIS內(nèi)一次設備相對應。過程層與間隔層通信設備(交換機)組屏布置在GIS室內(nèi)，站控層交換機布置于開關(guān)站的二次屏盤室。

猴子巖智能匯控柜將傳統(tǒng)的匯控柜與智能設備相結(jié)合，實現(xiàn)GIS設備位置信息采集、監(jiān)視，設備遙控、遙信和軟件聯(lián)鎖等功能。每個匯控柜由三面屏組成：一面為現(xiàn)地控制柜，柜內(nèi)布置斷路器、隔離刀閘、接地刀閘電機驅(qū)動、報警等常規(guī)回路；另兩面為智能控制柜，柜內(nèi)布置PCS-9821測控裝置，PCS-222B智能終端裝置。

匯控柜第1面屏上由計數(shù)器、模擬板、切換把手等元器件組成。模擬面板上布置有間隔斷路器、隔刀、地刀操作把手。SK1為斷路器近、遠控切換把手。第2面屏上由兩套智能終端構(gòu)成分別一一對應GOOSE雙網(wǎng)。第3面屏上由測控裝置，操作把手、壓板構(gòu)成。其中1QK為斷路器近、遠控切換把手，1KK為斷路器分合閘操作把手。

圖3 智能終端回路

1.3 智能開關(guān)站與常規(guī)站對比優(yōu)點

與傳統(tǒng)開關(guān)站功能比較，智能站的優(yōu)勢主要有:

(1)引入光纜通信，傳輸信息由常規(guī)量變?yōu)閿?shù)字量。一是節(jié)省大量電纜橋架，節(jié)省成本；二是光通信能夠避免電磁干擾；三是數(shù)字信息傳遞能力顯著提高，信息量大。

(2)二次回路簡化。智能終端裝置通過軟件接收的跳合閘命令、壓力閉鎖等信號，經(jīng)軟件邏輯判斷后輸出跳合閘信號，代替了傳統(tǒng)硬接線方式。智能終端裝置取消防跳及三相不一致回路，通過匯控柜本體實現(xiàn)，避免功能重復。

(3)設備規(guī)劃更簡潔，智能匯控柜測控裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)監(jiān)控LCU功能，取消現(xiàn)地LCU裝置，通過測控裝置兼容同期功能，較傳統(tǒng)同期裝置回路少、可靠性高、易操作。

(4)二次設備屏柜布置更加簡潔，保護壓板投、退更加方便。保護屏上傳統(tǒng)意義的保護功能及出口硬壓板被軟壓板取代。運行人員可在保護屏或后臺監(jiān)控完成保護投、退操作。

(5)提高了對回路的監(jiān)視能力。傳統(tǒng)二次回路易出現(xiàn)接線端子松動、接線錯誤等現(xiàn)象，裝置可能無報警信息，運維人員很難發(fā)現(xiàn)，嚴重時造成設備拒動等后果。智能站由于引入網(wǎng)絡通信、虛端子、報文監(jiān)視等技術(shù)，當出現(xiàn)光纖接口松動、網(wǎng)絡接口異常情況時，監(jiān)控后臺會實時斷鏈報警，閉鎖裝置開出。運維人員結(jié)合現(xiàn)地裝置報警信號，能夠很快對故障現(xiàn)象及故障位置進行判別、處理，故障處理響應及時。

2 工程實施問題分析

2.1 控制回路

猴子巖智能開關(guān)站匯控柜由GIS設備廠家提供，智能裝置屬保護廠家，最后由GIS廠家組屏，一次設備控制部分與智能裝置分屬不同廠家，回路互相配合存在問題，以斷路器控制回路為例(如圖3所示，其中1QK∶17/1QK∶18為斷路器遠控接點，1QK∶19/1QK∶20為斷路器近控接點)存在以下問題：

(1)遠方合閘回路。當智能測控裝置PCS-9821的近遠控切換把手1QK位置在遠控，同時收到遠方監(jiān)控系統(tǒng)的HJ(合閘令)，智能終端結(jié)合測控裝置程序內(nèi)部的電氣防誤操作閉鎖，輸出HA接點至圖4的X22∶21端子，經(jīng)過匯控柜的近/遠控切換把手SK1遠控接點(SK1∶9/SK1∶10)，動作斷路器合閘線圈。在上述回路中1QK與SK1的功能重復。

圖4 GIS廠家斷路器控制回路

(2)近控合閘回路。近控合閘存在兩種合閘方式，一種是將智能測控裝置PCS-9821的近遠控切換把手1QK置于近控，通過操作智能裝置的1KK手合方式，最終動作斷路器合閘線圈。另一種方式則通過匯控柜的近/遠控切換把手SK1置于現(xiàn)地，通過操作匯控柜面板的合閘旋鈕SMO啟動合閘繼電器K1，動作斷路器合閘線圈。因此，當運行人員通過測控裝置的1KK近控操作斷路器時，控制命令將直接通過智能終端裝置出口，沒有經(jīng)過電氣防誤操作閉鎖回路(斷路器現(xiàn)地合閘需在兩側(cè)隔離刀閘斷開時進行)，存在誤操作風險。

改進措施：①取消測控裝置內(nèi)的手動合閘和手動跳閘回路；②同時在斷路器控制回路中將SK1的現(xiàn)地方式接點代替1QK現(xiàn)地接點；③SK1的定義改為“試驗/工作”；④取消匯控柜合閘回路中的SK1接點。

2.2 匯控柜間隔劃分對運維影響

設計院及廠家對開關(guān)站設備進行間隔劃分時，很少為投運后的運行、檢修考慮，二次回路組柜方式存在問題，給運維人員帶來諸多不便。如圖5所示。

圖5 500 kV第一串設備間隔劃分示意

以猴子巖500 kV開關(guān)站第一串設備(QF為斷路器，DS為隔離刀閘，ES為接地刀閘,QES為快速接地刀閘)進行分析：丹猴II線及其附屬設備ES13、DS13、QES11與QF01、DS11、ES11、DS12、ES12劃分為F1間隔。1B主變進線相關(guān)設備ES23、DS23、ES24與QF02及兩側(cè)刀閘ES21、DS21、ES22、DS22劃分為F2間隔。猴康III線及其附屬設備ES33、DS33、QES31與QF03、DS31、ES31、DS32、ES32劃分為F3間隔。斷路器QF04及兩側(cè)刀閘ES41、DS41、ES42、DS42劃分為F4間隔。

圖6 匯控柜優(yōu)化方案

對于線路、主變壓器常規(guī)檢修方式有兩種方式：一是線路或主變壓器停電帶開關(guān)檢修；二是線路或主變壓器停電檢修，開關(guān)環(huán)網(wǎng)運行。

第一種檢修方式下，以丹猴II線檢修為例：當線路停電檢修時，斷路器QF02及刀閘DE21、ES21位于F2間隔匯控柜內(nèi)，F(xiàn)2間隔匯控柜既存在運行設備的二次回路，又包含停電檢修設備二次回路，匯控柜內(nèi)回路存在電源耦合，共用測控裝置通信等問題，運行設備與檢修設備無法完全隔離，存在檢修人員誤動運行設備及觸電等人身傷害風險。同理，第二種檢修方式，檢修設備與運行設備也存在類似問題。為降低安全風險，運維人員雖可將檢修方式進行適當調(diào)整，丹猴II線帶斷路器QF01、刀閘DS12、ES12檢修；斷路器QF02及刀閘ES22、DS22隨主變壓器停電檢修。但按照上述檢修計劃安排作業(yè)，由于ES21、DS21屬于停電范圍內(nèi)，非檢修設備將無法進行檢修作業(yè)，造成漏檢。同理ES31、DS31也有同樣問題。

考慮設備改動影響范圍最小，做如下優(yōu)化：①將DS21、ES21相關(guān)二次回路(包括操作回路、信號報警回路)移至F1間隔。②將DS31、ES31相關(guān)二次回路移至F2間隔。

間隔優(yōu)化后，一次設備及二次回路都能按計劃完成檢修，大大降低了運維人員的作業(yè)風險，優(yōu)化后匯控柜劃分方案如圖6所示。

3 結(jié) 語

猴子巖500 kV開關(guān)站基于網(wǎng)絡通信，采用IEC61850標準統(tǒng)一建模，通過“三層兩網(wǎng)”智能站網(wǎng)絡構(gòu)架，實現(xiàn)了信息采集、處理、傳輸?shù)娜^程，使得不同系統(tǒng)之間結(jié)構(gòu)更加緊湊，系統(tǒng)維護更加簡單；設備具備一定的自診斷能力，節(jié)省資源、減少電磁干擾；提高了設備的穩(wěn)定和可靠性。但是，在實施過程中還存在一些問題，尤其在建設期間，應充分考慮智能設備與傳統(tǒng)GIS設備間回路的融合問題，特別是針對不同廠家配套的智能站控制系統(tǒng)，除了應滿足行業(yè)設計規(guī)范，同時應從運行、維護、檢修的角度考慮回路設計的合理性，系統(tǒng)規(guī)劃，保證設備的可靠性、安全性。