智能變電站就地化繼電保護(hù)技術(shù)方案研究

宋　爽， 喬星金， 卜強(qiáng)生，宋亮亮， 高　磊

( 1. 國(guó)網(wǎng)變電站智能設(shè)備檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院)，江蘇 南京 211103；2. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司檢修分公司，江蘇 南京 211100)

0　 引言

近年來(lái)，伴隨著智能變電站的大范圍推廣應(yīng)用，電子式互感器、合并單元、智能終端等新設(shè)備廣泛應(yīng)用于智能變電站建設(shè)之中[1]。目前，智能化繼電保護(hù)設(shè)備的布置方式由二次小室集中布置逐步向采用預(yù)制艙和戶外柜等就地化方式過(guò)渡，就地化、小型化繼電保護(hù)裝置以及二次設(shè)備就地化整站實(shí)施方案已在研究之中，新技術(shù)、新設(shè)備的應(yīng)用也給建設(shè)、調(diào)試、運(yùn)維及檢修工作提出了新的要求，智能變電站發(fā)展面臨新的挑戰(zhàn)[2]。

傳統(tǒng)智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)主要存在以下幾方面不足：一是繼電保護(hù)系統(tǒng)采樣、數(shù)據(jù)處理、邏輯運(yùn)算直至跳閘出口等中間傳輸及轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)較多，繼而造成保護(hù)動(dòng)作整體速度下降，影響繼電保護(hù)速動(dòng)性，同時(shí)，單一設(shè)備故障可能造成繼電保護(hù)的不正確動(dòng)作，影響到系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性；二是過(guò)程層設(shè)備大量采用就地匯控柜安裝方式，柜內(nèi)運(yùn)行環(huán)境差，而現(xiàn)有裝置存在防護(hù)等級(jí)低、光口數(shù)量多及發(fā)熱量大、抗電磁干擾能力差等問(wèn)題，影響實(shí)際運(yùn)行效果；三是站內(nèi)二次設(shè)備種類繁多，接線、配置、調(diào)試及運(yùn)維檢修等工作量大，隨著電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，現(xiàn)有安裝調(diào)試及運(yùn)維檢修力量承載力不足，難以支撐電網(wǎng)建設(shè)和運(yùn)行的需要。上述問(wèn)題已經(jīng)成為建設(shè)、調(diào)試、運(yùn)維和檢修等跨專業(yè)人員亟待解決的難題。

智能變電站二次設(shè)備就地化方案從改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)備安裝方式、裝置數(shù)據(jù)接口、調(diào)試檢修模式、保護(hù)動(dòng)作性能等角度出發(fā)，采用保護(hù)裝置貼近一次設(shè)備安裝、電纜直采直跳、標(biāo)準(zhǔn)航插接口對(duì)接、集中調(diào)試和更換檢修等技術(shù)手段，旨在降低智能變電站建設(shè)成本，提升繼電保護(hù)系統(tǒng)的速動(dòng)性和可靠性，同時(shí)有助于減輕調(diào)試、運(yùn)維和檢修等專業(yè)人員的現(xiàn)場(chǎng)工作壓力。

文中主要討論采用電子式互感器的智能變電站的就地化繼電保護(hù)實(shí)施方案，重點(diǎn)比較幾種方案的技術(shù)思路、總體架構(gòu)并分析其具備的優(yōu)缺點(diǎn)。盡管智能變電站自動(dòng)測(cè)試研究工作已有開展[3-6]，但重點(diǎn)集中在過(guò)程層設(shè)備測(cè)試，且尚無(wú)成熟的應(yīng)用實(shí)例，文章針對(duì)就地化保護(hù)裝置“工廠化試驗(yàn)，更換式檢修”的新應(yīng)用模式，簡(jiǎn)要介紹了流水線自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)的相關(guān)研究?jī)?nèi)容。

1　基本思路

文中討論的幾種方案均遵循以下基本原則：(1) 采用電子式互感器；(2) 保護(hù)直接采樣，電纜直接跳閘；(3) 線路保護(hù)就地?zé)o防護(hù)安裝；(4) 取消智能終端，跨間隔保護(hù)通過(guò)保護(hù)子機(jī)電纜跳合閘，并通過(guò)操作插件控制一次設(shè)備，保護(hù)子機(jī)應(yīng)功能簡(jiǎn)化、結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，并按不同的保護(hù)分別配置；(5) 操作插件獨(dú)立，操作回路簡(jiǎn)化等。

對(duì)于單間隔保護(hù)，應(yīng)采用就地化無(wú)防護(hù)安裝，采用采樣值(sampled value,SV)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直采方式，通過(guò)保護(hù)裝置內(nèi)部插值方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，不依賴外部同步和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，最大限度保證采樣可靠性。同時(shí)由于保護(hù)裝置靠近一次設(shè)備，采用電纜跳閘方式以保證可靠性。

對(duì)于跨間隔保護(hù)，可以根據(jù)工程應(yīng)用情況采用“主機(jī)+子機(jī)”模式或無(wú)主環(huán)網(wǎng)模式，前者利用保護(hù)子機(jī)實(shí)現(xiàn)電纜的跳合閘，后者則不再保護(hù)室內(nèi)設(shè)置保護(hù)主機(jī)。對(duì)前者而言，由于涉及多個(gè)開關(guān)設(shè)備，一般小室內(nèi)布置的保護(hù)主機(jī)與一次開關(guān)設(shè)備仍有一定距離，因此采用保護(hù)子機(jī)實(shí)現(xiàn)電纜跳合閘?？紤]到一次設(shè)備智能化技術(shù)發(fā)展，待技術(shù)成熟后，遠(yuǎn)期跨間隔保護(hù)與保護(hù)子機(jī)之間可以應(yīng)用通用面向變電站事件對(duì)象(generic object oriented substation events,GOOSE)跳閘方式。

需要說(shuō)明的是，站域保護(hù)和監(jiān)控系統(tǒng)等其他應(yīng)用采用SV網(wǎng)絡(luò)方式采樣，站域保護(hù)跳閘及保護(hù)之間的信號(hào)采用GOOSE網(wǎng)絡(luò)方式。同時(shí)在近期考慮的方案當(dāng)中，過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)GOOSE和SV合一，站控層制造報(bào)文規(guī)范(manufacturing message specifica-tion,MMS)網(wǎng)絡(luò)全站統(tǒng)一配置。

2　總體架構(gòu)

2.1　跨間隔“主機(jī)+子機(jī)”模式

該方案適用于應(yīng)用電子式互感器的新建智能變電站，同時(shí)亦適用于電子式互感器智能變電站就地化改造。其實(shí)現(xiàn)方案是單間隔保護(hù)采用就地化SV直采、電纜直跳的形式，跨間隔保護(hù)采用“主機(jī)+子機(jī)”模式，主機(jī)布置在小室內(nèi)，保護(hù)裝置(主機(jī))SV直采，子機(jī)電纜跳閘，主機(jī)與子機(jī)之間采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)/網(wǎng)絡(luò)連接，具體方案架構(gòu)如圖1所示。

圖1　“主機(jī)+子機(jī)”模式方案總體架構(gòu)Fig.1　Overall structure under “Host and Slave” mode

方案一的特點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：(1) 電子式互感器合并單元就地?zé)o防護(hù)安裝，電壓并列、切換由合并單元完成；(2) 單間隔(線路、母聯(lián))保護(hù)就地化安裝，直接SV采樣、電纜跳閘；(3) 跨間隔(母線、主變)保護(hù)采用“主機(jī)+子機(jī)”模式，主機(jī)小室安裝、子機(jī)就地?zé)o防護(hù)安裝；(4) 跨間隔保護(hù)主機(jī)直接SV采樣，子機(jī)實(shí)現(xiàn)電纜跳閘，主、子機(jī)間當(dāng)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接時(shí)，可靠性、速動(dòng)性較高；而當(dāng)采用網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，可以減少設(shè)備接口，利用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)信息共享；(5) 主、子機(jī)間采用公有協(xié)議，橫向解耦，無(wú)需捆綁同一廠家，便于檢修維護(hù)、改造；(6) 母線保護(hù)子機(jī)具有一定公有功能，為穩(wěn)控、站域保護(hù)、故錄等提供信息；(7) 站域保護(hù)、故錄、網(wǎng)分采用網(wǎng)絡(luò)傳輸，站內(nèi)GOOSE、SV合一，保護(hù)及子機(jī)均接入MMS 網(wǎng)。

表1中給出了方案一的主要優(yōu)缺點(diǎn)，其優(yōu)勢(shì)在于既能滿足現(xiàn)有技術(shù)條件(兼容電纜直接跳閘)，也可適應(yīng)未來(lái)一次設(shè)備智能化技術(shù)的發(fā)展(保留GOOSE網(wǎng)絡(luò)跳閘接口)?？傮w來(lái)說(shuō)，該方案兼容性強(qiáng)，基本延續(xù)了現(xiàn)有智能變電站建設(shè)和運(yùn)維模式，而其顯著缺點(diǎn)是未能真正完全實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備就地化的目的，未能完全實(shí)現(xiàn)“即插即用”，且當(dāng)主、子機(jī)間采用網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，對(duì)交換機(jī)性能存有一定的依賴性。

表1　方案一優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Tab.1　Comparison of advantages and disadvantages of scheme 1

2.2　跨間隔無(wú)主環(huán)網(wǎng)模式

該方案適用于應(yīng)用電子式互感器的新建智能變電站。其實(shí)現(xiàn)方案是單間隔保護(hù)采用就地化SV直采、電纜直跳的形式，跨間隔保護(hù)采用無(wú)主環(huán)網(wǎng)模式，采用冗余雙環(huán)網(wǎng)提高繼電保護(hù)可靠性，具體方案架構(gòu)如圖2所示。

圖2　無(wú)主環(huán)網(wǎng)模式方案架構(gòu)Fig.2　Overall structure under no-host and looped network mode

方案二的特點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：(1) 跨間隔(母線、主變)保護(hù)采用分布式無(wú)主模式，子機(jī)間采用冗余雙環(huán)網(wǎng)保證數(shù)據(jù)傳輸可靠；(2) 所有保護(hù)裝置均實(shí)現(xiàn)就地化無(wú)防護(hù)安裝，有助于實(shí)現(xiàn)裝置現(xiàn)場(chǎng)“即插即用”和互換；(3) 保護(hù)子機(jī)私有化，需另增加子機(jī)提供公共信息(穩(wěn)控、站域保護(hù)、故錄等)；(4 ) 線路保護(hù)、測(cè)控裝置、站域保護(hù)、故錄以及電子式互感器要求與方案一相同。

表2中給出了方案二的主要優(yōu)缺點(diǎn)，其優(yōu)勢(shì)在于跨間隔保護(hù)實(shí)現(xiàn)就地?zé)o防護(hù)安裝，主機(jī)也可實(shí)現(xiàn)即插即用，同時(shí)保護(hù)裝置完全獨(dú)立，利用冗余雙環(huán)網(wǎng)保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性。其缺點(diǎn)在于一是跨間隔保護(hù)功能依賴環(huán)網(wǎng)可靠性，檢修時(shí)安全隔離措施可能會(huì)更加復(fù)雜；二是采樣值通過(guò)環(huán)網(wǎng)傳輸，環(huán)節(jié)增多，延時(shí)增加，同時(shí)無(wú)主式保護(hù)裝置管理復(fù)雜；三是需新增公用子機(jī)，裝置數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)增加。

表2　方案二優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Tab.2　Comparison of advantages and disadvantages of scheme 2

2.3　雙端預(yù)制航插+無(wú)子機(jī)模式

該方案為未來(lái)一次設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化、成熟化，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成熟后的技術(shù)方案，適用于應(yīng)用電子式互感器的新建智能變電站。其實(shí)現(xiàn)方案是保護(hù)光纖采樣、光纖跳閘，跨間隔保護(hù)就地化，無(wú)子機(jī)，具體方案架構(gòu)如圖3所示。

方案三的特點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：(1) 一次設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能化，與二次設(shè)備采用雙端預(yù)制的標(biāo)準(zhǔn)光纖接口；(2) 單間隔保護(hù)(線路、母聯(lián)、分段)就地?zé)o防護(hù)安裝，直接SV采樣，GOOSE跳閘；(3) 跨間隔保護(hù)采用就地?zé)o防護(hù)安裝，保留主機(jī)，取消子機(jī)，主機(jī)網(wǎng)絡(luò)采集SV，GOOSE網(wǎng)絡(luò)跳閘；(4) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成熟可靠。采用方案三的優(yōu)勢(shì)在于一、二次設(shè)備實(shí)現(xiàn)了接口標(biāo)準(zhǔn)化，二次設(shè)備完全就地化布置，同時(shí)保護(hù)設(shè)備接口簡(jiǎn)化。其缺點(diǎn)在于由于保護(hù)功能對(duì)網(wǎng)絡(luò)具有極高的依賴性，目前實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難度大，尚需進(jìn)一步開展研究和試點(diǎn)應(yīng)用驗(yàn)證。

圖3　雙端預(yù)制航插+無(wú)子機(jī)模式方案總體架構(gòu)Fig.3　Overall structure under double-ended prefabricated aviation plug and no-slve mode

3　流水線自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)研究

目前，繼電保護(hù)測(cè)試手段仍主要是通過(guò)相對(duì)獨(dú)立的試驗(yàn)裝置，模擬采樣及一次設(shè)備信號(hào)，開展裝置單體性能及簡(jiǎn)單的開入、開出驗(yàn)證[7-9]。在設(shè)備發(fā)往現(xiàn)場(chǎng)后，大量系統(tǒng)性驗(yàn)證工作仍需開展，一方面工作量大，給調(diào)試運(yùn)維檢修人員帶來(lái)巨大壓力；另一方面由于受到人為主觀因素的制約，試驗(yàn)項(xiàng)目難以全面開展[10]，且存在安全風(fēng)險(xiǎn)隱患。同時(shí)，由于就地化繼電保護(hù)裝置取消了液晶面板等原因，傳統(tǒng)繼電保護(hù)檢測(cè)方式已不完全適用，新的檢測(cè)模式亟待研究[11-13]。近年來(lái)，繼電保護(hù)裝置的標(biāo)準(zhǔn)化工作不斷推進(jìn)[14]，各廠家保護(hù)設(shè)備的功能、定值、開入開出等已基本統(tǒng)一。隨著繼電保護(hù)就地化、小型化工作的開展，保護(hù)裝置的尺寸、接口形式、輸出信息也已逐步實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一，這些都為繼電保護(hù)流水線自動(dòng)檢測(cè)創(chuàng)造了有利條件。這種新的檢測(cè)模式[15-16]應(yīng)具備自動(dòng)獲取繼電保護(hù)裝置信息，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口實(shí)現(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)與被測(cè)裝置的自動(dòng)對(duì)接，自動(dòng)完成裝置的所有檢測(cè)項(xiàng)目，自動(dòng)給出檢測(cè)報(bào)告等系統(tǒng)功能。流水線自動(dòng)檢測(cè)基本流程如圖4所示。

圖4　流水線自動(dòng)檢測(cè)基本流程Fig.4　Basic flow chart of assembly line automatically test

流水線自動(dòng)檢測(cè)的基本思路是通過(guò)掃描被測(cè)裝置智能標(biāo)簽，獲取裝置所有信息，之后通過(guò)流水線平臺(tái)自動(dòng)定位被測(cè)裝置至標(biāo)準(zhǔn)工位，并與檢測(cè)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)接口模塊自動(dòng)對(duì)接，自動(dòng)完成被測(cè)裝置的加載，完成自動(dòng)閉環(huán)完成被測(cè)裝置的配置下載、虛端子驗(yàn)證、采樣準(zhǔn)確度、定值檢驗(yàn)、檢修機(jī)制驗(yàn)證等檢測(cè)項(xiàng)目，之后進(jìn)一步完成裝置功能級(jí)仿真測(cè)試，最后自動(dòng)形成檢測(cè)報(bào)告，并為檢測(cè)后的裝置生成標(biāo)簽。

從技術(shù)實(shí)現(xiàn)的角度而言，流水線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要應(yīng)用到智能標(biāo)簽、裝置自動(dòng)定位及裝載、站控層和過(guò)程層模型映射關(guān)系[17]對(duì)應(yīng)以及設(shè)備功能級(jí)仿真[18-19]等技術(shù)。在完成流水線檢測(cè)系統(tǒng)開發(fā)后，可進(jìn)一步針對(duì)保護(hù)裝置入網(wǎng)檢測(cè)、抽檢、校驗(yàn)和消缺的流水線等檢測(cè)工作，制定 “工廠流水線檢測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)更換式檢修”的繼電保護(hù)運(yùn)維新模式，并構(gòu)建省級(jí)及工區(qū)級(jí)檢測(cè)中心，以適應(yīng)未來(lái)大規(guī)模繼電保護(hù)裝置檢測(cè)需要。

4　結(jié)語(yǔ)

文中針對(duì)電子式互感器智能變電站的繼電保護(hù)就地化布置方案進(jìn)行探討，并給出3種實(shí)現(xiàn)方案。在考慮各自基本思路、總體架構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，分析其在工程應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)。文章最后簡(jiǎn)要介紹了就地化、小型化繼電保護(hù)流水線自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的基本檢測(cè)流程和技術(shù)思路，相關(guān)的研究目前正在開展之中并已取得了一定的成果。

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