智能變電站采樣方式的優(yōu)化設計與研究

尹 星，索志剛，王 維，朱 萍，郭朝云

(河北省電力勘測設計研究院，河北 石家莊 050031)

電子式互感器及合并單元在智能變電站中的應用實現(xiàn)了采樣的數(shù)字化，并從整體上促進了變電站二次回路的光纖化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化甚至智能化。智能變電站二次回路的“四化”不僅克服了常規(guī)變電站電纜二次回路接線復雜、抗干擾能力差等缺點，還通過網(wǎng)絡通信方式方便地實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享、硬件資源共享，并為實現(xiàn)二次回路狀態(tài)在線監(jiān)測提供了條件。

智能變電站的采樣方式，既要滿足繼電保護可靠性高的要求，又要充分發(fā)揮智能變電站數(shù)據(jù)共享的優(yōu)勢。因此智能變電站采樣方式優(yōu)化設計具有重要意義。

1 智能變電站采樣方式的現(xiàn)狀

1.1 采樣方案分類

1.1.1 直接采樣

二次裝置通過光纖直接與合并單元點對點連接的方式稱為直接采樣(直采)，見圖1。

圖1 直接采樣示意圖

1.1.2 網(wǎng)絡采樣

二次設備經(jīng)過SV網(wǎng)絡交換機與合并單元通訊，從合并單元獲取數(shù)字采樣值得方式稱為網(wǎng)絡采樣(網(wǎng)采)，見圖2。

圖2 網(wǎng)絡采樣示意圖

1.2 智能變電站采樣方案現(xiàn)狀

在智能變電站中，數(shù)字化保護裝置要能正常工作，一個先決條件式采樣值傳輸延時可知，或者采樣數(shù)據(jù)本身已同步。當前智能變電站中大部分交換機本身采樣延時不穩(wěn)定，無法測量。若保護采用網(wǎng)絡采樣的方式，同時又不依賴外部對時，目前有3個方法：

(1) 交換機本身的數(shù)據(jù)傳輸延時做到穩(wěn)定。

(2) 交換機自己測量報文在自己內部的延時，然后放在報文幀中發(fā)送給保護裝置，這樣保護裝置有可能實時計算出每一幀采樣值報文的延時，從而做到采樣值同步。

(3) 采用其他通信方式，采樣值傳輸延時是可知的。

綜合考慮保護動作快速性與系統(tǒng)可靠性，保護裝置直接采樣比網(wǎng)絡采樣更有優(yōu)勢。而對于測控裝置、故障錄波、網(wǎng)絡分析、電能表等間隔層設備，無需作差動計算，對于可靠性的要求較繼電保護設備較低，可以依賴外部時鐘，因此，測控裝置、故障錄波、網(wǎng)絡分析、電能表等設備可以通過網(wǎng)絡采樣，實現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的共享，節(jié)約電纜，減少電纜傳輸過程中的干擾。目前智能變電站采樣方案見圖3。

圖3 智能變電站采樣方案現(xiàn)狀

2 采樣方式對繼電保護的影響

2.1 繼電保護實際動作時間理論對比分析與調研

2.1.1 理論動作時間分析

(1)線路保護理論動作時間分析

① 常規(guī)變電站

以220 kV及以上線路保護裝置整組動作時間為例進行理論分析，因不同廠家裝置處理方式不同，分析數(shù)據(jù)可能不同。常規(guī)變電站線路保護整組動作時間構成表見表1。

表1 常規(guī)變電站線路保護整組動作時間構成

②智能變電站

智能變電站線路保護整組動作時間構成見表2。其中合并單元前置延時與插值時間2 ms，數(shù)字低通0.5 ms，數(shù)據(jù)窗11 ms，算法計算及邏輯執(zhí)行時間等3 ms，智能終端時間5 ms。此外，當遠端故障電流較小時，不同廠家數(shù)據(jù)窗采用短延時或其他措施，以提高可靠性。

表2 智能變電站線路保護整組動作時間構成

(2)其他繼電保護理論動作時間分析

對于母線保護和變壓器保護，常規(guī)變電站繼電保護系統(tǒng)至斷路器跳閘線圈的時間由于需要TJR繼電器重動，因此智能變電站要比常規(guī)變電站保護快5～10 ms。常規(guī)變電站保護跳閘回路見圖4。

圖4 其他繼電保護跳閘回路圖

2.1.2 調研試驗

經(jīng)調研國內主流6個繼電保護廠家產(chǎn)品的運行情況，對220 kV縱聯(lián)線路保護整組動作時間進行對比，對比見圖5。

圖5 整組動作時間進行對比圖

經(jīng)過調研發(fā)現(xiàn)，各廠家220 kV線路保護產(chǎn)品，智能變電站整組動作時間較常規(guī)變電站平均延長了10 ms左右。

2.2 結論

經(jīng)過上述理論分析與調研結果，可知對于智能變電站線路保護整組動作時間延長的主要原因是增加了合并單元采樣環(huán)節(jié)，而對于母線保護、主變保護等其他保護設備，由于常規(guī)站TJR繼電器重動時間較長，智能變電站與常規(guī)變電站相比整組動作時間并未延長。

3 優(yōu)化方案的研究

根據(jù)上述對采樣方式現(xiàn)狀的分析及調研結論，提出了如下三種不同的優(yōu)化設計方案。

3.1 調整二次回路

對于采用常規(guī)電磁式互感器的智能變電站，如電壓電流量不經(jīng)合并單元直接接入保護裝置，電流量串接于合并單元后，電壓量并接于合并單元?？晒?jié)省一個環(huán)節(jié)，在保證了智能變電站數(shù)據(jù)共享的前提下，減少了繼電保護整組動作時間，見圖6。

圖6 調整二次回路優(yōu)化采樣方案示意圖

具體方案如下：

線路保護模擬量采樣，其他保護設備SV直采，故障錄波、網(wǎng)絡分析SV網(wǎng)采。

經(jīng)繼電保護整組動作時間分析可知，只有線路保護經(jīng)合并單元采樣后會對速動性產(chǎn)生影響。綜合考慮到220 kV及以上電壓等級線路保護在系統(tǒng)中的重要性，及相關運行經(jīng)驗，線路保護采用獨立裝置，雙重化配置。

雙重化配置合并單元，多功能測控裝置集成非關口計量及PMU采集功能。

(1)線路保護電纜模擬量采樣，串接于合并單元后。

(2)斷路器保護SV直采合并單元。

(3)母線保護SV直采合并單元。

(4)多功能測控裝置、故障錄波、網(wǎng)絡分析SV網(wǎng)采。

3.2 采用基于縱向整合的多功能保護裝置

基于縱向整合的多功能保護裝置，合并單元功能模塊通過電纜直采模擬量，經(jīng)裝置內部高速總線以私有規(guī)約直接發(fā)送至保護功能模塊，很大程度上提升了采樣速度，改善了智能變電站線路保護速動性明顯變差的劣勢，并且合并單元功能模塊可配置獨立的SV光口，實現(xiàn)其他跨間隔保護(母線保護和主變壓器保護)SV直采的需求，以及SV組網(wǎng)的需求。故障錄波及網(wǎng)絡分析可通過過程層網(wǎng)絡采集SV信息，兼顧了信息數(shù)字化和數(shù)據(jù)共享，見圖7。

圖7 基于縱向集成的多功能保護采樣示意圖

3.3 優(yōu)化過程層網(wǎng)絡

3.3.1 過程層網(wǎng)絡設計原則

過程層網(wǎng)絡要求具有比間隔層網(wǎng)絡更高的可靠性，具體要求為：

(1) 應采用可靠性高的星形結構。與總線型和環(huán)形結構相比，星形結構擴展方便、協(xié)議簡單、網(wǎng)絡傳輸延時小、無廣播風暴風險，是過程層網(wǎng)絡的首選結構。

(2) 交換機N-1故障不應影響保護信息傳輸。智能變電站繼電保護保護直采直跳，啟動失靈/重合閘、失靈聯(lián)跳等信息通過過程層網(wǎng)絡傳輸。當保護與過程層網(wǎng)絡一一對應連接時，交換機N-1故障將造成一個網(wǎng)絡的信息交換中斷，某些重要功能(失靈聯(lián)跳等)可靠性降低50%，對電網(wǎng)的安全運行帶來不利影響。因此，220 kV及以上電壓等級過程層網(wǎng)絡設計必須考慮交換機N-1方式下的保護信息傳輸可靠性問題，要求保護設備采用冗余連接方式。

(3)交換機N-2故障應盡量減少對兩套保護的影響。雖然對于220 kV及以上電壓等級過程層網(wǎng)絡交換機發(fā)生N-2故障概率很低，但過程層網(wǎng)絡設計應考慮減少此種故障的影響，提高極端情況下抵御風險的能力。

3.3.2 過程層網(wǎng)絡優(yōu)化設計方案

根據(jù)上述過程層網(wǎng)絡設計原則，過程層網(wǎng)絡優(yōu)化方案為：SV、GOOSE共同組網(wǎng)，雙重化保護各設置獨立的雙網(wǎng)，見圖8。

圖8 過程層網(wǎng)絡優(yōu)化方案

方案特點：

(1)基于共網(wǎng)共端口技術，SV、GOOSE共網(wǎng)傳輸，節(jié)約交換機。

(2)雙重化的A、B套裝置過程層信息相互獨立傳輸，交換機負載較輕。

(3)交換機N-1故障不影響保護信息傳輸，N-2故障最多影響一套保護的信息交換，不影響第二套保護功能。校驗N-2故障時，可靠性較常規(guī)智能變電站提供50%。

4 方案實施及效果分析

4.1 效果檢驗

針對三種不同的的優(yōu)化設計方案，分別在河北滄州獻縣東220 kV新一代智能變電站新建工程、河北邯鄲涉武500 kV變電站新建工程、國家電網(wǎng)公司2016年設計競賽太平莊220 kV變電站新建工程中進行效果檢驗。檢驗方法分別為聯(lián)調測試、專家評估及現(xiàn)場實施三種不同的方法。校驗結果見表3。

4.2 效益分析

如果采用基于縱向整合的多功能裝置的優(yōu)化方案，則每個間隔可節(jié)省裝置2臺(分別為智能終端及合并單元)，根據(jù)目前國內主流二次設備廠家投標價格，平均1臺裝置約10000元，對于一個220 kV智能變電站共約有20個間隔，產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益為20×2×10000=400000元。

表3 實施效果檢驗

5 結論

智能變電站采樣方式的優(yōu)化設計方案不僅滿足了當前智能電網(wǎng)及智能變電站的發(fā)展需求，實現(xiàn)了采樣值數(shù)據(jù)共享，而且與常規(guī)智能站相比繼電保護的可靠性、速動性得到了很大的提升，經(jīng)濟效益顯著，推廣應用前景廣闊。

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