智能變電站就地化保護研究現狀及應用展望

李亮玉，唐寶鋒，趙賢龍，張驥，鄭紫堯

(國網河北省電力有限公司經濟技術研究院，石家莊 050021)

0 引言

隨著智能變電站的推廣，現有智能變電站繼電保護面臨的問題愈加突出。(1)變電站數量增多，而運行維護(以下簡稱運維)檢修人員數量基本沒有增加，加之二次設備種類多、回路復雜，對運維人員要求高，保護運維工作量大。(2)二次設備生命周期要求為20年，一次設備為40年，二次設備更換時，設計、施工、調試工作量大，相應一次設備停電時間長。(3)公用元件，如合并單元、智能終端，故障率高，單一元件故障，影響多套保護動作的正確性，影響保護的可靠性。(4)智能變電站通常采用“常規(guī)互感器+合并單元”方案，中間傳輸和轉化環(huán)節(jié)多，造成保護動作延時，影響保護速動性。

在上述背景下，變電站保護近幾年不斷發(fā)展，二次設備發(fā)展的趨勢是就地化配置[1-2]，減少中間傳輸環(huán)節(jié)，二次設備與一次設備逐步融合。就地化保護有以下特點：(1)就地化保護裝置小型化，接口標準化，即插即用，簡化二次接線。同時調試、檢修、更換方便，減小了運維工作量。(2)就地安裝，電纜采樣、跳閘，提高保護的可靠性和速動性[3]。(3)滿足就地化安裝環(huán)境條件及長壽命要求，保護裝置就地化以后，運行在相對惡劣的自然和電磁環(huán)境中，IP防護、電磁兼容性(EMC)、熱設計要求要高于在保護室內運行時的相關要求。

目前，國內就地化技術發(fā)展較快，保護就地化已開展了大量技術方案研究，國內二次設備廠家已開發(fā)就地化保護產品，并在部分極端環(huán)境地區(qū)試運行[4-5]。本文在總結保護就地化現狀的基礎上，論述保護就地化技術方案，著重論述不同跨間隔保護方案，分析就地化保護關鍵技術，依據目前裝置研發(fā)進展對其應用前景進行展望。

1 保護就地化現狀

一直以來，變電站二次設備朝著簡化二次接線、提高可靠性、節(jié)約建設面積、方便運維的方向發(fā)展。智能變電站為就地化保護提供了平臺[6]，其中采用 IEC 61850—2004協議構建信息平臺，使保護測控裝置實現了變電站設備信息共享，信息通過通信網絡傳輸，為保護就地化創(chuàng)造了條件。

目前變電站保護就地化主要有以下幾種形式。

(1)繼電保護(以下簡稱繼保)小室。繼保小室將各電壓等級保護設備就地集中布置，減少了現場智能匯控柜到二次設備室的電纜和光纜長度，但繼保小室布置增加了建筑面積和公用屏柜數量。

(2)預制艙。主要適用于室外新建智能變電站，預制艙按相鄰幾個間隔就地布置，艙內集成保護、測控等二次設備及屏柜，屏間接線在廠內完成，預留對外電纜和光纜接口，預制艙整體吊裝到現場安裝，提高了施工效率。艙體結構滿足現場自然環(huán)境和電磁屏蔽要求。

(3)戶內匯控柜。戶內匯控柜主要針對戶內站氣體絕緣變電站(GIS)設備，按間隔靠近一次GIS設備分散布置。匯控柜由智能控制柜和保護柜組成，保護裝置就地布置在保護柜中。柜體室內布置，較易滿足溫度、濕度控制要求；采用不銹鋼板制造，滿足對電磁屏蔽的要求。

(4)戶外就地柜。戶外就地柜針對戶外變電站，保護裝置按間隔就地布置。柜體為該間隔的保護裝置提供工作環(huán)境，具備一定的防護等級，同時采用溫濕度控制技術，滿足裝置對工作環(huán)境的要求。柜體采用不銹鋼殼體，具備電磁屏蔽性能。

(5)戶外無防護就地安裝。隨著芯片制造等技術的進步，小型化、防護等級高、電磁屏蔽性能好的二次設備較易實現，保護裝置可以實現無防護就地化安裝。裝置可以安裝在現場獨立支架上、端子箱側壁或者端子箱內。同時，裝置采用預制式航插，方便設計、施工、維護和檢修。

表1 有主機和無主機環(huán)網方案對比

目前，這5種形式的就地化保護布置都有應用，減少了二次設備間的接線，縮減了二次設備建筑面積，簡化了二次設計和施工。但是，繼保小室、預制艙保護就地化程度不高，而目前的戶內匯控柜和戶外就地柜主要針對單間隔保護，本文著重針對戶外無防護就地保護，是全面的就地化。

2 就地化保護方案

保護就地化普遍遵循的是一次、二次設備對應原則，即二次設備按間隔分散布置。相應地，保護可以分為單間隔保護(線路保護、母聯保護等)、跨間隔保護(母線保護和主變壓器(以下簡稱主變)保護)。下面分別論述其具體方案。

2.1 單間隔保護方案

以220 kV就地化線路保護方案(如圖1所示，圖中MMS為站控層網絡)為例，除滿足線路保護基本要求外，其主要特點是：(1)取消了合并單元，其功能由就地化保護裝置集成，“電纜采樣、電纜跳閘”，減少了中間傳輸環(huán)節(jié)，整個裝置安裝在斷路器端子箱附近，操作箱簡化配置在本間隔就地控制柜上[7]。(2)單裝置完成所有功能，支持采樣值(SV)輸出及間隔層網絡報文(GOOSE)接收，通過GOOSE網發(fā)布本裝置信號，并訂閱其他裝置信號，例如：啟動失靈、閉鎖重合閘[8]。(3)采用單端預制航插作為標準化接口，實現即插即用，提高施工、檢修效率。(4)由于就地化保護安裝環(huán)境惡劣，裝置不帶人機對話界面，站控層增加智能管理單元實現此功能，雙機配置，分別與站控層的雙網絡連接。

圖1 就地化線路保護方案

2.2 跨間隔保護方案

跨間隔保護主要指母線差動(以下簡稱母差)保護、主變保護，采用分布式設計，即跨間隔保護間隔化，每種保護設置獨立的子機，按照斷路器配置子機單元，子機電纜采樣、電纜跳閘，減少中間環(huán)節(jié)，提高可靠性。

跨間隔保護普遍采用高可用性無縫環(huán)網HSR(High-availability seamless redundancy)雙向環(huán)網結構，采用有主機[9]和無主機[10-11](全主式)方案。兩種方案比較見表1。

無主機方案采用分布式子機，每個子機采集本間隔模擬量和開關量，獨立完成保護功能，與其他子機通過環(huán)網共享數據，啟動失靈等采用GOOSE方式。有主機方案與無主機方案同樣采用分布式設計，區(qū)別是有主機方案選用1個子機作為主機，主機完成保護功能，子機僅采集模擬量和跳閘信息。

2.2.1 主變保護方案

主變保護采用無主機方案時，變壓器發(fā)生內部故障，各個子機同時動作并將信息上傳至站控層，不便于后期的運行維護。所以，就地化主變保護普遍采用有主機方案[12-13](如圖2所示)，主機和子機均就地安裝，主機集成在本體子機或高壓側子機(圖2中集成在本體子機)。

各子機布置在主變各電壓等級側，子機實現“電纜采樣、電纜跳閘”，各子機間通信通過HSR環(huán)網匯集到主機，并接受主機的信號，同時子機通過SV和GOOSE網發(fā)布信息；主機進行邏輯運算，將結果發(fā)送給各子機。

2.2.2 母線保護

母線保護就地化普遍采用無主機方案[14]，便于檢修操作和改擴建過程中的“即插即用”，而無主機分布式就地母線保護方案主要有2種。

一種是環(huán)網分布式母線保護就地化方案，按間隔設置母線子機[15-16]，如圖3所示。各子機組成HSR雙向環(huán)網，各子機高可靠性、獨立、分散地實現母線保護功能。選取2臺子機作為對外通信的接口，一主一備，分別與GOOSE網絡和MMS網絡相連。這種方案子機數量過多，經濟性較差，文獻[17]提出在高壓線路繼電保護裝置中集成分布式母線保護功能，但這樣會使母線保護失去獨立性，目前還未見實際運行的裝置，其可靠性有待進一步討論。

圖2 就地化主變保護方案

圖3 環(huán)網分布式母線保護就地化方案

另一種采用有限集中式設計[18](如圖4所示)，實際上采用的是有主機星型網絡結構，以基礎保護為主機，由1個基礎保護單元和若干個擴展保護單元構成，基礎保護和擴展保護之間采用SV和GOOSE共口方式點對點連接，均采用就地化布置。各保護單元負責8個間隔模擬量和開關量的采集以及對應間隔的分相跳閘出口，基礎保護系統還完成保護邏輯、與智能管理單元接口、網絡通信接口功能。該方案減少了母線子機數量，又在一定程度上實現了保護的就地化。

2.3 站控層方案

站控層方案與未就地化前的配置方案最大區(qū)別是增加了智能管理單元，雙套配置，接入MMS。智能管理單元的功能如圖5所示，可以分為3部分：(1)基本功能，包括界面顯示、查詢、復歸，保護配置備份管理和一鍵下裝；(2)在線監(jiān)測功能，包括保護裝置運行狀態(tài)監(jiān)測、故障信息管理、遠程功能等；(3)高級功能，利用智能管理單元可以實現如保護診斷、配置文件管理等功能。同時，管理單元要求兼容不同廠家、型號的保護裝置。

圖4 有限集中式母線保護就地化方案

圖5 智能管理單元的功能

3 關鍵技術

采用就地化保護后，面臨兩方面的關鍵技術問題：運行環(huán)境的電磁兼容和環(huán)境防護問題，跨間隔保護數據同步問題。

3.1 滿足運行環(huán)境要求的技術

就地化保護裝置安裝在一次設備旁邊，所處電磁環(huán)境復雜，干擾強度遠大于保護小室，超過了現有的繼電保護通用條件。就地化保護裝置需要對EMC方案做增強設計，同時可采用分布式開關場二次等電位接地網技術[19]，保證裝置在電磁環(huán)境下可靠動作。

就地化保護安裝環(huán)境惡劣，尤其對于戶外變電站，保護裝置需要滿足以下要求：(1)保護裝置滿足標準化設計要求，接口密封采用特殊工藝處理，滿足防水、防塵、防誤等具體要求；(2)滿足運行環(huán)境要求，能抵御所在地區(qū)高溫、嚴寒、鹽霧等自然環(huán)境[20]；(3)機械強度設計能抵抗惡劣環(huán)境沖擊和機械振動。針對不同環(huán)境條件的裝置，應有與之適應的技術標準。

3.2 跨間隔保護數據同步技術

跨間隔保護就地化后，需要采用時間同步技術[21-22]，保證各間隔子機精確對時。目前，針對環(huán)網數據同步技術，普遍將環(huán)網內的報文傳輸時延分為傳輸時延和駐留時間兩部分，采用對稱算法計算節(jié)點間的傳輸時延，增加駐留修正時延后，再利用插值同步算法實現同步對時。

采樣同步目前主要有3種形式：基于外部時鐘的采樣、點對點采樣、基于采樣(中斷)事件的采樣。針對跨間隔就地化保護，基于外部時鐘的同步，在時鐘異常時系統不穩(wěn)定，一般不采用；點對點采樣，對保護子機采樣率要求高(80點/周)，環(huán)網流量負荷大；所以，跨間隔保護采樣適合采用基于采樣(中斷)事件的采樣技術。

4 研發(fā)及應用展望

4.1 裝置研發(fā)

目前國內保護就地化裝置的進程是，線路保護就地化方案較為統一，完成了110～500 kV線路保護裝置的開發(fā)和試運行，而母線保護、主變保護就地化方案相對較不統一，但也進入了試運行階段。低壓側通常采用保護測控計量一體化裝置，就地安裝在開關柜，其就地化需要的進一步工作主要是標準化接口方面，采用雙端預制，取消端子排，減少柜內到柜門接線，實現即插即用，提高可靠性。

保護就地化后，相應配套裝置需要優(yōu)化。端子箱和操作箱需要簡化和提高防護等級，保證保護回路整體的性能。同時，保護就地化以后，測控裝置、故障錄波等可考慮進一步實現就地化。

4.2 應用展望

保護就地化的目的之一是減少運維檢修工作量，設計、施工、調試方便。保護就地化后，裝置實現即插即用，運維檢修模式發(fā)生變化。

傳統調試分為工廠聯調(單體和集成調試)和現場聯調，工作量大，過程復雜。保護就地化以后，除滿足一般數字變電站測試要求[23-24]外，傳統的測試技術已經不再適用，保護設備的測試項目、測試方法、測試手段等會有較大的改變。(1)保護就地化后，沒有了人機界面，現場測試不太方便，需要在檢修公司完成設備調試，實現整站二次設備聯調或單裝置調試。(2)傳統保護設備調試時間較長，保護就地化后，標準化接口為設備功能測試提供了方便，自動測試系統與保護裝置直接連接，完成自動測試功能。裝置的配置及測試工作在調試中心完成后，現場整機更換，標準化航插接口實現“即插即用”，現場作業(yè)簡單高效，減少停電時間，提高工作安全性。裝置調試、檢修和消缺時間大幅縮短，可提高設備可靠性和電網運行效率。

5 結束語

隨著技術的發(fā)展，二次設備就地布置已是發(fā)展趨勢，保護就地化可以簡化二次回路，提升保護性能；減少屏柜數量，進而減少建筑面積，同時減少光纜數量；減少運維工作量，實現降本增效。

但是，目前就地化保護還有很多工作要做，需要廠家、設計、施工、運維等共同努力，參考國外經驗，努力推動我國變電保護就地化方案整體設計優(yōu)化、運維技術和管理的創(chuàng)新，促進智能站設計、安裝調試和運行檢修等環(huán)節(jié)工作效率全面提升。