500 kV變電站智能化改造關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

邢佳磊，陳水耀，葉海明，顧水平，潘成程，吳米佳，計(jì)榮榮

(國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司檢修分公司,浙江 杭州 311232)

0 引言

智能變電站是智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和節(jié)點(diǎn)支撐。行業(yè)和企業(yè)發(fā)布了《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》、《變電站智能化改造技術(shù)規(guī)范》等一系列標(biāo)準(zhǔn)，作為智能站建設(shè)的技術(shù)依據(jù)和原則[1-3]。在行業(yè)內(nèi)，已逐步形成了智能站的重要特征：一次設(shè)備智能化、全站信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化、高級(jí)應(yīng)用互動(dòng)化[4-5]。近年來(lái)，企業(yè)和院校對(duì)智能電網(wǎng)、傳統(tǒng)變電站智能化改造、智能變電站設(shè)備研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)、智能變電站檢修等方面進(jìn)行了探索和實(shí)踐，取得了系列成果[6-13]。

本文從項(xiàng)目管理和關(guān)鍵技術(shù)研究的角度，重點(diǎn)研究和探索項(xiàng)目改造規(guī)劃、改造原則、二次改造模式這三個(gè)基本問(wèn)題，以及新老直流系統(tǒng)過(guò)渡割接方案、新老監(jiān)控系統(tǒng)過(guò)渡接口方案、220 kV母差改造技術(shù)這三個(gè)核心問(wèn)題，形成了切合實(shí)際的傳統(tǒng)變電站智能化改造技術(shù)方案體系。該研究成果在王店變電站(以下簡(jiǎn)稱王店變)智能化改造項(xiàng)目中得到成功應(yīng)用。

1 智能化改造基本問(wèn)題

變電所改造不同于新站建設(shè)，有其獨(dú)特性(如設(shè)備運(yùn)行且無(wú)法全停改造、場(chǎng)地空間限制決定利舊需求、改造設(shè)備繁多且相互關(guān)聯(lián)等)，因此項(xiàng)目管理、改造難度、改造周期等遠(yuǎn)大于同等規(guī)模新站建設(shè)。通過(guò)項(xiàng)目改造規(guī)劃，梳理改造順序并制定整體停電方案，研究改造原則、明確技術(shù)方案基本準(zhǔn)則、確定二次改造模式、奠定屏位騰挪基礎(chǔ)。

1.1 項(xiàng)目改造規(guī)劃

按照王店變智能化改造“公用先行”的基本思路，公用設(shè)備包括基礎(chǔ)土建、直流系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、母線測(cè)控等。同時(shí)，考慮不同電壓等級(jí)的重要程度并為減少主變的重復(fù)停電，研究確定整站改造分四大階段。第一階段開(kāi)展土建(本案例主要包括新建一座500 kV保護(hù)小室和兩條電纜主溝)、搭建新監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)和新直流系統(tǒng)、完成220 kV母線測(cè)控改造等。第二階段依次開(kāi)展500 kV母差、母線測(cè)控改造及500 kV分串輪停改造。第三階段開(kāi)展220 kV系統(tǒng)兩輪停電改造(第一輪間隔和第一套新母差改造、第二輪第二套新母差割接)。第四階段開(kāi)展35 kV設(shè)備改造及老直流系統(tǒng)等公用設(shè)備隔離拆除等。

四大階段中，第一階段與其他階段順序不可逆。第一階段是整個(gè)停電改造的基礎(chǔ)。新建53小室用于安裝第七串、第六串屏柜，其目的是騰出51、52小室部分屏位給新第一串等設(shè)備。通過(guò)“屏位騰挪”式的輪停改造設(shè)計(jì)，減少了設(shè)備停電時(shí)間。如在第七串停電改造的同時(shí)進(jìn)行第七串設(shè)備屏柜拆舊并新立第一串設(shè)備，在第一串停電前完成新屏安裝、部分接線和調(diào)試工作，大大縮短停電時(shí)間。但這對(duì)改造順序安排、各子階段動(dòng)態(tài)屏位設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)格要求，需綜合考慮停電方式安排的可行性、改造后的屏位布置有利于運(yùn)維檢修工作開(kāi)展等。

1.2 改造技術(shù)原則

變電站智能化改造技術(shù)原則主要依據(jù)《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》、《變電站智能化改造技術(shù)規(guī)范》，并根據(jù)變電站實(shí)際靈活制定，是整站改造技術(shù)方案制定的基礎(chǔ)。王店變過(guò)程層和站控層智能化改造綜合考慮王店變實(shí)際情況，主要明確以下幾個(gè)方面的技術(shù)原則。

①構(gòu)建智能一體化監(jiān)控系統(tǒng)，站控層通信應(yīng)用IEC 61850(DL/T860)標(biāo)準(zhǔn)。

②繼電保護(hù)、測(cè)控裝置采用國(guó)網(wǎng)通用設(shè)備，常規(guī)采樣、常規(guī)跳閘，裝置間的相互啟動(dòng)、相互閉鎖、位置狀態(tài)等交換信息采用常規(guī)電纜接線方式實(shí)現(xiàn)。

③不符合智能化通信要求的進(jìn)口老舊測(cè)控、保護(hù)裝置進(jìn)行整體更換，近年新上的保護(hù)裝置僅更換通信接口插件。

④配置支持IEC 61850(DL/T860)標(biāo)準(zhǔn)的故障錄波器。故障錄波器在站控層單獨(dú)組網(wǎng)，接入保護(hù)信息子站。

⑤保護(hù)、測(cè)控裝置對(duì)時(shí)接入全站統(tǒng)一GPS授時(shí)系統(tǒng)，故障錄波器不再單獨(dú)設(shè)置GPS對(duì)時(shí)裝置。

⑥間隔層一次設(shè)備未到改造周期，提高設(shè)備利用度；采用利舊方式，不配置智能終端和合并單元。

1.3 二次改造模式

目前，過(guò)程層二次設(shè)備(主要指保護(hù)、測(cè)控)改造模式主要有就地化改造和室內(nèi)改造兩大類。就地化保護(hù)通過(guò)就地安裝減少中間環(huán)節(jié)，提升保護(hù)快速性；通過(guò)即插即用的檢修模式縮短保護(hù)裝置的更換時(shí)間，提高檢修效率；推動(dòng)智能站二次系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案優(yōu)化及運(yùn)維技術(shù)和管理的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)變電站安全可靠、運(yùn)維便捷、節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效[14-17]。但500 kV變電站就地化改造仍在試點(diǎn)階段，需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間復(fù)雜氣象和電磁環(huán)境的考驗(yàn)。

王店變智能化改造項(xiàng)目采用的是室內(nèi)改造模式。室內(nèi)改造分為掏屏法(部分科研單位稱為差異化改造，外部接線利舊更換裝置的方法)和整屏更換法。整屏更換法根據(jù)屏位差異，主要分為新屏新位、新屏老位、老屏新位、老屏老位等。王店變改造綜合考慮設(shè)備老舊程度、屏位資源等情況，統(tǒng)籌應(yīng)用了以上幾種整屏更換法，主要通過(guò)騰挪法實(shí)現(xiàn)新屏新位的改造。

2 新老直流系統(tǒng)過(guò)渡割接方案

一體化直流系統(tǒng)相當(dāng)于變電站的心血管系統(tǒng)，是保障電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要子系統(tǒng)。所有設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行都需要直流系統(tǒng)提供可靠、平穩(wěn)的直流電源。因此，保證新老直流系統(tǒng)過(guò)渡階段(近2年半)的順利割接，是整體改造的核心關(guān)鍵之一。

新一體化直流電源系統(tǒng)由直流電源、交流不間斷電源、逆變電源等裝置組成，共享蓄電池組，并通過(guò)以太網(wǎng)通信接口，采用 IEC 61850 規(guī)約與變電站站控層設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。

王店變直流系統(tǒng)改造創(chuàng)新地采用了對(duì)老蓄電池組移位、新老直流系統(tǒng)并行、逐步轉(zhuǎn)接負(fù)荷的實(shí)施方案[18]，避免了對(duì)老直流系統(tǒng)直接更換或新老系統(tǒng)電源直接搭接的方式，大大降低了直流系統(tǒng)失電的重大風(fēng)險(xiǎn)。改造過(guò)程分三個(gè)子階段實(shí)施。第一階段安裝新直流總屏和分屏；第二階段老蓄電池組移位、新蓄電池組安裝，實(shí)現(xiàn)新直流系統(tǒng)上電并接入監(jiān)控后臺(tái)；第三階段結(jié)合間隔設(shè)備停電改造，將直流負(fù)荷逐步從老直流分屏割接至新直流分屏，最終老直流系統(tǒng)退役。整個(gè)過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)管控最大的是老蓄電池組移位。以直流Ⅰ段老蓄電池組移位為例，為解決該難題，在直流Ⅰ段母線與直流Ⅱ段母線間安裝并接入額定電流63 A的臨時(shí)閘刀，在蓄電池搬遷期間合上臨時(shí)并列閘刀，實(shí)現(xiàn)1號(hào)蓄電池組退出運(yùn)行時(shí)的“二充一蓄”的獨(dú)立供電方式。老蓄電池組移位實(shí)施方案如圖1所示。

圖1 老蓄電池組移位實(shí)施方案

3 新老監(jiān)控系統(tǒng)過(guò)渡接口方案

王店變監(jiān)控系統(tǒng)站控層改造有兩個(gè)解決方案。方案一是不停電改造，搭建新站控層系統(tǒng)后，不停電進(jìn)行“三遙”核對(duì)后投入系統(tǒng)運(yùn)行并退役老系統(tǒng)。該方案的主要風(fēng)險(xiǎn)在于“三遙”核對(duì)時(shí)誤搭運(yùn)行端子、誤跳運(yùn)行設(shè)備，且改造周期長(zhǎng)達(dá)2～3個(gè)月，已在站控層局部改造中有效應(yīng)用。方案二是結(jié)合間隔輪停改造，新老監(jiān)控系統(tǒng)共同運(yùn)行逐步割接至新監(jiān)控系統(tǒng)后退役老系統(tǒng)，規(guī)避了第一種方案的施工風(fēng)險(xiǎn)，適用于整站改造。但此方案需解決兩個(gè)難點(diǎn)。難點(diǎn)一是運(yùn)維人員設(shè)備監(jiān)視問(wèn)題，如已改造設(shè)備在新系統(tǒng)監(jiān)視而未改造設(shè)備在老系統(tǒng)監(jiān)視將對(duì)運(yùn)維人員帶來(lái)極大困擾，應(yīng)在新監(jiān)控系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)完整的設(shè)備監(jiān)視功能。難點(diǎn)二是新老系統(tǒng)閉鎖邏輯完整性問(wèn)題。在改造過(guò)程中已改造的系統(tǒng)和未改造的系統(tǒng)是相互獨(dú)立的，且內(nèi)部采用不同的通信規(guī)約，故無(wú)法直接通信；而間隔層和站控層的閉鎖邏輯多是跨間隔，存在新、老系統(tǒng)信息缺失、聯(lián)閉鎖邏輯不完整的問(wèn)題。此時(shí)，應(yīng)確保新監(jiān)控系統(tǒng)間隔層、站控層閉鎖邏輯完整。

王店變智能化改造采用方案二，以進(jìn)一步降低改造風(fēng)險(xiǎn)并縮短改造周期。為攻克以上兩個(gè)難題，聯(lián)合廠家開(kāi)發(fā)了虛擬測(cè)控設(shè)備。在新監(jiān)控系統(tǒng)中安裝虛擬測(cè)控裝置，模擬新系統(tǒng)的實(shí)體測(cè)控裝置運(yùn)行。被模擬的間隔為未改造間隔。虛擬測(cè)控系統(tǒng)裝置應(yīng)用原理如圖2所示。

圖2 虛擬測(cè)控系統(tǒng)裝置應(yīng)用原理圖

虛擬測(cè)控裝置數(shù)據(jù)采集器通過(guò)網(wǎng)線連接至老站控層交換機(jī)鏡像口，獲取舊遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)發(fā)送的遙測(cè)和遙信104報(bào)文。從報(bào)文中解析出所含間隔的開(kāi)關(guān)、閘刀、地刀位置、線路電壓、電流信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成 Goose 聯(lián)閉鎖信號(hào)及 MMS 信號(hào)，發(fā)送給新測(cè)控裝置及新監(jiān)控后臺(tái)，以保證新測(cè)控、新后臺(tái)及調(diào)度端數(shù)據(jù)的完整性。該技術(shù)解決了變電站智能化改造過(guò)程中新、老系統(tǒng)的過(guò)渡難題，保證了改造過(guò)程中聯(lián)閉鎖、新監(jiān)控后臺(tái)及調(diào)度監(jiān)控端信息數(shù)據(jù)的完整性。

4 220 kV母差保護(hù)改造技術(shù)方案

母差保護(hù)改造是整站改造技術(shù)難點(diǎn)之一，采用的停電方案有兩種。方案一是母線停電改造，適用于3/2接線方式，如王店變500 kV母差保護(hù)改造，改造方案清晰，停電改造一次性完成，本文不再贅述。方案二是輪停間隔改造，適用于雙母線(包括雙母分段)接線方式，如王店變220 kV母差保護(hù)改造。王店變改造前僅有一套220 kV REB103母差保護(hù)。經(jīng)本次改造，實(shí)現(xiàn)了母差雙重化并退役老母差；通過(guò)220 kV間隔和主變兩輪停電，完成了兩套新母差回路接入及啟動(dòng)。

間隔設(shè)備第一次輪停，完成間隔保護(hù)改造并完善第一套新母差保護(hù)該間隔相關(guān)回路。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)已改造的間隔(線路、主變、母聯(lián)、母分)保護(hù)與未改造的傳統(tǒng)母差保護(hù)配合，增加母差電流臨時(shí)判別裝置(原REB103母差保護(hù)不具備失靈電流判別功能)。第一次輪停結(jié)束后，第一套新母差保護(hù)投入運(yùn)行，老母差保護(hù)退出運(yùn)行。200 kV母差保護(hù)第一輪改造原理如圖3所示。

圖3 220 kV母差保護(hù)第一輪改造原理圖

間隔第二次輪停，完善第二套新母差保護(hù)該間隔回路，并拆除老母差保護(hù)回路和過(guò)渡裝置。第二次輪停結(jié)束后，第二套新母差保護(hù)投入運(yùn)行，改造后220 kV母線保護(hù)實(shí)現(xiàn)雙重化，并取消屏頂直流及電壓小母線，采用新直流系統(tǒng)直流饋線分屏及電壓并列屏電纜供電。200 kV母差保護(hù)第二輪改造原理如圖4所示。

圖4 220 kV母差保護(hù)第二輪改造原理圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從方案研究和工程實(shí)踐出發(fā)，以500 kV王店變過(guò)程層和站控層智能化改造為例，重點(diǎn)探討了項(xiàng)目改造規(guī)劃、改造原則、二次改造模式這三個(gè)基本問(wèn)題以及新老直流系統(tǒng)過(guò)渡割接方案、新老監(jiān)控系統(tǒng)過(guò)渡接口方案、220 kV母差改造技術(shù)這三個(gè)核心問(wèn)題，形成了切合實(shí)際的傳統(tǒng)變電站智能化改造的技術(shù)方案體系。但本文尚未涉及間隔層設(shè)備智能化改造方面的研究，光電流互感器、智能終端、合并單元等智能設(shè)備及就地化保護(hù)的不斷完善和應(yīng)用，對(duì)傳統(tǒng)變電站間隔層設(shè)備的智能化改造值得進(jìn)一步研究和實(shí)踐。