基于準(zhǔn)雙端預(yù)制連接的就地化保護(hù)實施方案

陳棟，李玉平，陳琦，張瑋，胡兵，王勝

(1.國電南京自動化股份有限公司，南京 210003； 2.南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司，南京 211153)

0 引言

隨著智能變電站的大面積推廣應(yīng)用，其系統(tǒng)可靠性低、運維工作量大、占地面積廣等問題逐漸暴露出來[1]，為解決現(xiàn)有變電站繼電保護(hù)存在的問題，提高繼電保護(hù)裝置的可靠性和速動性[2]，開展了無防護(hù)安裝的就地化保護(hù)裝置研究，并在全國范圍內(nèi)推進(jìn)就地化線路、主變壓器(以下簡稱主變)和母線保護(hù)的掛網(wǎng)試運行工作。

由于就地化保護(hù)裝置的裝置形態(tài)、安裝位置和運行環(huán)境與傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置完全不同，因此其在安裝方式、系統(tǒng)組網(wǎng)和調(diào)試等方面將會遇到新的問題，而元件保護(hù)的分布式實現(xiàn)方案也對簡化系統(tǒng)組網(wǎng)提出了新的挑戰(zhàn)；同時，就地化保護(hù)的安裝也應(yīng)盡量保留其小型化、高防護(hù)和即插即用的特點。

目前國內(nèi)對就地化保護(hù)裝置的實現(xiàn)方案研究較多，但很少涉及就地化保護(hù)的安裝及系統(tǒng)組網(wǎng)方案。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于雙向環(huán)網(wǎng)的變壓器保護(hù)就地化實現(xiàn)方案，按開關(guān)配置分布式保護(hù)子機，子機之間通過高可靠無縫冗余(HSR)雙向環(huán)形高速網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)就地化安裝。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于多個HSR的分布式母線保護(hù)方案，根據(jù)變電站規(guī)模和設(shè)備類型，可劃分若干個HSR子環(huán)網(wǎng)，實現(xiàn)靈活配置。文獻(xiàn)[5]提出了基于就地化保護(hù)裝置和管理單元的變電站功能實現(xiàn)方案。文獻(xiàn)[6]提出了支架安裝、端子箱安裝和機構(gòu)箱安裝3種方式，就地化端子箱和機構(gòu)箱均由普通端子箱改造而來，占用空間大且現(xiàn)場配線工作繁重；而支架安裝采用集中安裝方式，存在設(shè)備間的交叉及長電纜連接的情況，無法實現(xiàn)保護(hù)裝置就地安裝的需求。

圖1 整體組網(wǎng)方案Fig.1 Network scheme

本文在端子箱安裝方案的基礎(chǔ)上提出了一種基于二次預(yù)制盒的就地化保護(hù)現(xiàn)場安裝方案，本方案中二次預(yù)制盒按就地化保護(hù)子機進(jìn)行配置，按照間隔就地安裝；同時，二次預(yù)制盒的接口化連接方式，可實現(xiàn)其輸入對象的功能化集中和輸出對象的間隔化分解，進(jìn)而實現(xiàn)工廠化深度預(yù)制。

1 就地化保護(hù)裝置概況

就地化保護(hù)裝置采用小型化、接口化設(shè)計理念，通過單端預(yù)制電纜實現(xiàn)電纜采樣和電纜跳閘；裝置防護(hù)等級達(dá)到IP67，可貼近一次設(shè)備實現(xiàn)戶外就地安裝。目前，就地化線路、主變和母線保護(hù)均已完成裝置檢測，進(jìn)入試運行推廣階段。

就地化線路保護(hù)裝置僅需采集單間隔的電氣量信息，采用航插電纜接入本間隔的交流模擬量和開入量，并實現(xiàn)電纜直接跳閘；同時，通過航插光纜搭建保護(hù)專網(wǎng)，實現(xiàn)面向通用對象的變電站事件(GOOSE)信號的發(fā)布、訂閱以及站控層通信[7]。

就地化母線和主變等跨間隔保護(hù)采用分布式設(shè)計理念，按間隔進(jìn)行子機配置，各子機均配置航插接口，實現(xiàn)電纜采樣和電纜跳閘；同時，通過航插光纜搭建環(huán)網(wǎng)和保護(hù)專網(wǎng)，雙向環(huán)網(wǎng)用于實現(xiàn)交流量和開關(guān)量的數(shù)據(jù)交互，保護(hù)專網(wǎng)用于實現(xiàn)GOOSE信號的發(fā)布、訂閱以及站控層通信[8-9]。

通過保護(hù)裝置的就地安裝縮短電纜長度，減少中間環(huán)節(jié)，可提高保護(hù)的可靠性和速動性；就地化保護(hù)裝置的接口化連接方式可實現(xiàn)更換式檢修，提高檢修運維效率。就地化保護(hù)的應(yīng)用對于實現(xiàn)變電站的安全可靠運行和便捷高效運維具有極大的推動作用。

2 掛網(wǎng)試運行整體實施方案

目前就地化保護(hù)裝置正在全國范圍內(nèi)開展掛網(wǎng)試運行工作，國家電網(wǎng)公司發(fā)布了就地化保護(hù)總體架構(gòu)方案，但尚無規(guī)范化的具體實施方案。本文在國家電網(wǎng)公司現(xiàn)場布置方案的基礎(chǔ)上，以浙江湖州220 kV金釘輸變電工程(以下簡稱金釘變)為例，提出了220 kV變電站就地化保護(hù)整站實施方案。

湖州220 kV金釘變?yōu)殡娎|采樣電纜跳閘的戶外氣體絕緣組合電器(GIS)變電站，站內(nèi)有2臺220 kV三繞組變壓器；220 kV側(cè)為雙母線接線，共有2個線路間隔、2個主變間隔和1個母聯(lián)間隔；110 kV側(cè)為單母分段接線，共有7個線路間隔、2個主變間隔和1個母分間隔；35 kV側(cè)為高壓開關(guān)柜。本次掛網(wǎng)試運行的主變保護(hù)、220 kV母線保護(hù)、220 kV線路保護(hù)以及就地化智能管理單元、故障錄波與網(wǎng)絡(luò)記錄分析(以下簡稱故錄網(wǎng)分)一體裝置和保護(hù)專網(wǎng)均采用雙重化配置，110 kV母線和線路保護(hù)采用單套配置。整體組網(wǎng)方案如圖1所示。

就地化保護(hù)裝置戶外無防護(hù)安裝，雙套保護(hù)裝置分別接入就地化保護(hù)專網(wǎng)A(A1，A2)，B(B1，B2)，單套保護(hù)裝置接入保護(hù)專網(wǎng)A。保護(hù)專網(wǎng)用于采樣值(SV)、GOOSE和制造報文規(guī)范(MMS)報文的傳輸，保護(hù)專網(wǎng)A，B之間采用網(wǎng)絡(luò)連接裝置相連，用于傳輸雙網(wǎng)之間需交互的信息，保證網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)陌踩耘c流暢性[10]。

A，B套就地化保護(hù)分別配置雙重化的智能管理單元，智能管理單元對下接入保護(hù)專網(wǎng)A(A1，A2)，B(B1，B2)，實現(xiàn)對就地化保護(hù)的集中配置和管理；對上可直接與調(diào)度主站通信，實現(xiàn)調(diào)度對就地化保護(hù)裝置運行狀態(tài)和動作行為的監(jiān)視與管理。

配置1臺公用測控裝置，用于接入就地化保護(hù)裝置的異常和告警接點，并上送至就地化保護(hù)管理單元和站內(nèi)原有監(jiān)控系統(tǒng)；配置2臺故錄網(wǎng)分一體化裝置，分別用于A，B套就地化保護(hù)裝置動作錄波及報文分析。

就地化保護(hù)安裝處安裝風(fēng)向、風(fēng)速、溫濕度、氣壓、雨量和光輻射傳感器，用于環(huán)境監(jiān)測，傳感器采用立桿安裝。配置1臺規(guī)約轉(zhuǎn)換裝置，用于接入環(huán)境檢測信息并上送就地化保護(hù)管理單元和站內(nèi)原有監(jiān)控系統(tǒng)，用以實現(xiàn)對就地化保護(hù)運行環(huán)境信息的遠(yuǎn)程實時監(jiān)測與記錄。

3 就地化保護(hù)裝置安裝方案

就地化保護(hù)裝置由于其形態(tài)和防護(hù)等級與傳統(tǒng)繼電保護(hù)裝置完全不同，其安裝方式和接線方式也存在較大的差異。就地化保護(hù)裝置的高防護(hù)等級，使其具備戶外裸露安裝的條件；同時，就地化保護(hù)裝置采用電纜采樣、電纜跳閘，貼近一次設(shè)備就地安裝，可大大縮短電纜長度，提高保護(hù)可靠性。由此，本文提出了就地化保護(hù)的間隔化就地安裝方案。

3.1 端子箱側(cè)壁安裝方案

為實現(xiàn)就地化保護(hù)裝置的就地安裝，本文介紹了一種端子箱側(cè)壁安裝方案。按間隔貼近一次設(shè)備配置端子箱，就地化保護(hù)裝置在端子箱外部側(cè)壁安裝。端子箱結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 端子箱側(cè)壁安裝圖Fig.2 Terminal box installed on side wall

端子箱柜體設(shè)置內(nèi)外2個分區(qū)用于設(shè)備安裝和檢修運維，外部分區(qū)用于裝配就地化保護(hù)裝置和航插線纜，單側(cè)最大可容納2臺就地化保護(hù)裝置。

端子箱內(nèi)部分區(qū)配置設(shè)備安裝和運維檢修2大區(qū)域。端子箱上部空間可用于安裝操作箱和電壓并列裝置等相關(guān)設(shè)備，實現(xiàn)箱體空間的集約化使用；箱體正面配置空氣開關(guān)、壓板，用于運行操作，背面配置端子排、光配架，用于外部設(shè)備與就地化保護(hù)裝置電纜和光纜的轉(zhuǎn)接，箱體前后兩側(cè)均配置門鎖，便于運維人員進(jìn)行必要的檢修、調(diào)試工作。

3.2 基于二次預(yù)制盒的安裝方案

基于就地化保護(hù)的小型化和接口標(biāo)準(zhǔn)化的特點，在3.1章節(jié)方案的基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于二次預(yù)制盒的就地化保護(hù)安裝方案，以實現(xiàn)就地化保護(hù)及其相關(guān)設(shè)備的準(zhǔn)雙端預(yù)制連接。二次預(yù)制盒在匯控柜附近就地安裝，就地化保護(hù)裝置與就地化操作箱安裝于二次預(yù)制盒上方，不同型號的就地化保護(hù)裝置配置與之對應(yīng)的二次預(yù)制盒。

3.2.1 功能分區(qū)和分級權(quán)限管理

變電站運維工作按照分級負(fù)責(zé)的原則進(jìn)行管理，嚴(yán)格落實各級人員責(zé)任制，是規(guī)范變電站運維管理、提高運維水平、保證運維質(zhì)量的重要舉措，而保護(hù)設(shè)備的分級權(quán)限設(shè)置將為貫徹落實分級負(fù)責(zé)管理原則提供有力的支撐[11]。

二次預(yù)制盒是就地化保護(hù)、操作箱與一次設(shè)備及相關(guān)二次設(shè)備之間連接的橋梁，內(nèi)部設(shè)置運行監(jiān)視、轉(zhuǎn)接端子和預(yù)制接口3個功能分區(qū)，并分別配置獨立的門鎖，以實現(xiàn)運行操作和檢修運維權(quán)限的分級管理，二次預(yù)制盒結(jié)構(gòu)如圖3所示。

運行監(jiān)視區(qū)配置本保護(hù)裝置對應(yīng)的壓板和空氣開關(guān)，并配置獨立的門鎖及玻璃觀察視窗，運行人員無需打開柜門即可完成對裝置運行狀態(tài)的巡視。

轉(zhuǎn)接端子區(qū)配置端子排和光端子，用于實現(xiàn)保護(hù)裝置、操作箱與一次設(shè)備及相關(guān)二次設(shè)備間的電纜和光纜連接，內(nèi)部配線工作均在廠內(nèi)完成。

預(yù)制接口區(qū)按照間隔對象分區(qū)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)化接口，采用航插預(yù)制電纜連接，可實現(xiàn)工廠化預(yù)制。

運行監(jiān)視區(qū)用于運行人員巡視設(shè)備運行狀態(tài)及進(jìn)行保護(hù)功能投退操作，轉(zhuǎn)接端子區(qū)和預(yù)制接口區(qū)用于檢修人員進(jìn)行必要的運維操作。針對不同的工作需求劃分與之對應(yīng)的功能分區(qū)，并分別配置獨立的門鎖，通過物理隔離實現(xiàn)不同工作種類的需求管理和權(quán)限管理，從而降低現(xiàn)場誤操作風(fēng)險，提高運維水平和質(zhì)量。

圖3 二次預(yù)制盒結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure of prefabricated box for secondary system

3.2.2 面向功能到面向?qū)ο蟮暮讲褰涌谵D(zhuǎn)換

就地化保護(hù)裝置具有接口標(biāo)準(zhǔn)化和預(yù)制化的特點，標(biāo)準(zhǔn)化、預(yù)制化的航插接口是實現(xiàn)更換式檢修的基礎(chǔ)，是提高現(xiàn)場施工效率和簡化運維的重要手段。就地化保護(hù)裝置的安裝也應(yīng)充分保留就地化保護(hù)裝置自身的特點，實現(xiàn)接口化安裝，并最終實現(xiàn)設(shè)備間雙端預(yù)制的即插即用。由于就地化保護(hù)裝置的標(biāo)準(zhǔn)化接口按照交流、開入、開出和光纖等面向功能設(shè)置，而一次設(shè)備的接口按照間隔面向?qū)ο笤O(shè)置，無法實現(xiàn)保護(hù)裝置航插電纜與其他設(shè)備的直接連接。因此要實現(xiàn)就地化保護(hù)和一次設(shè)備間的雙端預(yù)制，必須實現(xiàn)面向功能的接口到面向?qū)ο蠼涌诘霓D(zhuǎn)換，并實現(xiàn)多間隔保護(hù)接口的間隔化。

二次預(yù)制盒可接入就地化保護(hù)裝置和操作箱面向功能的航插線纜，并通過內(nèi)部配線轉(zhuǎn)換為面向間隔對象的航插接口，二次預(yù)制盒的預(yù)制接口模塊可根據(jù)所安裝保護(hù)裝置類型的不同配置相應(yīng)類型的航插預(yù)制接口，具體配置如下。

(1)對于線路和母聯(lián)保護(hù)二次預(yù)制盒，預(yù)制接口模塊配置2個航插接口：與母線保護(hù)預(yù)制盒之間采用雙端預(yù)制的電纜連接；與一次設(shè)備之間采用單端預(yù)制的電纜連接，未來隨著一次設(shè)備的接口標(biāo)準(zhǔn)化，亦可實現(xiàn)雙端預(yù)制。

(2)對于主變保護(hù)，二次預(yù)制盒按子機配置，預(yù)制接口模塊與線路保護(hù)相同。對于低壓側(cè)未配置母線保護(hù)的變電站，低壓側(cè)子機預(yù)制盒可只配置1個航插接口，用于與一次設(shè)備連接。

(3)對于母線保護(hù)，二次預(yù)制盒按子機配置。根據(jù)每臺母線保護(hù)子機的最大間隔接入能力，母線保護(hù)子機二次預(yù)制盒預(yù)制接口模塊配置7個航插接口，用于與線路、母聯(lián)和主變保護(hù)二次預(yù)制盒之間的雙端預(yù)制電纜連接。

二次預(yù)制盒面向間隔對象的航插接口配置，保留了就地化保護(hù)裝置接口化安裝的優(yōu)勢，并為實現(xiàn)一、二次設(shè)備間的雙端預(yù)制連接奠定了基礎(chǔ)。

3.2.3 基于航插接口的準(zhǔn)雙端預(yù)制回路連接方案

接口化配置和安裝的目標(biāo)是設(shè)備間基于雙端預(yù)制線纜連接的即插即用，二次預(yù)制盒的航插接口配置可實現(xiàn)就地化保護(hù)裝置、操作箱與一次設(shè)備及相關(guān)二次設(shè)備之間開關(guān)量的準(zhǔn)雙端預(yù)制連接，回路連接如圖4所示。

二次預(yù)制盒與就地化保護(hù)以及本間隔就地化操作箱之間采用單端預(yù)制的航插線纜連接，其接口按照功能配置，分別引入二次預(yù)制盒端子排，保護(hù)與操作箱之間的連接在預(yù)制盒內(nèi)部完成。

間隔保護(hù)(線路、母聯(lián)、主變保護(hù)子機等)二次預(yù)制盒與一次匯控柜之間的開入開出采用單端預(yù)制的電纜連接，預(yù)制盒側(cè)配置航插接口，匯控柜側(cè)采用普通接口。對于線路間隔，二次預(yù)制盒與線路匯控柜之間的單端預(yù)制電纜主要用于傳輸斷路器位置、低氣壓閉重開入和操作箱的跳合閘、位置監(jiān)視、電壓切換刀閘位置，同時也用于將刀閘位置經(jīng)二次預(yù)制盒傳輸給母線保護(hù)使用；對于主變保護(hù)，二次預(yù)制盒按間隔子機配置，主變220 kV子機預(yù)制盒與主變220 kV匯控柜之間的單端預(yù)制電纜主要用于傳輸斷路器位置和操作箱的跳合閘、位置監(jiān)視、電壓切換刀閘位置，同時也用于將刀閘位置經(jīng)二次預(yù)制盒傳輸給母線保護(hù)使用。

母線保護(hù)二次預(yù)制盒與間隔保護(hù)(線路、母聯(lián)、主變保護(hù)子機等)二次預(yù)制盒之間的開入開出采用雙端預(yù)制的電纜連接，主要用于母差保護(hù)至操作箱的跳閘以及獲取刀閘位置。

就地化保護(hù)二次預(yù)制盒通過內(nèi)部接線完成輸入的功能性集中和輸出的對象化分解，基于二次預(yù)制盒的接口化、對象化回路連接方案可實現(xiàn)開關(guān)量輸入輸出的工廠化深度預(yù)制，從而減少一、二次設(shè)備間安裝接線工作的耦合，為實現(xiàn)模塊化安裝、快速化改造和更換式檢修打下良好的基礎(chǔ)。

3.2.4 基于光端子的光纖回路預(yù)制連接方案

為降低現(xiàn)場施工組網(wǎng)難度，提高光纖網(wǎng)絡(luò)清晰度，光纖回路的預(yù)制連接是一種有效的解決方案。傳統(tǒng)預(yù)制光纜接口占用空間大、成本高，且與就地化保護(hù)裝置航插光纜的連接需要進(jìn)行接口轉(zhuǎn)換，增加了光纜連接的中間環(huán)節(jié)。本文中介紹的二次預(yù)制盒配置了光纖網(wǎng)卡(LC)接口的光端子，光端子安裝方式與傳統(tǒng)端子相同，僅需尾纜即可完成就地化保護(hù)專網(wǎng)、環(huán)網(wǎng)和光縱通道的連接，從而簡化現(xiàn)場光纖網(wǎng)絡(luò)的搭建施工，實現(xiàn)光纖回路的預(yù)制連接。具體光纖回路連接如圖5所示。

圖4 預(yù)制電纜連接方案Fig.4 Scheme of prefabricated cable connection

圖5 光纖回路連接方案Fig.5 Scheme of fiber connection

元件保護(hù)(如圖5中的母線保護(hù)子機1和子機2)環(huán)網(wǎng)在預(yù)制盒及戶外端子箱的光端子之間通過尾纜完成回路連接。

保護(hù)專網(wǎng)通過尾纜及光纜連接。預(yù)制盒與戶外端子箱的光配架之間通過尾纜連接，戶外端子箱與公用測控屏的光配架之間通過光纜連接，公用測控屏交換機與管理單元及故錄網(wǎng)分之間采用尾纜連接。

光縱通道通過尾纜及光纜連接。預(yù)制盒與戶外端子箱的光配架之間通過尾纜連接，戶外端子箱光配架與主控室光纖配線架的熔接盒之間通過光纜連接。

二次預(yù)制盒中光端子的設(shè)置，將就地化保護(hù)的保護(hù)專網(wǎng)、環(huán)網(wǎng)和光縱通道集中轉(zhuǎn)化為多模尾纜和單模尾纜共用的單一通道。戶外端子箱與二次預(yù)制盒的配合使用，實現(xiàn)了環(huán)網(wǎng)回路的內(nèi)部搭建，以及各裝置與端子箱之間尾纜的點對點連接，并將所有就地化保護(hù)裝置的光纜劃分為保護(hù)專網(wǎng)和光縱兩路通道，從而實現(xiàn)光纜的匯集，簡化現(xiàn)場長光纜的敷設(shè)難度，降低物力和人力成本，提高施工工作效率。

3.3 安裝方案比較

兩種方案均實現(xiàn)了保護(hù)裝置的就地化和間隔化安裝，基于二次預(yù)制盒的安裝方案在如下方面有明顯優(yōu)勢。

(1)二次預(yù)制盒通過物理隔離實現(xiàn)功能區(qū)域劃分，各分區(qū)配置獨立的門鎖從而實現(xiàn)權(quán)限管理，提高了運維的安全性和便利性。

(2)二次預(yù)制盒配置了面向?qū)ο蟮暮讲褰涌?，可實現(xiàn)就地化保護(hù)裝置面向功能接口到二次預(yù)制盒面向?qū)ο蠼涌诘霓D(zhuǎn)換，并提出了準(zhǔn)雙端預(yù)制的解決方案。

(3)基于二次預(yù)制盒的準(zhǔn)雙端預(yù)制連接，相比于端子箱安裝方案的普通端子接線連接，可提高現(xiàn)場施工的便利性。跨間隔保護(hù)二次預(yù)制盒按間隔配置的航插接口，可實現(xiàn)各間隔電氣量的物理隔離，提高檢修運維的安全性。

(4)基于光端子的光纖回路預(yù)制連接方案，相比于普通光纜熔接和傳統(tǒng)的預(yù)制光纜連接方案，在提高現(xiàn)場組網(wǎng)便利性的同時，可降低物料成本，提高網(wǎng)絡(luò)連接清晰度，方便后續(xù)的檢修運維工作。

二次預(yù)制盒的航插接口配置和預(yù)制電纜的使用與端子箱普通電纜連接方案相比，設(shè)備成本有所增加，這是現(xiàn)階段不可忽略的劣勢。然而，接口化安裝可促進(jìn)施工、運維的簡化以及工作效率的提升，降低了人力成本和時間成本；同時，預(yù)制接口的使用也為促進(jìn)一、二次設(shè)備的接口化連接，進(jìn)而實現(xiàn)一、二次設(shè)備的深度融合打下了基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

本文提出了基于準(zhǔn)雙端預(yù)制連接的就地化保護(hù)現(xiàn)場實現(xiàn)方案，介紹了就地化保護(hù)裝置的現(xiàn)場安裝和組網(wǎng)方式，重點介紹了基于二次預(yù)制盒的準(zhǔn)雙端預(yù)制回路連接方案。二次預(yù)制盒的標(biāo)準(zhǔn)化、預(yù)制化接口，簡化了系統(tǒng)組網(wǎng)，實現(xiàn)了設(shè)備的模塊化安裝，同時也大大提高了施工和調(diào)試工作的效率。間隔化是電網(wǎng)設(shè)備的自然屬性，伴隨著就地化保護(hù)的日益成熟和一次設(shè)備接口標(biāo)準(zhǔn)化的推進(jìn)，基于二次預(yù)制盒的準(zhǔn)雙端預(yù)制連接方案，將為實現(xiàn)一、二次設(shè)備間的即插即用和一、二次設(shè)備的深度融合提供有益的參考。