水電廠與開關站間保護信息傳遞方式研究應用

肖 闖，李 煒，李能昌

（中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002）

0 引 言

水電廠房與開關站之間的空間距離從幾十米到幾千米不等，由此帶來兩側保護裝置信息傳遞方式的差異。近年來，智能水電廠和智能變電站建設也為水電廠房與開關站間保護信息傳遞方式帶來了新的挑戰(zhàn)。

1 水電廠房與開關站間保護通信需求

國內水電站大多采用發(fā)電機經(jīng)出口母線連接升壓變后再經(jīng)架空線或是高壓電纜送入高壓開關站的方式，水電站廠房與開關站間保護通信需求如下：（1）發(fā)變組保護（電氣量）跳開關站斷路器并啟失靈；（2）變壓器非電量保護跳開關站側斷路器；（3）開關站斷路器失靈保護停發(fā)變組進線；（4）兩側刀閘等位置聯(lián)閉鎖信息交互；（5）穩(wěn)控決策機與執(zhí)行機信息交互；（6）進線線路保護兩側信息交互。

針對這些信息傳輸需求，通常有電纜和光纖兩種方案。

2 電纜通信的特點及相關問題

控制電纜在繼電保護二次回路中得到了廣泛的應用，但大量的電纜通信也給水電廠建設和運行帶來了難題。

對于同一根電纜芯線，信號不能疊加傳輸。當廠房與開關站間通信量較大且為滿足保護雙重化等要求時，需要敷設大量的電纜，不僅投資大，而且給維護、防火等帶來了較大的壓力。

水電站廠房和開關站之間的空間距離較遠時，需要敷設長距離的二次電纜。長距離的二次電纜將影響到電流互感器、電壓互感器帶二次負載的能力，同時廠房與開關站間難以保持等電位，當二次電纜絕緣損壞發(fā)生接地瞬間，極易在CT回路中產(chǎn)生附加電流而引起保護誤動。對于開關量，當直流系統(tǒng)接地或交流竄入直流時，會通過長電纜的分布電容構成回路，產(chǎn)生電容電流，導致一些動作值低、靈敏度高的繼電器誤動，如果出現(xiàn)在跳閘回路將會導致斷路器偷跳，國內已經(jīng)發(fā)生過多起類似事件。

3 光纖通信及光纖傳輸裝置應用

光纖通信技術在電力系統(tǒng)繼電保護領域得到極為廣泛的應用，光纖保護已經(jīng)成為當下電力系統(tǒng)的主流保護。

3.1 光纖通信的優(yōu)勢

（1）絕緣性能好；（2）抗電磁干擾；（3）光纖尺寸小、重量輕；（4）材料來源豐富；（5）無輻射，有利于信息安全；（6）通信容量大、傳輸遠；（7）能夠監(jiān)視通道狀態(tài)。

3.2 水電廠房與開關站間I/O信息光纖傳遞方式

由于長電纜分布電容影響可能造成保護誤動等嚴重后果，因此可以運用光纖傳輸距離長、不受電磁干擾的優(yōu)勢解決這一問題，如圖1所示。

對于采用光纖傳輸?shù)姆桨福趪鴥人姀S和核電廠都有較為成熟的應用，很好地解決了長電纜分布電容對于開關量影響可能造成保護誤動的情況。同時，由于光纖內可以同時傳輸多組信息，改為光纖后，維護工作量小，火災隱患也大大降低。

當需要對水電廠房與開關站間高壓輸電線路進行保護時，可用目前成熟的光纖差動保護方案進行升級改造，現(xiàn)場運行安全可靠。

4 智能變電站建設對于保護信息傳遞帶來的挑戰(zhàn)與機遇

圖1 水電廠房與開關站間I/O信息光纖傳遞典型方式

近年來，行業(yè)內提出了建設智能水電廠的需求。但目前的實際情況是，變電站（開關站）智能化程度較高，智能化設備也比較成熟。而水電廠房內設備繁多，通信規(guī)約不同，同時水電廠房保護設備智能化方案雖有部分研究，但應用相對較少[1]。對于傳統(tǒng)水電廠房與智能變電站間通信方式，在智能變電站側要考慮保護信息GOOSE點對點和GOOSE組網(wǎng)傳輸?shù)膯栴}，而廠房側，仍然采取常規(guī)的硬接點開入開出方式。

5 水電廠房與智能變電站間保護信息傳遞方式

5.1 水電廠房與智能變電站間保護信息傳遞典型解決方案

如圖2，在廠房側通過短電纜實現(xiàn)開關量的開入開出。智能變電站側，直接跳斷路器的信號通過直連光纖GOOSE點對點送入智能終端。啟動斷路器失靈等信號通過GOOSE組網(wǎng)經(jīng)過程層交換機發(fā)送至相關保護。同時，開關站斷路器失靈保護通過GOOSE組網(wǎng)經(jīng)過程層交換機送給本側光纖傳輸裝置，再傳輸至廠房開出常規(guī)繼電器接點跳閘。

5.2 智能變電站與水電廠房兩側I/O傳輸?shù)男滦瓦\用

使用光纖傳輸裝置提升了投資成本，增加了日常維護工作量。對于傳輸距離在1 km內的場景，可以把廠房和開關站都納入智能變電站的網(wǎng)絡覆蓋范圍，依托智能化設備自身建立的多模光纖網(wǎng)絡傳輸信息。

國內某水電廠在220 kV開關站智能化改造過程中進行了相關探索和應用。改造前，主變高壓側斷路器操作箱隨發(fā)變組保護裝置配置于廠房機旁盤。相關跳閘命令、斷路器及刀閘位置、啟動失靈等信息均通過長距離電纜傳輸。改造后，主變高壓側斷路器操作功能配置于GIS開關站側智能匯控柜中，需解決信息傳遞問題。在1 km內智能終端之間光纖通信完全能夠滿足信息傳遞需求，提出僅在發(fā)變組保護盤增加兩套成熟的智能終端裝置（隨發(fā)變組保護盤雙重化配置），即實現(xiàn)開關站與廠房保護信息接口功能，并進行了系列驗證試驗，證明了現(xiàn)場應用的可行性。具體如圖3所示，其中啟失靈、跳母聯(lián)分段、斷路器和刀閘位置通過GOOSE組網(wǎng)傳輸；跳本間隔斷路器通過GOOSE點對點與本間隔智能終端通信；穩(wěn)控裝置切機通過GOOSE點對點與發(fā)變組側智能終端通信，跳發(fā)電機出口開關。

圖2 智能變電站與水電廠房間I/O傳遞典型方式

圖3 某水電廠220 kV智能變電站與廠房I/O信號傳遞方式

使用該方案后，智能變電站設備可以直接通過GOOSE光纖通信，避免了智能變電站設備增加外部硬接點開入開出的非標準化設計問題。同時，使用光纖進行連接，可以實時監(jiān)測重要回路是否連接可靠，減少了大量控制電纜施放，避免電磁干擾和直流接地影響。

6 結 論

本文對水電廠房與開關站間保護信息的電纜傳遞方式、常規(guī)站光纖傳遞方式、智能變電站條件下的光纖傳遞方式進行了詳細介紹分析，并對業(yè)內的一些先進可靠解決方案進行了分析，對于解決水電站、核電站廠房與開關站間的保護信息傳遞問題有重要參考意義。