淺談變電站老舊二次設備的改造方案及改進

凌 巖孫曉龍

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

0 引 言

隨著電網建設的持續(xù)發(fā)展，大量早期變電站投運時間已經超過或臨近12年，實踐證明隨著服役年限增長，設備進入嚴重故障期。由于受制于二次運維檢修人員不足、設備改造工作量大等因素，造成施工停電時間過長影響用戶側快速復電，使得一些改造工程一再拖延。

為了消除現場運行風險，夯實電網安全穩(wěn)定運行基礎，實現設備的高效利用、狀態(tài)獲取、生命追蹤等透明管理[1]，二次設備改造采用符合標準化設計規(guī)范的裝置替換老舊裝置，在安全可靠的前提下，減少改造工作量，縮短停電時間。

1 改造方案的分析

新、舊設備在機箱尺寸、外部回路、端子布局等方面存在差異，現場施工工作量大、安全措施多、調試過程長等因素導致停電時間久，影響電網安全經濟運行[2]。

1.1 改造方案介紹

臨期或超期服役的二次設備極大多數采用“常規(guī)采樣、常規(guī)跳閘”的模式，改造中屏柜外部的二次電纜不更換，根據現場實際情況新增少量電纜，主要有4種方案：原屏改造、整屏更換、端子轉接和定制裝置。

1)原屏改造

該方案采用集中專業(yè)檢測認證的標準化裝置更換老舊裝置，僅拆除原裝置背板端子與屏柜端子排內側接線，在現場重新配線。若新舊裝置尺寸不一致，需更換屏柜面板。完成配線后，核對配線是否正確，校核采樣回路，開出傳動驗證外部回路正確性。

2)整屏更換

該方案仍是采用集中專業(yè)檢測認證的新裝置更換在役老舊裝置，屏柜外部電纜不變，先拆除原屏柜與外部回路連接，將原屏柜整體拆除，直接更換全新的屏柜和裝置，屏內配線在工廠完成調試驗證，現場只需校核模擬量采樣回路和開出傳動驗證回路正確性。

3)端子轉接

該方案在通過集中專業(yè)檢測認證的新裝置背部增加端子轉接箱，新裝置背板端子通過轉接端子與屏柜端子排內側連接，實現除了交流端子外的大部分端子的“即插即用”?，F場施工只需要拆除原裝置背板端子與屏柜端子排內側接線，將屏柜內的原裝置更換為新裝置直接對接，僅配接少量新增電纜。完成更換后校核采樣回路和驗證外部回路。

4)定制裝置

根據在役的裝置，盡可能符合目前新標準規(guī)范技術要求，定制開發(fā)與原裝置外回路完全一致的裝置，除模擬量需重新配線，改造時只需要重新拔插接線端子，可實現整裝置的“即插即用”。

1.2 改造方案的對比

“原屏改造”在工程中應用較廣泛，由于不涉及屏柜拆裝，故對現場作業(yè)環(huán)境要求不高。若屏柜內接線復雜，則配線及校驗的工作量會很大，導致停電時間過長。一般適用于布置在開關柜的低壓保護測控裝置，或新舊裝置更換關系對應簡單、屏柜內部接線相對較少的裝置，如間隔保護測控。

“整屏更換”可適用各種裝置的改造，但涉及屏柜的拆除和安裝，舊屏柜內外兩側的二次電纜都需要解開，尤其在拆除和安裝過程中，原電纜退到電纜溝，需要做好相應的保護和標識。在新屏柜就位后，只需要接入外部對應電纜。

“端子轉接”通過轉接環(huán)節(jié)增加了工廠內二次接線，如圖1所示。端子之間接線的可靠性為K(K<1)，一臺裝置的接線數量為n，則直接連接的可靠性為Kn，通過轉接端子箱連接的可靠性為K3n，隨改造裝置增多、接線數量增加，故障量將更大。特別在需要更換故障模件時，拆裝受轉接端子箱影響，維護工作比較復雜。

圖1 轉接端子箱接線

前3種改造方案都采用了通過集中專業(yè)檢測認證的新裝置更換在役舊裝置，“定制裝置”即定制開發(fā)的裝置只能通過委托第三方的檢測認證，違背了標準化設計的推廣。又由于工程應用的地區(qū)差異，往往定制開發(fā)和委托檢測周期較長，若市場存量較少時，綜合成本也較大，因此工程普適性不強，一般也僅限于低壓保護測控裝置。

從設計、安裝、配線、調試4個維度評估改造工作量，從可靠性、適用性和維護性3個維度評價改造方案的合理性，如表1所列。

2 實施方案的探討

綜合改造工作量和選用裝置的合理性兩方面，“端子轉接”的改造方式可靠性不高，“定制裝置”適用性不佳且未采用標準化裝置不建議推廣應用，因此“端子轉接”和“定制裝置”的改造方案應用很少。

表1 4種改造方案的對比

根據標準化設計規(guī)范要求，以220 kV及以下主要二次設備改造為例，探討“原屏改造”與“整屏更換”這兩種廣泛應用實施方案。

2.1 典型組屏方案

220 kV線路保護按照二面屏組屏，每面屏“線路保護+分相操作箱集成電壓切換”配置方式。高、中、低三側變壓器按照三面屏組屏，二面變壓器保護屏采用“變壓器保護+高壓側電壓切換箱+中壓側電壓切換箱”，一面變壓器輔助屏采用“非電量保護+高壓側操作箱+中壓側操作箱+低壓側操作箱”的配置方式。

110 kV線路保護屏柜一般兩回線路保護裝置組一面屏。高、低2分支的變壓器組一面屏，采用“變壓器保護1+變壓器保護2+非電量保護+三相操作箱”的配置方式。

單母線、單母分段接線以及支路數較少的雙母線、雙母雙分段或雙母單分段接線、單母三分段接線母線保護組一面屏；雙母雙分段接線，需增加一面轉接屏。

低壓保護測控裝置一般就地安裝在開關柜內。

2.2 現場施工評估

“原屏改造”以裝置為改造對象，“整屏更換”以屏柜為改造對象，需要以整體改造評估在不同方案下的工時。采用“原屏改造”方案，一般每個工時可以完成配線20根，調試工作可分為配線核對和裝置調校兩個部分，配線核對工時約為配線工時的一半，裝置單機調校一般為2個工時。采用“整屏更換”方案，更換工作由屏柜更換和屏內配線兩部分組成，一面屏柜更換需要約4個工時，配線工作效率提高到“原屏改造”的兩倍。標準化設計規(guī)范了裝置的IO數量，不同廠家的同類裝置硬件資源大致相近，因此改造工時大體一致，如表2所列。

2.3 改造方案選擇

在“原屏改造”時為了減少配線工作量，縮短停電時間，可分階段改造，先更換微機保護裝置，再更換操作箱和電壓切換箱。低壓保護測控和線路保護配線較少，可采用“原屏改造”。

早期變壓器保護采用“主后獨立”配置，現在標準化設計規(guī)范明確或推薦“主后一體”，因此屏柜內“主后獨立”配置需要重新布局，新舊裝置尺寸不一致，“原屏改造”則現場施工作業(yè)復雜。母線保護更是涉及多個間隔，因此跨間隔保護宜采用“整屏更換”[3]。施工時需考慮主控室面積和屏位布局，注意現場屏柜的拆裝及對直流母線的影響、二次電纜拆解和連接的保護工作。

以面向一次的二次設備整體為改造對象，根據表2可知兩種方案改造工作量相近，35 kV及以下保護測控裝置采用“原屏改造”，110 kV及以上的二次設備在施工條件允許的情況下優(yōu)先采用“整屏更換”。

3 工程改造的實施

3.1 改造方案的改進

1)“原屏改造”的改進

該方案現場配線工作量最大，為了節(jié)約施工時間，在廠內完成電纜的預制，一端直接連接在新裝置的背板端子排上，兩端都預先做好標識套管。

表2 改造工時預估統計

采用了電纜預制的方法后，減少了一半的配線工作，一根配線節(jié)省約1 min，即1個工時可以完成配線30根，如表3所列，配線效率可以提高50%。

表3 采用預制配線工時對比

2)“整屏更換”的改進

該方案將部分配線和調試工作在工廠內完成，但評估安裝仍比較復雜，尤其是在拆除和安裝屏柜時，原電纜需要做好防護，退回電纜溝。設計一種局部可拼接的屏柜替代原整體焊接屏柜，如圖2所示。屏柜后下橫梁為可拆卸結構，只需卸下橫梁即可將屏柜整體安裝，原電纜不再阻礙。

圖2 屏柜后下橫梁拆卸

在原屏柜拆除時，采用專業(yè)破拆工具將屏柜后下橫梁切割，即可整屏移走，不再受電纜羈絆，在下一次改造中又可方便地實現整屏柜“即插即用”改造?？鄢撇鹌凉竦墓r，節(jié)省電纜保護措施和整理工作，合計約1～2個工時，如表4所列，可見在220 kV保護改造涉及屏柜數量較多時，工時節(jié)省較為明顯。

表4 采用可拼接屏柜更換工時對比

3.2 接入自動化系統的調試

對比變電站二次設備整組傳動，自動化的調試仍采用實測的方式逐點調試、人工校對，工作量繁重，調試時間過長。改造中通過以變電站遠動系統與站控層網絡、調度中心連接為基礎的自動對點系統，實現信息校核的智能化，改變現有手動對點的繁瑣及不準確等缺陷[4-5]。

自動對點系統以IEC 60870-5-104的客戶端作為主站，通過MMS服務端來模擬變電站內間隔層二次設備上傳MMS報告至遠動裝置，對比調度端和遠動裝置輸出的點表，校核二次設備的MMS報文信息與遠動裝置報文，實現點表自動校核一致性和規(guī)范性，主要包括以下4個部分[6-7]：

1)模擬主站端實現調度主站與遠動裝置收發(fā)報文功能及解析IEC 60870-5-104報文；

2)模擬站端設備MMS報告控制塊，向遠動系統模擬發(fā)送MMS報文，解析MMS報文和提取對點信息；

3)模擬告警直傳主站，實現調度主站與告警直傳網關機收發(fā)報文，解析DL/T 476報文；

4)模擬圖形網關機主站，與圖形網關機收發(fā)和解析G語言文件，顯示G語言文件圖形畫面，實時顯示對應畫面中數據。

3.3 施工中的配合

二次設備改造施工交叉配合多，早期變電站設計千差萬別，造成施工難度大、風險點多。因此每座變電站改造都需要現場踏勘、收集資料，編制針對性的改造方案。施工前完成圖紙復核和交底等工作，做好施工準備，合理安排停電計劃。

全站改造間隔輪流停電，改造順序一般先間隔保護，再變壓器保護，最后母線保護[8]。同時還需考慮與自動化改造相結合，自動化系統改造時，先布置新監(jiān)控后臺和遠動通信，調度端增開新的遠動通道，原監(jiān)控及遠動同時運行。改造過程中新設備直接接入新的自動化系統，改造全部完成后直接停用原系統，測控改造參考保護裝置改造[9]。自動化改造時也可以結合網絡安全監(jiān)測的部署及“一鍵”順控和“輔助設備全面監(jiān)視”的專項改造一并開展。

4 結 語

變電站二次設備改造是一項復雜的系統工程，需要全局考慮站內設備技術特點和運行維護習慣，采用符合標準化設計規(guī)范的新裝置，根據不同改造對象和施工條件選擇合適的“原屏改造”和“整屏更換”方案，通過預制電纜和可拼接屏柜提高更換效率，借助自動對點系統改進系統接入工作，多措并舉減少施工停電時間。一次全面完善的改造,徹底消除設備潛在安全隱患，直接收獲多年的安全穩(wěn)定經濟運行，開啟系統新的生命周期。