交直流合建監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

(中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071)

0 引言

隨著我國(guó)建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)工作的推進(jìn)，高壓、特高壓直流輸電工程的應(yīng)用日益增多，受端換流站的站址選擇、站址征地等前期工作越來越困難，換流站與變電站同址合建在整合資源、降低投資、減少運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用等方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)，已成為經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的負(fù)荷中心新建直流工程的新模式[1-4]。由于交直流合建工程的換流站和變電站在同一個(gè)圍墻內(nèi)運(yùn)行，對(duì)全站的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行融合建設(shè)有利于運(yùn)行人員在主控室利用同一套監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)全站的監(jiān)視、控制與操作。

國(guó)內(nèi)較早建設(shè)的交直流合建工程，變電站和換流站的監(jiān)控系統(tǒng)分別單獨(dú)配置，運(yùn)行人員仍需采取“同址合建，分站值守”的模式，不利于交直流合建工程的高效運(yùn)行與維護(hù)，特別是對(duì)于共用設(shè)備的交直流合建工程，兩套監(jiān)控系統(tǒng)同時(shí)監(jiān)控共用設(shè)備將對(duì)全站的運(yùn)行帶來較大的風(fēng)險(xiǎn)。現(xiàn)有的電力設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)范[5-6]對(duì)交直流合建工程的設(shè)計(jì)原則與要求未作相關(guān)的說明，文獻(xiàn)[7]針對(duì)±500 kV及以上電壓等級(jí)的換流站，從系統(tǒng)接入方案、電氣主接線等方面對(duì)交直流合建工程進(jìn)行了分析，提出了交直流合建工程的主要技術(shù)原則，但該文獻(xiàn)未對(duì)交直流合建監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)原則和配置要求進(jìn)行相關(guān)的分析；文獻(xiàn)[8]采用將500 kV變電站站控層信息接入1 000 kV變電站站控層網(wǎng)絡(luò)的方式，進(jìn)行1 000 kV變電站與500 kV變電站監(jiān)控系統(tǒng)融合建設(shè)，實(shí)現(xiàn)全站一體化監(jiān)控和運(yùn)行，但該文獻(xiàn)給出的變電站監(jiān)控系統(tǒng)合建方案相當(dāng)于僅對(duì)變電站監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了擴(kuò)容。由于換流站的監(jiān)控系統(tǒng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備配置、系統(tǒng)功能等方面較變電站更為復(fù)雜，因此，該監(jiān)控系統(tǒng)合建方案在交直流合建工程中并不實(shí)用。

為解決交直流合建工程中監(jiān)控系統(tǒng)合建面臨的技術(shù)問題，本文針對(duì)變電站先期建設(shè)、換流站后期建設(shè)的交直流合建工程，首先，根據(jù)變電站和換流站的監(jiān)控系統(tǒng)配置模式不同的特點(diǎn)，提出了2種交直流合建監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案；其次，從可行性、經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)維情況等方面對(duì)該監(jiān)控系統(tǒng)合建設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了分析，確定了合理的監(jiān)控系統(tǒng)合建設(shè)計(jì)方案。最后，結(jié)合泰州±800 kV換流站和泰州1 000 kV變電站合建工程實(shí)例，分析了變電站和換流站的監(jiān)控系統(tǒng)配置情況，闡述了該工程的監(jiān)控系統(tǒng)合建方案的具體應(yīng)用措施，以實(shí)現(xiàn)“同址合建，統(tǒng)一監(jiān)控”的功能，該方案對(duì)提升交直流合建工程的運(yùn)維能力具有重要的實(shí)用價(jià)值。

1 交直流合建監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

現(xiàn)階段，特高壓換流站和變電站的監(jiān)控系統(tǒng)配置模式各不相同。對(duì)于特高壓變電站監(jiān)控系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)基于IEC 61850接口的智能設(shè)備仍在試驗(yàn)階段，1 000 kV電壓等級(jí)合并單元和智能終端的研發(fā)、制造及測(cè)試技術(shù)在工程應(yīng)用中尚不成熟，特高壓變電站監(jiān)控系統(tǒng)采用“兩層設(shè)備、單層網(wǎng)絡(luò)”結(jié)構(gòu)[9-12]，即站控層、間隔層設(shè)備以及站控層網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控系統(tǒng)的間隔層負(fù)責(zé)各間隔的就地監(jiān)控，且采用單套配置。

與特高壓變電站相比，換流站的監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化、分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由站控層、控制層和就地層三層設(shè)備兩層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，且監(jiān)控系統(tǒng)的控制層和就地層設(shè)備雙重化配置[13-14]。換流站的監(jiān)控系統(tǒng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上增加了由直流極/閥組控制、交/直流站控等控制子系統(tǒng)組成的控制層設(shè)備和相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)；在系統(tǒng)功能上不僅包括常規(guī)變電站的開環(huán)控制，還包括閉環(huán)控制和順序控制。換流站監(jiān)控系統(tǒng)不僅需要采集交流場(chǎng)設(shè)備的信息，還需要采集閥廳、直流場(chǎng)和交流濾波器場(chǎng)的信息；且換流站監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)信息的采集和運(yùn)算的實(shí)時(shí)性要求比變電站監(jiān)控系統(tǒng)更高。

由于交直流輸電工程的建設(shè)與大電網(wǎng)的規(guī)劃密切相關(guān)，交直流合建工程的變電站和換流站核準(zhǔn)和建設(shè)時(shí)序存在先后順序，這給變電站和換流站的建設(shè)帶來施工和運(yùn)行交叉等問題。針對(duì)變電站先行建設(shè)，換流站后期建設(shè)的交直流合建工程，在換流站建設(shè)時(shí)，變電站已正式投產(chǎn)運(yùn)行，變電站的監(jiān)控系統(tǒng)已按交流工程的原則進(jìn)行建設(shè)。因此，該類交直流合建工程的監(jiān)控系統(tǒng)可考慮以下兩種合建方案。

1.1 方案1

變電站和換流站的監(jiān)控系統(tǒng)按各自的原則獨(dú)立配置，在換流站建設(shè)時(shí)，在監(jiān)控系統(tǒng)站控層通過數(shù)據(jù)傳輸裝置實(shí)現(xiàn)變電站和換流站監(jiān)控系統(tǒng)之間的相互通信，實(shí)現(xiàn)交直流監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)融合，并通過合建后的監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)變電站和換流站的所有設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控，本方案的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 交直流合建監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案1結(jié)構(gòu)圖

本方案中，已建設(shè)的變電站測(cè)控單元和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備仍保留使用，并將有關(guān)聯(lián)的一次設(shè)備信號(hào)通過硬接點(diǎn)和模擬量開入分別接入變電站和換流站的測(cè)控裝置完成各站的聯(lián)鎖。換流站監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器既接入換流站監(jiān)控系統(tǒng)LAN網(wǎng)，又接入變電站站控層網(wǎng)絡(luò)，原變電站的監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)的功能均由換流站的相應(yīng)設(shè)備實(shí)現(xiàn)。

1.2 方案2

變電站監(jiān)控系統(tǒng)的測(cè)控裝置按換流站監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)原則重新配置。由于換流站和變電站的監(jiān)控系統(tǒng)無法在測(cè)控單元之間直接通信，在站控層網(wǎng)絡(luò)通信又無法滿足響應(yīng)速度的要求，因此，在換流站建設(shè)時(shí)，換流站和變電站采用統(tǒng)一的監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)，共享站控層設(shè)備，變電站間隔層設(shè)備的配置與換流站交流場(chǎng)設(shè)備一致，將變電站的測(cè)控信息納入換流站監(jiān)控系統(tǒng)范圍，通過擴(kuò)容換流站的監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)換流站和變電站的統(tǒng)一值守，本方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 交直流合建監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案2結(jié)構(gòu)圖

2 交直流合建監(jiān)控系統(tǒng)方案比較

從可行性、經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)維情況等方面對(duì)上述兩種交直流合建監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較。

2.1 方案1優(yōu)缺點(diǎn)

1)變電站和換流站關(guān)聯(lián)的一次設(shè)備需提前預(yù)留足夠的信號(hào)接口，在換流站建設(shè)時(shí)，將變電站和換流站有關(guān)聯(lián)的一次設(shè)備信號(hào)通過硬接點(diǎn)和模擬量開入的方式分別接入變電站和換流站的測(cè)控裝置，以完善各自監(jiān)控系統(tǒng)的軟件聯(lián)鎖邏輯。

2)新增換流站和變電站之間的通信接口設(shè)備(主要包括通信網(wǎng)關(guān)機(jī)、交換機(jī)和光纜等)。

3)換流站和變電站的監(jiān)控系統(tǒng)在高級(jí)應(yīng)用(如智能告警、順控操作、故障綜合分析等)以及人機(jī)界面、表現(xiàn)形式等方面存在較大差異，需要升級(jí)換流站監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)軟件。

4)與變電站和換流站監(jiān)控系統(tǒng)分別單獨(dú)建設(shè)相比，采用方案1進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)合建，換流站的設(shè)備費(fèi)用有相應(yīng)的增加。

5)采用方案1進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)合建，換流站監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)既能顯示變電站設(shè)備狀態(tài)，又能對(duì)變電站的設(shè)備進(jìn)行控制與操作，便于對(duì)全站的運(yùn)維管理。

2.2 方案2優(yōu)缺點(diǎn)

1)采用方案2進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)合建，無需考慮換流站和變電站之間的信息交換，且能夠有效地實(shí)現(xiàn)換流站和變電站監(jiān)控系統(tǒng)的接口。

2)由于變電站測(cè)控信息接入換流站監(jiān)控系統(tǒng)，需對(duì)換流站的監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)及數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行擴(kuò)容，升級(jí)換流站監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)軟件。

3)變電站監(jiān)控系統(tǒng)重新按照換流站的技術(shù)要求進(jìn)行更換，變電站一次設(shè)備的模擬量、信號(hào)量等信息也相應(yīng)增加，所需的監(jiān)控系統(tǒng)屏柜數(shù)量增加較多，由于變電站已先期建設(shè)，變電站繼電器小室的面積需增大，將嚴(yán)重影響兩站的建設(shè)和施工安排。

4)更換變電站的所有監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備，需對(duì)變電站所有的設(shè)備進(jìn)行控分/控合功能驗(yàn)證，變電站需要停電進(jìn)行調(diào)試和試驗(yàn)。

5)與變電站和換流站監(jiān)控系統(tǒng)分別單獨(dú)建設(shè)相比，采用方案2進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)合建，換流站的設(shè)備費(fèi)用需大量增加。

以上兩種方案從可行性、經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)維情況等方面比較可歸納如表1所示。

表1 交直流合建監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案對(duì)比

由表1可知，方案2雖能夠?qū)崿F(xiàn)換流站和變電站監(jiān)控系統(tǒng)合建，且具有技術(shù)難度小，接口問題少等優(yōu)點(diǎn)，但由于變電站已先行建設(shè)，若采用方案2進(jìn)行監(jiān)控系統(tǒng)合建，變電站監(jiān)控系統(tǒng)的屏柜均需重新接線，且新增的監(jiān)控系統(tǒng)屏柜數(shù)量較多，變電站已建的繼電器小室面積需加大，設(shè)備費(fèi)用和施工費(fèi)用將顯著增加，施工難度大，全站的停電時(shí)間長(zhǎng)。而方案1具有施工難度小、運(yùn)維方便、經(jīng)濟(jì)性較好等特點(diǎn)。因此，本文推薦采用方案1進(jìn)行交直流合建工程的監(jiān)控系統(tǒng)合建。

3 交直流合建監(jiān)控系統(tǒng)的具體應(yīng)用

3.1 交直流合建工程概況

泰州±800 kV換流站與泰州1 000 kV變電站同址合建，換流站1 000 kV交流系統(tǒng)與變電站1 000 kV交流系統(tǒng)共用1 000 kV 氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(gas insulated switchgear，GIS)。變電站1 000 kV交流系統(tǒng)采用3/2接線方式，遠(yuǎn)期共6回出線和4回主變進(jìn)線共10組進(jìn)出線，組成5個(gè)完整串；換流站采用分層接入的方案，高端換流變網(wǎng)側(cè)接入500 kV交流系統(tǒng)，低端換流變網(wǎng)側(cè)接入1 000 kV交流系統(tǒng)。換流站1 000 kV交流系統(tǒng)包括2回低端換流變進(jìn)線，2大組交流濾波器進(jìn)線，遠(yuǎn)期新上2回出線，共組成3個(gè)完整串。換流站和變電站的1 000 kV交流系統(tǒng)電氣主接線圖如圖3所示。其中，1 000 kV GIS設(shè)備第1～5串為變電站建設(shè)范圍，已先行建設(shè)；第6～8串屬于本期換流站建設(shè)范圍，變電站和換流站的其余電氣部分完全獨(dú)立。

圖3 1 000 kV系統(tǒng)電氣主接線圖

由于變電站和換流站建設(shè)時(shí)分別采用了不同廠家的監(jiān)控系統(tǒng)，兩套監(jiān)控系統(tǒng)同時(shí)監(jiān)控1 000 kV交流系統(tǒng)將對(duì)全站的運(yùn)維帶來嚴(yán)重的影響。例如調(diào)整1 000 kV母線運(yùn)行方式時(shí)，運(yùn)行人員需要同時(shí)登錄換流站和變電站主控室內(nèi)各自的監(jiān)控系統(tǒng)操作平臺(tái)進(jìn)行操作，嚴(yán)重影響了變電站和換流站的運(yùn)維安全。

3.2 交直流合建監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)措施

先期建設(shè)的泰州1 000 kV變電站采用南瑞繼保PCS-9700后臺(tái)，后期建設(shè)的泰州換流站采用許繼DS3000后臺(tái)。結(jié)合本文所提出的交直流合建監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)交直流監(jiān)控系統(tǒng)合建的具體措施如下：

1)將變電站1 000 kV母線地刀位置信號(hào)和母線電壓接入換流站的測(cè)控裝置，用于1 000 kV第6、7、8串的邊斷路器的聯(lián)鎖邏輯和電壓同期判據(jù)；將換流站1 000 kV第6、7、8串的邊斷路器和隔離開關(guān)位置信號(hào)接入變電站的測(cè)控單元，用于1 000 kV母線地刀的聯(lián)鎖邏輯判據(jù)；

2)變電站增加遠(yuǎn)動(dòng)通信裝置，通過104規(guī)約將變電站斷路器、隔離開關(guān)和接地刀閘的測(cè)量量、信號(hào)量(包含斷路器、隔離開關(guān)和接地刀閘的控分允許位、控合允許位等)、事件順序記錄(sequence of event，SOE)等信息上傳至換流站監(jiān)控系統(tǒng)，并接收換流站監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送的遙控命令；換流站監(jiān)控系統(tǒng)增加通信網(wǎng)關(guān)機(jī)，用于處理所接收的變電站設(shè)備的信息。

3)變電站的遠(yuǎn)動(dòng)通信裝置能夠?qū)崿F(xiàn)遙控直控模式，且聯(lián)閉鎖邏輯由各自監(jiān)控系統(tǒng)完成。換流站監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)不負(fù)責(zé)變電站設(shè)備的邏輯判斷，僅依據(jù)變電站設(shè)備的狀態(tài)及聯(lián)閉鎖邏輯允許位進(jìn)行控制操作。

對(duì)于變電站內(nèi)的設(shè)備，變電站監(jiān)控系統(tǒng)的控制方式：“控分/控合允許位”滿足自身的聯(lián)鎖條件。變電站的設(shè)備“分合位”與設(shè)備的“控分/控合允許位”沒有關(guān)聯(lián)，實(shí)際操作時(shí)，設(shè)備的狀態(tài)需要同“控分/控合允許位”綜合判斷，再下發(fā)控制命令。除遠(yuǎn)方/就地控制之外，執(zhí)行“控分/控合命令”的邏輯判斷由斷路器、隔離開關(guān)和接地刀閘本身的電氣閉鎖完成。

對(duì)于變電站內(nèi)的設(shè)備，換流站監(jiān)控系統(tǒng)的控制方式：當(dāng)變電站設(shè)備的“合位”+“控分允許位”兩個(gè)條件滿足時(shí)，換流站監(jiān)控系統(tǒng)向變電站設(shè)備下發(fā)“直接執(zhí)行控分命令”；當(dāng)變電站設(shè)備“分位”+“控合允許位”兩個(gè)條件滿足時(shí)，換流站監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)向變電站設(shè)備下發(fā)“直接執(zhí)行控合命令”。

4)變電站設(shè)備所涉及的監(jiān)控系統(tǒng)合建范圍為所有的斷路器、隔離開關(guān)和接地刀閘，且合建后的監(jiān)控系統(tǒng)要求為變電站的遠(yuǎn)期擴(kuò)建設(shè)備預(yù)留接口。

5)由于變電站測(cè)控信息接入換流站監(jiān)控系統(tǒng)，需對(duì)原換流站監(jiān)控系統(tǒng)的相關(guān)軟件進(jìn)行升級(jí)。并通過合建后的監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)變電站的斷路器、隔離開關(guān)、接地刀閘進(jìn)行控分/控合功能驗(yàn)證。

變電站和換流站監(jiān)控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸示意圖如圖4所示。

圖4 交直流合建監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸示意圖

4 結(jié)論

為解決交直流合建工程的監(jiān)控系統(tǒng)融合建設(shè)面臨的難題，本文分別分析了特高壓換流站和變電站的監(jiān)控系統(tǒng)配置原則，提出了交直流監(jiān)控系統(tǒng)合建方案，并從可行性、經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)維情況等方面進(jìn)行了詳細(xì)分析，得出結(jié)論如下：

1)采用變電站和換流站監(jiān)控系統(tǒng)獨(dú)立配置、在站控層通過數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行通信的監(jiān)控系統(tǒng)合建方案，和采用變電站監(jiān)控系統(tǒng)的測(cè)控裝置按換流站監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)原則重新配置的方案，均可實(shí)現(xiàn)變電站先期建設(shè)、換流站后期建設(shè)的交直流合建工程的監(jiān)控系統(tǒng)合建功能。

2)針對(duì)變電站先期建設(shè)、換流站后期建設(shè)的交直流合建工程，采用變電站和換流站監(jiān)控系統(tǒng)獨(dú)立配置、在站控層通過數(shù)據(jù)傳輸轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行通信的監(jiān)控系統(tǒng)合建方案，具有施工難度小、運(yùn)維方便、經(jīng)濟(jì)性好等顯著優(yōu)勢(shì)。