110 kV智能變電站備自投保護(hù)用母線電壓的分析

王鵬程

（國網(wǎng)晉中供電公司，山西晉中030600）

0 引言

隨著國家經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的不斷提高以及居民用電需求的不斷增長，用戶對供電質(zhì)量和供電可靠性的要求越來越高，備自投裝置是電力系統(tǒng)中非常重要的安全自動裝置，對于提高供電可靠性起著十分重要的作用。因此，備自投裝置已成為中低壓系統(tǒng)變電站自動化的最基本功能之一。典型的110 kV電壓等級變電站為2條110 kV進(jìn)線，分別連接到110 kV 2段母線上，2段母線通過分段斷路器連接，即單母分段接線運(yùn)行方式。正常運(yùn)行方式有以下2種[1]：一是1條110 kV進(jìn)線斷路器運(yùn)行，分段斷路器合位運(yùn)行，另1條進(jìn)線斷路器處于熱備用狀態(tài)，運(yùn)行線路間隔斷路器帶全站負(fù)荷；二是2條進(jìn)線間隔斷路器處于運(yùn)行狀態(tài)，分段斷路器分位熱備用狀態(tài)，各自帶站內(nèi)一段負(fù)荷。對應(yīng)這2種運(yùn)行方式下的110 kV備自投保護(hù)裝置也有2種運(yùn)行方式，即進(jìn)線備自投方式和分段備自投方式。不論哪種方式，備自投保護(hù)裝置動作的判據(jù)都是在失去母線電壓后進(jìn)行的，所以母線電壓對于備自投保護(hù)裝置的正確動作起著至關(guān)重要的作用。

依據(jù)國家電網(wǎng)公司規(guī)范要求，智能變電站繼電保護(hù)裝置通常采用“直采直跳”的原則，110 kV備自投保護(hù)也遵循這個原則[2]。依據(jù)各繼電保護(hù)生產(chǎn)廠家備自投保護(hù)裝置原理，通常需要采集110 kV母線電壓、進(jìn)線間隔電流、進(jìn)線線路電壓的采樣值SV（sampled value）信息及各間隔斷路器位置、合后位置等面向通用對象的變電站事件GOOSE（generic object oriented substation event）信息。涉及各間隔的信息都是從各間隔的合智一體裝置采集的，比如間隔電流、線路電壓及位置信息等；而母線電壓則既可以直接從母線電壓合并單元裝置取，也可以從各間隔合智一體裝置取。本文將分別介紹這2種母線電壓的取法，并從4個方面對2種取法進(jìn)行比較。

1 備自投保護(hù)用母線電壓

1.1 備自投裝置的工作原理及基本要求

備自投裝置的工作原理[3]：采用交流不間斷采樣方式，采集到信號后實時進(jìn)行傅立葉法計算，能精確判斷電源狀態(tài)，并實施延時切換電源。備自投裝置具有在線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視功能，可觀察各輸入電氣量、開關(guān)量、定值等信息，有比較可靠的軟硬件看門狗功能和事件記錄功能。目前110 kV變電站大多數(shù)都配置了110 kV備自投裝置，且多采用進(jìn)線備投的運(yùn)行方式來保證在發(fā)生電網(wǎng)事故或線路故障時對用戶供電的連續(xù)性，將負(fù)荷損失降至最低。

對備自投裝置的基本要求[4]有以下幾點(diǎn)：一是裝置的啟動部分應(yīng)能反映工作母線失去電壓的狀態(tài)；二是工作電源斷開后，備用電源才能投入；三是備自投裝置只能動作一次，以免在母線上或引出線上發(fā)生持續(xù)性故障時，備用電源被多次投入到故障元件上，造成更嚴(yán)重的事故；四是備自投裝置應(yīng)該保證停電時間最短，使電動機(jī)容易自啟動；五是當(dāng)電壓互感器的熔斷器熔斷時備自投裝置不應(yīng)動作；六是當(dāng)備用電源無電壓時，備自投裝置不應(yīng)動作。

1.2 進(jìn)線合智一體裝置取用

1.2.1 備自投保護(hù)裝置體系結(jié)構(gòu)

備自投保護(hù)裝置經(jīng)光纖直接與2個進(jìn)線的合智一體裝置連接，實現(xiàn)直接采集各進(jìn)線間隔電流SV、線路電壓SV及母線電壓SV，直接輸出跳合閘進(jìn)線斷路器GOOSE命令，通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)多間隔傳輸采集各間隔斷路器位置、合后位置等信號，并發(fā)出備自投保護(hù)裝置的合分段斷路器命令[5-6]。備自投保護(hù)裝置從間隔合智一體裝置取電壓結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 備自投保護(hù)裝置從間隔合智一體裝置取電壓結(jié)構(gòu)

1.2.2 備自投保護(hù)裝置虛端子連接關(guān)系

進(jìn)線間隔合智一體裝置從所在母線處的母線合并單元裝置上級聯(lián)母線電壓，再將母線電壓轉(zhuǎn)發(fā)給各間隔繼電保護(hù)裝置、測控采集裝置、故障錄波器及網(wǎng)絡(luò)在線分析裝置，同樣可以將母線電壓、間隔電流、線路電壓轉(zhuǎn)發(fā)給備自投保護(hù)裝置。

1.3 母線合并單元取用

1.3.1 備自投保護(hù)裝置體系結(jié)構(gòu)

備自投保護(hù)裝置經(jīng)光纖直接與2個進(jìn)線的合智一體裝置連接，實現(xiàn)直接采樣各進(jìn)線間隔電流SV、線路電壓SV，直接輸出跳合閘進(jìn)線斷路器GOOSE命令；單獨(dú)與110 kV母線電壓合并單元連接，采集2段母線電壓SV，仍通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)多間隔傳輸采集斷路器位置、合后位置等信號，并發(fā)出備自投保護(hù)的合分段斷路器命令。備自投保護(hù)從母線合并單元取電壓結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 備自投保護(hù)從母線合并單元取電壓結(jié)構(gòu)

1.3.2 備自投保護(hù)裝置虛端子連接關(guān)系

備自投保護(hù)裝置從各間隔合智一體裝置處取各進(jìn)線間隔電流SV、線路電壓量SV；而母線電壓則單獨(dú)通過光纖鏈路從A套母線電壓合并單元處接收。

2 2種取用方法的比對

從上述2種方案來看，都可以實現(xiàn)備自投保護(hù)裝置用母線電壓的接取。從實際投運(yùn)的變電站看，有采用第一種方案從各進(jìn)線合智一體裝置取母線電壓，也有采用第二種方案從母線電壓合并單元取母線電壓，這2種方案各有優(yōu)勢，但也存在各自的弊端，下面從4個方面對此進(jìn)行分析。

2.1 光纜連接數(shù)量

從圖1和圖2可以看出，采用從母線電壓合并單元處取母線電壓時，需要多敷設(shè)一根光纜，且備自投保護(hù)裝置需單獨(dú)開設(shè)一個光口用于接收母線電壓。而從各進(jìn)線間隔合智一體裝置處取母線電壓時，對于備自投保護(hù)裝置而言，只接收進(jìn)線合智一體裝置發(fā)出的SV信息，向進(jìn)線合智一體裝置發(fā)出GOOSE跳合閘命令，可共用一個光口實現(xiàn)收發(fā)；2個進(jìn)線間隔則需要2個光口，再配置一個GOOSE組網(wǎng)光口即可實現(xiàn)保護(hù)功能。此方案下備自投保護(hù)裝置、進(jìn)線合智一體裝置的光口數(shù)量配置最少，母線電壓SV則通過已有的光纖鏈路轉(zhuǎn)發(fā)，節(jié)省光纜及光口數(shù)量。

2.2 虛端子連線

不同二次繼電保護(hù)設(shè)備生產(chǎn)廠家的110 kV備自投保護(hù)裝置模型并不統(tǒng)一，有具備母線電壓額定延時的模型，有具備進(jìn)線電源額定延時的模型，有2個額定延時都具備的模型，也有備自投保護(hù)裝置沒有額定延時的模型。針對不同的裝置模型，應(yīng)該設(shè)計不同的虛端子連線以滿足正常的運(yùn)行要求。當(dāng)進(jìn)線合智一體裝置與備自投保護(hù)裝置分屬不同的設(shè)備生產(chǎn)廠家時，必須注意采樣額定延時的問題。從備自投保護(hù)裝置虛端子連接情況和圖2來看，備自投保護(hù)裝置只有進(jìn)線間隔的額定延時，沒有母線電壓的額定延時，此時從各進(jìn)線間隔合智一體裝置取母線電壓更能滿足保護(hù)安全運(yùn)行的要求。若從母線電壓合并單元取用母線電壓，則母線電壓SV經(jīng)一個合并單元輸出，其固有額定延時在500～750 μs之間，也就是一級延時；而進(jìn)線間隔電流經(jīng)合智一體裝置輸出，合智一體裝置又經(jīng)IEC61850-9-2級聯(lián)了母線電壓后，其固有延時在1 000～1 500 μs之間，也就是二級延時。這種情況將造成備自投保護(hù)裝置接收到母線電壓SV和進(jìn)線電流SV存在延時差別，影響保護(hù)裝置正常邏輯判斷。所以，應(yīng)根據(jù)備自投保護(hù)裝置不同的模型來設(shè)計虛端子連線，以確定從母線電壓合并單元取還是從進(jìn)線合智一體裝置取母線電壓更符合備自投保護(hù)裝置的運(yùn)行要求。

2.3 備自投保護(hù)裝置校驗

110 kV智能變電站備自投保護(hù)裝置的校驗通常是用模擬量試驗儀給母線電壓合并單元加試驗電壓的方法來實際模擬，因此上述2種備自投取母線電壓的方法對試驗沒有影響，都可以正常進(jìn)行。當(dāng)我們用數(shù)字式試驗儀單獨(dú)校驗備自投保護(hù)裝置時，采用母線電壓合并單元取電壓的模式更為便捷，1路光口關(guān)聯(lián)電壓SV，另外2路光口分別關(guān)聯(lián)進(jìn)線GOOSE信息。而當(dāng)采用從各進(jìn)線合智一體裝置取電壓時，需要2路光口關(guān)聯(lián)SV采樣值，另外2路光口分別關(guān)聯(lián)進(jìn)線GOOSE量，4路光口對于手持式數(shù)字試驗儀很難滿足，增加了現(xiàn)場調(diào)試難度[7]。

2.4 設(shè)備檢修

遇有智能變電站內(nèi)任一段母線電壓互感器一次設(shè)備檢修時，被檢修母線的二次設(shè)備可以通過電壓并列功能實現(xiàn)母線電壓的輸出，此時對于2種母線電壓取用的方式?jīng)]有影響，備自投保護(hù)裝置可以正常運(yùn)行。

當(dāng)站內(nèi)110 kV母線A套電壓合并單元故障退出運(yùn)行時，此時不論哪種備自投裝置取母線電壓的方式，都將失去110 kV母線I母電壓，2種取用方式都需要將備自投保護(hù)裝置退出運(yùn)行。

當(dāng)站內(nèi)110 kV母線B套電壓合并單元故障退出運(yùn)行時，此時備自投裝置從母線A套合并單元取母線電壓方式的，將不會受到影響，備自投裝置可以正常運(yùn)行；而從進(jìn)線合智一體裝置取母線電壓方式的，由于B套電壓合并單元故障，不能輸出Ⅱ母電壓至進(jìn)線2合智一體裝置，造成備自投保護(hù)裝置Ⅱ母失壓，這時需要將備自投保護(hù)裝置退出運(yùn)行。

3 結(jié)束語

隨著我國人民生產(chǎn)生活的現(xiàn)代化程度日益提高，人們對電力的需求和依賴程度也在倍增，對電能質(zhì)量的要求也更加嚴(yán)格，供配電在各個領(lǐng)域也不斷向自動化、無人值守、遠(yuǎn)程控制、不間斷供電的目標(biāo)邁進(jìn)。有些電力用戶尤其對不間斷供電的要求顯得更加突出。在《電力裝置的繼電保護(hù)和自動裝置設(shè)計規(guī)范》（GB 50062—2016）中第十一章明確規(guī)定了備用電源和備用設(shè)備自動投入的具體要求。備自投保護(hù)裝置母線電壓的取用直接關(guān)系裝置的正常運(yùn)行，目前多數(shù)110 kV電壓等級變電站采用110 kV備自投保護(hù)用電壓取用110 kV母線A套合并單元，各110 kV電壓等級變電站應(yīng)在慎重考慮各種因素下的情況，綜合比較判斷后選擇最佳的接取方案，以保障供電質(zhì)量和供電可靠性。本文對目前110 kV智能變電站中110 kV備自投保護(hù)裝置母線電壓的取用方式進(jìn)行了簡單的分析和探討，旨在對今后智能變電站備自投保護(hù)裝置驗收調(diào)試工作有所幫助，希望電力行業(yè)的學(xué)者專家多提意見和建議。