220 kV智能變電站繼電保護(hù)組網(wǎng)方式及優(yōu)化配置

徐春洋

國(guó)家電投集團(tuán)江蘇新能源有限公司，江蘇 鹽城 224000

0 引言

繼電保護(hù)設(shè)計(jì)是保障智能變電站穩(wěn)定運(yùn)行和各項(xiàng)功能順利實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。由于智能變電站過(guò)程層、間隔層的設(shè)備種類(lèi)多樣，不同設(shè)備之間的組網(wǎng)方式?jīng)]有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，不僅影響了設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)通信，而且影響變電站二次設(shè)備的安全運(yùn)行。因此，在智能變電站的設(shè)計(jì)和施工中，一方面要優(yōu)化繼電保護(hù)的配置，另一方面還要科學(xué)選擇組網(wǎng)方式。這樣才能有效保護(hù)智能變電站的穩(wěn)定運(yùn)行，為發(fā)電廠創(chuàng)造預(yù)期的效益。

1 智能變電站繼電保護(hù)組網(wǎng)方式

（1）智能變電站“三層兩網(wǎng)”網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。從系統(tǒng)組成架構(gòu)上來(lái)看，智能變電站系統(tǒng)共包括3部分，即站控層、間隔層和過(guò)程層。層與層之間使用基于IEC 61850通信標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行連接。系統(tǒng)組成如圖1所示[1]。

圖1 智能變電站“三層兩網(wǎng)”網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

其中，站控層主要包括GPS定位系統(tǒng)、配合監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)前端設(shè)備的狀態(tài)信息，并將采集信息與系統(tǒng)存儲(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)信息進(jìn)行對(duì)比。若發(fā)現(xiàn)超出標(biāo)準(zhǔn)范圍的數(shù)據(jù)，則由GPS進(jìn)行定位，從而快速鎖定故障源，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)保護(hù)。間隔層以系統(tǒng)保護(hù)及測(cè)控裝置為主，如主變保護(hù)、線路保護(hù)、母線保護(hù)，以及溫度測(cè)控、壓力測(cè)控等裝置。在完成實(shí)時(shí)測(cè)量與數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，還能夠響應(yīng)站控層發(fā)出的指令，完成相應(yīng)的控制動(dòng)作。過(guò)程層主要包括智能操作箱、常規(guī)開(kāi)關(guān)、電子式互感器和合并單元（MU）。

（2）變電站繼電保護(hù)組網(wǎng)方式。智能變電站中繼電保護(hù)組網(wǎng)方式有2種，分別是站控層網(wǎng)絡(luò)、過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)。其中，站控層網(wǎng)絡(luò)選擇星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在站控層和間隔層之間使用MMS和GOOSE共網(wǎng)傳輸。其中，MMS負(fù)責(zé)傳輸保護(hù)測(cè)控動(dòng)作信號(hào)與告警信號(hào)，GOOSE負(fù)責(zé)傳輸五防連鎖信號(hào)和后臺(tái)控制命令。整個(gè)站控層共設(shè)有16臺(tái)交換機(jī)，10臺(tái)為百兆、2光口，6臺(tái)為百兆、4光口。過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)選擇星型以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在間隔層和過(guò)程層之間使用SV網(wǎng)和GOOSE網(wǎng)進(jìn)行信息傳輸。其中，SV網(wǎng)負(fù)責(zé)傳輸系統(tǒng)的電壓、電流等模擬量信息，GOOSE網(wǎng)負(fù)責(zé)傳輸開(kāi)關(guān)量信息、跳合閘指令等。

2 智能變電站繼電保護(hù)配置

2.1 智能保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)組成

智能變電站的繼電保護(hù)裝置硬件結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。該裝置的主CPU有2個(gè)專(zhuān)用的采樣信號(hào)傳輸串口，采用有線連接的方式，分別與光接收單元和采樣單元連接。其中，光纖內(nèi)傳輸?shù)男畔ⅲM(jìn)入光接收單元后，完成“光—電”轉(zhuǎn)化，輸出為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的二進(jìn)制信息。開(kāi)關(guān)量信號(hào)進(jìn)入采樣單元后，經(jīng)過(guò)濾波、降噪處理后，也作為采樣信號(hào)進(jìn)入主CPU。經(jīng)過(guò)CPU的運(yùn)算處理后，分析結(jié)果可直接作為輸出量，傳輸?shù)匠隹趩卧?，用于控制繼電保護(hù)器做出相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作。另外一部分經(jīng)過(guò)雙端RAM和從CPU處理后，分別進(jìn)入人機(jī)接口、通信接口。管理員可通過(guò)人機(jī)交互界面，直觀了解智能變電站繼電保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)情況[2]。

圖2 智能保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)組成

2.2 智能保護(hù)配置的優(yōu)化策略

結(jié)合智能保護(hù)裝置的基本組成和運(yùn)行原理，可嘗試以下三種優(yōu)化策略：（1）以過(guò)程層為基礎(chǔ)的分布式母線保護(hù)。在母線保護(hù)方式上，用分布式網(wǎng)絡(luò)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的集中式網(wǎng)絡(luò)，一方面能夠顯著提高通信能力，滿足變電站的系統(tǒng)配置，尤其是在簡(jiǎn)化母差保護(hù)邏輯、實(shí)現(xiàn)獨(dú)立保護(hù)等方面優(yōu)勢(shì)顯著。（2）智能變壓器保護(hù)。常規(guī)的變壓器差動(dòng)保護(hù)會(huì)產(chǎn)生較大的勵(lì)磁涌流，導(dǎo)致誤動(dòng)或拒動(dòng)問(wèn)題。基于智能變壓器的保護(hù)策略，根據(jù)線路中電壓、電流的變化，靈活調(diào)整保護(hù)的整定值，從而在預(yù)防匝間短路和避免勵(lì)磁涌流方面發(fā)揮了顯著作用。（3）輸電線路智能保護(hù)。依托電子式互感器實(shí)施采集線路中的電流、電壓值，并且將高電壓轉(zhuǎn)化成低電壓、大電流轉(zhuǎn)化成小電流，避免過(guò)電壓、過(guò)電流對(duì)智能變電站電力系統(tǒng)造成的損害[3]。

3 某220 kV智能變電站繼電保護(hù)優(yōu)化配置的實(shí)施方案

某220 kV智能變電站主變部分采用三相三繞組變壓器，容量為200 MVA；220 kV部分和110 kV部分，均采用雙母線單分段接線。該變電站的原繼電保護(hù)系統(tǒng)中，站內(nèi)多個(gè)子系統(tǒng)使用的SCD模型型號(hào)不統(tǒng)一、兼容性差、調(diào)試工作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，嚴(yán)重影響繼電保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)，需要對(duì)其配置方案進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)過(guò)前期調(diào)查和設(shè)計(jì)后，提出了2種實(shí)施方案。

（1）方案一。220 kV過(guò)程層SV網(wǎng)絡(luò)選擇“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的直采方式連接，擺脫了對(duì)外部同步的依賴，可實(shí)現(xiàn)線路保護(hù)測(cè)控、母線保護(hù)、母聯(lián)測(cè)控等功能。過(guò)程層GOOSE網(wǎng)絡(luò)選擇樹(shù)形拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，可用于傳輸線路跳閘、故障告警、閉鎖重合閘等信號(hào)。110 kV過(guò)程層SV網(wǎng)和GOOSE網(wǎng)在布置方式上與上文相同，但是在交換機(jī)的數(shù)量和位置上有所差異。具體配置方案如表1所示。

表1 方案一交換機(jī)配置表

（2）方案二。220 kV過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)選擇網(wǎng)采網(wǎng)跳方式連接，將SV網(wǎng)、GOOSE網(wǎng)和IEEE1588網(wǎng)合為一體，形成組網(wǎng)。繼電保護(hù)裝置上選擇雙套配置，一套接入過(guò)程層的A1和A2網(wǎng)，另一套則接入過(guò)程層的B1和B2網(wǎng)。24臺(tái)交換機(jī)集中租柜，均使用百兆、16多模光口工業(yè)級(jí)交換機(jī)，保證通信質(zhì)量。110 kV過(guò)程層組網(wǎng)方式與上文相同，但是采用單套保護(hù)裝置，配備有10臺(tái)百兆、16多模光口交換機(jī)。具體配置如表2所示。

表2 方案二交換機(jī)配置表

（3）技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。方案一采用“直采網(wǎng)跳”的組網(wǎng)方案，從技術(shù)層面上看，其優(yōu)點(diǎn)在于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的可靠性較強(qiáng)，而且SV網(wǎng)絡(luò)采樣擺脫了對(duì)外部同步的依賴，所用交換機(jī)數(shù)量較低，在成本上也有優(yōu)勢(shì)。缺點(diǎn)在于線路比較復(fù)雜，增加了光纜成本，而且信息共享能力較差。方案二采用“網(wǎng)采網(wǎng)跳”的組網(wǎng)方案，從技術(shù)層面上看其優(yōu)點(diǎn)在于線路簡(jiǎn)單，所用光纜較少，支持設(shè)備之間的信息共享，協(xié)調(diào)性較好。缺點(diǎn)在于所有數(shù)據(jù)均需要經(jīng)過(guò)交換機(jī)傳輸，無(wú)形中增加了交換機(jī)的運(yùn)行壓力。同時(shí)，配置交換機(jī)數(shù)量較多，成本較高。綜合技術(shù)可行性、成本性價(jià)比兩方面因素，最終選擇方案一進(jìn)行變電站繼電保護(hù)配置優(yōu)化。

4 結(jié)束語(yǔ)

優(yōu)化繼電保護(hù)組網(wǎng)方式和系統(tǒng)配置，是提高智能變電站運(yùn)行效率的重要手段。針對(duì)現(xiàn)階段發(fā)電廠智能變電站組網(wǎng)方式標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、智能保護(hù)配置不協(xié)調(diào)的問(wèn)題，在進(jìn)行優(yōu)化配置時(shí)應(yīng)提前開(kāi)展調(diào)研，在充分了解智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、硬件組成的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)相應(yīng)的優(yōu)化方案。從實(shí)踐效果來(lái)看，選擇“直采網(wǎng)跳”的組網(wǎng)方案，同時(shí)引進(jìn)分布式母線保護(hù)、智能變壓器保護(hù)等技術(shù)，能夠以較低的成本顯著提高繼電保護(hù)配置的實(shí)用效果，成為智能變電站配置優(yōu)化的一種優(yōu)選方案。