就地化保護(hù)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望

徐 濤，仇前生，陸振坤，杜鳴亮，張藏龍

(國(guó)網(wǎng)蕪湖供電公司，安徽 蕪湖 241000)

隨著智能變電站建設(shè)與運(yùn)行的深入，智能變電站運(yùn)維過(guò)程中的問(wèn)題凸顯，具體表現(xiàn)在：保護(hù)整體可靠性降低，過(guò)程層設(shè)備大量使用增加了回路的復(fù)雜性，設(shè)備故障率高；二次設(shè)備種類(lèi)多，配置文件復(fù)雜，消缺查找問(wèn)題不便，改擴(kuò)建過(guò)程多依賴(lài)設(shè)備廠家，運(yùn)維難度大；采用組網(wǎng)的SMV網(wǎng)絡(luò)，雖然節(jié)省了電纜，但工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)使用數(shù)量大大增加，經(jīng)濟(jì)性有待考量[1]。

為解決以上問(wèn)題，保護(hù)就地化和功能縱向集成得到了廣泛的關(guān)注和研究。就地化保護(hù)有以下特點(diǎn)：保護(hù)裝置功能高度集成，靠近一次設(shè)備就地布置，裝置采用標(biāo)準(zhǔn)化接口設(shè)計(jì)，體積小、高防護(hù)、能耗低，即插即用；各間隔保護(hù)分散采集本間隔信息，對(duì)上具備GOOSE、SV輸出功能，接入保護(hù)專(zhuān)網(wǎng)，對(duì)下電流電壓及控制回路與一次設(shè)備采用短電纜連接，提升保護(hù)的可靠性；站控層新增智能管理單元，通過(guò)MMS專(zhuān)網(wǎng)接入保護(hù)信息，為全站保護(hù)設(shè)備提供集中式展示界面，支持對(duì)設(shè)備的在線監(jiān)視、配置下裝、故障信息管理等[2-4]。

目前，具備高防護(hù)、抗干擾、滿足戶外無(wú)防護(hù)就地化布置的產(chǎn)品已掛網(wǎng)試運(yùn)行[5-6]。本文從就地化整站實(shí)現(xiàn)方案、就地化配置方案、運(yùn)檢模式探索3個(gè)方面總結(jié)了就地化保護(hù)研究現(xiàn)狀，并對(duì)未來(lái)保護(hù)發(fā)展方向做了思索和展望。

1 就地化保護(hù)研究現(xiàn)狀

1.1 就地化保護(hù)的整站設(shè)計(jì)

就地化保護(hù)的智能變電站的設(shè)計(jì)遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，站內(nèi)二次設(shè)備三層結(jié)構(gòu)布置，如圖1所示，與傳統(tǒng)智能變電站有所區(qū)別。過(guò)程層取消合并單元和智能終端，采用電纜直采直跳，只須要操作繼電器組作為保護(hù)裝置與開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)的接口；間隔層設(shè)備配置與常規(guī)智能變電站類(lèi)似，所不同的是就地化保護(hù)裝置具備SV和GOOSE輸出功能，供站域保護(hù)、故障錄波和網(wǎng)絡(luò)分析等設(shè)備使用；站控層除故障錄波、網(wǎng)絡(luò)分析、通信網(wǎng)關(guān)機(jī)、監(jiān)控主機(jī)外，新增智能管理單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)站內(nèi)就地化保護(hù)設(shè)備進(jìn)行界面集中展示與運(yùn)檢管理。

圖1 保護(hù)測(cè)控就地化全站結(jié)構(gòu)示意圖

過(guò)程層無(wú)須網(wǎng)絡(luò)，常規(guī)智能站過(guò)程層交換機(jī)全部取消。就地化保護(hù)的全站網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)近期采用SV+GOOSE共網(wǎng)共口、MMS網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立配置方式，遠(yuǎn)期方案采取SV，GOOSE，MMS三網(wǎng)合一[7]。典型設(shè)計(jì)采用雙重化配置的保護(hù)專(zhuān)網(wǎng)配置，增加間隔層信息交互的可靠性和穩(wěn)定性，兩套保護(hù)專(zhuān)網(wǎng)之間采用網(wǎng)絡(luò)隔離裝置保證跨網(wǎng)交互的安全性。

測(cè)控裝置按間隔配置，就地化保護(hù)之后，測(cè)控配置有就地化和部分就地化2種典型方案。借鑒保護(hù)就地化思路，將測(cè)控功能縱向集成在就地裝置，靠近一次設(shè)備安裝，電纜直接采樣，直接跳閘，具有功耗低、功能簡(jiǎn)單可靠的特點(diǎn)，已有掛網(wǎng)使用。部分就地化方案采用“基本測(cè)控+擴(kuò)展子機(jī)”方式，擴(kuò)展子機(jī)實(shí)現(xiàn)就地控制以及一次信號(hào)采集功能，安裝就地化。兩種方案各有特點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與一二次設(shè)備安裝位置具體規(guī)劃[8]。

智能站除按間隔配置的保護(hù)，延伸出站域保護(hù)的概念。站域保護(hù)采用傳統(tǒng)布置方式，安裝在二次設(shè)備室屏柜內(nèi)部，通過(guò)不同數(shù)據(jù)接口掛接在保護(hù)專(zhuān)網(wǎng)和站控層網(wǎng)絡(luò)上，接收來(lái)自線路、母聯(lián)（分段）、變壓器各間隔保護(hù)單元等輸出間隔采樣和間隔設(shè)備狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)備自投、低周減載、主變聯(lián)切等功能[9]。站域保護(hù)與就地化繼電保護(hù)相互協(xié)調(diào)、相互配合、相互補(bǔ)充。

1.2 就地化保護(hù)配置方案

變電站內(nèi)保護(hù)按間隔配置，可分為單間隔保護(hù)、跨間隔保護(hù)兩類(lèi)[10]。單間隔保護(hù)包括線路保護(hù)、母聯(lián)保護(hù)等，跨間隔保護(hù)主要為主變保護(hù)、母差保護(hù)。

1.2.1 單間隔保護(hù)

線路保護(hù)配置完整的主后備保護(hù)功能，對(duì)于電壓等級(jí)較高或者重要線路，保護(hù)雙重化配置，就地安裝，通過(guò)電纜直采直跳[11]。借助GOOSE網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)本間隔變位信息、開(kāi)關(guān)量信息的發(fā)布，以及其他間隔啟失靈、閉鎖重合閘等信息的訂閱。就地化線路保護(hù)設(shè)備具備SV輸出能力，供其他設(shè)備使用。

1.2.2 跨間隔保護(hù)

跨間隔保護(hù)須完成多個(gè)間隔信息采樣，傳統(tǒng)集中式保護(hù)通過(guò)將多個(gè)間隔信息匯總至一個(gè)裝置，保護(hù)就地化之后，保護(hù)裝置就地化裝設(shè)，跨間隔保護(hù)信息交互通過(guò)高可用無(wú)縫冗余環(huán)網(wǎng)（HSR）實(shí)現(xiàn)。HSR基于并行冗余技術(shù)設(shè)計(jì)的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，具備可靠性高、無(wú)縫冗余的特點(diǎn)。目前，站內(nèi)就地化跨間隔保護(hù)普遍基于HSR設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)方式有主式和無(wú)主式。無(wú)主式采用分布子機(jī)，各子機(jī)獨(dú)立完成保護(hù)功能。有主式，設(shè)置一臺(tái)子機(jī)為主機(jī)，主機(jī)完成保護(hù)功能，子機(jī)僅實(shí)現(xiàn)信息采集。

就地化主變保護(hù)，在無(wú)主環(huán)網(wǎng)方式配置方案中，變壓器各側(cè)分別配置獨(dú)立子機(jī)，每臺(tái)子機(jī)配置相同的主、后備保護(hù)功能，各自采集模擬量和開(kāi)關(guān)量信息，接收保護(hù)命令時(shí)僅作用于本側(cè)開(kāi)關(guān)[12]。在有主式環(huán)網(wǎng)分布式方式配置方案中，須配置1臺(tái)主機(jī)，主機(jī)與子機(jī)通過(guò)環(huán)網(wǎng)交互信息，主機(jī)承擔(dān)數(shù)據(jù)分析、邏輯運(yùn)算任務(wù)，發(fā)送跳閘指令至各子機(jī)[13]。變壓器高、中、低壓側(cè)子機(jī)執(zhí)行就地采集及跳閘出口功能。

就地化母線保護(hù)普遍采用有限集中式方案，如圖2所示，以“基礎(chǔ)保護(hù)系統(tǒng)+擴(kuò)展保護(hù)單元”方式實(shí)現(xiàn)，基礎(chǔ)保護(hù)系統(tǒng)對(duì)下實(shí)現(xiàn)所接入間隔信息采集、邏輯運(yùn)算、命令下發(fā)功能，對(duì)上通過(guò)GOOSE、SV網(wǎng)絡(luò)與其他基礎(chǔ)保護(hù)系統(tǒng)完成信息交互[14-16]。擴(kuò)展保護(hù)單元完成電氣量采集與命令執(zhí)行。基礎(chǔ)保護(hù)系統(tǒng)與擴(kuò)展保護(hù)單元接口通過(guò)光纖連接。有限集中式方案克服了無(wú)主式方案在檢修擴(kuò)建中的不能“即插即用”的問(wèn)題，同時(shí)避免了單主式主機(jī)接口有限、運(yùn)行負(fù)載重的不足。

圖2 有限集中式母線保護(hù)就地化方案

1.3 運(yùn)檢模式探索

保護(hù)就地化后，運(yùn)檢方式也隨之發(fā)生變化。當(dāng)前，初步構(gòu)建了以“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)”“工廠化調(diào)試”“更換式檢修”為核心思想的高效運(yùn)維檢修體系[17-18]。就地化保護(hù)設(shè)備接口、尺寸、外觀等遵循統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，方便設(shè)備的安裝維護(hù)。保護(hù)裝置在通過(guò)出廠檢驗(yàn)后，在各省公司或地市公司的工廠化檢驗(yàn)中心進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)試，完成設(shè)備的組態(tài)配置，開(kāi)展各模塊及整體功能的檢測(cè)檢驗(yàn)和全站整體功能調(diào)試檢驗(yàn)。

目前，就地化保護(hù)測(cè)試系統(tǒng)也在探索之中。最后，現(xiàn)場(chǎng)更換安裝通過(guò)接口插拔即可，借助智能管理單元，僅須進(jìn)行少量試驗(yàn)，以帶開(kāi)關(guān)傳動(dòng)、信號(hào)驗(yàn)證為主?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試更換效率顯著提升，文件備份管理方面，通過(guò)智能管理單元可實(shí)現(xiàn)對(duì)配置文件、定值等信息一鍵式備份，并同時(shí)在本地運(yùn)維主站存儲(chǔ)更新。

2 就地化保護(hù)技術(shù)發(fā)展展望

目前，就地化保護(hù)已有掛網(wǎng)試運(yùn)行案例，但相應(yīng)的裝置研發(fā)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、整站落地方案、就地化保護(hù)方案尤其是跨間隔就地化方案優(yōu)化，以及設(shè)備測(cè)試系統(tǒng)完善等仍有很長(zhǎng)的一段路要走，將在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)被不斷的深化討論。隨著通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，前沿技術(shù)將繼續(xù)作用于電力系統(tǒng)，推動(dòng)整個(gè)領(lǐng)域不斷變革向前。

2.1 就地化無(wú)線接入技術(shù)

近些年，無(wú)線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)之中，同樣可以考慮將無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用于能源互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)?；贗EEE.802.11的工業(yè)無(wú)線技術(shù)，IEEE.802.11n標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)率可達(dá)600 Mbit/s，完全滿足于對(duì)時(shí)要求小于100 ms的應(yīng)用場(chǎng)景[19]。

無(wú)線接入式就地化保護(hù)包含了無(wú)線通信模塊，負(fù)責(zé)接收設(shè)備上送的數(shù)據(jù)并傳送給網(wǎng)關(guān)設(shè)備，網(wǎng)關(guān)設(shè)備提供接入網(wǎng)絡(luò)與變電站MMS網(wǎng)絡(luò)接口。無(wú)線通信模塊同時(shí)負(fù)責(zé)接收配置組態(tài)信息和控制指令等。就地化保護(hù)無(wú)線接入模式可簡(jiǎn)化站內(nèi)縱向聯(lián)系網(wǎng)絡(luò)，使得二次回路更加簡(jiǎn)單清晰，減少站內(nèi)安全運(yùn)行隱患，節(jié)約電纜、光纜使用。

2.2 一二次設(shè)備集成技術(shù)

通過(guò)在傳統(tǒng)一次設(shè)備上增加智能控制模塊的方式，使得一二次設(shè)備高度集成，智能化一次設(shè)備同時(shí)具備了傳統(tǒng)保護(hù)裝置的功能，包括數(shù)據(jù)采集、信息上送、故障判斷等功能。

當(dāng)前，一二次設(shè)備集成技術(shù)的研究正處于摸索起步階段，以構(gòu)建具有測(cè)量數(shù)字化、控制網(wǎng)絡(luò)化、狀態(tài)可視化、功能一體化和信息互動(dòng)化為原則，研究主要圍繞變壓器、斷路器、氣體絕緣開(kāi)關(guān)等主要一次設(shè)備與傳感器、智能組件、電子式互感器的優(yōu)化集成方案等方面[20-21]。

一二次設(shè)備集成以后，不再?gòu)?qiáng)調(diào)傳統(tǒng)的一、二次設(shè)備的劃分，相比于就地化保護(hù)變電站，站內(nèi)結(jié)構(gòu)更為精簡(jiǎn)，間隔層、過(guò)程層二次設(shè)備功能徹底下放至一次設(shè)備本體，可最大程度實(shí)現(xiàn)工廠內(nèi)規(guī)模生產(chǎn)、模塊化配送，有效減少現(xiàn)場(chǎng)安裝、接線、調(diào)試工作。

3 結(jié)束語(yǔ)

二次設(shè)備就地化具有簡(jiǎn)化站內(nèi)結(jié)構(gòu)、節(jié)省空間、運(yùn)維方便等特點(diǎn)，已成為繼電保護(hù)技術(shù)發(fā)展重要方向。在國(guó)家電網(wǎng)公司正積極穩(wěn)妥地推進(jìn)掛網(wǎng)試運(yùn)行的同時(shí)，仍然面對(duì)技術(shù)層面和經(jīng)濟(jì)層面的諸多實(shí)際挑戰(zhàn)，整站落地方案、就地化優(yōu)化設(shè)計(jì)方案、設(shè)備研發(fā)、經(jīng)濟(jì)性評(píng)估等多方面的論證實(shí)踐工作將不斷深入。隨著通信技術(shù)、電力電子技術(shù)的發(fā)展，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，就地化保護(hù)的無(wú)線接入技術(shù)、一二次設(shè)備集成技術(shù)將更進(jìn)一步推進(jìn)保護(hù)就地化實(shí)踐，促進(jìn)智能變電站設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)維等環(huán)節(jié)工作的變革和效率提升。