金沙水電站數(shù)字化GIS開關(guān)站選型設(shè)計與應(yīng)用

龍秀斌 鄭祥偉 王立寶

摘要：目前，數(shù)字化水電站研究應(yīng)用還處于起步階段，而數(shù)字化變電站已有較多成功應(yīng)用的案例。為推廣數(shù)字化開關(guān)站在水電站的設(shè)計應(yīng)用，對比數(shù)字化開關(guān)站與傳統(tǒng)開關(guān)站的優(yōu)缺點，從數(shù)字化開關(guān)站的互感器選型、保護裝置選型、組網(wǎng)方案設(shè)計3個重要方面進行了分析對比，結(jié)合金沙水電站數(shù)字化GIS開關(guān)站的選型設(shè)計，介紹了該電站數(shù)字化GIS開關(guān)站系統(tǒng)運行情況，提出了現(xiàn)階段水電站數(shù)字化開關(guān)站選型設(shè)計建議，以期對水電站數(shù)字化開關(guān)站的選型設(shè)計和應(yīng)用發(fā)展提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化GIS開關(guān)站; 開關(guān)站選型; IEC61850; 智能終端; 金沙水電站

中圖法分類號：TV736 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.021

文章編號：1006 - 0081（2022）03 - 0094 - 06

0 引 言

為適應(yīng)變電站自動化技術(shù)的快速發(fā)展，國際電工委員會第57技術(shù)委員會（IEC TC57）于2004年制訂發(fā)布了IEC61850 Ed1.0標準，2007年IEC TC57又發(fā)布了IEC61850 Ed2.0標準，其應(yīng)用領(lǐng)域從變電站擴展到整個“電力系統(tǒng)自動化”，其標準得到了進一步擴展與完善。2004年，IEC61850標準開始在中國變電站推廣應(yīng)用，行業(yè)統(tǒng)稱為“數(shù)字化變電站”。目前，采用IEC61850實現(xiàn)信息交互標準化已經(jīng)成為國內(nèi)電力行業(yè)的一致共識，國家電網(wǎng)公司也提出“建設(shè)數(shù)字化電網(wǎng)，打造信息化企業(yè)”的戰(zhàn)略方針。作為數(shù)字化電網(wǎng)的起點，數(shù)字化智能電站是數(shù)字化電網(wǎng)重要組成部分，而IEC61850-7-410水力發(fā)電標準的建立，為IEC61850在水電站的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

相對于水電站傳統(tǒng)開關(guān)站，數(shù)字化開關(guān)站電氣一次部分基本相同，區(qū)別主要在于互感器的選取;二次部分區(qū)別在于信息采集傳輸和交互方式的不同[1-3]。目前水電站數(shù)字化研究應(yīng)用剛起步，主要涉及開關(guān)站、保護、監(jiān)控等系統(tǒng)，機組勵磁、調(diào)速系統(tǒng)尚不完全具備IEC61850功能[4-5]。數(shù)字化GIS開關(guān)站是當今世界水電站發(fā)展趨勢，目前已在國內(nèi)多座水電站，如亭子口、猴子巖、沙坪二級、葛洲壩二江、溪洛渡左岸電站等成功投運。本文闡述了數(shù)字化開關(guān)站引用標準的發(fā)展及行業(yè)現(xiàn)狀，以金沙水電站數(shù)字化GIS開關(guān)站為例，從互感器選型設(shè)計、保護裝置配置、系統(tǒng)組網(wǎng)方案等方面著手，對比分析了國內(nèi)電站常見選型設(shè)計方案，從安全可靠、經(jīng)濟靈活性出發(fā)，提出了現(xiàn)階段適宜的選型方案。

1 數(shù)字化開關(guān)站與傳統(tǒng)開關(guān)站的優(yōu)缺點

1.1 傳統(tǒng)GIS開關(guān)站缺點

（1） 二次電纜及電纜橋架工程量大，材料造價高;電纜敷設(shè)和配線人力成本高，費時費力。

（2） 二次接線復(fù)雜，出現(xiàn)錯誤接線不易調(diào)換和查找故障;設(shè)計變更或工程擴建時，電纜敷設(shè)及接線改動量大，靈活性差。

（3） 二次電纜用于電信號傳遞，信號抗干擾能力差，對屏蔽接地工藝要求較高;保護裝置電纜可能受電纜絕緣老化和直流接地影響，造成保護拒動或誤動。

（4） 互感器配置較多，大型互感器成本較高;互感器二次輸出受勵磁特性及二次回路阻抗影響;互感器二次接線可能產(chǎn)生高電壓、大電流的情況，人身、設(shè)備安全風險高。

（5） 二次設(shè)備配置較多，各系統(tǒng)通信規(guī)約不一致，通信接口不同，設(shè)備改造、升級難度較大，無法形成統(tǒng)一數(shù)據(jù)互聯(lián)平臺以實現(xiàn)遠方智能控制。

1.2 數(shù)字化GIS開關(guān)站優(yōu)點

（1） 匯控柜、保護裝置、監(jiān)控系統(tǒng)原大量二次電纜由專用光纖進行替代，工程造價有所減少。

（2） 信號抗干擾能力大大增強，提高了保護、監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣精度，智能測控裝置可實現(xiàn)斷鏈通道告警，方便維護人員查找故障。

（3） 減少了大型互感器配置數(shù)量，電磁式互感器傳輸距離短，輸出容量減小，節(jié)約了設(shè)備制造成本;電子式互感器的使用減少了電磁式電壓互感器短路和電流互感器開路風險，設(shè)備安全和人身安全大大加強。

（4） 智能終端和智能測控裝置的使用，改變了傳統(tǒng)開關(guān)站匯控柜結(jié)構(gòu)，監(jiān)控系統(tǒng)開關(guān)站LCU可不再配置，減少了二次設(shè)備配置的數(shù)量，節(jié)約了設(shè)備投資成本。

（5） 數(shù)字化GIS開關(guān)站設(shè)備均按IEC61850通信標準，建立信息模型和接口，確保了保護裝置、監(jiān)控系統(tǒng)互聯(lián)通信，真正實現(xiàn)了數(shù)字化交互，智能化控制，保護裝置信息可實現(xiàn)遠程打印，有利于電站自動化管理。

（6） 開關(guān)站設(shè)備更新或工程擴建時，只需更換GIS智能裝置或新增間隔設(shè)備，其互聯(lián)通信由網(wǎng)絡(luò)交換機完成，設(shè)備擴展性強，工程量小，避免重復(fù)建設(shè)和投資[6-9]。

2 水電站數(shù)字化開關(guān)站選型設(shè)計

2.1 互感器選型設(shè)計

按主要工作原理及結(jié)構(gòu)分類，互感器主要分兩大類：傳統(tǒng)電磁式互感器和電子式互感器，其中，電子式互感器又分為有源型電子式互感器和無源型電子式互感器。電子式互感器絕緣結(jié)構(gòu)簡單可靠、體積小、重量輕、線性度好、無飽和現(xiàn)象且輸出信號可直接送至微機化計量、保護設(shè)備接口進行采樣，在電力系統(tǒng)中具有廣闊的發(fā)展及應(yīng)用前景。但電子式互感器造價高，產(chǎn)品投入市場的時間相對較短、技術(shù)還未完全成熟，在實際應(yīng)用中穩(wěn)定性、可靠性尚有提升空間，目前110 kV電壓等級以上的數(shù)字化變電站應(yīng)用較多。經(jīng)過對已投運智能變電站電子式互感器使用的統(tǒng)計，產(chǎn)品制造和運行過程中存在的主要問題見表1。

由于水電站勵磁、調(diào)速、發(fā)變組保護系統(tǒng)需要采集使用開關(guān)站的CT，VT信號，目前這些系統(tǒng)設(shè)備還不能完全可靠地支持IEC61850接口;且電子式互感器在應(yīng)用時也存在一些問題，這些問題未能有效解決，結(jié)合國家電網(wǎng)安全可靠規(guī)定要求，現(xiàn)階段水電站數(shù)字化開關(guān)站仍宜選用傳統(tǒng)電磁式互感器。

2.2 數(shù)字化開關(guān)站保護裝置選型設(shè)計

開關(guān)站保護裝置選型設(shè)計主要有直采直跳、直采網(wǎng)跳、網(wǎng)采網(wǎng)跳3種方式。在早期的智能變電站二次回路設(shè)計中，曾經(jīng)廣泛基于IEC61850-9-2標準的組網(wǎng)方案，每個間隔配置一臺間隔交換機，站控層設(shè)置主干網(wǎng)交換機。間隔層交換機和過程層交換機之間傳輸 GOOSE 跳閘信息、聯(lián)閉鎖信號、失靈啟動開入、開關(guān)狀態(tài)信息，即網(wǎng)采網(wǎng)跳方式。按這種組網(wǎng)方式，會存在以下不利因素：

（1）當出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)延時不穩(wěn)定時，對保護快速動作造成不利影響;

（2）對網(wǎng)絡(luò)交換機的依賴性較強，當交換機發(fā)生故障時存在造成保護誤動的風險;

（3）對GPS的同步信號依賴性很強，當同步信號丟失后，可能會造成各側(cè)的采樣不同步，產(chǎn)生差流。

針對IEC61850-9-2組網(wǎng)模式存在的不利因素，國網(wǎng)智能變電站技術(shù)導(dǎo)則提出了直采直跳模式（即點對式）的智能變電站保護設(shè)計規(guī)范，明確了智能變電站繼電保護應(yīng)遵循直接采樣、直接跳閘、雙重化配置的原則以及對網(wǎng)絡(luò)的總體要求。直接采樣是指保護裝置不經(jīng)過交換機而是以點對點光纖直聯(lián)方式進行采樣值傳輸，直接跳閘是指保護裝置不經(jīng)過交換機而以點對點光纖直聯(lián)方式進行跳合閘信號的傳輸，而繼電保護之間的聯(lián)閉鎖、失靈啟動等信息宜采用GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸方式。水電站在選型時宜選擇支持傳統(tǒng)電磁式互感器電纜直采，GOOSE網(wǎng)絡(luò)點對點跳閘方式的母線、線路保護裝置[11-13]。

2.3 數(shù)字化GIS開關(guān)站組網(wǎng)方案設(shè)計

數(shù)字化GIS開關(guān)站主流采用“三層三網(wǎng)”或“三層兩網(wǎng)”設(shè)計。“三層三網(wǎng)”基于過程層SV和GOOSE獨立組網(wǎng)方案，在就地智能匯控柜布置合并單元和智能終端，過程層SV，GOOSE分別使用交換機獨立組網(wǎng)，SV網(wǎng)與GOOSE網(wǎng)不存在物理連接。SV組網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)全站采樣數(shù)據(jù)的共享，GOOSE組網(wǎng)也能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)跳閘及開關(guān)量信號的共享，滿足IEC61850功能分布、信息共享的要求。同時實現(xiàn)了繼電保護采集、跳閘回路的完全獨立，即從互感器線圈一直到開關(guān)跳閘線圈都是雙重化配置，不存在任何交叉，提高了SV和GOOSE傳輸?shù)目煽啃?，已投運的葛洲壩大江500 kV開關(guān)站（改造）采用此方案?！叭龑觾删W(wǎng)”基于傳統(tǒng)采樣及過程層GOOSE組網(wǎng)的方案，使用電纜將傳統(tǒng)互感器的交流量直接接入保護、測控等設(shè)備，在GIS室智能匯控柜配置過程層智能終端，將設(shè)備的信息及操作數(shù)字化，采用IEC61850規(guī)約，組成基于GOOSE服務(wù)的以太網(wǎng)絡(luò)。與之相關(guān)的間隔層保護及自動化裝置，則通過光纖以太網(wǎng)與智能終端相連接實現(xiàn)信息共享。保護裝置可以根據(jù)需要安裝在繼保室或GIS室，已投運的猴子巖、沙坪二級、金沙水電站皆采用此方案。

“三層三網(wǎng)”方案過程層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，增加了交換機的投資。但通過過程層SV和GOOSE組網(wǎng)，用少量光纖代替了大量電纜，節(jié)約了電纜及施工成本，總體上節(jié)省了開關(guān)站的投資?！叭龑觾删W(wǎng)”方案采用傳統(tǒng)模擬量采樣方式，安全可靠性高，通過組建過程層GOOSE網(wǎng)，原來一次設(shè)備與保護及自動化裝置之間的大量電纜被少量通信光纜代替，過程層的高速采樣數(shù)據(jù)可以被不同類型的裝置共享，從而大大簡化了現(xiàn)場的二次接線[14-15]，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖詳見圖1。

3 金沙水電站工程簡介

3.1 金沙水電站總體概況

金沙水電站是金沙江中游十級水電樞紐規(guī)劃的第九級，位于金沙江中游攀枝花市西區(qū)河段，上距觀音巖水電站28.90 km，下距銀江水電站21.30 km，多年平均流量1 870 m3/s。電站為河床式電站，采用左廠右泄的結(jié)構(gòu)設(shè)計，最大壩高66 m，水庫正常蓄水位1 022 m，總庫容1.08億m3，調(diào)節(jié)庫容1 120萬m3，裝設(shè)4臺軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組，總裝機容量56萬kW（560 MW），多年平均發(fā)電量為21.77億kW·h，首臺機組于2020年11月30日并網(wǎng)發(fā)電。

3.2 金沙水電站主接線及GIS布置

金沙水電站發(fā)電機-變壓器采用一機一變單元接線，220 kV主母線采用雙母線接線，經(jīng)2回出線輸送電能至國網(wǎng)西佛寺變電站。數(shù)字式GIS開關(guān)站布置在高程1 021 m副廠房內(nèi)，成一字形布置，GIS配電裝置共10個間隔，分別為4個主變間隔、2個PT間隔、一個聯(lián)絡(luò)間隔、3回出線間隔（一回預(yù)留）。GIS智能匯控柜布置在GIS室下游側(cè)，成一字型布置，GIS室設(shè)備整體布置詳見圖2。

4 金沙水電站數(shù)字化GIS開關(guān)站選型配置

金沙水電站數(shù)字化GIS開關(guān)站采用“三層兩網(wǎng)”組網(wǎng)方案，主要由過程層設(shè)備、間隔層設(shè)備、站控層設(shè)備構(gòu)成，由GOOSE網(wǎng)、MMS網(wǎng)組成網(wǎng)絡(luò)。過程層設(shè)備主要由一次開關(guān)設(shè)備、傳統(tǒng)互感器、NR智能終端PCS-222組成;間隔層設(shè)備主要由NR智能控制裝置PCS-9821、母線保護裝置PCS-915A-DG-G、線路保護裝置、開關(guān)站間隔層網(wǎng)絡(luò)交換機組成;站控層設(shè)備主要配置監(jiān)控主機兼操作員站、站控層網(wǎng)絡(luò)交換機、防火墻設(shè)備。開關(guān)站互感器采用傳統(tǒng)電磁式互感器，方便電站各系統(tǒng)取用。保護裝置采用直采直跳方式，將GOOSE跳合閘命令接至智能匯控柜內(nèi)南瑞智能終端以硬接線方式跳閘。電站主監(jiān)控系統(tǒng)通過MMS網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控主機兼操作員站通信，由監(jiān)控主機通過MMS網(wǎng)絡(luò)交換機傳遞遙控命令至智能控制裝置，由智能控制裝置發(fā)信至智能終端去分合一次設(shè)備。站控層、間隔層MMS網(wǎng)絡(luò)屬于安全Ⅰ區(qū)，開關(guān)站故障錄波裝置開關(guān)量采樣通過MMS站控層網(wǎng)絡(luò)進行采樣，模擬量采用電纜直采，而保信子站屬于安全Ⅱ區(qū)，即開關(guān)站故障錄波裝置既要與安全Ⅰ區(qū)交互，又要與安全Ⅱ區(qū)交互信息。為了解決網(wǎng)絡(luò)安全分區(qū)交叉問題，金沙水電站開關(guān)站故障錄波裝置采用在內(nèi)部硬件上，將MMS網(wǎng)和故障錄波通信接口進行隔離。數(shù)字化GIS開關(guān)站網(wǎng)絡(luò)詳見圖3。

5 金沙水電站數(shù)字化GIS開關(guān)站運行情況

數(shù)字化GIS開關(guān)站隨金沙水電站首臺機組投產(chǎn)以來，其GIS室一次設(shè)備、智能控制裝置、智能終端、保護裝置運行無故障，GOOSE網(wǎng)絡(luò)、MMS網(wǎng)絡(luò)運行正常，金沙水電站主監(jiān)控系統(tǒng)與開關(guān)站監(jiān)控主機兼操作員站通信正常，上位機開關(guān)站設(shè)備監(jiān)視數(shù)據(jù)正常，設(shè)備運行工況安全可靠。中控室值班人員可全程監(jiān)視設(shè)備運行情況，設(shè)備運行數(shù)據(jù)自動存儲歷史數(shù)據(jù)庫，設(shè)備自診斷功能和人工巡盤相結(jié)合，大大提高了設(shè)備運行管理水平。母線、線路等保護裝置保護定值，智能匯控柜信息均可在開關(guān)站監(jiān)控主機兼操作員站進行查看和打印，方便了人員操作，提高了工作效率。智能匯控柜操作方式采用設(shè)備直接控制，軟件解鎖及硬件解鎖，運行人員可根據(jù)使用情況進行解閉鎖操作，大大提高了設(shè)備操作的靈活性。智能控制裝置可以現(xiàn)地查看數(shù)據(jù)采樣信息，并配置有檢同期功能，取代了傳統(tǒng)開關(guān)站的開關(guān)站測控或監(jiān)控LCU功能?；贗EC61850規(guī)約，開關(guān)站相關(guān)設(shè)備實現(xiàn)了通信接口標準化，在做好網(wǎng)絡(luò)安全分區(qū)的同時，實現(xiàn)電站各系統(tǒng)安全可靠通信。

6 結(jié) 語

金沙水電站于2021年10月4臺機組全部投產(chǎn)發(fā)電，屬于新近設(shè)計建造完成的大Ⅱ型水電站，是國家西部大開發(fā)30項重點工程之一，同時也是四川省、攀枝花市重點工程。目前國內(nèi)智能變電站發(fā)展速度快，應(yīng)用較廣泛，但水電站數(shù)字化開關(guān)站還需進一步發(fā)展和應(yīng)用。本文介紹了金沙水電站數(shù)字化開關(guān)站，選型設(shè)計可對智能電廠的研究有一定的參考和借鑒價值，而金沙水電站數(shù)字化GIS開關(guān)站的成功投運，也對水電站數(shù)字化開關(guān)站的應(yīng)用發(fā)展有一定的推廣意義。

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（編輯：李 晗）

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