電氣二次設(shè)計(jì)常見問題及對(duì)策探討

劉力銘

（洪家渡發(fā)電廠，貴州 畢節(jié) 551700）

1 電氣二次設(shè)計(jì)項(xiàng)目

電氣二次設(shè)計(jì)項(xiàng)目為變電站經(jīng)一回線路與地區(qū)電網(wǎng)相連，經(jīng)一回線路為地區(qū)提供電力能源，既有電網(wǎng)結(jié)構(gòu)較為薄弱，電力能源供應(yīng)可靠性不足，且調(diào)度運(yùn)行難度較大。為解決上述問題，規(guī)劃在工期內(nèi)完成2組主變建設(shè)，分組容量為750 MVA、240 MVA。

2 電氣二次設(shè)計(jì)常見問題

2.1 設(shè)計(jì)手段滯后

傳統(tǒng)電氣二次設(shè)計(jì)采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）手段，針對(duì)客戶較為廣泛，在電氣二次設(shè)計(jì)時(shí)操作較為復(fù)雜，且存在功能冗余問題，降低了電氣二次設(shè)計(jì)效率，影響了整體設(shè)計(jì)效果[1]。加之設(shè)計(jì)成品表現(xiàn)為出版藍(lán)圖，無法滿足不同專業(yè)、不同設(shè)計(jì)階段要求，不同類型文件之間相互矛盾情況不時(shí)出現(xiàn)，影響了電氣二次設(shè)計(jì)中多專業(yè)協(xié)同作業(yè)進(jìn)程。

2.2 可行性研究不完善

電氣二次設(shè)計(jì)內(nèi)容與變電站運(yùn)行維護(hù)工作緊密相關(guān)，傳統(tǒng)電氣二次設(shè)計(jì)缺乏完善可行性研究體系，內(nèi)容偏重于電氣項(xiàng)目建設(shè)經(jīng)濟(jì)可行性、技術(shù)必要性，理論研究重于實(shí)踐分析，導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行階段電氣設(shè)備需求在可行性研究中體現(xiàn)不顯著，實(shí)際電氣二次設(shè)計(jì)成果與運(yùn)行環(huán)節(jié)需求存在偏差，不僅影響了電氣二次設(shè)計(jì)項(xiàng)目計(jì)劃在具體工程措施中的落實(shí)，而且制約了電氣設(shè)計(jì)作業(yè)安全進(jìn)程。

2.3 線路無功損耗偏高

在電氣二次設(shè)計(jì)過程中，為應(yīng)對(duì)輸變電項(xiàng)目推遲投產(chǎn)引發(fā)的負(fù)面作用，變串補(bǔ)設(shè)計(jì)大量出現(xiàn)。常規(guī)變串補(bǔ)設(shè)計(jì)雖然可以適應(yīng)電力系統(tǒng)快速變化的要求，滿足電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行需求，但是裝設(shè)串入線路后無功損耗較大，致使系統(tǒng)運(yùn)行電壓提升，甚至干擾各電力資源輸送通道潮流的分配合理性，提升了整個(gè)輸電過程資源消耗率，對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性造成了不利影響。

2.4 繼電保護(hù)裝置不穩(wěn)定

繼電保護(hù)設(shè)計(jì)是電氣二次設(shè)計(jì)重要內(nèi)容，關(guān)乎輸變電項(xiàng)目運(yùn)行安全性。當(dāng)前，繼電保護(hù)設(shè)計(jì)存在一些問題，如保護(hù)裝置冗余度低、正常合閘時(shí)誤動(dòng)作概率高、缺乏事故類型判斷功能等。上述缺陷的存在，給變電站繼電保護(hù)裝置正常運(yùn)行埋下了隱患，特別是在保護(hù)裝置冗余度低問題出現(xiàn)后，回路缺乏直流消失監(jiān)視內(nèi)容，在熔斷器熔斷時(shí)，合閘指示燈正常點(diǎn)亮，埋下手動(dòng)跳閘操作失敗隱患[2]。

2.5 二次監(jiān)控存在缺陷

監(jiān)控設(shè)備是電氣二次設(shè)計(jì)的核心，也是繼電保護(hù)策略制定的依據(jù)。因監(jiān)控對(duì)象繁多、分布位置各異，電氣二次監(jiān)控設(shè)計(jì)難度較大。既往電氣二次設(shè)計(jì)存在較大缺陷，不僅未根據(jù)數(shù)據(jù)通信配置足夠網(wǎng)關(guān)，而且未有效聯(lián)系保護(hù)、測(cè)控端口，數(shù)據(jù)利用價(jià)值不高。加之視頻設(shè)備、安全防護(hù)、電源管理等輔助設(shè)備缺乏，無法發(fā)現(xiàn)二次設(shè)備問題，影響了電氣二次設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。

3 電氣二次設(shè)計(jì)問題的對(duì)策

3.1 升級(jí)設(shè)計(jì)手段

針對(duì)傳統(tǒng)電氣二次設(shè)計(jì)手段滯后問題，設(shè)計(jì)者可以選擇數(shù)字三維設(shè)計(jì)手段，依托STD-R三維變電站設(shè)計(jì)平臺(tái)，根據(jù)現(xiàn)有資料進(jìn)行建模。在建模作業(yè)進(jìn)入尾聲后，導(dǎo)入電氣設(shè)備屬性信息，關(guān)聯(lián)工程所用設(shè)備型號(hào)與設(shè)備模型。如在電氣屏柜與電纜設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者可以借鑒電氣一次設(shè)計(jì)建模經(jīng)驗(yàn)，繪制軸網(wǎng)[3]。根據(jù)軸網(wǎng)，鏈接土建圖紙，并布置二次設(shè)備室屏柜。同時(shí)對(duì)應(yīng)電纜開始端口、結(jié)束端口，手動(dòng)進(jìn)行三維屏柜編碼。根據(jù)三維屏柜編碼信息，結(jié)合電纜敷設(shè)路徑容量，規(guī)劃電纜溝位置。在電纜溝位置明確后，合理布置屏柜。如某三維屏柜布置如圖1所示。

圖1 三維屏柜布置

在三維屏柜布置后，設(shè)計(jì)者可以進(jìn)行硬碰撞測(cè)試，觀察電纜敷設(shè)通路與其他基礎(chǔ)接觸情況。在發(fā)現(xiàn)構(gòu)架基礎(chǔ)與電纜溝道出現(xiàn)碰撞后，落實(shí)投資優(yōu)先級(jí)方針，優(yōu)先改動(dòng)投資低的部分，降低碰撞問題發(fā)生概率。在這個(gè)基礎(chǔ)上，利用三維集成設(shè)計(jì)軟件支撐的數(shù)字化移交平臺(tái)代替電子版移交出版藍(lán)圖，完成整個(gè)變電站全壽命周期信息可視化移交，消除不同專業(yè)協(xié)同作業(yè)壁壘。

3.2 完善可行性研究體系

可行性研究是電氣二次設(shè)計(jì)的前提，也是電氣項(xiàng)目計(jì)劃向具體工程措施落實(shí)的依據(jù)。設(shè)計(jì)者可以從電氣主接線、主控室等方面，進(jìn)行可行性研究方案的初步編制，確保電氣項(xiàng)目計(jì)劃可操作性。在電氣主接線可行性研究方面，設(shè)計(jì)者應(yīng)根據(jù)電氣設(shè)計(jì)要求進(jìn)行電流互感器（Current Transformer，CT）繞組數(shù)量的科學(xué)配置。一般在500 kV串CT可以依據(jù)7-9-7配置，并根據(jù)系統(tǒng)保護(hù)專業(yè)要求進(jìn)行測(cè)量、保護(hù)、計(jì)量繞組組合[4]。根據(jù)電氣系統(tǒng)及一次設(shè)計(jì)資料，激進(jìn)型CT級(jí)次、容量核算，判定P1（電源側(cè)正極）極性與P2（負(fù)荷側(cè)負(fù)極）極性設(shè)置正確性。同時(shí)以主接線內(nèi)存在差異的間隔斷路器為對(duì)象，借助分箱機(jī)構(gòu)（三相聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)），進(jìn)行出線PT、PT繞組數(shù)量的正確設(shè)置。若涉及間隔調(diào)整，則應(yīng)設(shè)置一致的間隔名稱、前期調(diào)度名稱。

在主控室方面，作為變電站的控制中樞以及繼電保護(hù)裝置安裝場(chǎng)地，主控室是電氣二次設(shè)計(jì)的核心模塊，設(shè)計(jì)者應(yīng)結(jié)合通信、保護(hù)、遠(yuǎn)程動(dòng)作等需求，搜集并記錄主控室尺寸規(guī)格，進(jìn)行保護(hù)屏柜與測(cè)控屏柜的科學(xué)組裝。在保護(hù)與測(cè)控屏柜組裝后，結(jié)合預(yù)制艙型號(hào)與蓄電池室尺寸，進(jìn)行氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的下放。

3.3 降低線路無功損耗

為降低線路無功損耗，電氣二次設(shè)計(jì)者可以選擇成套設(shè)備，配置控制保護(hù)系統(tǒng)組網(wǎng)與串補(bǔ)保護(hù)裝置，包括串聯(lián)電容器組、金屬氧化物避雷器、限流和阻尼元件、旁路斷路器等。在成套設(shè)備電氣二次設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者可以在獨(dú)立的串補(bǔ)就地控制室內(nèi)放置站用直流屏柜、串補(bǔ)控制保護(hù)設(shè)備、接口屏、全球衛(wèi)星定位擴(kuò)展屏、二次交流屏以及不間斷電源屏等裝置。同時(shí)采取分層次分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以每回線路串補(bǔ)控制保護(hù)裝置接入1套設(shè)備（或者I回線路串補(bǔ)控制保護(hù)裝置共用一套設(shè)備）的方式，經(jīng)串補(bǔ)裝置接入監(jiān)控雙網(wǎng)。在這個(gè)基礎(chǔ)上，針對(duì)間隙、電容器組、旁路斷路器，制定不平衡保護(hù)方案[5]。對(duì)于間隙保護(hù)，主要是以火花間隙回路電流為監(jiān)測(cè)對(duì)象，在間隙超時(shí)觸發(fā)或觸發(fā)不成功的情況下，保護(hù)延時(shí)發(fā)出永久旁路命令，啟動(dòng)旁路斷路器，跳開對(duì)應(yīng)側(cè)線路斷路器，并進(jìn)行自動(dòng)隔離；對(duì)于電容器組保護(hù)，實(shí)施測(cè)量電容器不平衡電流，在不平衡電流超出最小定值時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并經(jīng)過長(zhǎng)延時(shí)后旁路電容器組。同時(shí)生成臨時(shí)三相旁路命令,對(duì)于旁路斷路器保護(hù)，以串補(bǔ)保護(hù)發(fā)出旁路命令為節(jié)點(diǎn)，旁路斷路器合閘將電容器電流調(diào)整為零，檢測(cè)斷路器位置、電流，判定斷路器是否處于合閘非靈敏狀態(tài)，若斷路器進(jìn)入合閘非靈敏狀態(tài)，則經(jīng)保護(hù)發(fā)出永久旁路命令、跳開線路本側(cè)斷路器命令。

3.4 合理設(shè)計(jì)繼電保護(hù)裝置

根據(jù)輸變電項(xiàng)目電氣二次設(shè)計(jì)總體要求（電力系統(tǒng)工頻50 Hz時(shí)毫秒級(jí)出現(xiàn)電力故障消除，一次設(shè)備使用壽命達(dá)到或超過30年），設(shè)計(jì)者可以選擇點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的跳閘方式，經(jīng)網(wǎng)絡(luò)跳閘維護(hù)跨間隔保護(hù)設(shè)備穩(wěn)定性。即在現(xiàn)有1路直通光纖通道、1路迂回路由光纖通道的基礎(chǔ)上，配置2套電流差動(dòng)保護(hù)（雙通道專用光纖）以及保護(hù)測(cè)控一體化裝置，裝置分別接入輸變電項(xiàng)目局部過程層雙網(wǎng)，線路保護(hù)的判斷依據(jù)輸入端、輸出端電流差值。2套電流差動(dòng)保護(hù)的其中一套為備用，其在通道數(shù)量、保護(hù)數(shù)量方面均獨(dú)立運(yùn)行，在滿足系統(tǒng)冗余配置要求的同時(shí)，確?；芈饭收?、失電狀況下故障順利判別。

在線路保護(hù)的基礎(chǔ)上，借助線路—變壓器組接線方式，規(guī)避主變故障、斷路器喪失靈敏狀態(tài)對(duì)遠(yuǎn)方跳閘信號(hào)發(fā)送的不利影響，確保線路變側(cè)斷路器順利跳開。進(jìn)而配置2套遠(yuǎn)方跳閘就地判別裝置，在回收遠(yuǎn)方跳閘信號(hào)的第一時(shí)間進(jìn)行元件動(dòng)作辨別，根據(jù)辨別結(jié)果第一時(shí)間切除出口端線路變側(cè)斷路器。此外，因主變壓器故障多源于繞組匝間絕緣損壞，無法從外部察覺，因此，可以在配置遠(yuǎn)方跳閘就地保護(hù)功能的基礎(chǔ)上，配置2套非電量保護(hù)裝置，以瓦斯氣體狀態(tài)為依據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器故障，及時(shí)發(fā)出警報(bào)。

在確保線路遠(yuǎn)方跳閘功能正常發(fā)揮的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)者可以配置基于電氣二次網(wǎng)絡(luò)化的故障錄波及網(wǎng)絡(luò)記錄分析一體化裝置，實(shí)時(shí)記錄過程層數(shù)字化變電站的通信網(wǎng)絡(luò)（GOOSE）、即多媒體短消息業(yè)務(wù)（Multimedia Messaging Service，MMS）報(bào)文、實(shí)時(shí)傳輸數(shù)字采樣信息的通信服務(wù)（Sampled Value，SV）網(wǎng)絡(luò)報(bào)文并上傳終端[6]。同時(shí)冗余配置斷路器，GOOSE數(shù)字采樣交換器組成獨(dú)立的2個(gè)網(wǎng)端，確保其中一套斷路器出現(xiàn)保護(hù)故障動(dòng)作時(shí)另外一套斷路器正常閉鎖。同理，冗余配置母線斷路器，確保母線保護(hù)工作正常開展。在這個(gè)基礎(chǔ)上，以電壓梯度值16.8 kV/m、風(fēng)速2.0 m/s、潛供電流18.4 A為依據(jù)，設(shè)定單相重合閘時(shí)間為1 s（含滅弧時(shí)間0.7 s，故障點(diǎn)絕緣恢復(fù)時(shí)間0.2 s，時(shí)間裕度0.1 s）。

3.5 健全電力監(jiān)控系統(tǒng)

針對(duì)當(dāng)前電力監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷，設(shè)計(jì)者可以從站控層、間隔層、過程層3個(gè)層級(jí)著手，進(jìn)行二次設(shè)計(jì)方案的完善。其中站控層包括對(duì)時(shí)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)、數(shù)據(jù)集中器、監(jiān)控主機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、計(jì)劃管理終端（含安全文件網(wǎng)關(guān)）以及綜合應(yīng)用服務(wù)器幾個(gè)模塊；間隔層包括保護(hù)、測(cè)控2個(gè)模塊；過程層包括合并開關(guān)、智能終端、互感器、開關(guān)/刀閘以及在線監(jiān)測(cè)（變壓器、避雷器、開關(guān)）、輔助設(shè)備（電源管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、安全防護(hù)）。

站控層包括2臺(tái)交換機(jī)（22個(gè)電口，2個(gè)光口）、2個(gè)監(jiān)控主站及1套時(shí)鐘同步對(duì)時(shí)裝置、2個(gè)遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)工作站；間隔層為雙行型結(jié)構(gòu)100M以太網(wǎng)，保護(hù)數(shù)據(jù)采取直采直跳方式。站控層、間隔層經(jīng)MMS、GOOSE、簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議網(wǎng)絡(luò)連接（Simple Network Time Protocal，SNTP），通信規(guī)約為IEC61850-9-2；過程層包括常規(guī)互感器與合并單元，間隔層、過程層經(jīng)GOOSE、SV、B碼（B碼授時(shí)設(shè)備）網(wǎng)絡(luò)連接，通信規(guī)約為IEC61850-9-2。

此外，對(duì)于變電站交直流一體化電源系統(tǒng)，經(jīng)總線連接一體化總監(jiān)控器，將事故報(bào)警、信息參數(shù)、運(yùn)行狀況上傳到站控層[7]。同時(shí)對(duì)于交流電源重要饋線，結(jié)合站用電屏結(jié)構(gòu)，逐一對(duì)應(yīng)智能監(jiān)控模塊，就地收集饋線開關(guān)位置節(jié)點(diǎn)、測(cè)量電流、報(bào)警節(jié)點(diǎn)、告警數(shù)據(jù)。而對(duì)于直流電源重要饋線，則在2組蓄電池組、2套高頻開關(guān)電源充電裝置配置的基礎(chǔ)上，在1回直流電源上配置同一面屏的同一個(gè)間隔監(jiān)測(cè)保護(hù)裝置，每一個(gè)直流電子屏的不同母線引入對(duì)應(yīng)的變換器內(nèi)，變換器單元設(shè)定方式為N+1，并配置空氣開關(guān)。在同一面屏的同一個(gè)間隔監(jiān)測(cè)保護(hù)裝置運(yùn)行過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每一節(jié)蓄電池電壓、溫度、內(nèi)阻，經(jīng)特定通信接口將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳遞給一體化監(jiān)控裝置，判定蓄電池工作狀態(tài)，在發(fā)現(xiàn)蓄電池非正常狀態(tài)的第一時(shí)間發(fā)送報(bào)警信號(hào)。并結(jié)合溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行蓄電池充電電壓的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，延長(zhǎng)蓄電池使用壽命。在這個(gè)基礎(chǔ)上，配置2套不間斷電源，非經(jīng)端口實(shí)時(shí)發(fā)送運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，為電力資源生產(chǎn)管理提供依據(jù)。

4 結(jié) 論

綜上所述，電氣二次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是輸變電、發(fā)配電環(huán)節(jié)的監(jiān)視、調(diào)節(jié)、控制、保護(hù)設(shè)備。針對(duì)電氣二次設(shè)計(jì)問題，設(shè)計(jì)者可以變電站新建工程為依托，進(jìn)行繼電保護(hù)、電源系統(tǒng)與自動(dòng)化監(jiān)視系統(tǒng)的科學(xué)設(shè)計(jì)，確保變電站運(yùn)維智能化、可靠性。