集約化智能變電站組網(wǎng)模式探討

胡保林

(深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

隨著技術的不斷成熟，智能變電站的組網(wǎng)模式呈現(xiàn)出多元化態(tài)勢，由最初的網(wǎng)采網(wǎng)跳演變成直采網(wǎng)跳、直采直跳、模采網(wǎng)跳的多樣化組網(wǎng)模式。

網(wǎng)采網(wǎng)跳的組網(wǎng)模式會影響繼電保護的可靠性、速動性、選擇性和靈敏性，主要表現(xiàn)為：合并單元輸出的采樣值(sampled value，SV)信息經交換機至保護接收會產生延遲；保護裝置跳閘至生成并發(fā)出面向通用對象的變電站事件(generic object oriented substation event，GOOSE)報文與智能終端解析出跳閘信息之間存在延遲。交換機的存儲轉發(fā)機制決定了交換機所造成的延時不固定，因此，網(wǎng)采網(wǎng)跳站點對于對時系統(tǒng)的依賴性極強，隨著北斗時鐘系統(tǒng)的大面積推廣，倘若北斗對時系統(tǒng)在應用時出現(xiàn)異常，網(wǎng)采網(wǎng)跳智能站均會面臨大面積誤動以及拒動風險，甚至造成系統(tǒng)崩潰。

直采或直跳雖然能解決SV或GOOSE傳輸延時的問題，但對各裝置光口的數(shù)量有較高要求，尤其是母差等公用裝置往往難以滿足要求。同時，該方式會大大增加光纜用量且接線復雜，對于后期擴建難度較大，需增加新的光口用于傳輸與新間隔之間的GOOSE信息，并重新修改本間隔的光口定義及配置信息，從而影響運行間隔保護的正常工作。

此外，當前變電站還存在著一些共性問題。

1) 大部分變電站無論直采還是網(wǎng)采只沿用了三層兩網(wǎng)的組網(wǎng)模式，與傳統(tǒng)變電站相比只是用光纜代替了電纜，雖節(jié)省了電纜，但增加了大量交換機，無論運維還是配置都更為復雜，特別是交換機故障后會影響多個運行間隔，維護風險較高。

2) 變電站配置文件(substation configuration document, SCD)的配置依賴于設備廠商；各設備廠商的智能電子設備(intelligent electronic device, IED)模型各不相同，版本較多；設計院提供的虛端子表篇幅較長，不直觀且核查困難，更多依賴于現(xiàn)場調試來發(fā)現(xiàn)問題，其中漏拉或錯拉虛端子可以通過傳動驗收等方式發(fā)現(xiàn)，而額外多拉的部分只能通過人工去識別；業(yè)內規(guī)范并未明確規(guī)定虛端子的標準，站內設備改造涉及全站配置文件的更改，調試時間和停電范圍較大，現(xiàn)場檢修難度增加。

3) 目前，智能變電站只是簡單將二次設備網(wǎng)絡化分層，增加了智能終端、合并單元等中間環(huán)節(jié)，導致繼電保護的整組動作時間延長了5～10 ms，降低了主保護的速動性與可靠性，使得電網(wǎng)運行于穩(wěn)定極限的邊界，因此，一次設備的智能化是智能電網(wǎng)建設的關鍵環(huán)節(jié)。

4) 當前的智能變電站由于增加了大量過程層交換機、智能終端柜等設備，相比傳統(tǒng)變電站反而增加了占地面積，因而仍無法解決傳統(tǒng)變電站屏位緊張問題。

5) 多套保護共用合并單元、智能終端，單一元件可能引起多套保護誤動作，與快速保護獨立性原則相悖，且安全自動裝置與保護裝置共用智能終端跳閘，也與電力系統(tǒng)三道防線相互獨立原則相悖。

因此，提出一種集約化變電站組網(wǎng)模式，既能減小設備占地面積、減少光纜電纜數(shù)量，又能實現(xiàn)保護的就地化配置，提高保護的快速性和可靠性。

1 集約化變電站組網(wǎng)配置

1.1 常規(guī)變電站組網(wǎng)模式

常規(guī)變電站組網(wǎng)模式如圖1所示，一次設備通過電纜直接與保護測控裝置連接，中間經過兩處端子排轉接后接入裝置。

圖1 常規(guī)變電站組網(wǎng)模式

1.2 智能變電站組網(wǎng)模式

1.2.1 網(wǎng)采網(wǎng)跳

部分網(wǎng)采網(wǎng)跳智能變電站組網(wǎng)模式如圖2所示。該模式獨立配置合并單元和智能終端，一次設備經兩處端子排轉接后進入合并單元及智能終端，然后經光纖轉接到交換機，再由光纖轉接到保護及測控裝置。信息傳輸過程增加了兩處光纖轉接、合并單元、智能終端、過程層交換機等中間裝置。

圖2 網(wǎng)采網(wǎng)跳組網(wǎng)模式

1.2.2 直采網(wǎng)跳

部分變電站采用直采網(wǎng)跳組網(wǎng)模式，即SV+GOOSE共網(wǎng)，其思路是與一次設備匯控柜構成一體化設計，取消了智能終端柜內端子排轉接，減少了交換機數(shù)量，如圖3所示。但是，該模式僅僅是減少了物理轉接，中間環(huán)節(jié)依舊很多，交換機的不固定延時對跳閘命令傳輸?shù)挠绊懭詿o法消除。

圖3 SV+GOOSE共網(wǎng)模式組網(wǎng)示意

1.2.3 直采直跳

直采直跳組網(wǎng)模式雖然取消了交換機使得跳閘命令傳輸?shù)难訒r可控，但僅僅是用光纜替代原有電纜，大量光纜的使用使得各裝置光接口數(shù)量更多且裝置發(fā)熱現(xiàn)象更為嚴重，相比傳統(tǒng)變電站并無明顯優(yōu)勢，反而因此增加了智能終端等中間環(huán)節(jié)，影響動作可靠性。

1.2.4 合并單元與智能終端應用

合并單元與智能終端的應用則是將傳統(tǒng)變電站中保護裝置的采樣板、操作板、開入/開出板剝離出來單獨組網(wǎng)，并將過程層設備全部放置在一次GIS室內，如圖4所示。

圖4 過程層設備演化示意

這種配置方式不僅違背了集約化配置的原則，增加了許多中間環(huán)節(jié)，從概率學的角度來說，每一個中間環(huán)節(jié)的故障都會影響到保護功能，同時新增加的裝置會占用更多空間。新一代智能變電站的設計和建設應做到 “占地少、造價省、效率高”，結構布局合理、系統(tǒng)高度集成、技術裝備先進、經濟節(jié)能、環(huán)保、支持調控一體。

1.3 集約化變電站組網(wǎng)模式

在上述分析基礎上，提出將合并單元與智能終端功能回歸保護裝置，將保護裝置就地安裝在匯控柜內，取消智能終端柜，打破一、二次設備的界限，統(tǒng)一設計、統(tǒng)一布線，減少中間轉接環(huán)節(jié)，組網(wǎng)方案如圖5所示。

圖5 集約化變電站組網(wǎng)方案

集約化組網(wǎng)模式取消了合并單元、智能終端、交換機等中間環(huán)節(jié)，且就地配置取消了主控室—GIS電纜，主控室內只放置站控層設備，可大大縮減占地面積、降低成本、提升可靠性及速動性、減少轉接環(huán)節(jié)、維護檢修更簡便、回路布置更清晰。

2 方案對比

從選擇性、速動性、靈敏性、可靠性、經濟性五個方面評價幾種組網(wǎng)方案的優(yōu)劣。

以傳統(tǒng)變電站為參照，選擇性與靈敏性主要考慮CPU性能、交流采樣準確性等方面，其中CPU性能此處認為各裝置一致；網(wǎng)采由于依賴GPS時鐘，穩(wěn)定性和準確性相對較差；集約化變電站由于就地配置CT二次負載相較傳統(tǒng)站更小，CT更不易飽和，因此采樣準確度更高。速動性則是指故障發(fā)生到開關跳開時間，網(wǎng)跳相對電纜跳閘更慢，集約化站由于更靠近一次設備，跳閘時間更短?？煽啃灾饕獜谋Ｗo運行故障率考慮，網(wǎng)采或網(wǎng)跳智能變電站由于增加了合并單元、智能終端、交換機等中間環(huán)節(jié)，每一個中間環(huán)節(jié)的故障都會引起保護無法正常運行，相比傳統(tǒng)變電站故障率會成倍增加。

綜合分析可知，相較傳統(tǒng)變電站及其他智能站，集約化變電站組網(wǎng)模式的結構配置更簡潔，可靠性、速動性更高，經濟性更好。

3 結束語

集約化組網(wǎng)模式的提出打破了一、二次設備的界限，大大精簡了二次回路，減少了設備故障率，提高保護的可靠性與速動性，同時解決了設備占地面積大的問題，節(jié)約了投資成本。