數字化變電站中電氣二次設計分析

周 平

（國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京 211100）

0 引言

隨著科學技術的發(fā)展，智能化技術日趨成熟，其在變電站中的合理運用推動著變電站的發(fā)展。隨著電力系統(tǒng)的智能化，電力系統(tǒng)的二次設計也逐漸采用了數字化技術。在目前的科學技術條件下，要使變電站構成的二次裝置能夠正常工作，才能保證變電站的安全。二次前置分為8 大部件，既有測量控制、遠程傳輸、在線檢測、故障記錄等功能，又具有繼電保護、防誤閉鎖、電壓無功控制和同步運行等功能。為確保二次設備運行的穩(wěn)定、高效，必須確保8 種設備的規(guī)范化?，F階段，智能化變電站越來越注重對數據資源的充分利用與分享，因此，變電站的智能化電氣二次分析、設計工作對變電站的正常運行起著至關重要的作用[1]。

1 變電站電氣二次系統(tǒng)重要作用

近幾年，隨著電網建設的不斷推進，電網向超高壓、長距離輸電、智能化發(fā)展，對輸電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、可靠的要求也越來越高，同時也需要更加經濟地運行。二次設備是變電站的關鍵設備，它的作用是保證一次設備的安全穩(wěn)定運行。尤其是近幾年，變電站的現代化、便利性、微型化發(fā)展速度加快，加上社會發(fā)展對電力供應的需求越來越大，進而電力設備在傳輸、分配等方面的安全問題也越來越突出。因此，要使一次回路、設備的安全得到有效的保障，就必須合理地進行二次系統(tǒng)的設計與使用，并從多個角度考慮各種因素，以使其更加科學合理地設計，并使其在實際中得到更好的應用，從而使一次設備得到更好的保護，為整個變電站的安全打下堅實的基礎。

2 數字變電站概述及特點

2.1 數字變電站概述

揚州110 kV 何橋變電站按照ⅠEC61850（DL/T860）、《智能變電站技術導則》和《110（66） kV～220 kV 智能變電站設計規(guī)范》進行了全面的設計。該系統(tǒng)具有智能報警、順序控制等先進智能應用功能，并實時監(jiān)控主變、避雷器等設備，滿足了變電站無人值守的需求。

2.2 數字變電站的特點

2.2.1 一次設備智能化

由于線纜具有較大的空間和較慢的速度等特性,數字變電站在應用中已不能再利用常規(guī)的線纜，而是用電子數字代替原有的信號，實現了數據連續(xù)傳輸和信息轉換，極大地提升了信息傳輸和利用效率。在變電站中，較常用的輔助設備有保護裝置、測量控制裝置、電壓控制裝置等。在數字變電站中，采用網絡技術可以快速傳輸數據，實現資源的共享。

2.2.2 運行管理系統(tǒng)自動化

在變電站的運行管理系統(tǒng)中，通常采用自動的網絡技術來進行數據的錄入和分析，而不需要紙張來記錄，一旦發(fā)生故障，管理系統(tǒng)就能對故障情況進行分析，并提出相應的解決方案及有效的記錄。采用自動化管理系統(tǒng)，無需進行常規(guī)維修，只需進行狀態(tài)維修，可以自動發(fā)送檢修的報告評估數據，勞動力得以有效分配。

3 智能化變電站電氣二次設計要點

3.1 智能化變電站設備選擇要點

智能化變電站的關鍵在于如何合理地選擇電氣二次設備，如智能變電站的智能開關、電感器等。現在的變電站，往往都是采用網格化的方式保證電力二次設備的正常運轉。在智能變電站的二次設計中的智能開關和電感器設計中，常會遇到下列問題。①在選用智能開關時，必須根據實際情況，選用最適合的交換機。在諸多選擇中，最具科學性和合理性的就是智能切換。智能開關的應用直接關系到智能化變電站的安全穩(wěn)定。智能開關的選取，直接關系到整個智能變電站的運行性能，對智能變電站的智能化控制能力也有很大的影響。此外，智能切換的合理利用，也可以極大地促進數字的實現，其應用為其提供了一個界面，從而將智能化水平進一步提高。當然，智能開關也有其不足之處，例如造價及維護費用較高。②如果在智能化變電站中使用一般的開關，盡管這樣的開關可以提供一個數字界面，但在此情形下，聯(lián)機監(jiān)控功能就無法使用。③在選擇電子互感器時，通常要考慮采用主動型或被動型。在實際應用中，人們更傾向于采用有源式變壓器，它采用激光進行相關匹配，改善了電源的穩(wěn)定性。而被動式的電子互感器則采用了基于光敏的傳感器，這不僅造價昂貴，而且還不穩(wěn)定，因此大多數人都會選擇前者。

3.2 通信規(guī)約選擇要點

在智能變電站的二次設計中，通常所選用的通訊規(guī)范存在著一定的差別。103 通信協(xié)議對站控層網絡可能更合適。103 使用了常規(guī)的功能設計方式，但也有一些缺陷，例如，在運行上沒有任何優(yōu)點，主要應用于要求較低的變電站。ⅠEC 61850 則是一種更好的通訊規(guī)約，它的可操作性更強，但也有一個弊端，即成本太高。由于過程層網絡規(guī)約采用FT3幀，具有更高的實現性能、傳輸時延的固定等優(yōu)勢。除此之外，ⅠEC 60044-8通訊規(guī)約也是一種格式，它的目的是為了實現目標的設計，這樣就可以讓智能變電站變得更加完善。但是，這種通訊規(guī)約在實際應用中，也有很大的限制，比如傳送延遲不能確定，穩(wěn)定性不高，而且價格昂貴。

3.3 網絡結構設計要點

在網絡的設計中，把智能變電站分為過程層、網絡層和站控層三層。工作人員都要針對每個層面的特性進行單獨設計。其中，過程層的設計是區(qū)別智能變電站與常規(guī)變電站的關鍵環(huán)節(jié)，因此，在具體的設計中，必須引起足夠的重視。目前，在對智能變電站站控層系統(tǒng)的選型中，要綜合考量以上各種因素，選取投入最低、科學合理、最穩(wěn)定、最安全可靠的方法，而星型太網則成為支撐的最佳方式。

3.4 保護配置

在變電站內，每個主變設置2個變壓器保護（主后合一）、1 個變壓器本體保護；在高壓側和低壓側各設有一操作盒，其主要作用是實現分合高、低壓側開關。變壓器的保護方式是主后合一型，即后備和差動保護，以差動和氣體保護為主，差動保護在瞬間跳過變壓器兩邊的斷路器，而內橋側的斷路器則跳過。變壓器的本體保護包括油溫、減壓等方面的保護，一旦出現異常，就會向操作人員報告異常情況。

3.5 控制保護電源

在220 kV 智能變電站的施工中，由于采用了無人值守或極少有人值守，對變壓器保護和220 kV 線路保護采用了雙組，并對一些關鍵的控制電路進行了充分而必要的冗余設計。在變電站的控制上，可選用兩組VRLA 型密封蓄電池，其直流電壓為110 V，電池容量為500 Ah，電池的數量為54 個，電池的浮充電壓為2 V。

3.6 線路保護

在整個故障產生和操作中，若故障是在出線處，則可以利用反向判斷的方式以更好地判斷問題，也可以在第一時間準確地找到故障，一旦發(fā)現問題，立刻就能發(fā)送出閉鎖信息，從而保證整個電力設備的安全，也能保證整個變電站的正常運轉。

4 數字化變電站中的電氣二次設計方案

4.1 對電氣智能設備進行合理選擇

在變電系統(tǒng)中，通常都要進行相關的二次設備的設置，其中網絡二次設備是數字化變電站所必需的，因為只有通過網絡二次設備才能實現與數字變電站系統(tǒng)的連接和對應的網絡通訊。目前，在變電站的選型中，通常采用有源和無源兩種方法。與被動式電子變壓器相比，有源式電子變壓器具有更好的性能和工作效率，因而其應用領域也更廣。在選擇二次設備的同時，還要考慮到智能開關的選擇，最好采用智能終端，因為它能夠滿足各種設備的切換要求。

4.2 設計組屏方案

數字變電站的二次部分組屏方案與傳統(tǒng)的方案有很大的區(qū)別。相比而言，二次部分組屏方案功能全面，操作簡單，而且還可以根據不同等級的電壓集成設備，將多個屏幕組合在一起。在進行設計時，必須將遠動主機、監(jiān)控主機、工程師工作站等設備設置在主控室中，而不像ⅠEC 61850 的智能設備，需要分別設置組屏。

4.3 繼電保護模式設計

為了使變電站能夠正常工作，變電站需要繼電器保護裝置和保護設備。繼電器是電力系統(tǒng)的核心部件，所以需要對繼電器的設計進行了優(yōu)化。從本質上說，需要在監(jiān)測系統(tǒng)中設置獨立的繼電保護，并使其與監(jiān)測系統(tǒng)處于相互獨立的狀態(tài)。在此基礎上，即使在自動變電站突發(fā)故障時，該系統(tǒng)內部的保護裝置仍然能正常工作。就目前的情況而言，保護與控制設備應包括電容器、變壓器、線路等部件，并對重要部件進行多層保護。通過測量和控制，可以得到實時的電壓和電流信息。同時，該CPU 具有特殊的邏輯模塊，能夠根據該邏輯模塊對各分片的性能進行判斷。

4.4 增加防誤閉鎖設計

電力系統(tǒng)的安全性是數字化變電站電氣設計的重要內容。在進行二次電氣設計時，既要確保設計方案的科學性，又要針對發(fā)生的問題制訂一套完整的防范措施，以確保電網的正常運轉。因此，在進行數字化變電站二次設計時，應科學、合理地設置安全防誤裝置，以保證其與電網的設計和施工相適應。在變電站的自動控制系統(tǒng)中，應設置一個防誤閉鎖裝置，其主要目的是防止高壓裝置突然發(fā)生誤動作。從現狀來看，防誤閉鎖可以劃分為電氣型與微機型的兩種類型。通過電氣連鎖控制，可以對每一條電路進行優(yōu)化，并通過相應的防誤裝置實現以上的優(yōu)化，但其困難是設計者需要將多根二次電纜連接到整個系統(tǒng)中，增加了操作的難度。另外，在以后更換二次線路時，將會花費大量的人力和財力。與之相比，基于計算機控制的防誤閉鎖具有其獨有的技術優(yōu)越性。這是因為計算機控制方式設計了一種特殊的鎖定規(guī)則，從而建立了一個數字的鎖定轉換模型。

4.5 光纖縱差保護設計

光纖縱差保護是利用光纖兩端的電氣量來實現數字信號的變換，從而達到通信目的。光纖縱差保護功率電纜具有較長的長度，與常規(guī)差動保護相比，不會產生環(huán)負荷問題，其應用具有顯著的優(yōu)越性。此外，纖維的放電性能及抗雷擊性能更好，信息可以傳遞更遠，傳遞的信息更多。然而，在與繼電保護裝置進行通訊連接后，由于存在著盲區(qū)，光纖通信自愈切換所需的時間較長。為有效地解決這個問題，在進行光纖縱差保護的設計時，必須從通訊機房和繼電保護裝置的聯(lián)接、保護等方面進行全面的研究。

4.6 監(jiān)控系統(tǒng)、應急系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)的設計

監(jiān)控系統(tǒng)是電力二次系統(tǒng)中的關鍵部件，它的主要功能是對一次、二次裝置進行控制，一般都是采用分布式通過雙擊方式來實現對斷路器的遙控，并通過三種方式實現對斷路器的遙控。變電站二次系統(tǒng)中的緊急控制系統(tǒng)通過設置消防警報，可以有效地應對各種突發(fā)情況。尤其是在變電站的工作環(huán)境下，當出現雷擊、超負荷運轉時，變電站的應急系統(tǒng)可以保證變電站的安全、可靠。變電站二次系統(tǒng)的高效率運轉，以及它的自動化、智能決策功能，都離不開智能控制系統(tǒng)，在變電站的運行中，當發(fā)生安全事故時，它可以根據所得到的信息進行快速的判斷和處理，從而在最短的時間內做出相應的反應，既可以降低損失，又可以提升整個變電站的工作效率。目前，神經智能與專家系統(tǒng)的研究還在繼續(xù)，將來必將在電力二次系統(tǒng)中得到廣泛的應用。

4.7 直流系統(tǒng)的設計

直流輸電在變電站的二次供電中占有重要的位置，它可以為電網的自動控制提供大量的能量，從而確保電網的數據采集和控制等工作順利進行，為電網的安全運行提供有力的技術支持。在變電站的二次電力系統(tǒng)中，斷路器的運行是由電動彈簧來進行的，由于變電站里面的電流并不多，為了保證在停電時可以工作2 h，必須要將電力儲存起來，并且設定為300 mA。此外，還必須引進智能計算機技術，將其用于控制系統(tǒng)的切換。

4.8 設計端子排圖

在進行數字變電站二次部件的終端布線時，可以省去一次和二次之間的接線布置，同時還可以對控制電路進行優(yōu)化。這簡化了二次電路的設計，比如保護壓板、按鈕和把手的數目大幅降低，降低了操作和維修工人的安全風險，而且還徹底解決了光纜使用中的老化問題，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，達到了全數字化的目的。

5 數字化變電站中電氣二次設計注意事項

5.1 對線路保護方面

線路保護的內容包括：過流保護、距離保護、分相電流差動保護。飽和電磁互感將會對逆時過電流保護的工作時間產生很大的影響，并導致保護工作時間延長。失真發(fā)生在二次電流波形上，所以在選用非常規(guī)變壓器時應選用不飽和特性的變壓器。其次是距離保護。距離保護主要是為了判斷電流中的非周期成分，一般不能從根本上改變非周期成分，從而導致測量誤差過大。采用微分方程的阻抗算法，可以縮短數據窗口，增加數據窗口，增加距離保護操作速度，減少測距誤差。第三種是分相電流差動保護。分相電流差動誤差主要是因為變壓器飽和引起的，如果要有效地解決線路分相電流差動保護的誤動問題，可以選用具有非飽和特性的電子互感器。

5.2 對母差保護方面

通過母差分站把模擬信號轉換成數字信號，即可完成整個母差系統(tǒng)的數字化。母差維護是把舊母差式保護轉化為新的母差式保護，一般分為兩大類：分站和主站。一般情況下，分臺間只需要將匯流端的電流和開關連接。當進行了對各個分室的數字化設置之后，就可以實現電壓、電流和母差式的與主站間的逐漸連接，而通過GOOSE 接口后，就能夠實現網絡的連通性。

5.3 對數字化低周保護方面

與傳統(tǒng)的低周保護相比，數字低周保護存在很大差別，它的特點是數字低周保護沒有信號。數字低周保護是在接收到單位位置的母線電壓后，對其進行相應的頻率運算，然后以報文的形式通過跳閘指令輸出。例如，根據預定的時間，在10 kV 區(qū)間內設定自動回撤低周壓板，并在一定的出口提前跳閘，從而確保低周跳的功能。

6 結束語

當前，我國正處于經濟和社會轉型的階段，工業(yè)發(fā)展需要大量的電力能源，對供電的要求也越來越高，要求電力系統(tǒng)提供更加穩(wěn)定的電能。在電力系統(tǒng)中，變電站是最重要的，數字化變電站是未來的發(fā)展趨勢，因此數字變電站二次設計的分析具有重要意義。