110 kV佟村變改造數字化技術的應用及分析

劉 寧，肖學權，周 磊

（徐州供電公司，江蘇 徐州221005）

隨著光纖通信技術和網絡技術的發展，變電站綜合自動化進入了數字化的新階段。電子技術、通信技術的飛速發展給數字化變電站的發展提供了堅實的基礎。數字化變電站技術的研究應用將對今后電網安全穩定和經濟運行產生積極重要的影響，也將標志著我國電網自動化達到一個新的技術水平。110 kV佟村數字化變電站是其中的一種模式，通過對該站進行成功的數字化變電站技術改造，為數字化變電站的推廣奠定了基礎。

1 佟村110 kV數字化變電站改造方案

1.1 數字化變電站與傳統變電站的區別

“一次設備數字化、二次設備網絡化、通信接口標準化”是數字化變電站與傳統變電站主要區別，數字化變電站設備外觀特征表現在：

（1）傳統電磁式互感器被新型體積更小的新型電子式互感器代替；

（2）網線、交換機、路由器構建的網絡取代傳統的控制電纜、電流互感器（TA）、電壓互感器（TV）、電纜等硬接線，設備間信息傳輸方式以網絡為主；

（3）一次設備、二次設備接口數字化，設備帶有以太網數字通信接口；

（4）裝置逐漸小型化，向保護、測控、計量裝置一體化過渡，站內二次設備數量減少，系統整合為一；

（5）二次回路接線簡潔，便于排查與檢修；

（6）一、二次設備的小型化與精簡化，減小了變電站占地面積。

需要指出的是，與傳統站比較，數字化變電站內設備其保護原理、內部算法、邏輯并沒有發生根本改變，只是由于采樣數字化、通信介質網絡化、通信接口標準化改變，提高了變電站自動化系統的可靠性。

1.2 佟村變數字化架構

針對當前數字化變電站處于起步階段，部分技術尚不完全成熟這一現狀，佟村數字化站架構時決定在采取新技術的同時部分保留傳統技術,具體做法為主變本體、主變有載、主變中性點刀閘、主變三側開關及110 kV刀閘的控制及遙信量的采集全部由新寧光電公司生產的XA700系列數字化智能單元執行，10 kV線路的控制及遙信量的采集采用江蘇方天電力技術有限公司生產的常規微機測控保護單元；保護遙測計量方面，110 kV側互感器均采用電子式互感器，10 kV側除了主變低壓側的兩組電子式流變，其他均采用傳統流變壓變。采用新技術部分的架構如圖1所示。

圖1 佟村變電站數字化部分的架構

在110 kV斷路器、刀閘現場就地安裝智能終端，就地進行采集、控制，斷路器、刀閘的控制則由保護、測控裝置發送命令給智能終端，由智能終端完成實際控制，智能終端與開關、刀閘設備之間通過電纜硬接線連接。

變壓器的本體保護、有載調壓的智能裝置放置于變壓器的智能終端端子箱中。當變壓器本體異常動作時，本體保護的跳閘命令通過GOOSE網交換機發送給智能操作箱，經智能操作箱以接點形式送到一次設備執行跳閘；主變有載調壓的檔位、調檔也是通過GOOSE網在有載調壓的智能裝置中實現的。10 kV總開關間隔的智能終端就地安裝在10 kV開關柜內，所有的遙信遙控均通過柜內接線得到解決。由于智能控制裝置就地安裝，二次電纜大大縮短，二次接線工作大大地降低，施工人員的勞動強度也得到很大程度的降低。

1.3 電子式互感器的配置

110 kV系統配置的是南京新寧光電自動化有限公司生產的基于羅氏線圈原理的電子式電流互感器及基于電容環分壓原理的電子式電壓組合式互感器（ECVT），內含TA，TV及遠端模塊，與之配套的合并裝置是同一廠家生產的OEMV702型光電互感器合并裝置，遠端模塊安裝在高壓一次側，負責電壓電流量采集并轉換成數字信號。光電互感器合并裝置安裝在二次側，作用是將各TA，TV傳回的數據做處理、同步合并后打包輸出，供保護和測控裝置使用。

110 kV線路、110 kV橋開關、10 kV總開關間隔各配置一組電子式TA，這些互感器采集量經遠端模塊、光電互感器合并裝置輸出數字量到保護測控裝置、備自投和電能表。主變中性點TA為南京新寧光電生產的電子式互感器，經遠端模塊、光電互感器合并裝置后提供給主變后備保護。

1.4 網絡布置及功能

數字化變電站的網絡布置取決于它的結構，數字化變電站的結構分為站控層、間隔層、過程層3層，與之相關聯的網絡分為3層：站控層網絡、專用GOOSE網絡、過程層網絡。站控層為星型網絡結構，專用GOOSE網絡為單光纖星型網絡結構，過程層為光纖點對點網絡結構（見圖2）。

圖2 數字化變電站網絡結構示意圖

（1）站控層網絡：該網絡主要用于站控層和間隔層之間通信數據傳輸，即在后臺系統、通信管理機與保護、測控裝置之間實現數據傳輸，采用100 MB以太網組網，星型連接方式，網絡通信采用IEC 61850[1]。

（2）過程層網絡：該網絡主要用于保護、測控裝置與電子式TA/TV的合并器間通信，點對點光纖以太網，TA合并器按間隔布置，接入TV合并器來的電壓信號，輸出IEC 61850 9-1數據[2]?？玳g隔設備變壓器差動保護采用IEC 60044-8串行FT3協議；電子式TA/TV與其合并器間光纖連接，使用制造廠自有協議。

（3）GOOSE網絡：該網絡主要用于間隔層設備之間實現通信，開關量輸入、保護跳合命令的輸出、測控、保護間動作信息的交換由GOOSE網絡完成，通過GOOSE報文實現間隔的關聯閉鎖和保護跳合閘功能。該信息網絡單獨組網，不和后臺系統共用網絡。且全部采用RUGGEDCOM工業以太網交換機，間隔層網絡的傳輸速率滿足系統的實時性要求。

佟村數字化變電站通過相互獨立的網絡分層布置，各單元測控裝置相互獨立，互不影響，功能上不依賴于站級監控層設備。實現了把變電站監控系統、遠動系統、防誤閉鎖系統、保護信息管理系統等整合為一個系統；并通過軟件方式實現VQC功能，防誤閉鎖功能；主變保護與測控裝置采用GOOSE功能跳閘；并能根據一次設備情況，通過邏輯組態進行順控操作。

GOOSE專網實現了開關位置、刀閘接點位置等遙信信息的共享，大大減少了重復采集的資源浪費。備投裝置的開關位置接點、手分閉鎖備投的接點等都通過GOOSE專網共享開入實現；佟村變無110 kV母線TV，只有線路TV，把線路電壓轉換成母線電壓的切換回路和防二次并列回路，原來是通過一次設備的輔助接點一一串聯實現，現在通過共享GOOSE專網的開入接點信息進行邏輯判斷，減少了二次回路的接線。

直流系統、微機消諧裝置、消弧線圈自動調諧裝置等通過規約轉換后接入間隔層網絡。

2 佟村110 kV數字化變電站改造施工

佟村變是一座擁有2臺（110 kV/10 kV）變壓器、30路10 kV線路、2臺電容器及2臺接地變的具有電磁式保護的110 kV內橋接線變電站，它位于徐州市東面臨近建設中的京滬高鐵。在制定改造實施方案時，針對佟村變用電負荷目前較輕這一特點，決定對佟村變全停一天，把承接非重要工業用戶和居民用電的一次電纜在10 kV開關柜內進行并聯壓接；對裝有計費電度表的重要工業用戶一次電纜移位繼續實行專供，計費電度表由控制室移至相應開關柜掛接，不影響對重要用戶的供電及電費計量。通過上述的一次電纜調整使供電用戶集中在幾個相臨的10 kV開關間隔中，這幾個10 kV間隔由另外一個變電站的10 kV出線轉供。

在全停的當天,準備了大型的發電機作為電焊機、切割機等設備的電源進行變電站母線橋架、開關柜等的拆除；控制室內除老的站用變屏、直流屏、蓄電池屏保留外，其余屏柜、二次電纜等全部拆除。拆除方案考慮周密，工作安排緊張有序，過程安全可靠，晚上19∶00即恢復了對用戶的供電并對運行的10 kV開關柜設置安全硬遮攔。而后將站內的舊變壓器、開關、刀閘、二次電纜和屏柜全部清運，確保站內土建和一次設備安裝工作順利進行。施工中間，結合現場情況和數字化變電站的特點，采用了許多新工藝和新方法?？紤]到數字化變電站使用電纜很少，取消了傳統的電纜溝，代之以電纜管，既縮短工期，又節約成本，減少了工作量。

3 佟村110 kV數字化變電站的驗收

3.1 驗收分工

一次設備驗收組負責驗收變電站一次電氣設備的外觀質量、安裝質量和施工工藝，檢查設備交接試驗報告項目是否完善，數據是否準確，對重要設備及重要調整試驗項目進行抽檢，確保一次設備無滲漏銹蝕，符合各類規程要求。二次設備驗收組負責驗收電子式互感器及其合并單元、保護及自動裝置、監控系統、遠動設備及一次設備的控制輔助回路的安裝質量和施工工藝，逐項檢查二次回路接線、光纖插頭是否正確、傳動是否正確、測試設備之間的光纖通道衰耗是否合格，校驗調試報告項目是否完善，數據是否準確，定值是否準確，符合各類規程要求。

3.2 電子式互感器驗收及處理

電子式TA/TV用于測量系統電流、電壓，為數字化計量、測控及繼電保護裝置提供電流、電壓信息。重點驗收以下測試報告及結論：

短時工頻耐壓試驗密封性檢測；檢查各接地點是否可靠；光纖傳光性能檢測；互感器變比、角差、比差測試；互感器引出極性檢查；遠端模塊供電電源檢查，遠端模塊或合并單元掉電能可靠閉鎖相關保護，并發異常信號檢查。

為了確保電流相量的正確，在驗收電子式TA時進行了一次通流的實驗（見圖3）。即合上兩進線開關、橋開關、刀閘，拉開主變高壓側的刀閘，在110 kV兩進線和橋間進行一次通流實驗（進線TA極性端在進線側；橋TA極性端在110 kV 2號母線），兩進線TA的電流互為參考，檢查1號、2號主變差動電流幅值和相位且差流為0；檢查110 kV備投裝置電流幅值；檢查計量電能表的電流相量，查看后臺遙測電流，但是檢查發現1號主變高后備的電流為0，2號主變高后備的電流為2倍實驗電流，這是由于佟村變無主變高壓側TA，主變高后備的電流只能用進線電流加橋電流實現，而橋電流既要給兩主變后備保護用，又要給主變電能表用，還要給橋測量用，所以無法在橋光電合并器中用軟件取反，決定在2號主變后備保護中增加定值項對橋電流取反實現，同時保證保護程序版本的一致性。

圖3 一次通流驗證電子式TA示意圖

若用同一個電源在110 kV，10 kV同時通流檢驗差動保護的電流相位和差流不太可能，所以只能通過合并器通入三側電流檢查差動保護的正確性。

3.3 啟動送電時電流電壓相量檢查

變電站啟動送電時，數字化變電站與傳統變電站很明顯不同的是保護裝置測量相量及TV二次核相問題。光纜取代了電纜，數字量取代了模擬量，傳統變電站使用的鉗形電流表等模擬量測試儀表也失去作用。電流相量只能看裝置的采樣值及差流。具體要求如下：線路帶電后，進線電壓幅值可以在進線電度表中查看，110 kV I，II 2段母線帶電后，2段母線電壓的幅值可在主變后備裝置中檢查相位相角。在主變帶負荷后主變高低壓側及橋的電流可以在差動保護中檢查相位、幅值及差流。需要注意的是與傳統變電站一樣，帶負荷前需要停用差動保護，檢查相量正確后方可投入。由于佟村變10 kV母線TV、線路TA仍是電磁式，所以仍采用傳統的TV核相，鉗型電流表測試模擬量。

3.4 備投的驗收

在佟村變裝備了2套方天公司生產的PSI-05E型備自投保護裝置，為了滿足調度部門提出的運行方式要求（即無論110 kV橋開關在分位或合位，兩進線開關均可以互為備投），根據此要求重新進行了備投邏輯版本的開發設計。為了驗證新邏輯的正確性，提出了包括開關偷跳啟動備投，保護/手分閉鎖等在內的詳盡的備投試驗方案，試驗結果正確。最后在佟村變送電時對2套備投進行了（6種方式，12種動作行為）備投實模，動作行為完全正確。

3.5 程序化順序控制的驗收

程序化順序控制可極大地減輕運行人員的工作強度，并提高工作效率，是電力系統的長遠發展方向。佟村變的刀閘及地刀全是電動機構，滿足程序化順序控制的前提條件，GOOSE信息共享使跨間隔的邏輯五防閉鎖功能得以實現，滿足程序化順序控制的必要條件，征求調度及運行方面的意見，總結出110 kV側一次設備的方式變換種類，設定了程序順序控制邏輯，實現了站內110 kV側一次設備運行狀態、檢修狀態和熱備用狀態的一鍵式順控操作。

對其進行實際的驗收實驗，即在佟村真正實現了110 kV側設備由一種方式轉化為另一種方式時，只需要摁下后臺畫面的一個按鈕即可。

4 常見問題說明

4.1 合并單元告警及通信失敗處理

合并單元故障時，會在液晶屏上產生相應的報文，故障類型有下面幾種。（1）遠端模塊出錯，液晶面板上產生相應的報文，同時裝置上的遠端模塊燈會點亮。如果信號復歸不掉，或重新上電無效，檢修人員應進行以下處理：檢查遠端模塊是否掉電，沒有掉電則可更換遠端模塊過來的光纖，如果依然丟幀，則需更換遠端模塊。（2）光纖通道光強監視告警。光纖通信誤碼率與光纖通道光強密切相關?，F場光纖通信誤碼率高很重要的原因就是光纖衰減太大造成的。因此當光纖衰減太大時，液晶面板上會產生通道告警的報文，同時裝置上的遠端模塊燈會點亮。出現此故障時檢修人員需更換光纖。（3）合并單元內DSP板出錯。當DSP發生死機或DSP間出現HTM數據傳輸錯誤，則保護和測控裝置接收到的數據相應置無效狀態，從而避免保護裝置誤動。

電子式TA/TV三相經遠端模塊由3根光纖分相送至合并單元，遠端模塊至合并單元中的3根光纖斷開任何1根，報該光纖采樣數據無效裝置告警燈亮。光電互感器應具有自檢功能，若出現通信故障或光電互感器故障，保護裝置將會因收不到校樣碼正確的數據而直接報出互感器異常報文。

當報GOOSE通信失敗時，可能是以下幾種情況：一是就地安裝的智能終端失去裝置電源時，無法實現GOOSE網的數據通信；二是間隔層的保護測控裝置失電或死機；三是RUGGEDCOM以太網交換機網口損壞等。視具體情況區別處理。

4.2 極性反的問題

對于數字化變電站帶負荷測相量圖時，如果極性反了，只能通過改軟件的方式調整極性。以主變差動保護為例，若主變任一側TA極性反了，正常運行時會出現差流，此時，只能通過修改軟件，把差動保護中的電流取反。

4.3 激光電源問題

新寧光電生產的合并器與方天保護裝置共同組屏時，發現合并器的激光電源發射板散發大量熱量，導致合并器裝置及方天保護裝置溫度劇升，裝置外殼溫度最高時達到55℃。這樣會嚴重影響裝置的可靠運行，并降低裝置的使用壽命。針對這種現象，采取了3種策略：（1）加裝一臺大功率空調；（2）調整合并器與保護裝置之間的間隔距離；（3）在合并器下增加排風扇以加快熱量的散發。通過上述策略，裝置溫度下降到35℃左右。

5 結束語

徐州佟村110 kV數字化變電站技術改造的成功，對今后數字化變電站建設提供了重要的工程借鑒價值。變電站內智能終端設備就地安裝，設備間直接就地以光纜和少量電纜連接，站內無電纜溝，二次系統結構簡化、設備布置靈活緊湊、占地面積小、大量減少土建成本。當然數字化變電站的建成投運也給傳統的運行、檢修、計量等專業提出了新的課題；電子式互感器的遠端模塊安裝在一次設備上，使一次和二次之間的界面模糊等問題，都是今后數字化變電站安全穩定運行所要研究解決的課題，這就要求廣大電力工作者與時俱進，研究適用于數字化變電站不同模式下的管理、運行、檢修方法，使之更好地服務于電網，為建設堅強智能電網作出貢獻。

[1]李 慧，趙 萌，楊衛星，等.應用IEC 61850規約的220 kV變電所繼電保護設計[J].電力系統保護與控制，2009，37（6）：60-63.

[2]殷志良，劉萬順，楊奇遜，等.基于IEC 61850的通用變電所事件模型[J].電力系統自動化，2005，29（19）：45-50.