智能變電站若干關(guān)鍵技術(shù)研究與工程應(yīng)用

張 超

（葛洲壩集團(tuán)電力有限責(zé)任公司，湖北 宜昌443002）

0 引言

現(xiàn)階段，為了保護(hù)環(huán)境，綠色能源的開發(fā)和節(jié)能減排工作已成為各行業(yè)主要的發(fā)展方向。為了跟上時(shí)代的發(fā)展步伐，變電站也要在原有基礎(chǔ)上最大程度地提高電網(wǎng)能源使用率，即在數(shù)字化信息網(wǎng)絡(luò)平臺上，將能源體系中資源的開發(fā)、輸送、存儲及轉(zhuǎn)換等設(shè)備連接起來，利用智能化控制設(shè)備完成精確、對應(yīng)、互助、互補(bǔ)的能源供給目標(biāo)，提升能源的利用率與供應(yīng)的安全性，最大程度地減少污染，使投資與成本變得更加合理。

1 案例簡介

某輸變電工程（220kV）位于黑龍江省，此項(xiàng)目共配置2臺90 MVA主變壓器，4回220kV出線，8回110kV和35kV出線，其中35kV使用單母線進(jìn)行分段接線，220kV的和110kV使用雙母接線。由于該地區(qū)冬季氣溫會達(dá)到－40℃，因此該工程的實(shí)施，為低溫條件下智能變電站的施工和正常運(yùn)行積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

2 現(xiàn)階段智能變電站存在的問題

2.1 相關(guān)設(shè)備不夠成熟

智能化設(shè)備主要是利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)變電站的保護(hù)和控制，和變電站的普通設(shè)備有著本質(zhì)性的差別。現(xiàn)階段，由于缺乏數(shù)字化控制保護(hù)裝置的實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對于智能化設(shè)備尤其是電子式互感器來說，在使用過程中可能會出現(xiàn)各種各樣的問題。而且由于不同的試點(diǎn)使用的電子式互感器原理不同，極易導(dǎo)致變電站的穩(wěn)定性、可靠性等都無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。和硬接線回路相比，智能變電站在建設(shè)的過程中會應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，因此需增加交換機(jī)等設(shè)備，而這些設(shè)備若不夠成熟就會導(dǎo)致變電站可靠性降低。

2.2 調(diào)試時(shí)間長

智能變電站在運(yùn)行的過程中對配置模型的依賴程度比較高。和普通的變電站相比，智能變電站在減少二次接線的同時(shí)，還需要進(jìn)行額外的系統(tǒng)集成工作。除了需要進(jìn)一步提升設(shè)備互操作性和通信信息統(tǒng)一性之外，智能變電站還要開展大量的調(diào)試工作，如果按照常規(guī)模式進(jìn)行，就會導(dǎo)致施工周期延長。

3 智能化變電站的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 雙重化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

雙重化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為變電站自動化系統(tǒng)提供了處理方案，真正達(dá)到了各廠商設(shè)備能夠互操作的目標(biāo)，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）全方位完備的通信處理方案。對間隔層和過程層之間的通信方法進(jìn)行了定義，有力地支持了智能一次設(shè)備、電子式互感器的信息傳送。對變電站之間的通信接口進(jìn)行了定義，為各區(qū)域自動化系統(tǒng)間的通信及完成廣域保護(hù)做了鋪墊。

（2）對報(bào)文與性能進(jìn)行了詳細(xì)的分類。

（3）實(shí)現(xiàn)了通信和應(yīng)用的獨(dú)立，能確保通信系統(tǒng)自身的持久穩(wěn)定性。

（4）統(tǒng)一了各設(shè)備間互換信息的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了各設(shè)備間的互操作。

3.2 電子式互感器

電子式互感器具有暫態(tài)性好、體積小、安全性能高等方面的優(yōu)點(diǎn)，是未來智能變電站需要使用的主要設(shè)備。根據(jù)原理，可以將電子式電流互感器分成無源型互感器和有源型互感器。下面對其使用策略進(jìn)行探討。

3.2.1 無源型互感器的應(yīng)用

對于光互感器來說，全光纖電流互感器的溫度、抗震性能都要好于磁光玻璃電流互感器，所以其在試點(diǎn)站中得到了廣泛的運(yùn)用。全光纖電流互感器的穩(wěn)定性和誤差與制作工藝、傳感光纖材料、傳感器的繞制方法等有比較大的聯(lián)系。從試點(diǎn)的結(jié)果來看，電子元件和電氣單元的穩(wěn)定性是保證互感器正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。

3.2.2 有源型互感器的應(yīng)用

（1）一般情況下，在低電位安裝GIS電子式互感器的遠(yuǎn)端模塊，不用進(jìn)行激光供電，具有良好的穩(wěn)定性，供電成本也不高。不過由于GIS設(shè)備和電氣耦合關(guān)系比較緊密，要考慮其電磁兼容問題，尤其是在隔離開關(guān)操作過程中引起的瞬態(tài)過電壓對模塊造成的影響。

（2）對于羅氏線圈等類型的有源型電子式互感器，其溫度特點(diǎn)和電磁兼容性是需要重點(diǎn)注意的地方，如果不能很好地進(jìn)行處理，會直接對保護(hù)設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性造成影響。另外，對羅氏線圈的積分環(huán)節(jié)也要給予足夠的重視，如果處理不好，會對ETA的暫態(tài)性造成影響，甚至?xí)霈F(xiàn)直流偏移和拖尾的情況。

（3）AIS電子式互感器一般安裝在遠(yuǎn)端模塊高壓側(cè)，需要進(jìn)行激光供電，成本比較大，運(yùn)行可靠性不高。而且，遠(yuǎn)端模塊的使用壽命會對電子式互感器造成影響，當(dāng)前大多數(shù)電子式互感器故障都出現(xiàn)在遠(yuǎn)端模塊，比較常見的原因有進(jìn)水、高溫等。

3.3 選取繼電保護(hù)的跳閘方法

（1）網(wǎng)絡(luò)跳閘。網(wǎng)絡(luò)跳閘可以使光纖接線變得簡單，使光口數(shù)量得到控制與保護(hù)，有利于設(shè)備及時(shí)散熱。但是因?yàn)樵鲈O(shè)了交換機(jī)，所以只要交換機(jī)發(fā)生故障，就會失去控制保護(hù)作用。現(xiàn)階段，大概有25%的試點(diǎn)站采用了網(wǎng)絡(luò)跳閘方式，就當(dāng)前的情況來看，網(wǎng)絡(luò)跳閘的可靠性較高，還沒有出現(xiàn)因交換機(jī)故障而引發(fā)的保護(hù)失效狀況。由于網(wǎng)絡(luò)跳閘削減了中間環(huán)節(jié)，所以能減少延時(shí)。

（2）點(diǎn)對點(diǎn)跳閘。由于其配置較多，致使發(fā)熱量較大，進(jìn)而嚴(yán)重制約安裝設(shè)備的使用壽命。

4 智能變電站的工程應(yīng)用

4.1 設(shè)備配置措施

（1）斷路器的選用。基于當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，對于220kV線路選用220kV的智能斷路器，因?yàn)樾枰獧z測斷路器的溫度、電磁干擾、振動等方面的內(nèi)容，所以智能終端部分最好進(jìn)行集成，開關(guān)量的采集部分和電動隔離開關(guān)也要并入智能終端。

（2）互感器的選用。本工程選用了電子式互感器，考慮到設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性，對電子式互感器進(jìn)行了對比，在110kV和220kV側(cè)使用羅氏線圈。

（3）變壓器的智能配置。在主變本體端子相中安裝單套智能組件設(shè)備，主要負(fù)責(zé)主變的非電量保護(hù)、利用控制電纜直跳的方式來完成重瓦斯保護(hù)、利用GOOSE方式來完成其他非電量保護(hù)。

（4）交直流電源系統(tǒng)。針對站用電源，在交直流一體化電源（IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)）的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)一體化的監(jiān)控與管理。整個(gè)變電站使用一套交直流一體化電源，采用獨(dú)立的DC/DC變換器。為了控制建筑物的面積大小，減少維護(hù)工作量，要對同類的設(shè)備進(jìn)行整合，使其與變電站全壽命管理周期的要求相符合。

4.2 分層分布結(jié)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)變電設(shè)備間的信息共享與互操作，在IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上建設(shè)變電站時(shí)要分層分布進(jìn)行，大體分成站控層、間隔層、過程層3層。站控層和過程層實(shí)行獨(dú)立組網(wǎng)，傳送GOOSE信息時(shí)，站控層使用雙星型電以太網(wǎng)（100M），過程層使用雙星型光以太網(wǎng)（100 M）。站控層使用SNTP網(wǎng)絡(luò)，過程層和間隔層使用B碼，在傳送合并單元的采樣值時(shí)要使用點(diǎn)對點(diǎn)的方式，傳送協(xié)議為IEC61850－9－2；使用光纖點(diǎn)對點(diǎn)的方式將裝置跳合閘的GOOSE信號接到智能終端中；使用GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳送測控裝置短路器的邏輯互鎖、報(bào)警和位置、開出、各保護(hù)之間的閉鎖、啟動失靈等信息。

4.3 依據(jù)雙重化原則來配置220kV母線保護(hù)

（1）要確保保護(hù)配置的雙重性，對于電流互感器的數(shù)據(jù)以及高壓側(cè)單元合并主變中性位置的電壓，不單獨(dú)為其配置保護(hù)裝置。

（2）合并單元要做好線路與母線的保護(hù)工作，且最少要留3個(gè)光纖網(wǎng)絡(luò)接口。為了減少施工場所的光纖，安裝合并單元時(shí)采取集中組屏方式。

（3）220kV斷路器一共有2個(gè)跳閘線圈，是進(jìn)行分相操作的單位，因此，每一個(gè)斷路器上配備的智能終端應(yīng)具有雙重的、包含分相跳合閘的功能，如圖1所示。

（4）智能終端的光纖接口要具有點(diǎn)對點(diǎn)輸送和GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳送的功能，斷路器的智能終端要和母線保護(hù)跳合閘、線路保護(hù)跳合閘、測控開出和開入網(wǎng)絡(luò)光纖的接口要求相符合，并使用就地方式安裝智能終端。

圖1 智能終端配置示意圖

4.4 配置過程層的交換機(jī)

由于跳閘命令和采樣值都是使用點(diǎn)對點(diǎn)完成傳送的，因此GOOSE的信息量很小，當(dāng)失靈啟動信息和網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)比較大時(shí)，終期流量也只在10M以下，所以100 M帶寬的交換機(jī)就能達(dá)到過程層的數(shù)據(jù)傳送要求。220kV母線應(yīng)配備2臺交換機(jī)，主變?nèi)齻?cè)保護(hù)、測控、智能終端應(yīng)配置2臺交換機(jī)（雙重化）。為了保證變電站交換機(jī)的正常通信，將2部交換機(jī)安裝在主干網(wǎng)的位置，并將錄波系統(tǒng)、PT測控、母線保護(hù)等設(shè)備接入公用設(shè)備中。

5 結(jié)語

隨著我國電網(wǎng)的不斷發(fā)展，智能變電站成為電網(wǎng)的重要構(gòu)成部分。目前，電子式互感器、IEC61850技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，數(shù)字化保護(hù)設(shè)備和智能化設(shè)備發(fā)展迅猛，但互感器運(yùn)行缺乏穩(wěn)定性、設(shè)備智能化水平不高等問題仍然存在，因此需更加深入地對智能變電站的關(guān)鍵技術(shù)和工程應(yīng)用進(jìn)行研究。

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