220 kV變電站智能化改造技術要點及方案實施

張愛軍，趙麗君

（1.內蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020；2.內蒙古自治區電力系統智能化電網仿真企業重點實驗室，呼和浩特010020；3.內蒙古電力勘測設計院有限責任公司，呼和浩特 010010）

0 引言

隨著智能變電站在全國范圍持續推廣，智能設備制造技術及工藝不斷取得進步并得到廣泛應用。智能設備已經進入成熟期，而早期投入運行的數字化變電站逐漸暴露出設備及技術落后等問題，不利于變電站的優質、高效運行，也給電力系統運行帶來了安全隱患。雖然每年都對這類變電站投入了大量的資金及人力物力進行維護整改，但治理效果并不理想，急需對這類舊站進行智能化改造。

1 存在的問題

杜爾伯特220 kV變電站于2006年正式投運，是國內首座先進的220 kV 數字化變電站。早期的數字化技術及設備逐漸暴露出設備互操作性不強，系統開放性不夠，不同廠家設備通信不能滿足即插即用功能需求等問題。電子式互感器、綜合自動化系統均存在運行不穩定現象，并且同類型產品已經停產，備品備件缺乏,無法及時維護；站內運行了10年的二次系統也已進入故障高發期，運維成本高，集成優化技術已不能滿足變電站智能化技術發展的要求，嚴重威脅到變電站的安全可靠運行，急需進行升級改造。

2 改造技術要點

變電站無論是數字化還是智能化，都是為了更好地實現自動化。數字化是從技術實現手段方面定義，主要強調以數字方式交換信息；而智能化是從設備功能方面定義，更多強調設備的狀態監測功能和變電站的高級應用功能，本次改造技術要點主要有以下方面。

2.1 一次設備

2.1.1 開關

各開關設備原采用“傳統開關+室外開關智能單元+室內開關智能單元”的方式來實現智能化，本次改造中傳統開關設備不需更換。

當時為了配合數字化變電站以及電子互感器的應用，原有的開關智能單元在光纜兩端室內、室外成對布置完成數模轉換工作，在一次設備處就地安裝，屬于通過光纖與二次設備相連的一次設備的代理設備。本期改造更換為能通過光纜直接接入保護裝置的室外單端配置的智能終端，220 kV側及主變壓器各側配置雙套，110 kV側配置單套。將傳統開關的開關信息量和分合閘信號全部通過電纜連接到就地智能控制柜中的智能終端設備。

2.1.2 互感器

站內原有35 kV、110 kV及220 kV電流、電壓互感器，以及主變壓器間隙電流互感器均選用輸出數字信號的早期電子互感器。受當時傳統設計理念的影響，該站的網絡架構構建思路不清晰，僅實現了將新研發的電子式互感器投入使用，雖然在當時具備領先水平，但經過10 年多的發展，現有電子式互感器的制造工藝落后、運行不穩定、故障率高等問題突顯，特別是大功率激光取能元件故障頻發。

目前，電子互感器經過大量項目的應用和檢驗，制造工藝及軟硬件技術水平都有較大提高，根據現有條件，決定使用新型電子互感器配合合并單元的模式進行改造。原有主變壓器套管、主變壓器零序、35 kV 零序電流互感器均使用傳統的電流互感器，為免去與現有主變壓器本體及開關柜的繁瑣配合，減少現場已有設備的改造工作，保證工程進度，這些互感器本次不進行更換，對應配置原件接入模擬量的主變壓器合并單元。拆除35 kV小電流接地選線裝置后，將傳統零序電流接入35 kV 測控保護裝置以實現接地選線功能，但35 kV 測控保護裝置不能同時接入模擬信號和數字信號，綜合考慮成本和性能，接入混合量的35 kV測控保護裝置，很好地解決了該問題。

2.2 二次設備

2.2.1 監控系統

本站建站時間較早，采用了原始的智能設備，各類裝置僅支持IEC 61850-9-1協議。此協議是數字化變電站建設初期為兼容IEC 60044-8電子式互感器標準而實行的過渡標準，網絡架構簡單，全部采用點對點數字量采樣和跳閘方式（如圖1），光纖雜亂，應用靈活性差。此協議已于2009 年被撤銷，各廠家現已停止使用并不再生產支持該協議的產品，無法提供良好的售后服務[1]。

為了與現行智能變電站建設規范接軌，便于符合當前規范和多元化應用需求的新擴建設備的順利接入，同時也為了今后全站裝置的統一規范化運維，本次將原有監控系統更換為符合IEC 61850-9-2標準的一體化監控系統，面向對象并且包含對過程層設備的模型描述，支持從數據鏈路層到多媒體短信服務（MMS）的映射；亦可靈活定義幀格式，并支持組播、廣播和單播多種方式，且通信傳輸方向為雙向，支持多種高級應用，可靠性、靈活性提升[1]。

本次改造中變電站監控系統采用開放式分層分布式系統，三層設備結構，采用DL/T 860—2014《電力自動化通信網絡和系統》通信標準，傳輸速率不低于100 Mbit/s[2]，統籌組建三層兩網的網絡架構（見圖2），構建統一的雙星形MMS 網。220 kV 系統過程層設置雙星形SV/GOOSE 網絡，110 kV 系統過程層設置單星形SV/GOOSE網絡；35 kV裝置通過電口接至站控層MMS網。間隔層測控裝置采用SV網絡采樣、GOOSE網絡跳閘。過程層設備具有自我檢測、自我描述功能。智能化系統具備光回路及采集卡的狀態預診斷功能[3]。

圖1 原點對點數字量采樣和跳閘方式示意圖

圖2 改造后SV/GOOSE組網方案

全站按電壓等級配置網絡記錄分析儀，記錄整個通信過程, 在線分析系統網絡內的所有通信報文，實時監視自動化系統的運行狀況并及時對異常情況進行報警，為事故分析及運行維護提供依據。

2.2.2 保護及安全自動裝置

原有二次系統采用IEC 61850-9-1協議組網模式，既不滿足現行規范要求的保護直接采樣、直接跳閘規定，也不滿足擴展性、互操作性等方面可靠快速的安全需求。

經核實，近年新擴建的兩套線路保護升級改造后仍可利用，同時將對側裝置軟硬件升級為與本側同版本的保護，利用軟件保護定值或算法完成補償的方法來解決同步問題；其余線路保護、主變壓器保護、母線保護、母聯保護均需更換，采用直接采樣、直接跳閘方式，采樣和跳閘不經過程層交換機，通過單獨的光口直接連接，保證采樣和跳閘的可靠性、實時性。主變壓器各側及220 kV間隔配置雙套保護，110 kV間隔配置單套保護測控合一裝置。主變壓器非電量保護單套配置，采用電纜就地直跳方式；主變壓器保護聯跳及啟動失靈采用GOOSE網絡傳輸[4]。

早期工程建設時，部分設備不具備信息數字化的實現，如低頻低壓減載裝置、故障錄波器和電能質量監測屏，不能接收數字信號，只能通過加裝數模轉換設備，輸出±5 V的模擬信號配合實施。本次全部更換為采用SV網絡采樣設備，故障錄波信息通過調度數據網與主站通信。不配置獨立的保護及故障信息管理子站，其功能由站內監控系統集成，并經調度數據網上傳主站。

2.2.3 電量計費系統

該站原數字電能表通信均采用IEC 61850-9-1規約，獲取單向多路點對點串行通信鏈路上的采樣值。據了解，電能表存在無計費潛動系統、容易導致計費不準確等缺陷，屬于數字化第一代產品，無法進行升級。智能化改造后，通信規約升級為成熟的IEC 61850-9-2。該站的電能表已經不能滿足通信的要求，故需要更換為參照國家電網公司的電能表規范要求而研制的數字電能表產品，保證計費準確性[5]。非關口計量表采用SV 網絡采樣，關口計量表采用點對點采樣。

2.2.4 二次設備布置

結合內蒙古四子王旗地區大風、多塵、冬季低溫的特殊運行環境及工程以往運行經驗，同時避免現有開關柜新開孔，同一電壓等級間隔層保護、220 kV測控、電能表、110 kV測控保護裝置[5]、35 kV測控保護多功能裝置以間隔為模塊相對集中組屏布置，220 kV、110 kV 合并單元與對應的間隔層設備共同組柜于繼電保護室布置；各間隔智能終端分散布置在高防護等級的就地智能控制柜，主變壓器本體合并單元與智能終端就地布置于主變壓器智能控制柜，雙層不銹鋼設計的智能柜內裝有溫度控制系統。35 kV各間隔合并單元智能終端集成裝置對應下放在35 kV開關柜。特別注意做好光接頭的防塵措施，以確保光回路在長期惡劣環境中的損耗符合要求。

3 實施過程

按照間隔先改一次設備、后改二次系統。首先更換完電流互感器、電壓互感器，然后安裝就地智能控制柜（內裝智能終端）；將傳統開關的開關信息量及分合閘全部通過電纜連接到就地智能終端；接著完成智能控制柜內設備光纖的連接；間隔內進行光纖組網，實現保護直接采樣直接跳閘方式，相互閉鎖的開關量將通過GOOSE 交換機以組網的形式來實現。待所有間隔改造完成后，進行保護功能調試。

計算機監控系統在改造實施過程中，新老監控系統先同時運行，然后將改造完的間隔接入新的監控系統。等所有間隔改造完之后，拆除原有監控系統。為了不影響已改造完設備的正常運行，新改間隔的系統后臺具備在線更新和實時自動同步功能。改造實施中所有配置維護工作在工程師站進行，并通過對操作維護人員和機器權限的管理，確保系統運行監控的安全性。

4 改造效果

智能化改造后，優化了組屏方案，使用高度集成裝置，減少了屏柜數量，取得以下效果。

（1）增加了監控系統的高級應用功能，如順序化控制、間隔五防、智能告警與分析決策、全景數據反演、分布式狀態估計等，減少了檢修停電和故障停電時間，主要設備的使用周期得以延長。

（2）支持電網實時自動控制、智能調節、在線分析決策、協同互動等功能，實現與相鄰變電站、電網調度等互動，提升了變電站運維效率和智能化水平[6-9]。

5 技術探討

合并單元是針對與數字化輸出的電子式互感器連接而被首次定義的，主要功能是同步采集多路電子式互感器輸出的數字信號或常規互感器輸出的模擬信號，按照標準格式發送給保護、測控設備[10-16]。基于以下原因，該項目最終決定采用合并單元。

（1）考慮到已有220 kV、110 kV 戶外配電裝置布置尺寸、設備基礎、設備支架及已有35 kV開關柜內空間的盡量利用等因素，仍采用電子式互感器，同時配置合并單元。

（2）合并單元作為智能變電站的一個重要智能電子設備，負責完成傳統保護、測控裝置的電氣量采集，并通過標準通信接口發送給保護、測控、錄波器等，實現數據共享和數據來源的唯一。同時合并單元也是實現智能變電站一次設備智能化、全站信息數字化、信息共享標準化的一個不可或缺的裝置。

6 結語

杜爾伯特220 kV 變電站智能化改造以高可靠性、技術先進性及節能化為目標，應用智能設備、信息網絡、裝置集成等技術，實現了系統高度集成、結構布局合理、裝備先進及調控一體等效果，有效提升了變電站安全性、可靠性和先進性，為數字化變電站升級改造和新建智能變電站提供了借鑒經驗。