220kV智能變電站數(shù)字繼電保護(hù)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

晉控電力山西長治發(fā)電有限責(zé)任公司 李天龍

伴隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，社會對于電能的需求也在持續(xù)增長，智能變電管理系統(tǒng)的重要性越發(fā)凸顯。現(xiàn)今計(jì)算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在越來越多的行業(yè)和領(lǐng)域得到了普及，帶動了傳統(tǒng)變電站的發(fā)展，為智能變電站的實(shí)施提供了可靠的技術(shù)支持。而在發(fā)展智能變電站的過程中，應(yīng)將安全問題放在核心位置，做好數(shù)字繼電保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研究，降低事故發(fā)生的概率，為用戶提供安全、連續(xù)的電力支持。

1 智能變電站與繼電保護(hù)

智能變電站指一種運(yùn)用智能化設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)信息共享標(biāo)準(zhǔn)化、全站信息數(shù)字化以及通信平臺網(wǎng)絡(luò)化，具備自動信息計(jì)量、測量、控制、保護(hù)等功能，可依照電網(wǎng)的運(yùn)行需求進(jìn)行智能調(diào)節(jié)、協(xié)同互動的變電站。智能變電站不僅是電網(wǎng)中存在的基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)，也是建設(shè)智能電網(wǎng)的重要支撐，具備三個(gè)顯著特征：一是數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)化。在智能變電站中采用的是統(tǒng)一的通信規(guī)約IEC61850來進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交互；二是二次設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化。在智能變電站中，將原本的控制電纜替換成了光纖，借助網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行信息傳輸，同時(shí)增加了一些新的二次設(shè)備，如過程層交換機(jī)、智能終端、合并單元等；三是一次設(shè)備的智能化。雖僅是初步的智能化，但也在很大程度上提升了變電站的智能化程度，較常見的如智能電子互感器、智能合并單元等。

繼電保護(hù)是一種能夠?qū)﹄娏ο到y(tǒng)中發(fā)生的故障或異常進(jìn)行檢測，向工作人員發(fā)送報(bào)警信號，又或直接對故障進(jìn)行隔離、切除的技術(shù)措施。繼電保護(hù)裝置想要完成自身的任務(wù)需滿足幾個(gè)基本要求，一是選擇性，在電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，繼電保護(hù)裝置須能有選擇性的將故障設(shè)備或線路從電力系統(tǒng)中切除，盡可能降低故障帶來的影響；二是速動性，指在故障發(fā)生后能盡快切除，減少設(shè)備的損壞程度；三是靈敏性，繼電保護(hù)裝置在對電氣設(shè)備及線路進(jìn)行保護(hù)過程中需具備較高的靈敏性，能迅速對故障做出反應(yīng)；四是可靠性，要求繼電保護(hù)在不需要?jiǎng)幼鲿r(shí)不會發(fā)生誤動，在需要?jiǎng)幼鲿r(shí)不會拒動。

2 220kV 智能變電站數(shù)字繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以某220kV 智能變電站為例，其包含了220kV輸電線路和66kV 輸電線路，電氣設(shè)備采用的是HGIS。在對變電站進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中對各層進(jìn)行了分離，同時(shí)保證其存在緊密聯(lián)系。為保證變電站的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，在進(jìn)行方案設(shè)計(jì)過程中需做好數(shù)字化繼電保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

數(shù)字化繼電保護(hù)系統(tǒng)是智能變電站的一部分，能對變電站一次設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，也可對設(shè)備進(jìn)行控制和保護(hù)，在該工程中，數(shù)字化繼電保護(hù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1。其中站控層包含了監(jiān)控主站、通信裝置和一體化信息平臺等設(shè)備，能夠?yàn)橹悄茏冸娬镜倪\(yùn)行和操控管理提供良好的人機(jī)交互界面，也可對變電站中相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行信號及報(bào)文信息進(jìn)行記錄；間隔層包含了保護(hù)裝置、測控裝置和電能計(jì)量裝置，能實(shí)現(xiàn)對于一次設(shè)備的就地保護(hù)控制，完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息的就地監(jiān)控；過程層包含了智能終端、合并單元等模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)對變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)中電壓、電流等數(shù)據(jù)的采集和檢測工作[1]。

圖1 數(shù)字繼電保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

2.2.1 站控層和間隔層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

在該變電站中，站控層網(wǎng)絡(luò)采用的是雙星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，每一個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)可使用A 網(wǎng)和B 網(wǎng)進(jìn)行標(biāo)記，配備4臺網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。站控層設(shè)備和交換機(jī)間采用100Mbps 的電口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，站控層和間隔層交換機(jī)的通信則采用100Mbps 的光口。間隔層網(wǎng)絡(luò)同樣采用雙星型結(jié)構(gòu)，記做A 網(wǎng)和B 網(wǎng)，交換機(jī)的配置方案如下：間隔層網(wǎng)絡(luò)中心交換機(jī)（10kV 間隔、110kV 間隔、220kV 間隔、主變壓器間隔各4臺，各具備20個(gè)電口、2個(gè)光口）；站控層網(wǎng)絡(luò)中心交換機(jī)（安全Ⅰ區(qū)18個(gè)電口、4個(gè)光口，安全Ⅱ區(qū)14個(gè)電口，分別配備2臺）。

2.2.2 過程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

過程層自動化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)采用間隔配置方案，SV采樣數(shù)據(jù)和GOOSE 報(bào)文共網(wǎng)傳輸，這樣的結(jié)構(gòu)能減少交換機(jī)數(shù)量，降低變電站建設(shè)成本費(fèi)用。在智能變電站過程層中，依然是采用雙星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，智能設(shè)備和交換機(jī)間的通信、交換機(jī)級聯(lián)端口通信采用的都是100Mbps 的光口[2]。

基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的多播報(bào)文技術(shù)被廣泛應(yīng)用在智能變電站網(wǎng)絡(luò)通信中，能對報(bào)文進(jìn)行過濾，確保交換機(jī)只接收需要的保溫。對于支持VLAN 的交換機(jī)，可將其網(wǎng)口劃分為財(cái)務(wù)組、銷售組等，組內(nèi)用戶就如同是在同一個(gè)局域網(wǎng)中，非本組用戶無法對本組成員進(jìn)行訪問，能提升網(wǎng)絡(luò)的安全性。VLAN 的劃分可依照端口、網(wǎng)絡(luò)、IP 等進(jìn)行，在該變電站中采用的是依照交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)端口的劃分方式。在同一個(gè)虛擬局域網(wǎng)中，端口可以不連續(xù)也可跨國多個(gè)交換機(jī)。如可將交換機(jī)A 的1口和3口與交換機(jī)B 的5～6口劃入同一VLAN 中，以此為基礎(chǔ)能實(shí)現(xiàn)對于網(wǎng)絡(luò)的安全隔離，促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)交互實(shí)時(shí)性的提高。

2.3 整定電流

在變電站數(shù)字繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用的是66kV 雙變電設(shè)備，1號與2號測試用例選擇的是66kV 母線方面的測試用例。若在智能變電站中，感應(yīng)器的配置受到影響，則變電站的安全會被威脅。該變電站工程中[3]相關(guān)儀器可接收控制臺發(fā)布的信息，新型變電設(shè)備在電流監(jiān)控方面有著完善的功能，可實(shí)現(xiàn)對電流區(qū)域的合理劃分。不管是大運(yùn)行模式又或小運(yùn)行模式，電流都有著相對穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，通常都能夠穩(wěn)定在14A 左右。

2.4 GOOSE 網(wǎng)絡(luò)選擇

過程層屬于智能變電站數(shù)字繼電保護(hù)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，主要負(fù)責(zé)信號的傳遞，是確保設(shè)備正常穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。變電站在傳輸過程中存在各種各樣的影響因素，如周邊環(huán)境因素不利傳輸效果會受到很大影響。在信號傳輸環(huán)節(jié)，可使用網(wǎng)絡(luò)傳輸替代以往的電纜傳輸，能有效規(guī)避天氣、空氣濕度等對于信號傳輸?shù)挠绊懀蚓W(wǎng)絡(luò)本身不需用到電纜，其本身是通過連接服務(wù)器的方式進(jìn)行傳輸，不會受到環(huán)境因素的影響。

從設(shè)備維護(hù)管理的角度，使用網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行信號傳輸可實(shí)現(xiàn)設(shè)備自檢，借助信號回流的方式來對自動檢測系統(tǒng)進(jìn)行觸發(fā)，而傳統(tǒng)電纜本身并不具備設(shè)備自檢功能，在實(shí)施系統(tǒng)檢測過程中通常都需由人工完成，檢驗(yàn)成本較高、耗費(fèi)時(shí)間較長。GOOSE網(wǎng)絡(luò)可分為星形結(jié)構(gòu)、環(huán)形結(jié)構(gòu)和雙星形結(jié)構(gòu)等，不同結(jié)構(gòu)有著不同的優(yōu)點(diǎn)和缺陷，需設(shè)計(jì)人員結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行選擇[4]。

2.5 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能化電能管理在智能變電站中發(fā)揮著非常重要的作用，基本工作原理是對所有電源系統(tǒng)進(jìn)行整合，做好統(tǒng)一歸納整理，進(jìn)行統(tǒng)一管理和統(tǒng)一調(diào)度，配合相應(yīng)的后臺信息管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動故障檢測。在該變電站中采用的是直流220V 蓄電池，搭配2個(gè)充電設(shè)備，需對每個(gè)電池的電壓和電流進(jìn)行準(zhǔn)確測量計(jì)算。

2.6 保護(hù)測控一體化配置

在傳統(tǒng)變電站中安全監(jiān)控工作有較高的技術(shù)含量，也存在一些不良因素，如維護(hù)難度大、人力物力浪費(fèi)嚴(yán)重等。想要對這樣的問題進(jìn)行解決需引入新型智能自動化設(shè)備。不過，因繼電保護(hù)設(shè)備生產(chǎn)商對于標(biāo)準(zhǔn)通信規(guī)約理解的差異性，生產(chǎn)的產(chǎn)品兼容性不高，在應(yīng)用中需搭配部分改良零部件，會導(dǎo)致維護(hù)成本的增加[5]。

保護(hù)測控一體化配置具備十分明顯的優(yōu)勢，一是可對硬件設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行記錄，借助網(wǎng)絡(luò)的方式傳輸?shù)骄S護(hù)人員設(shè)備中，可實(shí)現(xiàn)全程無人值守；二是借助開放的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)可實(shí)現(xiàn)信號的直接傳輸，避免了中間環(huán)節(jié)，提高了效率；三是一體化配置在軟壓方面可簡化工作流程，幫助維護(hù)人員更好地對設(shè)備進(jìn)行檢修維護(hù)，降低出錯(cuò)率。以220kV 部分的保護(hù)配置為例，所有故障模擬試驗(yàn)采用的都是常用故障現(xiàn)象模擬，可幫助技術(shù)人員更好地對故障進(jìn)行分析，提出切實(shí)可行的解決方案。借助試驗(yàn)，可在儀器發(fā)生故障或遇到危險(xiǎn)時(shí)，及時(shí)啟動開關(guān)程序?qū)﹂_關(guān)進(jìn)行相應(yīng)的處理，保證設(shè)備安全。

2.7 二次系統(tǒng)整合

變電站二次保護(hù)重要是增加相應(yīng)的保護(hù)屏障，使得每一個(gè)功能區(qū)都能負(fù)責(zé)自身的本職工作，避免相互干擾的情況。當(dāng)前智能變電站和智能電網(wǎng)呈現(xiàn)出飛速發(fā)展的趨勢，但依然有部分工作人員的觀念停留在很早之前，想對自動化系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用和普及存在一定的難度。一體化二次系統(tǒng)能在滿足各方面功能的情況下實(shí)現(xiàn)資源的共建共享，為設(shè)備運(yùn)行維護(hù)提供便利，同時(shí)也可促進(jìn)生產(chǎn)效率的提高[6]。

新的發(fā)展環(huán)境下，伴隨著智能技術(shù)的發(fā)展及IEC61850規(guī)約的提出，變電站系統(tǒng)已從原本的變電模式向智能變電站的角度轉(zhuǎn)變，系統(tǒng)有著更強(qiáng)的兼容性，能兼容傳統(tǒng)自動化變電站系統(tǒng)幾乎所有的優(yōu)點(diǎn)，尤其伴隨著智能變電站系統(tǒng)的普及，二次系統(tǒng)也會在智能化變電站系統(tǒng)中產(chǎn)生。

IEC61850規(guī)約的推出對不同變電站系統(tǒng)的兼容性問題進(jìn)行了解決，也為二次系統(tǒng)整合提供了良好的技術(shù)支持。基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的智能變電站具備幾個(gè)顯著特征：一是標(biāo)準(zhǔn)化的系統(tǒng)架構(gòu)。在實(shí)施系統(tǒng)編輯的過程中采用的是Java 語言，有著良好的共享性，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)資源的共享；二是智能化的數(shù)據(jù)采集。在智能化變電站系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集主要是借助傳感器實(shí)現(xiàn)，有較強(qiáng)智能化特征，可對不同類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分類；三是設(shè)備互操作性強(qiáng)。智能化變電設(shè)備有著很強(qiáng)的兼容性，每一個(gè)設(shè)備接口的開放程度高，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的有效互通；四是網(wǎng)絡(luò)化的信息交互。智能化設(shè)備中的接口數(shù)量眾多，每一個(gè)接口都有較好的兼容性，可實(shí)現(xiàn)信息的有效交互和共享。由此可知，基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的智能變電站能對常規(guī)變電站中的計(jì)量、故障錄波、保護(hù)、監(jiān)控等功能進(jìn)行整合，配合統(tǒng)一的管理模式，在實(shí)施設(shè)備維護(hù)管理的過程中能最大限度縮短維護(hù)時(shí)間，同時(shí)也可保證維護(hù)的效果[7]。

總而言之，在智能變電站中，做好數(shù)字繼電保護(hù)系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)有著非常明顯的優(yōu)勢，如可以增強(qiáng)信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性、節(jié)約成本費(fèi)用、降低事故發(fā)生概率、提高自動化水平等，對比傳統(tǒng)變電站在自動化處理方面進(jìn)步明顯，能夠?yàn)樵O(shè)備的維修提供便利。對于技術(shù)人員而言，在針對數(shù)字繼電保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，還需將智能跳閘系統(tǒng)、斷路器智能化控制、電子式互感器等合理地應(yīng)用到系統(tǒng)中，以此來進(jìn)一步提升繼電保護(hù)的效果，推動智能變電站的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。