基于IEC 61850數(shù)字化技術(shù)在三代核電輔助變壓器中的應(yīng)用

中國能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計研究院有限公司 陳利芳

臺山核電站采用中法共同建設(shè)模式，在國際最新型反應(yīng)堆（EPR）技術(shù)的基礎(chǔ)上應(yīng)用了大量經(jīng)過充分驗(yàn)證的成熟技術(shù)和優(yōu)秀工藝，充分借鑒全世界最先進(jìn)的核電站經(jīng)驗(yàn)，其中技術(shù)先進(jìn)、安全可靠的改進(jìn)型壓水堆技術(shù)全面滿足EUR 要求，在運(yùn)行條件、環(huán)境保護(hù)等方面獲得了重大突破，大大提升了項目的競爭力。臺山核電站的成功經(jīng)驗(yàn)對我國學(xué)習(xí)應(yīng)用世界先進(jìn)的核電技術(shù)，加快實(shí)現(xiàn)EPR 三代核電機(jī)組的設(shè)計、施工、調(diào)試、運(yùn)營以及設(shè)備制造等國產(chǎn)化，培養(yǎng)高素質(zhì)核電人才，加快我國核電產(chǎn)業(yè)建設(shè)與核電裝備制造業(yè)發(fā)展，為進(jìn)一步加強(qiáng)國際合作奠定了更加堅實(shí)的基礎(chǔ)。

本文以臺山核電一期工程為例，介紹了國內(nèi)首次成功應(yīng)用的一種基于IEC 61850數(shù)字化技術(shù)的核電站輔助變壓器繼電保護(hù)實(shí)施方法，也是在此項目背景情況下產(chǎn)生的技術(shù)成果。

1 技術(shù)背景

1.1 臺山核電廠工程項目簡介

臺山核電站位于廣東省臺山市赤溪鎮(zhèn)，總投資500億元，建設(shè)6臺核電機(jī)組，年上網(wǎng)電量260億千瓦時，是我國首座采用EPR 三代核電技術(shù)建設(shè)的大型商用核電站（全球第三座），也是迄今為止中外共同開發(fā)建設(shè)的最大核電項目。臺山核電站一期工程建設(shè)2臺單機(jī)容量175萬千瓦機(jī)組，采用歐洲壓水堆（EPR），兩臺機(jī)組分別于2009年和2010年開工建設(shè)，目前均已投入商運(yùn)。

核電站由中方（中廣核集團(tuán)公司等）和法方（法國電力公司）按照7：3投資組成的臺山核電合營有限公司負(fù)責(zé)建設(shè)和運(yùn)營、管理。核電站設(shè)計、設(shè)備制造等由中法兩國企業(yè)共同承擔(dān)（其中中方承擔(dān)的工作達(dá)到或超過一半）：法國阿爾斯通公司(ALSTOM)與中廣核集團(tuán)公司組成的聯(lián)合體承擔(dān)了核島設(shè)計及設(shè)備供貨；汽輪發(fā)電機(jī)組由中國東方電氣集團(tuán)與阿爾斯通公司(ALSTOM)聯(lián)合生產(chǎn)；中廣核設(shè)計公司、阿爾斯通公司及廣東省電力設(shè)計研究院組成聯(lián)合體承擔(dān)了常規(guī)島的設(shè)計供貨；中廣核工程公司還承擔(dān)電站輔助設(shè)施的設(shè)計供貨。

1.2 基于通用網(wǎng)絡(luò)通信平臺的IEC61850標(biāo)準(zhǔn)

在電力系統(tǒng)中，隨著近些年自動化程度的快速提升，需要一種通用的通信方式來實(shí)現(xiàn)對變電站中各種IED 的管理以及設(shè)備間的互聯(lián)，以滿足變電站自動化越來越高的要求。IEC61850就是在這種情況下，由國際電工委員會第57技術(shù)委員會(IECTC57)吸收了IEC60870系列標(biāo)準(zhǔn)和UCA 的經(jīng)驗(yàn)及部分先進(jìn)技術(shù)制定了一份公共通信標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)參考和包括的主要標(biāo)準(zhǔn)有：IEC870-5-101（遠(yuǎn)動通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)）；IEC870-5-103（繼電保護(hù)信息接口標(biāo)準(zhǔn)）；UCA2.0-Utility Communication Architecture2.0(變電站和饋線設(shè)備通信協(xié)議體系2.0)；MMS-Manufacturing Message Specification（制造商信息規(guī)范ISO/IEC 9506）等。

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)作為基于網(wǎng)絡(luò)通訊平臺的變電站唯一國際標(biāo)準(zhǔn)，它通過系統(tǒng)各類設(shè)備的規(guī)范化、設(shè)備輸出的規(guī)范化，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備之間的無縫連接，對變電站自動化系統(tǒng)（SAS）的設(shè)計、尤其是保護(hù)和控制等自動化產(chǎn)品的設(shè)計生產(chǎn)等產(chǎn)生了非常深刻的影響[1,2]。目前，不僅在變電站系統(tǒng)內(nèi)部，還包括變電站與調(diào)度中心、各級調(diào)度中心之間，也在將不斷推廣應(yīng)用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)。因此，世界各國的研究機(jī)構(gòu)及科研設(shè)計單位、設(shè)備廠家、電力公司等都在積極研究，尋找應(yīng)對策略，調(diào)整研究方向，加快與新國際標(biāo)準(zhǔn)接軌，以求在市場競爭中搶占先機(jī)[3,4]。

2 基于IEC 61850的繼電保護(hù)方案

2.1 傳統(tǒng)的繼電保護(hù)方法[5,6]

傳統(tǒng)的核電站輔助變壓器繼電保護(hù)實(shí)施辦法通常做法如下：將輔助變壓器高、低壓側(cè)的電壓電流互感器的二次交流量轉(zhuǎn)換為模擬信號；通過電纜將模擬信號輸出至繼電保護(hù)裝置；通過比率制動實(shí)現(xiàn)差動保護(hù)；跳閘命令也是通過電纜將該指令輸出至輔助變壓器的高、低壓斷路器的操作機(jī)構(gòu)。

2.2 傳統(tǒng)繼電保護(hù)方法的缺陷

如果輔助變壓器高低壓側(cè)電流互感器安裝位置相隔不遠(yuǎn)，這種傳統(tǒng)繼電保護(hù)實(shí)施辦法是安全可靠的。對于輔助變壓器高低壓側(cè)電流互感器之間距離較遠(yuǎn)的工程，差動保護(hù)的電流輸入仍采用傳統(tǒng)的電纜輸入方式的話，長距離的傳輸損耗極易引發(fā)差動保護(hù)的誤動問題。以臺山核電廠一期項目為例分析如下：臺山一期輔助變壓器高、低壓側(cè)電流互感器二次側(cè)額定電流為1A，二者之間的直線距離約為1公里。在這種情況下，若繼電保護(hù)仍采用傳統(tǒng)的長距離電纜來傳輸模擬信號的方式來進(jìn)行，可能帶來電流互感器二次負(fù)擔(dān)較重而引起差動保護(hù)誤動；此外，跳閘控制電纜長距離的對地分布電容大、易受外界干擾，也會引起保護(hù)誤跳閘。

2.3 基于IEC 61850的繼電保護(hù)技術(shù)方案

在臺山核電站一期工程實(shí)踐中，為了解決由于核電站主設(shè)備和保護(hù)設(shè)備距離較遠(yuǎn)、長距離電纜傳輸模擬量信號帶來的電流互感器二次負(fù)擔(dān)較重而引起保護(hù)誤動、以及長距離的跳閘電纜對地分布電容大易受干擾導(dǎo)致誤跳閘等問題，我們基于IEC 61850數(shù)字化技術(shù)，采用了一種科學(xué)可靠的輔助變壓器繼電保護(hù)實(shí)施方法，即通過繼電保護(hù)設(shè)備IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)化，將模擬量采集就地數(shù)字化；再通過光纖傳輸，通過進(jìn)出電流平衡快速對比，實(shí)現(xiàn)差動保護(hù)。整個繼電保護(hù)的具體實(shí)現(xiàn)過程如下：

首先，模擬量采集、就地數(shù)字化。在變壓器各側(cè)的CT/PT 安裝處將模擬量通過CSN-15B 裝置就地數(shù)字化。CSN-15B 的模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，數(shù)字信號再通過合并單元模塊轉(zhuǎn)換為符合IEC61850-9-1通訊規(guī)約的報文。為了提高保護(hù)的可靠性，CSN-15B 采用雙AD 冗余采集，即將同一路電流量通過不同的兩片AD 芯片進(jìn)行同時采集，防止因單片AD 故障導(dǎo)致保護(hù)誤動的問題。為了保證變壓器各側(cè)模擬量采集的同步，通過CSC-196時鐘同步裝置采用時鐘同步技術(shù)來保證每個CSN-15B 的采集的同步性。

第二，通過光纖傳輸控制數(shù)據(jù)。將變壓器各側(cè)的CSN-15B 生成的IEC61850-9-1規(guī)約的報文通過光纖連接至SV 交換機(jī)，然后再由SV 交換機(jī)將采用數(shù)據(jù)送至繼電保護(hù)裝置。控制數(shù)據(jù)光纖傳輸解決了采用長電纜傳遞模擬量時帶來的CT 二次負(fù)擔(dān)大、易受干擾等問題。

最后，通過比率制動實(shí)現(xiàn)差動保護(hù)。

圖1 繼電保護(hù)系統(tǒng)二次圖

繼電保護(hù)裝置將SV 交換機(jī)送過來的IEC61850-9-1規(guī)約的采樣信息進(jìn)行分組解碼，得到各側(cè)的電流量和電壓量。保護(hù)裝置采用雙CPU 冗余模式，每個CPU 使用的模擬量分別來自不同的CSN-15B 的AD 轉(zhuǎn)換芯片，當(dāng)兩個CPU 都動作后保護(hù)才最終發(fā)出動作指令，防止因單個AD 芯片異常導(dǎo)致的誤動。保護(hù)動作后，通過CSY-102遠(yuǎn)跳裝置將跳閘信號通過光纖傳到變壓器高壓側(cè)的遠(yuǎn)跳接收裝置CSY-102，由就地的CSY-102完成跳高壓側(cè)開關(guān)功能。通過CSY-102來進(jìn)行遠(yuǎn)跳的方案解決了長距離跳閘電纜易受干擾發(fā)生誤動的問題。通過這種繼電保護(hù)實(shí)施方法可降低保護(hù)誤動的發(fā)生，為核電機(jī)組的安全運(yùn)行提供可靠的高壓輔助電源。

3 基于IEC 61850的繼電保護(hù)方案的技術(shù)探討

3.1 解決的主要技術(shù)問題

基于IEC 61850的繼電保護(hù)方法的關(guān)鍵點(diǎn)在于應(yīng)用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備、合并單元技術(shù)和時鐘同步技術(shù)等實(shí)現(xiàn)核電站輔助變壓器繼電保護(hù)的功能，從技術(shù)上主要解決了以下問題：長距離電纜傳輸模擬信號引起差動保護(hù)誤動問題。由于一些核電站的主設(shè)備和保護(hù)設(shè)備之間的距離較遠(yuǎn)，傳統(tǒng)的繼電保護(hù)模式可能導(dǎo)致電流互感器二次負(fù)擔(dān)較重；受外界干擾引起的保護(hù)誤跳閘問題。核電站主設(shè)備斷路器和保護(hù)設(shè)備距離較遠(yuǎn)，跳閘控制電纜長距離的對地分布電容大、易受外界干擾，引起誤跳閘。

3.2 主要的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

基于IEC 61850的數(shù)字化技術(shù)已逐步應(yīng)用于國內(nèi)外數(shù)字化變電站，但國內(nèi)采用基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)化的保護(hù)設(shè)備同時采用數(shù)字化跳閘的繼電保護(hù)實(shí)施方法在核電站輔助變壓器保護(hù)應(yīng)用尚無成功先例。在臺山核電站一期工程中，首次采用了基于IEC 61850數(shù)字化技術(shù)的輔助變壓器繼電保護(hù)，解決了核電站供電系統(tǒng)輔助變壓器保護(hù)高壓側(cè)開關(guān)和低壓側(cè)開關(guān)距離較遠(yuǎn)，長距離的CT 電纜和跳閘電纜帶來的CT 二次負(fù)載大、易受干擾等問題，大大提高了高壓輔助變壓器保護(hù)的可靠性和安全性[7,8]。本項目采用的新型核電站輔助變壓器繼電保護(hù)實(shí)施方法，實(shí)現(xiàn)了以下三個方面的創(chuàng)新：

第一次采用IEC61850實(shí)現(xiàn)核電站的輔助變壓器繼電保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化。采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)化保護(hù)設(shè)備，通過標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)約獲取裝置內(nèi)部信息，實(shí)現(xiàn)高度的互操作性，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置的自動化測試提供了條件；第一次實(shí)現(xiàn)了模擬量信號采集就地數(shù)字化。通過合并單元技術(shù)、IEC61850-9-1規(guī)約和時鐘同步技術(shù)，成功解決了長距離電纜傳輸模擬量信號可能存在的保護(hù)誤動問題。針對性解決了核電站主設(shè)備和保護(hù)設(shè)備距離較遠(yuǎn)，電流互感器二次負(fù)擔(dān)較重的問題；實(shí)現(xiàn)數(shù)字化跳閘，提高變壓器保護(hù)的可靠性和安全性。成功解決了核電站主設(shè)備斷路器和保護(hù)設(shè)備距離遠(yuǎn)、跳閘電纜對地分布電容大、易受干擾導(dǎo)致誤跳閘的問題。

同時，這種技術(shù)在臺山核電站一期工程中的成功應(yīng)用，不僅開辟了IEC 61850數(shù)字化技術(shù)在繼電保護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用的先河，還必將拓展數(shù)字化變電站的應(yīng)用范圍。

綜上，臺山核電站投入運(yùn)行以來，安全穩(wěn)定，有效緩解了廣東省電力長期緊張局面，優(yōu)化了大灣區(qū)的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)大灣區(qū)社會經(jīng)濟(jì)和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展，加快大灣區(qū)的資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會建設(shè)。同時，通過采取中外共同建設(shè)模式，學(xué)習(xí)借鑒世界上先進(jìn)核電站大量經(jīng)過充分驗(yàn)證的成熟技術(shù)和優(yōu)秀工藝，對我國緊密跟蹤世界先進(jìn)核電技術(shù)，在加強(qiáng)國際合作的基礎(chǔ)上培養(yǎng)自己的高素質(zhì)核電人才，加快實(shí)現(xiàn)我國在EPR 三代核電機(jī)組設(shè)計、制造、施工、調(diào)試、運(yùn)營等全方位的自主化目標(biāo)、促進(jìn)我國核電裝備制造業(yè)發(fā)展、加快我國核電產(chǎn)業(yè)建設(shè)發(fā)展步伐具有重要意義。

電力系統(tǒng)設(shè)施的智能化和數(shù)字互聯(lián)，智能電網(wǎng)、數(shù)字電網(wǎng)是21世紀(jì)電力系統(tǒng)的重大科技創(chuàng)新和發(fā)展趨勢，其中互聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)在其中起著非常關(guān)鍵的作用。IEC 61850作為電力領(lǐng)域的全球標(biāo)準(zhǔn)之一，帶動了整個行業(yè)的思想變革和技術(shù)變革。基于IEC 61850的綜保裝置近年來已經(jīng)在數(shù)字化變電站領(lǐng)域得到成功應(yīng)用，通過采用基于IEC 61850數(shù)字技術(shù)的新型繼電保護(hù)方法，成功解決了長距離電纜傳輸模擬量信號可能存在的保護(hù)誤動問題，切實(shí)保障核電機(jī)組的安全運(yùn)行，同時這種方法也可在常規(guī)的大容量火電廠中推廣應(yīng)用。