全主式就地化變壓器保護(hù)分析

張華

（南瑞集團(tuán)（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司變電技術(shù)分公司，江蘇 南京 210000）

信息化時(shí)代背景下，我國變電相關(guān)設(shè)備以及技術(shù)都具有明顯的提升，通過引入信息化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對變電系統(tǒng)更準(zhǔn)確的控制，提高裝置的速動性、可靠性。目前，智能化的變電站整體系統(tǒng)元件過多，降低對裝置的保護(hù)效率，難以實(shí)現(xiàn)理想的保護(hù)效果。因此，針對目前的智能變電站實(shí)施就地化保護(hù)方式，優(yōu)化了二次回路，有效地提升了對故障問題的解決效率，實(shí)現(xiàn)有效的保護(hù)效果。

1 就地化保護(hù)優(yōu)勢

目前，部分智能變電站通過合并單元，對子機(jī)進(jìn)行保護(hù)，建立智能化終端，構(gòu)建出對變壓器保護(hù)的整體框架，其框架組成元素多，傳輸、轉(zhuǎn)化工作量較大，影響對裝置的保護(hù)效率。而且在這一框架中，變壓器與母線、站域等保護(hù)裝置在同一線路中，若是線路中合并單元、智能終端出現(xiàn)問題，直接使框架中保護(hù)裝置不能夠正常運(yùn)作，影響變電站的安全性。因此，為解決這一問題，提出了就地化保護(hù)。通過就地化保護(hù)，有效提升變電站系統(tǒng)整體質(zhì)量，使系統(tǒng)變得更靈活，速度得到加快，優(yōu)化了變電站運(yùn)行條件。就地化保護(hù)變電站保護(hù)裝置，通過信息網(wǎng)絡(luò)，將各子機(jī)、元件等分散安裝設(shè)備的工作連接起來，使維護(hù)、測量、監(jiān)測等工作內(nèi)容實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、整體化控制，減少傳輸、轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，增強(qiáng)整體系統(tǒng)的整合度，提高系統(tǒng)的抗干擾能力，降低工作人員的工作難度。就地化保護(hù)的應(yīng)用將分散的子機(jī)、元件等裝置工作進(jìn)行了整合，能夠分散控制裝置，將裝置風(fēng)險(xiǎn)變得分散，保證在某一裝置發(fā)生故障時(shí)其他裝置仍能夠繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)對裝置信息能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行監(jiān)控，提高對裝置整體、個體運(yùn)轉(zhuǎn)情況的掌握。另外，就地化保護(hù)裝置的應(yīng)用，提升對繼電保護(hù)的準(zhǔn)確度，能夠掌握二次回路的實(shí)際情況，減少故障概率，降低測試難度，提高解決故障效率。

2 全主式就地化保護(hù)方案分析

電力變壓器的各個開關(guān)距離都比較遠(yuǎn)，如果直接就地安裝保護(hù)裝置，消耗的電纜較長，不能良好地實(shí)現(xiàn)優(yōu)化二次回路效果。且裝置的體積、質(zhì)量大，就地安裝無法保證裝置能夠正常進(jìn)行散熱、防水、抗震等防護(hù)能力，提高了裝置更換、檢修的概率，增加了經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，所以首先需要將變壓器裝置從集中式拆分成分布式，分布式保護(hù)裝置包括主機(jī)和子機(jī)。針對裝置的各開關(guān)配置子機(jī)，子機(jī)進(jìn)行就地安裝，負(fù)責(zé)對裝置就地采樣和分相跳閘，子機(jī)內(nèi)部通過環(huán)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的通信；主機(jī)負(fù)責(zé)將子機(jī)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算分析。同時(shí)，從經(jīng)濟(jì)方面考慮，為盡可能減少保護(hù)裝置的數(shù)量，分布式變壓器保護(hù)可以不配置主機(jī)，將保護(hù)功能完全集于子機(jī)中。另外，集成方式的不同，還分為單主式和全主式兩種實(shí)施方案，本文主要對全主式進(jìn)行分析。全主式是配置的子機(jī)都具備保護(hù)功能，子機(jī)能夠采集連接裝置的信息數(shù)據(jù)，并通過環(huán)網(wǎng)接收其他子機(jī)數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行邏輯運(yùn)算，在某部分發(fā)生故障問題時(shí)，各子機(jī)能夠跳過對應(yīng)的開關(guān)。運(yùn)用全主式的方案，能夠減少主機(jī)與子機(jī)間數(shù)據(jù)信息傳輸以及下達(dá)命令的時(shí)間，對變壓器起到更快的保護(hù)，體現(xiàn)了更快的速動性；全主式方案內(nèi)的子機(jī)是在同一層面的，都具備主保護(hù)和后備保護(hù)功能，若是某一子機(jī)出現(xiàn)問題只影響相關(guān)的保護(hù)功能，而且將故障子機(jī)退出后，保護(hù)功能直接恢復(fù)正常，具有可靠性；全主式方案的實(shí)施使裝置的運(yùn)維檢修更加便捷。全主式就地化變壓器保護(hù)具體實(shí)施，先將子機(jī)進(jìn)行就地安裝配置到各側(cè)開關(guān)，通過在變壓器內(nèi)部構(gòu)建就地化HSR 環(huán)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)子機(jī)間的通信交流，再利用GOOSE 網(wǎng)絡(luò)簡化二次回路，縮短各裝置之間的連接線路，并將子機(jī)裝置均作為IED 接入MMS網(wǎng)絡(luò)，通過HIM 管理單元實(shí)施監(jiān)控裝置。

3 就地化變壓器保護(hù)配置

就地化變壓器保護(hù)配置的元件保護(hù)包括主變與母差保護(hù)兩種，想實(shí)現(xiàn)元件對子機(jī)之間的保護(hù)，就需要以通信網(wǎng)絡(luò)作為信息交互平臺。目前的通信網(wǎng)絡(luò)平臺是基于61850 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的雙向雙環(huán)網(wǎng)，提高裝置之間信息交互的同步率。硬件是采用兩組千兆接口，提高對變壓器的保護(hù)速度和可靠性。傳統(tǒng)的保護(hù)網(wǎng)絡(luò)模式存在中心節(jié)點(diǎn)，這就要求必須配置主機(jī)，主機(jī)與多光口和子機(jī)進(jìn)行連接，并需要消耗大量電纜連接，提高了經(jīng)濟(jì)成本，難以實(shí)現(xiàn)就地化。而且在傳統(tǒng)的保護(hù)網(wǎng)絡(luò)模式中，如果其中一條連接線路出現(xiàn)數(shù)據(jù)通信異常的情況，就會導(dǎo)致整個裝置的保護(hù)功能系統(tǒng)停止、退出。雙向雙環(huán)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與使用，提高了裝置之間信息交互通信的可靠性，對各裝置的啟動、保護(hù)等工作行為均能進(jìn)行采集、傳輸、邏輯運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)了各子機(jī)物理上的獨(dú)立性，保障了裝置的正常運(yùn)行，提高保護(hù)裝置的可靠程度，有效規(guī)避了裝置內(nèi)某一元件受損影響整體裝置保護(hù)功能與運(yùn)行情況的發(fā)生。

主變保護(hù)配置要求保護(hù)子機(jī)按側(cè)配置，且各子機(jī)單獨(dú)配置中性點(diǎn)子機(jī)；不同電壓等級分別配置相應(yīng)的子機(jī)。以220kV 變壓器為例，需要高壓側(cè)子機(jī)、中壓側(cè)子機(jī)、低壓側(cè)子機(jī)，中性點(diǎn)子機(jī)構(gòu)成保護(hù)配置，目前分布式的主變保護(hù)配置方案有無主環(huán)網(wǎng)式和有主環(huán)網(wǎng)式。無主環(huán)網(wǎng)式主變保護(hù)配置如下：（1）依據(jù)斷路器配置保護(hù)子機(jī)，主變高中低三側(cè)均需要配置單獨(dú)的分布式子機(jī)；（2）分布式子機(jī)采集連接裝置的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與其他子機(jī)的數(shù)據(jù)互動；（3）子機(jī)均需要配置相同的主后一體保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制。有主環(huán)網(wǎng)式主變保護(hù)配置，首先，變壓器保護(hù)主機(jī)集于低壓側(cè)子機(jī)內(nèi)，各種保護(hù)工作均在主機(jī)中進(jìn)行，子機(jī)只采集裝置數(shù)據(jù)和控制跳閘；其次，變壓器的斷路器均需分別配置子機(jī)；再次，主機(jī)與子機(jī)之間通過HSR 環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)連接；另外，子機(jī)電纜直接收集數(shù)據(jù)，容易出現(xiàn)故障；最后，在跳母聯(lián)、分段、啟動失靈等情況采取GOOSE 方式。表1 對兩種分布式主變保護(hù)方案進(jìn)行比較。

表1 分布式主變保護(hù)方案對比

4 全主式就地化變壓器保護(hù)實(shí)施方案

4.1 就地化環(huán)網(wǎng)

在實(shí)際全主式就地化變壓器保護(hù)方案中，就地化環(huán)網(wǎng)往往是基于就地化基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的雙向冗余雙環(huán)網(wǎng)，雙環(huán)網(wǎng)彼此之間相互獨(dú)立，在每個環(huán)網(wǎng)中，眾節(jié)點(diǎn)通過以太網(wǎng)的順序進(jìn)行首尾相連，形成一個雙向的冗余環(huán)。就地化變壓器內(nèi)部環(huán)網(wǎng)是采用并行冗余技術(shù)的典型環(huán)網(wǎng)，在環(huán)形拓?fù)錁?gòu)架上，實(shí)現(xiàn)保護(hù)裝置之間的可靠性通信交互，無縫冗余。就地化變壓器的雙向雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，需要保證各子機(jī)具備4 個千兆組網(wǎng)口，進(jìn)行組網(wǎng)工作時(shí)，要保證各子機(jī)的兩個千兆網(wǎng)口是首尾相連的，才能夠形成保護(hù)環(huán)網(wǎng)，其他兩口進(jìn)行首尾相接則組成了啟動環(huán)網(wǎng)。雙環(huán)網(wǎng)的使用，保證單一環(huán)網(wǎng)出現(xiàn)中斷等問題時(shí)，裝置設(shè)備仍能夠進(jìn)行環(huán)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)信息交互，確保裝置功能不受到影響，具有極高的可靠性。

另外，大部分環(huán)網(wǎng)是HSR 環(huán)網(wǎng)，HSR 環(huán)網(wǎng)具有延時(shí)可測機(jī)制，采樣、報(bào)文自帶延遲時(shí)間的特性，源節(jié)點(diǎn)時(shí)間常數(shù)和A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)間計(jì)算采樣具有延時(shí)，報(bào)文在環(huán)網(wǎng)中交互，經(jīng)過節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的傳輸延長和留駐延時(shí)。根據(jù)HSR 環(huán)網(wǎng)延時(shí)可測機(jī)制，分布式變壓器保護(hù)通過插值的方法實(shí)現(xiàn)采樣的同步，而各接入的子機(jī)則根據(jù)自身裝置的采樣延時(shí)、環(huán)網(wǎng)數(shù)據(jù)采樣延時(shí)的情況，實(shí)現(xiàn)插值的同步。插值同步的方式與序號同步方式相比，具有更高的可靠性，這是因?yàn)椴逯档耐讲灰蕾囃饨缫蛩亍４送猓琀SR 環(huán)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)報(bào)文，不需要擔(dān)心報(bào)文出現(xiàn)重復(fù)的問題，這是因?yàn)閳?bào)文發(fā)送的兩個端口都被標(biāo)記，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)根據(jù)報(bào)文接收到的順序，接收先到的，丟棄后到的，從而實(shí)現(xiàn)有效規(guī)避重復(fù)文件的接收。通過就地化環(huán)網(wǎng)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對變壓器的保護(hù)，提高保護(hù)效率和可靠性。

4.2 采用過程層GOOSE 網(wǎng)絡(luò)

GOOSE 網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)分為過程層GOOSE、間隔層GOOSE兩種。在以往的變壓器裝置相關(guān)的保護(hù)配置與其進(jìn)行連接時(shí)，往往裝置設(shè)備之間連接的電纜較長，二次回路較復(fù)雜，因此，采用GOOSE 網(wǎng)絡(luò)對聯(lián)閉鎖的變壓器保護(hù)裝置以及其他保護(hù)裝置進(jìn)行輸入、輸出信號，實(shí)現(xiàn)縮短裝置設(shè)備之間的輸送長度，對二次回路進(jìn)行了有效的簡化，提高了保護(hù)裝置系統(tǒng)的速動性、可靠性。在GOOSE 網(wǎng)絡(luò)接收到來自母線保護(hù)或者斷路器保護(hù)裝置的相關(guān)信號，比如說失靈聯(lián)跳信號，在接收到信號后，各子機(jī)都快速接收到來自GOOSE 網(wǎng)絡(luò)平臺發(fā)送的失靈聯(lián)跳信息，并進(jìn)行邏輯運(yùn)算，做出相關(guān)反應(yīng)動作，使變壓器保護(hù)邏輯運(yùn)算形成一個完整體系，提高保護(hù)功能的速動性。在變壓器保護(hù)裝置需要發(fā)送跳母聯(lián)、跳分段、閉鎖備自投等信號時(shí)，通過GOOSE 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行發(fā)送命令，實(shí)現(xiàn)命令的快速發(fā)送。為避免發(fā)送重復(fù)GOOSE 報(bào)文，增加內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)壓力，通過設(shè)置“GOOSE 發(fā)送軟壓板”“GOOSE 接受軟壓板”，實(shí)現(xiàn)對報(bào)文發(fā)送、接收的控制，保證數(shù)據(jù)發(fā)送的有效性，避免重復(fù)發(fā)送。

4.3 子機(jī)接入MMS 網(wǎng)絡(luò)

在實(shí)際中，變壓器的繼電保護(hù)裝置通常是利用站控層MMS 網(wǎng)絡(luò)將“四遙”、動作報(bào)告、運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)信息傳送到監(jiān)控系統(tǒng)和調(diào)度端，每組繼電保護(hù)裝置系統(tǒng)均作為一個IED。在全主式就地化變壓器保護(hù)裝置中，配置的子機(jī)均具備完整對變壓器進(jìn)行保護(hù)的功能，但其中裝置的運(yùn)行信息、運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)等存在一定的不一致性，如果將每組繼電器連接的子機(jī)合并為一個IED 接入MMS 網(wǎng)絡(luò)中，就要將組內(nèi)的各子機(jī)信息進(jìn)行整合再傳送。由于各子機(jī)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況與狀態(tài)各不相同，事件參數(shù)、遙測量等信息也不一致，對這些信息進(jìn)行整合就較為困難，而且會使內(nèi)部環(huán)網(wǎng)的信息交互內(nèi)容數(shù)據(jù)變得復(fù)雜，影響保護(hù)裝置的可靠性。因此，全主式就地化變壓器保護(hù)中的各子機(jī)均需要作為獨(dú)立的IED 接入間隔層MMS 網(wǎng)絡(luò)。另外，在機(jī)電站內(nèi)裝置設(shè)備進(jìn)行維護(hù)檢修時(shí)，需要通過管理單元下載裝置的相關(guān)備份文件，將文件下裝到裝置中，而一鍵下裝就是采用MMS 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)進(jìn)行的。同時(shí)，為進(jìn)一步保證接入子機(jī)的保護(hù)定值相同，減少重復(fù)的操作工作，保護(hù)定值整定工作順利開展，可以通過遠(yuǎn)程管理單元進(jìn)行處理。

4.4 采用HMI 管理單元監(jiān)控裝置

目前，人機(jī)交互模式難以滿足變壓器裝置的防水、抗震、散熱等保護(hù)性能的需求，因此，分布式變壓器保護(hù)裝置采用HMI 管理單元，實(shí)現(xiàn)對裝置的監(jiān)測與控制管理，提高控制效率。HMI，即人機(jī)接口，HMI 管理單元是通過雙套的冗余配置，將其安裝到監(jiān)控室中，通過MMS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對變壓器裝置系統(tǒng)的運(yùn)維管理工作。HMI 管理單元監(jiān)控與普通監(jiān)控系統(tǒng)是不相同的，HMI 管理單元通常是在對裝置進(jìn)行調(diào)試、巡檢、檢修、配置管理、診斷障礙時(shí)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。其功能上同裝置就地人機(jī)大體相同，能夠獲取變壓器裝置的各項(xiàng)詳細(xì)信息，包括運(yùn)行狀態(tài)、警示信息等，幫助工作人員更詳細(xì)的掌握變壓器裝置信息。

HMI 管理單元是變電站的集中式人機(jī)接口重要設(shè)備，站內(nèi)繼電保護(hù)裝置通常是多廠家、多型號功能的，為保證裝置間通信的順利進(jìn)行，解決裝置之間兼容性問題，需要通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議實(shí)現(xiàn)。IEC 61850 是目前智能變電站建立全站統(tǒng)一數(shù)據(jù)交互的平臺依據(jù)，為HMI 管理單元監(jiān)控提供現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)，其定義了變電站信息化系統(tǒng)的通信要求與數(shù)據(jù)交互，對變電站內(nèi)整體系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架、工作管理控制、測試方法等方面都進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)范與描述，突出分層服務(wù)、應(yīng)用獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)、定義完整描述方法、管理電力系統(tǒng)設(shè)備配置的特點(diǎn)。在變壓器的繼電保護(hù)裝置IEC 能力描述文件中，再增加遠(yuǎn)程管理設(shè)備相關(guān)信息查看、運(yùn)行操作、報(bào)告查詢、設(shè)備調(diào)試等內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)HMI 管理單元針對性的交互服務(wù)。另外，為進(jìn)一步保障HMI 管理單元在實(shí)際中的運(yùn)行，需要保障IEC61850 通信服務(wù)系統(tǒng)的穩(wěn)定，避免通信服務(wù)系統(tǒng)異常等突發(fā)情況，使HMI 管理單元無法遠(yuǎn)程控制裝置。通過進(jìn)一步創(chuàng)新、優(yōu)化HMI管理單元的穩(wěn)定性與可靠性，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程化穩(wěn)定控制裝置，提高控制效率，降低工作難度。

5 結(jié)語

綜上所述，全主式就地化變壓器保護(hù)措施是在變壓器的各側(cè)開關(guān)分別配置保護(hù)子機(jī)，子機(jī)之間通過構(gòu)建的內(nèi)部HSR 環(huán)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交互，將變壓器保護(hù)裝置采樣功能與跳閘回路徹底分開，使兩者徹底獨(dú)立，提高對變壓器裝置保護(hù)的可靠性。子機(jī)能夠通過連接的電纜實(shí)現(xiàn)直接跳閘，規(guī)避了跳閘命令傳輸與執(zhí)行之間的延時(shí)，提高對裝置保護(hù)的速動性。全主式就地化變壓器保護(hù)裝置接入子機(jī)均連入MMS、GOOES 網(wǎng)絡(luò)，并通過HMI 管理單元實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理就地化保護(hù)子機(jī)。