基于就地化保护的智能变电站设计方案研究

　　摘要：为了促进智能变电站相关技术的发展，对基于就地化保护的智能变电站二次系统实现方案和整体设计方案进行了研究和分析。文章提出了就地化保护总体技术原则，研究了保护和自动化相关设备的实现方案，推荐就地化母线保护采用星形结构有限集中式，就地化主变保护采用星形结构分布式，测控采用“单间隔测控+集群测控+就地采集控制单元/模块”的方式，计量采用全站冗余配置集中计量电能表方式。提出了4种故障录波解决方案，近期推荐采用“基于就地化保护+就地化录波开关量模块”方案，远期采用“基于改进版的就地化保护”方案。

　　关键词：就地化保护;智能变电站;过程层网络;故障录波

　　0引言

　　智能变电站普遍应用安装于就地的合并单元，智能终端实现采样数字化和通信网络化，节省了大量控制电缆。随着智能变电站建设和运行的深入，过程层设备的应用也带来一系列问题，表现在：设备故障率高(尤其是合并单元)，影响保护系统的安全运行;增加了回路复杂程度，降低了继电保护系统的速动性，不利于系统稳定运行;二次设备数量多，配置文件复杂，运维难度大等。为解决目前智能变电站继电保护系统存在的问题，保护就地化和功能纵向集成成为目前的技术发展潮流和研究热点[1]。

　　在保护就地化的安装和实现方式上，采用全新硬件结构和机箱结构，具有高防护等级，可直接户外安装的就地化保护成为厂家主流研究方向，并且已有相关产品挂网试运行。目前，关于就地化保护的实现与应用方案已取得了较多的研究成果[2-4]，主要结论有：1)就地化保护装置贴近一次设备就地布置，采用电缆直采直跳，间隔内纵向功能集成。2)采用高防护(IP67等级)、抗干扰、一体化硬件设计，满足户外无防护就地化布置。3)采用标准航空插头，即插即用。4)具备SV(sampledvalue采样值)、GOOSE(genericobjectorientedsubstationevents通用面向对象的变电站事件)、MMS(manufacturingmessagespecification制造报文规范)三网合一共口输出功能。就地化保护的实现与应用目前存在的问题：1)跨间隔就地化保护、故障录波的实现方案仍存在争议。2)应用就地化保护后，关于自动化相关设备实现方案研究较少，没有形成智能变电站二次系统的整体设计方案。采用就地化保护对电气一次和土建专业的设计方案没有影响，本文只针对二次系统相关问题进行深入研究和论证，提出合理的解决方案，解决方案适用于110(66)kV～750kV等级智能变电站。

　　1总体技术原则

　　就地化保护及自动化相关设备的实现方案应满足“采样数字化、保护就地化、元件保护专网化、信息共享化”的总体技术原则。站内设置保护专网和自动化专网;双重化配置的保护专网之间采用网络隔离装置保证跨网交互的安全性。

　　2保护相关设备实现方案

　　2.1单间隔就地化保护

　　以220kV线路保护为例，特点如下：1)采用标准连接器进行电缆直采直跳，并接入必要的开入量信息。2)采用标准连接器接入保护专网，与跨间隔设备交换信息。具备送出SV数据的能力，供其他设备使用。3)配置就地化操作箱(操作模块)，集成电压切换功能，安装于就地控制柜内。

　　2.2跨间隔就地化保护

　　2.2.1母线保护

　　母线保护涉及间隔数量多，宜采用分布式子机方式构成母线保护。根据子机集中程度和子机间网络拓扑结构不同，就地化母线保护主要有以下4种实现方案[5-6]。

　　1)方案1：星形结构全分布式特点：①按间隔配置母线保护子机，各子机电缆采集本间隔的模拟量和开关量，电缆跳闸。②采用星形网络，必须采用有主机模式，主机采用光纤点对点方式与各间隔子机连接，光口数量多。③主机实现所有保护功能，子机仅完成信息采集和跳闸执行功能。

　　2)方案2：星形结构有限集中式特点：①按照部分间隔集中配置子机，就地电缆采集相关间隔数据。②采用星形网络，仍为有主机模式。母线保护系统由基础保护(主机)+扩展保护(子机)构成。③结合工程实际，主机和子机的硬件设计均按照能够接入8个间隔考虑。

　　3)方案3：环形结构有限集中式特点：①母线保护采用积木式设计，按照部分间隔集中配置子机，各子机按照接入8个间隔考虑。②子机间组建千兆高可用性无缝环网(high-availabilityseamlessring,HSR)光纤环网，传输速度快、零丢包、无自愈时间[7-8]，可实现有主或无主式母线保护。无主式母线保护特点如下：①各子机间通过环网相互交换信息，独立完成所有保护功能。②每个子机具备SV、GOOSE、MMS三网合一共口输出功能。

　　4)方案比较5)方案选择方案2星形结构有限集中式、方案3环形结构有限集中式技术经济优势明显，均可作为就地化母线保护实施方案。技术上方案3可靠性更高，但运行经验少，并存在专利风险。考虑到实际工程应用中，110kV母线一般不超过24个间隔，220kV母线不超过16个间隔，500kV母线不超过8个间隔，采用3台及以下积木式保护子机即可满足绝大多数母线保护需求，即使采用星形结构，通信链路数量也很少，故障率低，且技术成熟、运行经验丰富。综上所述，推荐方案2星形结构有限集中式作为就地化母线保护的实现方案。

　　2.2.2主变保护

　　就地化主变保护主要有以下3种实现方案。

　　1)方案1：星形结构分布式特点：①按侧配置分布式子机，各子机电缆采集本间隔的模拟量和开关量，电缆跳闸。②采用星形网络，必须采用有主机模式。主机采用光纤点对点方式与各子机连接。③主机实现所有保护功能，子机仅完成信息采集和跳闸执行功能。主机宜由本体子机或高压侧子机兼任。

　　2)方案2：环形结构分布式特点：①按侧配置分布式子机，子机间组建千兆HSR光纤环网，可实现有主或无主式主变保护[9-10]。②采用无主式主变保护时。无主式主变保护特点：①各子机完成对应模拟量、开关量采集，通过环网通信进行信息交互，各个子机应下装相同的定值，独自完成全部保护功能。②每个子机具备SV、GOOSE、MMS三网合一共口输出功能。

　　3)方案3：集中式特点：①主变保护采用集中式设计，由一台装置完成所有保护功能，电缆直接采集各侧模拟量和开关量，输出所有开关的跳闸出口。②与其他保护的联闭锁信号通过保护专网以GOOSE方式交互。4)方案比较及选择各方案的优缺点与分布式母线保护的相应实现方案类似，不再赘述。考虑到主变保护涉及到多个电压等级，各侧开关距离较远，集中式的主变保护无论布置在什么位置，采样和跳闸电缆都比较长，经济性和安全性较低，不推荐作为实施方案。综上所述，推荐方案1星形结构分布式作为就地化主变保护的实现方案。

　　2.335(10)kV保护35(10)kV配电装置一般采用户内开关柜，常规智能站35(10)kV各间隔配置保护、测控集成装置，安装于开关柜内，已经实现了就地化。装置防护等级按照户内方式设计。35(10)kV保护装置集成了测控功能，宜通过MMS接口接入站控层网络。站域保护GOOSE跳闸命令可以经过站控层网络传递至35(10)kV线路保护。35(10)kV分段保护及备自投装置需另提供2个独立的SV/GOOSE接口接入保护专网[11]，以实现和主变保护的信息交换。

　　2.4站域保护站域保护可实现备自投、低频低压减载、主变过负荷联切等功能，网采网跳，采用室内布置、常规设计，安装在继电器室屏柜内。站域保护需采用不同的、相互独立的数据接口分别接于保护专网和站控层网络。

　　2.5故障录波装置采用就地化保护装置后，功能纵向集成，保护相关的过程层设备消失，故障录波装置如何经济、可靠地实现全面信息采集需要研究和提出解决方案。本文提出3种故障录波实现方案如下。

　　3自动化相关设备实现方案

　　3.1测控装置采用就地化保护后，测控功能有两种典型的实现方案。

　　3.1.1方案1：单间隔测控+集群测控+就地采集控制单元/模块1)采用常规智能站的测控实现方案，按间隔配置测控装置，安装于户内。2)按电压等级配置1台集群测控装置，增加测控冗余性，提高自动化系统可靠性。3)测控装置通过就地采集控制单元/模块实现数字采样和控制。

　　3.1.2方案2：就地化测控1)采用“基本测控+辅助测控”的方案实现就地化测控。基本测控：完成间隔模拟量、断路器控制和位置采集、刀闸控制和位置采集功能;辅助测控：完成断路器辅助开入信号采集、压力闭锁等其他一次设备的开关量采集功能[13]。2)结构设计类似就地化保护，户外安装，即插即用。3)基本测控纵向集成测控功能和过程层功能，采用独立的过程层接口送出SV和GOOSE数据至自动化专网，供其他设备使用。

　　3.1.3方案比较与选择电网运行对保护装置与测控装置具有不同的要求，导致保护装置就地化的技术需求强烈，而测控装置无速动性等方面的需求，就地化技术效益不明显，反而会带来运维不便和操作安全等风险，因此就地化测控的技术路线仍存在争议，仅处于概念设计阶段，目前无相应产品。所以，推荐方案1，即“单间隔测控+集群测控+就地采集控制单元/模块”的方式作为测控实现方案。

　　3.2计量装置

　　目前设计和运行的智能变电站一般按照间隔配置数字量输入的计量电能表，电能表和屏柜数量多，增加了建筑面积;在新一代智能变电站试点工程中，将考核计量与多功能测控集成配置，虽然简化了设备配置，但带来了计量功能弱化、运维管理不便等问题。借鉴集群测控的思路，推荐采用电能集中计量装置代替考核电能表，从自动化专网获取SV数据，实现多间隔电能的集中计量、显示与控制，减少电能表屏柜的数量。具体实现方案如下：

　　1)对于考核用计量点，全站冗余配置集中计量电能表，采集除35(10)kV外的各间隔计量数据，节约投资，冗余可靠。

　　2)35(10)kV线路及无功间隔仍宜配置单独的电能表，安装于开关柜上。

　　3.3自动化相关过程层设备

　　自动化相关过程层设备为就地采集控制单元/模块，不需要和双重化配置的就地化保护配合，各间隔只需单套配置即可。对于组合电器式配电装置，由于一次设备高度集成，配置单套就地采集控制单元，采用按间隔集中采集的方式所需智能设备少、节约投资及柜内安装空间，且无需消耗较多电缆，技术经济合理。对于敞开式配电装置，宜适应技术发展趋势，按照设备配置就地模块，实现一次设备信息的数字化采集控制和光纤化传输。具体实现方案上，每间隔按照一次设备单套配置模拟量就地模块、断路器开关量就地模块、母线刀闸开关量就地模块、线路/主进刀闸开关量就地模块、通信接口模块。就地模块点对点与通信接口模块连接，并通过通信接口模块接入自动化专网。

　　4结论

　　本文对基于就地化保护的智能变电站二次系统的实现和整体设计方案，进行了详细论证，结论如下：1)论述了当前智能变电站过程层网络存在的问题，提出基于就地化保护的过程层网络优化措施，即设置保护专网和自动化专网，提升过程层网络可靠性。2)就地化母线保护推荐采用星形结构有限集中式，就地化主变保护推荐采用星形结构分布式。3)提出了3种故障录波解决方案，推荐近期采用“基于就地化保护+多间隔共用的就地化录波开关量模块”方案，远期采用“基于改进版的就地化保护”方案。4)测控实现方案推荐采用“单间隔测控+集群测控+就地采集控制单元/模块”的方式，考核计量实现方案推荐采用全站冗余配置集中计量电能表方式。

　　参考文献：

　　[1]陈国平，王德林，裘愉涛，等.继电保护面临的挑战与展望[J].电力系统自动化，2017，41(16)：1-8.

　　[2]裘愉涛，王德林，胡晨，等.无防护安装就地化保护应用与实践[J].电力系统保护与控制,2016，44(20)：1-5.

　　[3]王德林，裘愉涛，凌光，等.变电站即插即用就地化保护的应用方案和经济性比较[J].电力系统自动化，2017，41(16)：12-16.

　　[4]吴通华，郑玉平，周华，等.基于功能纵向集成的无防护安装就地化线路保护[J].电力系统自动化，2017，41(16)：46-51.

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