常规站智能化改造中的母线保护方案研究

吕 航 ，刘国河 ，鲍凯鹏 ，王风光 ，李 力

(1.南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102；2.辽宁省电力公司营口供电公司，辽宁 营口 115000)

IEC 61850系列标准的颁布与推广应用为智能变电站的发展奠定了基础。目前，随着智能电网建设的推进，国内智能变电站的建设已由理论研究阶段走向工程实践阶段。智能变电站技术是变电站自动化技术发展中具有里程碑意义的一次变革，对变电站自动化系统的各方面将产生深远的影响。智能变电站内的信息数字化，信息传递实现网络化，通信模型达到标准化，各种设备和功能可以共享统一的信息平台，这使得智能变电站在系统可靠性、经济性、维护简便性方面均比常规变电站有大幅度提升，必然会成为未来变电站发展的趋势[1]。

变电站改造工程与新建、扩建工程最大的区别就是变电站内的运行设备只能按间隔停运，跨间隔设备不能长时间退出。因此，如何在不影响运行设备的前提下将新设备接入是改造工程的难点所在[2]。这也是常规站智能改造工作必须解决的问题，目前国内已针对常规站智能化改造做了系统的分析[3-7]，并已有数个常规变电站完成了智能化改造[8-12]。

1 过程层数字化改造方案

过程层数字化包含模拟采样数据的数字化和网络传输、通过GOOSE网络传输过程层的I/O、通过GOOSE机制传输保护跳合闸命令和保护间的配合信号。通过过程层数字化可以实现变电站控制保护系统的分层安装、I/O的分布安装。

通过过程层信号的数字化、网络化传输将大大减少传统的信号电缆，降低了电缆的成本、管道面积，解决了信号电缆传输过程中受电磁干扰的问题，简化了设计，减少了现场施工、调试的工作量。用网络代替电缆，可以通过网络报文实现信号传输回路的自检，实现传输回路的状态检修，避免了传统电缆回路接触不可靠时无法自检的缺点，将大大降低变电站的维护工作量和维护成本。所以过程层的数字化是智能化改造的一个要点，也正是过程层的数字化改造才将智能变电站的信息共享优势充分体现出来，但因过程层的数字化直接影响到保护、测控等间隔层设备的采样方式，在改造过程中如何在不影响运行设备的前提下将新设备接入是改造工程的主要难点所在。

电子式互感器因其相对于常规互感器具有绝缘简单、体积小、重量轻，动态范围宽、无磁饱和等优势，在高电压等级比常规互感器相比具有一定的经济性，目前已在多个智能站投运或试运行，所以智能化改造中将常规互感器改造为电子式互感器是一次设备智能化改造中比较常见的一种改造模式。但在电子式互感器运行过程中也出现了一些问题，如电子式互感器故障率较高、易受外部干扰出现数据异常，出现过电子式互感器告警导致保护闭锁，甚至出现数据错误引起保护误动的情况。考虑到常规互感器在各电压等级变电站已具有成熟的运行经验，采用常规互感器，配以合并单元实现模拟量就地数字化转换，利用光纤上传，既提高了信号传输的抗干扰性和可靠性，又可减少互感器二次绕组配置数量，从而减小互感器体积，提高其可靠性。所以常规互感器加就地采样的合并单元实现过程层采样数字化是目前比较合理的一种解决方案，这种方式在智能化改造中保留了已有的常规互感器，大大节约了全站改造投资，全面提高了信号传输的抗干扰性和可靠性，也是目前非常常见的另一种改造模式。

对于开关设备的数字化改造，目前主要实现方式是就地安装智能终端，实现开关设备与智能化二次设备间的数字化接口。

2 母线保护改造方案

常规站智能化改造一般没有条件进行全站停电改造，所以变电站内的运行设备只能按间隔逐一停运并改造，而在改造过程中母线保护不宜长时间退出，尤其涉及到一次设备改造情况下，母线保护长时间退出运行更是不能接受的。

2.1 改造方案1

针对前文1中提到的第一种过程层数字化改造方案，即将常规互感器改造为电子式互感器的方案。因为涉及到一次互感器的更换，所以改造过程中必然存在常规互感器和电子式互感器共存的情况，所以必须研发同时具备模拟量及数字化接口的母线保护装置。为了简化这个问题，实际采用的方案是由全数字化接口母线保护加常规互感器及一次开关的数字接口设备（专用母差子站）实现同时具备模拟量及数字化接口的母线保护装置[13，14]。

母差保护子站装置的作用是将各支路的模拟电流、电压量以及其他硬接点开关量转变成符合61850SV传输协议数字量，再接入数字化母差保护。现场实施步骤如下：

（1）完成数字化接口母差保护柜及母差保护子站柜之间的接线，数字化接口母差保护各支路与子站装置各支路用光纤尾纤一一对应接线。

（2）退出运行中的传统母差保护，并逐一将各间隔的电流、电压、刀闸辅助接点、失灵启动接点等回路转接入母差保护子站装置。带负荷测试数字化接口母差保护，测试结果合格后将数字化母差保护及子站装置投入运行。此时旧的传统母差保护不再投入运行，如图1所示。

图1 数字化母差保护的接入（方案1）

改造任一支路时都要短时退出数字化母差保护，完成接入本支路尾纤、拆除子站装置本支路传统电流（或电压）回路的工作。新接入的支路带电运行以后，测试数字化母差保护是否正常，测试结果合格后即可以重新投入数字化母差保护，改造过程中母差也能够投入，直至改造间隔带电。此时的子站装置中该支路所对应的硬件输入回路不再投入运行，如图2所示。

图2 改造后间隔的接入（方案1）

（3）重复步骤2直到全部支路间隔更换了电子式互感器，数字化母差保护的更换就完成了，如图3所示。

图3 改造完成（方案1）

采用此方案，考虑到改造过程中保护屏位的限制，为缩小设备尺寸，多是将数个间隔的模拟量及开关量采样集成在一台母线保护子站完成。各母差子站的开入量可以通过GOOSE网络传输给母差主站，也可通过专用光纤由私有规约传输给母差主站。这种方案主要的优点是全数字化接口母线保护和母差子站实现了同时具备模拟量及数字化接口的母线保护装置，可以满足常规互感器和电子式互感器共存的情况。此方案主要问题是改造初期工作量大，需要配置专门的母差子站，改造完成后子站退出运行，设备投资较大。

2.2 改造方案2

针对前文1中提到的第二种过程层数字化改造方案，即采用常规互感器加就地采样的合并单元实现过程层采样数字化。这种方式下由于常规互感器不被改造，所以在改造过程中可以保证常规母差保护继续运行，但因为常规母差保护不具备过程层数字化接口，故要求改造间隔的保护及智能终端保留与常规母差保护的开入、开出接口。现场实施的步骤如下：

（1）常规母线保护在改造全过程中投入运行。

（2）进行某间隔数字化改造时，首先将改造间隔的合并单元及智能终端接入，同时将本间隔线路或主变保护及过程层全数字化接口母线保护接入过程层。如图4所示（图中实线为电缆，虚线为光纤）。

图4 改造间隔的接入（方案2）

并将改造间隔保护的启动失灵接点接至常规母线保护的启动失灵开入，将常规母线保护的跳闸接点接至智能终端的常规跳闸接点接口。带负荷完成新间隔保护及数字化接口母差保护测试。由于此时数字化接口母差保护尚未接入主接线全部间隔，无法投入正常运行，此时母线保护功能由常规母线保护完成。

（3）重复步骤2直至全部间隔改造完毕，且全部间隔都已接入数字化接口母差保护，可投入正常运行。此时投入数字化接口母差保护，退出常规母线保护，拆除过渡过程中临时电缆，完成改造过程。

此方案的主要优点是常规母线保护在改造过程中始终处于运行状态，无需投入额外设备，改造投资较小。存在的问题是一方面适应性较差，只能应用于常规互感器不改造的工程，另一方面要求新设备具备常规开入开出接口，且为保证常规母线保护的正常运行，需铺设临时电缆完成新间隔的跳闸及失灵启动等。

2.3 改造方案3

上述2个方案分别采用数字化接口母线保护和常规母线保护实现改造全过程中的母线保护功能，为保证全程中新（老）母线保护所有间隔都具备了相应的数字化（常规）接口，付出的代价较大，而且方案实施存在一定的限制条件。

综合方案1、方案2且提出第3种改造方案：对于最常见的双母主接线方式，在改造过程中增加对运行方式的限制，将改造后间隔限制在一条母线，未改造间隔限制在另一条母线。数字化接口母线保护用于保护连接改造后间隔的母线，而常规母线保护用于保护连接未改造间隔的母线，如图5所示（图中实线为电缆，虚线为光纤）。

图5 改造方案3

因为数字化接口母线保护只需要与改造后间隔接口，无需为未改造间隔提供数字化接口；而常规母线保护只需要与未改造间隔接口，改造后间隔的保护、智能终端等设备无需提供常规接口，也无需铺设临时电缆。所以相比方案1、方案2，此方案投资及工作量都最小。但如果在改造过程中无法保证母联开关处于分位，母联电流必须同时接入新老两套母线保护（对于互感器需要改造的工程，建议母联间隔最后改造，改造期间可通过模拟采样合并单元为数字化接口母线保护提供数字化接口），且两套保护都必须做相应处理，使得母联电流同时计入大差及相应母线的小差以保证差动计算的正确性。为此应对数字化接口母差提出母联带路功能的要求，在改造过程的运行方式下，只需投入母联带路功能即可保证差动平衡；对于常规母线保护，如果不具备母联带路功能，可临时将母联接入备用间隔以保证差动计算平衡。

方案3主要优点是改造过程无需额外设备及铺设临时电缆，投资及工作量小，可以满足常规互感器和电子式互感器共存的情况。实施此方案的主要限制是对主接线要求至少有2条母线，而且对改造过程中的运行方式有较严格的要求，即分别将改造后间隔和未改造间隔分别限制在2条母线上 （不允许进行倒闸操作）。如无法保证在改造期间母联或分段开关始终处于分位，新老母差保护需做相应处理以保证差动计算平衡。3种方案的特点如表1所示。

表1 3种方案的特点

3 结束语

综上所述，如果能保证改造期间分别将改造后间隔和未改造间隔分别限制在2条母线上，因方案3具有改造过程中无需额外设备及铺设临时电缆，投资及工作量小，可以满足常规互感器和电子式互感器共存的情况等优点，应考虑优先采用。对于因受主接线或系统运行方式限制而无法采用方案3的改造工程，若互感器不改造，建议优先采用方案2。

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