基于光纤通信的10 kV联络线备自投装置应用

江宇明，吴坚，黄镇，曾晓

（国网浙江省电力公司台州供电公司，浙江台州317000）

基于光纤通信的10 kV联络线备自投装置应用

江宇明，吴坚，黄镇，曾晓

（国网浙江省电力公司台州供电公司，浙江台州317000）

目前备用电源投入装置主要用于110 kV及以下变电站的进线、母线、变压器等设备的备用自投。随着用户对用电质量要求越来越高，面向用户的10 kV联络线也需要安装备自投装置。为此，合作研发了基于光纤通信的联络线备自投装置，验证了该装置能够实现2条10 kV联络线的相互备用、快速投切功能。该装置的投入使用，提高了电网供电的可靠性，同时取得了显著的社会与经济效益。

备自投装置；联络线；光纤通信

一些重要用户，如政府、医院、学校、高科技企业等，对供电的质量、连续性、可靠性提出了很高的要求。对于这些重要负荷往往采用了双回10 kV线路供电或由环网柜将2条10 kV线路“手拉手”以保证用户的供电可靠性。

然而现有的联络线路投切方式，往往是在工作线路跳闸以后，监控中心值班员对备用线路发出合闸指令，供电才得以恢复。国网台州供电公司现有的110 kV变电站以无人值守站为主，一般采取监控中心远方操作。一旦发生通信中断，远动装置或备用线路的保护测控装置故障，无法实施遥控合闸，则需要值班员前往该变电站进行就地操作。若采用环网柜的10 kV联络线“手拉手”方式，则还需增加环网柜开关的操作时间。这样势必延误更多的时间，造成用户更大的损失。

备用电源自动投入装置（简称备自投装置）在工作电源被断开后，能迅速将备用电源自动投入，使用户迅速恢复供电[1，2]，缩短停电时间。

但10 kV终端出线备自投装置的研究，却尚未深入。针对现有的双回联络线投切方式的缺点，引入了备自投概念对双回配电线路进行控制，并论证联络线备自投的可行性。

1 传统备自投原理

现有典型的传统备自投，一般采用独立的微机装置或组合在变电站综合自动化系统中。对于备自投装置应有以下基本要求[3]：

（1）失去供电电源后，备自投装置只允许备用电源的断路器动作1次；

（2）若因设备故障（如母线故障），保护动作或保护拒动而引起相邻后备保护（如变压器后备保护）动作切除工作电源时，应闭锁备自投；

（3）备用电源不满足有压条件，备自投装置不应动作；

（4）由人工切除工作电源；当发生工作电源电压互感器二次侧熔断器熔丝熔断或回路断线等情况时，备自投装置应可靠不动作。

如图1所示的二进线互备，母联开关在合位，一条线路工作，带两条母线的负荷，另一条线路备用，线路备自投的2种方式如下：

方式一：进线一运行，进线二备用：即1DL在合位，2DL在分位；当进线一电源因故障等原因被断开；进线二备用电源自动投入，且只允许动作1次。为了满足这个要求，设计了进线二自投的充电过程，只有在充电完成后才允许自投。

方式二：进线二运行，进线一备用：即2DL在合位，1DL在分位；当进线二电源因故障等原因被断开；进线一备用电源自动投入，且只允许动作1次。为了满足这个要求，设计了进线一自投的充电过程，只有在充电完成后才允许自投。

图1 二进线备自投

如图2所示的备自投动作逻辑，左侧是备自投充电逻辑，在判断1DL，2DL，3DL的位置以及Ⅰ母，Ⅱ母有压，备自投延时T充电完成。只有在备自投充电以后，备自投才能实现。

图2 进线备自投动作逻辑

2 联络线备自投的功能设置

2.1 联络线备自投的适用范围

对于重要的负荷，需要引入备自投来保证其供电可靠性。为一个负荷供电的2条线路，可引自同一变电站，如图1所示，也可引自不同变电站，如图3所示。

对于2种接线方式，备自投装置的功能设置与动作逻辑并无不同。但是对于同一变电站出线的装置，数据的采集和信号的传送可采用传统的电缆方式；当2条线路引自不同的变电站时，电缆的方式显然不适合，这时就需要选定一种合理的通信方式来实现数据的采集和信号的传送。

2.2 联络线备自投的动作逻辑

如图3所示的进线方式为例，为某重要负荷供电的2条出线，挂在变电站一的10 kVⅡ母上的出线一为负荷进行正常供电，另一条挂在变电站二的10 kVⅠ母上的出线二作为备用。当线路发生故障跳开时，备自投需要将出线二自动投上。其动作的逻辑框架如图4所示。

图3 不同变电站联络线的备自投接线方式

图4 联络线备自投动作逻辑

比较传统的进线备自投与联络线备自投的逻辑，如图2、图4所示，显然联络线备自投的功能与线路备自投比较接近。其差别仅为，联络线备自投充电条件无需判定10 kV母联开关3DL，4DL的位置，普通备自投装置的硬件完全符合联络线备自投的要求，只需通过升级软件的方式实现。

联络线备自投的2种方式如下：

方式一：出线一运行，进线二备用：即1DL在合位，2DL在分位；当出线一电源因故障等原因被断开；备自投装置出口跳1DL，进线二备用电源自动投入，且只允许动作1次。

方式二：出线二运行，进线一备用：即2DL在合位，1DL在分位；当出线二电源因故障等原因被断开；备自投装置出口跳2DL，进线一备用电源自动投入，且只允许动作1次。

2.3 联络线备自投通信方式比较与选用

传统备自投所取的开关位置、电流电压模拟量等数据都来自同一个站内，可由电缆直接接入备自投屏内。跳合闸出口命令也可由电缆传送。然而联络线备自投的2条出线可能位于不同的2个变电站，需要将2条出线及相应母线的数据送至一处，并将跳合闸命令发送到不同变电站。所以联络线备自投装置的开发需要考虑备自投通信方式的选择。现有的站间通信方式有公用网络模式，无线传输模式以及专用光纤模式等。

（1）采用有线公用网络模式的备自投方案，应用计算机网络通信技术，以IP协议为基础建立装置间的数据通信，组建局域网实现备自投装置的互相通信。为每套装置分配静态IP地址。这种方式的缺点是：需组建站间局域网，要研制专用的发送与接收端装置和网络服务器；通信不可靠，执行反馈时间较长，编程复杂，安全防护难度大[4]。

（2）利用无线传输模式，即通过GPRS无线IP连接方式，数据通过GSM系统的空中信道传递方式，实现点对点、中心对多点以及多点之间实时对等的数据传输。优点是覆盖面广、速率高，永远在线；缺点是安全性能不高，信号易受干扰，安全防护难度大，终端设备投资大，通信信道利用率低[5]。

（3）现阶段通信网络不断发展壮大，以台州电网为例，各个110 kV变电站之间基本实现了光纤通信，利用光纤通信传输控制及继电保护信息，具有传输质量高，误码率低，传输容量大，接口方便灵活，抗干扰能力强等优势[6]。为实现联络线备自投所要求的站间数据交换及跳合闸命令的传输提供了良好的基础。

如表1所示，基于对以上几种通信方式的可行性、安全性、经济性的比较，以及对台州地区现有110 kV站的站间通信方式的统计分析，决定选用光纤通信方式作为联络线备自投装置的站间通信方式。

3 联络线备自投硬件及组屏

选择许继PMF700系列备自投装置，如图5所示，具有运行速度快、可靠性高，采样测量精度高，能在恶劣环境（如强电磁场、低温、潮湿、多灰尘等）下可靠运行等优点。

CPU插件具有11组开入，电源及出口插件具有9组开出，分别为保护继电器1—4、信号继电器5和面板信号1—4。AC交流插件可采集2组单相交流电流和2组三相交流电压，完全满足联络线备自投的采样及出口的要求。

联络线备自投的组屏应遵循国家电网公司Q/GDW 421-2010《电网安全稳定自动装置技术规范化》[7]的规定，根据需配置联络线备自投间隔的多少，可与110 kV进线与10 kV母线备自投同屏，或单独组屏。

表1 不同通信方式对比

图5 PMF700系列备自投装置

4 备自投装置应用的经济效益分析

4.1 减少操作时间

联络线备自投装置投入运行后，相比原有的手动投入操作方式，操作时间大大缩短，如表2所示。联络线备自投动作整定时间为7.0 s；而手动操作在不考虑通信中断的最优情况下，其平均操作时间也需要121.4 s。每次操作所能节省的时间为114.4 s。

4.2 减少社会停电损失

社会停电损失是指由于电力供应不足或电力系统发生故障导致供电中断，从而对用户造成的经济和社会损失[7]。本文介绍的停电损失分析采用文献[7]中提出的产电比法进行。产电比是某一时期（年）某一地区内GDP（国内生产总值）与消耗电能量之比，单位是元/kWh。产电比描述了某年某一地区单位电能创造的经济效益，是对电能货币价值的一种社会度量。表3为台州地区2011年至今的产电比统计数据。一年中停电带来的GDP损失计算公式如式（1）所示。

表2 操作时间对比s

式中：CostGDP_anni为年社会停电损失；t为停电时间；P为10 kV线路供电有功功率；ratio为产电比；n为联络线路数量；times为每条联络线年故障操作次数。

表3 台州地区产电比

台州地区共有联络线路526条，平均每条联络线一年产生故障操作11次。假设一条10 kV线路的供电有功功率为5 000 kW，产电比取13.00元/kWh。停电损失计算结果如表4所示。

表4 年社会停电损失比较

4.3 减少运营损失

除社会停电损失外，线路停电还带来售电量的损失以及操作的人员工资成本的上升。

售电量损失的公式如式（2）所示：

式中：Costsale_anni为售电量损失；Price为电价。

一年售电量损失的计算结果如表5所示。采用联络线备自投装置后，在装置正常运行的情况下，能够减少人力投入，节约了人员工资成本。人员工资成本如式（3）所示：

表5 售电量损失

式中：Costwages为1年人员工资成本；people为每次操作人数，一般为2人；wage为人均小时工资。

由于采用联络线备自投后，无需支出人员工资成本，所以一年中节约的人员工资成本Costop_anni为4 877.92元。

综上分析，供电公司年运营损失对比如表6所示。显然，联络线备自投装置的投入，可以缩短用户停电的时间，不仅减少了公司自身的运营损失，还显著减少了社会停电损失，能带来很大的社会效益和经济效益。

表6 年运营损失对比

5 结语

开展对10 kV联络线备自投装置的研究对提高供电可靠性有着十分重要的意义。10 kV联络线备自投装置的研制成功，进一步完善了备自投装置的系列产品，能满足10 kV终端的重要用户对电能质量与供电可靠性的需求，投入使用后能显著缩短操作时间，缩短用户的停电时间，减少社会经济损失，对供电公司也有着十分显著的经济效益。同时，为解决电网薄弱、供电可靠性低等问题，提供了一种快速有效、安全可靠的解决方案。

[1]贺家李，宋从矩.电力系统继电保护原理[M].北京：中国电力出版社，1994.

[2]3～100 kV电网继电保护装置运行整定规程[S]．北京：中国电力出版社，2007．

[3]李曼岭，黄芳．备用电源自动投入装置在电网中的多元化应用[J]．电力系统保护与控制，2009，37（18）∶147－150．

[4]程亮．基于TCP/IP以太网络技术的数字式变电站备用电源自投装置的研制[J]．电网技术，2004，22（11）∶81－83．

[5]崔秀玉．GPRS技术在电力系统通信中的应用[J]．电力系统通信，2004，25（8）∶3－4．

[6]谷昕．利用光纤通信网络传送继电保护信号[J]．电力系统通信，2004，257∶34－37．

[7]Q/GDW 421－2010电网安全稳定自动装置技术规范[S]．北京：中国电力出版社，2010．

[8]唐海军．基于光纤通信的远方备自投设计与实现[J]．继电器，2006，34（4）∶80－82．

[9]王悦．高压电网自适应式站间实时自控备自投装置的研制[J]．继电器，2007，35（9）∶45－49．

（本文编辑：杨勇）

Application of Spare Power Automatic Switching Device for 10 kV Tieline Based on Optical Fiber Communication

JIANG Yuming，WU Jian，HUANG Zhen，ZHEN Xiao
（State Grid Taizhou Power Supply Company，Taizhou Zhejiang 317000，China）

Spare power automatic switching device is mainly used for the incoming line，bus and transformer in substations of 110 kV and below.With the increasingly higher requirements of users on power quality，the user-oriented 10 kV tieline also needs spare power automatic switching device.Thus，spare power automatic switching device for tieline based on optical fiber communication is developed through cooperation.It is verified that the equipment can realize mutual backup and quick switching between two 10 kV tielines.The utilization of this equipment improves the reliability of grid power supply and in the meantime achieves significant social and economical benefit.

spare power automatic switching device；tieline；optical fiber communication

TM762.1

：B

：1007-1881（2014）07-0037-04

2014-03-27

江宇明（1963-），男，浙江温岭人，工程师，研究方向为电力系统保护与控制。