220 kV智能变电站二次功能就地化纵向集成设计

2018-03-06郭朝云

电力勘测设计 2018年1期

朱萍，郭朝云，尹星，习雯

(河北省电力勘测设计研究院，河北石家庄 050031)

1 概述

国家电网公司提出了新一代智能变电站设计理念，即“一个设备、一级网络、一个系统”，要求智能设备及自动化网络高度集成化，加强对站控层、间隔层及过程层设备的整合。目前智能变电站二次设备配置主要存在问题：(1)由于增加了过程层网络中间实现环节，带来继电保护整组动作时间延长问题；(2)间隔内设备功能分散，分别布置在开关场和保护室，未形成统一硬件模块；(3)设备冗余配置，硬件利用率低下；(4)光纤和虚端子复杂，现场调试及检修复杂。

目前智能变电站内二次设备多为横向整合，无法从根本上解决变电站智能化带来的保护速动性下降、虚端子复杂等问题，因此有必要研究间隔层、过程层设备跨层集成，利用集成单装置实现间隔内保护或测控的完备功能。

2 二次功能就地化纵向集成需求分析

2.1 保护速动性、可靠性的需求

常规综合自动化变电站线路保护采用“常规互感器+保护装置”方案，智能变电站采用“常规互感器+合并单元+保护装置+智能终端”方案。常规综自变电站和智能变电站相对应的同一类型保护装置的保护原理和逻辑处理机制是基本相同和移植通用的，只是装置的结构及外部接口发生了变换，以220 kV线路保护装置整组动作时间为例进行分析。

(1) 常规综合自动化变电站

表1 常规综自变电站线路保护整组动作时间构成

(2) 智能变电站

表2 智能变电站线路保护整组动作时间构成

比较表1、表2可知：在220 kV线路上发生金属性故障时，常规综自站线路保护整组动作时间为13.5 ms～17.5 ms，智能站线路保护整组动作时间为18.3 ms～23.3 ms。因中间中转环节的增多，智能变电站比常规综自站线路保护整组动作时间慢4.8 ms～5.8 ms。同时智能变电站采用的合并单元、智能终端等公共设备故障率较常规保护2倍以上，降低了继电保护的可靠性。

为更好地满足保护速动性和系统稳定性的要求，面向一次设备间隔，可采用集成间隔内保护、合并单元、智能终端功能的多功能保护装置，直接电缆采样实现间隔内保护功能并提升保护速动性。

2.2 设备就地化的需求

二次装置就地化安装可大大减少电缆(光缆)用量，简化网络配置，在设计、安装、调试、运维等环节具有明显的经济效益。二次设备就地化布置以后，如果仍按间隔内保护、智能终端、合并单元设置方式，必然会造成硬件的重复配置和浪费，因此就地化必然要求二次设备的纵向集成。

2.3 管理运维的需求

智能站以光缆、交换机和配置逻辑代替二次回路，以SCD文件(二次系统配置文件)描述二次设备连接关系后，二次“虚回路”无法直观可见，安全风险大。

通过纵向集成，单间隔内装置间不再有虚端子回路，减少SCD工作量，集成和调试简单清晰，可大大减少现场管理运维的难度和错误率。

3 二次功能就地化纵向集成设计方案

3.1 二次功能就地化纵向集成两种设计方案

(1)方案一：保护/测控、合并单元、智能终端纵向集成方案

面向一次设备间隔，集成间隔内保护、合并单元、智能终端或间隔内测控、合并单元功能，使单装置可实现间隔内保护或测控功能。保护或测控装置与智能终端插件、合并单元插件通过装置内部总线实现信息共享，集成装置与外部联系通过SV/GOOSE光口实现直采或组网。此种方式装置内设有合并单元、智能终端独立插件，适合和外部联系比较多的220 kV及以上电压等级。

(2)方案二：就地化、小型化方案

间隔内取消合并单元和智能终端，保护直接采样，电缆跳闸，装置采用无防护方式，通过航空插头接口标准化，实现装置“更换式检修”。此种方式装置一体化设计，适合和外界联系少、集成度高的110 kV间隔二次设备。

220 kV站内35 kV(10 kV)一般为开关柜，设备均采用电缆直采直跳的方式，已集成合并单元智能终端等功能，不需再进行优化集成。因此本文主要论述220 kV及110 kV的集成方案。

3.2 220 kV二次功能就地化纵向集成

3.2.1 220 kV二次功能就地化纵向集成方案

(1)总体集成方案

220 kV间隔集成方案采用3.1中的方案一,多功能集成保护装置设置独立光口插件，通过光纤直连220 kV母差保护，实现母差保护的直采直跳；多功能集成保护、测控装置通过电缆联系交互跳合闸信息，同时多功能集成保护、测控装置均接入过程层网络，共享SV、GOOSE信息给录波、网络分析等设备。220 kV单间隔纵向集成前、集成后联系示意图见图1、图2。

图1 220 kV单间隔联系示意图(集成前)

图2 220 kV单间隔联系示意图(集成后)

由图1、图2可知，纵向集成后220 kV单间隔内原7台二次设备缩减为3台。

多功能保护/测控装置均采用就地电缆直采直跳，保测回路相互独立，两者之间唯一的关联，就是多功能测控通过多功能保护的操作回路通过电缆跳合闸。

(2)虚端子变化

因装置集成，大大压缩虚端子数量。因保护和测控功能相互独立、充分解耦，提高SCD配置的安全性。

(3)各间隔就地化纵向集成方案

①220 kV线路、母联间隔

220 kV线路、母联就地化纵向集成方案见图3。就地化多功能保护装置集成后功能见表3。就地化多功能测控装置集成后功能见表4。

图3 220 kV线路、母线就地化纵向集成方案示意图

表3 220 kV线路、母联多功能保护装置功能

220 kV多功能保护对外连接主要包括：保护电流输入、电压输入及切换、GOOSE跳闸输入/输出、电缆开入、分相操作回路等相关插件。线路保护通过点对点或网络输出(IEC61850－9－2规约)给母线保护和故障录波。户外就地化需配置单独的220 kV母线电压并列装置。

表4 220 kV线路、母联多功能测控装置功能

220 kV多功能测控对外连接主要包括：测量电流输入、电压输入及切换、电缆开入/开出至多功能保护等相关插件。测控通过网络输出(IEC61850－9－2规约)给相量测量。

②主变间隔

主变保护需要跨电压等级，覆盖各侧多个断路器、电流互感器。所以还是采用合/智功能与保护功能分立的方案。主变保护到各侧合智装置采用SV/GOOSE共口点对点方式。主变测控按侧配置，可考虑分侧将测控装置和合并单元、智能终端集成。

③220 kV母线间隔

220 kV母线保护采用直采直跳，220 kV线路、母联间隔的多功能保护装置提供本间隔SV和刀闸位置并执行跳令，主变间隔由合并单元、智能终端集成装置配合提供相关信息。220 kV母线保护的电压从母线合并单元点对点获取。220 kV母线电压经并列箱用电缆接至各间隔，各间隔做切换。PT刀闸位置、测量电压采集，设置一台就地化母线测控，集成智能终端、合并单元功能。