智能变电站500 kV断路器保护配置方案研究

赵亚飞 范 岩

(中国电力技术装备有限公司郑州电力设计院，河南 郑州 450000)

0 引言

新型智能变电站建设目标重点提出“结构布局合理、系统高度集成、技术装备先进、经济节能环保、支持调控一体”的目标[1]。二次设备的整合直接关系到“系统高度集成、技术装备先进”等方面，整合后的效果又有利于“结构布局合理、经济节能环保”。可见，在新一代智能变电站建设中，二次系统的集成整合也是重要的研究方向。

本文依照国家电网相关规程规范的要求，结合工程实践中的经验和问题针对500 kV智能变电站断路器保护配置进行分析，优化断路器配置方案，完善断路器与其他二次设备结合问题。在保证功能正常实现的基础上，既实现减少设备数量，降低设备投资，又简化系统结构，提高可靠性。

1 综自变电站500 kV断路器保护

500 kV综自变电站主要采用3/2接线形式的断路器保护，其包含自动重合闸、失灵保护、死区保护、充电过流保护功能元件，满足国家电网相关规程规范关于断路器的装设要求。500 kV断路器保护均为单套配置，接收双套线路保护/主变保护的失灵启动信号、启动重合闸信号等，单套断路器保护跳闸动作于双跳闸线圈[2]。例如许继WDLK-862A-G-001型500 kV断路器保护，该装置可以启动线路及母差的双套保护，出口回路独立，其启失灵流程如图1所示。

通过上述分析可知，单套配置从功能配置上完全可以满足现有继电保护规程要求。同时，由于3/2接线中，针对串内各区间故障都已完整配置了双套的主保护，如母线差动保护、线路差动保护、主变差动保护，实现各保护范围交叉，不存在主保护的范围缺失。500 kV断路器保护主要承担的功能：失灵保护、重合闸均为后备保护，完全可以单套配置。

2 智能变电站500 kV断路器保护

目前智能变电站中，500 kV断路器保护均为双套配置，两套断路器保护分别接收：各自一套线路保护或主变保护的启动失灵、启动重合闸、母线保护的跳闸信号；两套断路器保护分别通过GOOSE网发送：启失灵，跳母差保护范围内的各个断路器，线路保护发远传跳对侧断路器；双套断路器保护跳闸分别动作于对应的一组跳闸线圈。其详细工作流程图如图2所示。

2.1 断路器保护双套配置的缺陷

保护装置正常运行情况线路故障：线路保护1/2发跳闸命令，同时向断路器保护1/2发启断路器失灵；断路器保护1/2检测到一次回路仍有电流(线路保护跳闸失败)，断路器保护1/2发跳闸命令跟跳。同时向线路保护1/2及母差1/2(边断路器)发启失灵信号，母差1/2跳开母线侧所有开关，线路保护1/2发跳命令，如图3所示。

保护装置检修或故障时退出运行情况下线路故障：

1)第一套母差/线路保护退出运行：

由图4分析：第一套母差退出运行，且断路器保护双套配置，一套线路保护跳闸失败，通过断路器启母差不成功的情况下，并不影响另一套保护及网络的正常工作。此情况下双套保护的可靠性比较高。

2)第一套母差及第二套线路保护同时退出运行(交叉投运)：

由图5分析：线路故障，第一套线路保护跳闸并给断路器第一套保护发启失灵，断路器跟跳，同时断路器保护向所在第一套母差发启动母差失灵信号，此时第一套母差退出，不能联跳该母差保护范围内的各断路器。由于第二套线路退出运行，断路器第二套保护接收不到跟跳信号，也不会向第二套母差发启失灵，导致保护跳闸失败，危害电网的安全稳定。

2.2 断路器保护单套配置分析

通过以上分析双套断路器保护配置，一定的保护退出情况下不能很好的保证电网安全运行，因此结合500 kV保护模拟量采样、GOOSE跳闸的技术条件，提出500 kV断路器保护单套配置方案，优化配置，简化二次回路，优化设备配置，提升集成度。下面分析断路器单套配置情况下保护电网情况，如图6所示。

1)保护装置正常运行情况线路故障：线路保护跳闸失败，断路器保护跟跳，同时向两套母差发启失灵信号，母差保护跳开保护范围内的所有断路器。

2)保护装置检修或故障时退出运行情况下线路故障，交叉投运时，即第一套母差保护及第二套线路保护同时退出运行时。

第一套线路保护发跳闸命令并同时启断路器失灵，断路器保护向双智能终端发跳闸命令，同时能够启动第二套母差保护，第二套母差保护跳开其他各串断路器，切除故障，保障电网的安全运行，如图7所示。

2.3 断路器保护单套存在问题及解决办法

断路器保护单套配置，必然会引起单套断路器保护与其他双套配置保护(如：母差、线路差动、主变差动等)配合的问题。智能变电站采用双重化星形以太网络，双重化的网络物理上相互独立，保证单一网络故障时不影响系统运行[3]。由图6，图7可看到，单套断路器保护需要跨接双重化过程层网络来完成与其他二次设备的配合。

如果使二次装置各个数据端口物理回路相互独立，二次装置中央处理器对外数据接口通过GOOSE网接收到帧结构的数据包后，经过变换器中的变压器隔离和阻抗匹配后送到PHY(物理接口芯片)中，在此芯片中完成RMII接口的数字信号变换，获得信息。不同数据端口的内部回路及处理芯片完全独立。配置数据接口控制器实现各种数据端口间无任何依存关系上送至总线，以实现各种数据间的独立性。

由此可见，装置不同数据端口在物理上完全独立，不存在相互影响的可能，且不因同一装置跨接双网而引发两个网络间发生数据交换单套断路器保护通过独立的数据接口跨接双重化网络，实现与其他双套配置二次设备的信息交互,如图8所示。

3 经济性分析

根据以上单套断路器配置方案，对全站500 kV断路器保护配置方案进行技术经济分析。

按照500 kV智能变电站3/2接线建设1个完整串，2个半串的规模考虑，可以减少7台断路器保护装置。按照每台断路器保护15万计，可减少设备投资105万元。远期规模按7个完整串考虑，可减少21台断路器保护装置，总计减少设备投资315万元。

4 结语

本工程围绕“两型一化”“配送式、模块化建设”的核心理念，深入总结提炼已投运试点工程经验，提高智能变电站信息共享程度和功能集成程度。通过分析500 kV断路器保护配置方案，解决了断路器保护双套配置的存在的隐患，提出了单套断路器保护对应双保护装置采用不同数据端口在物理上完全独立的方案，且该方案下不会因同一装置跨接双网而引发两个网络间发生数据交换，单套断路器保护通过独立的数据接口跨接双重化网络，实现与其他二次设备的信息交互。