220 kV智能变电站继电保护组网方式及优化配置

徐春洋

国家电投集团江苏新能源有限公司，江苏 盐城 224000

0 引言

继电保护设计是保障智能变电站稳定运行和各项功能顺利实现的关键。由于智能变电站过程层、间隔层的设备种类多样，不同设备之间的组网方式没有统一的标准，不仅影响了设备之间的网络通信，而且影响变电站二次设备的安全运行。因此，在智能变电站的设计和施工中，一方面要优化继电保护的配置，另一方面还要科学选择组网方式。这样才能有效保护智能变电站的稳定运行，为发电厂创造预期的效益。

1 智能变电站继电保护组网方式

（1）智能变电站“三层两网”网络结构。从系统组成架构上来看，智能变电站系统共包括3部分，即站控层、间隔层和过程层。层与层之间使用基于IEC 61850通信标准的工业以太网进行连接。系统组成如图1所示[1]。

图1 智能变电站“三层两网”网络架构

其中，站控层主要包括GPS定位系统、配合监控系统，能够实时监测前端设备的状态信息，并将采集信息与系统存储的标准信息进行对比。若发现超出标准范围的数据，则由GPS进行定位，从而快速锁定故障源，实现自动保护。间隔层以系统保护及测控装置为主，如主变保护、线路保护、母线保护，以及温度测控、压力测控等装置。在完成实时测量与数据采集的同时，还能够响应站控层发出的指令，完成相应的控制动作。过程层主要包括智能操作箱、常规开关、电子式互感器和合并单元（MU）。

（2）变电站继电保护组网方式。智能变电站中继电保护组网方式有2种，分别是站控层网络、过程层网络。其中，站控层网络选择星型拓扑结构，在站控层和间隔层之间使用MMS和GOOSE共网传输。其中，MMS负责传输保护测控动作信号与告警信号，GOOSE负责传输五防连锁信号和后台控制命令。整个站控层共设有16台交换机，10台为百兆、2光口，6台为百兆、4光口。过程层网络选择星型以太网结构，在间隔层和过程层之间使用SV网和GOOSE网进行信息传输。其中，SV网负责传输系统的电压、电流等模拟量信息，GOOSE网负责传输开关量信息、跳合闸指令等。

2 智能变电站继电保护配置

2.1 智能保护装置的结构组成

智能变电站的继电保护装置硬件结构组成如图2所示。该装置的主CPU有2个专用的采样信号传输串口，采用有线连接的方式，分别与光接收单元和采样单元连接。其中，光纤内传输的信息，进入光接收单元后，完成“光—电”转化，输出为计算机可识别的二进制信息。开关量信号进入采样单元后，经过滤波、降噪处理后，也作为采样信号进入主CPU。经过CPU的运算处理后，分析结果可直接作为输出量，传输到出口单元，用于控制继电保护器做出相应的保护动作。另外一部分经过双端RAM和从CPU处理后，分别进入人机接口、通信接口。管理员可通过人机交互界面，直观了解智能变电站继电保护功能的实现情况[2]。

图2 智能保护装置的结构组成

2.2 智能保护配置的优化策略

结合智能保护装置的基本组成和运行原理，可尝试以下三种优化策略：（1）以过程层为基础的分布式母线保护。在母线保护方式上，用分布式网络代替传统的集中式网络，一方面能够显著提高通信能力，满足变电站的系统配置，尤其是在简化母差保护逻辑、实现独立保护等方面优势显著。（2）智能变压器保护。常规的变压器差动保护会产生较大的励磁涌流，导致误动或拒动问题。基于智能变压器的保护策略，根据线路中电压、电流的变化，灵活调整保护的整定值，从而在预防匝间短路和避免励磁涌流方面发挥了显著作用。（3）输电线路智能保护。依托电子式互感器实施采集线路中的电流、电压值，并且将高电压转化成低电压、大电流转化成小电流，避免过电压、过电流对智能变电站电力系统造成的损害[3]。

3 某220 kV智能变电站继电保护优化配置的实施方案

某220 kV智能变电站主变部分采用三相三绕组变压器，容量为200 MVA；220 kV部分和110 kV部分，均采用双母线单分段接线。该变电站的原继电保护系统中，站内多个子系统使用的SCD模型型号不统一、兼容性差、调试工作费时费力，严重影响继电保护功能的实现，需要对其配置方案进行优化。经过前期调查和设计后，提出了2种实施方案。

（1）方案一。220 kV过程层SV网络选择“点对点”的直采方式连接，摆脱了对外部同步的依赖，可实现线路保护测控、母线保护、母联测控等功能。过程层GOOSE网络选择树形拓扑网络，可用于传输线路跳闸、故障告警、闭锁重合闸等信号。110 kV过程层SV网和GOOSE网在布置方式上与上文相同，但是在交换机的数量和位置上有所差异。具体配置方案如表1所示。

表1 方案一交换机配置表

（2）方案二。220 kV过程层网络选择网采网跳方式连接，将SV网、GOOSE网和IEEE1588网合为一体，形成组网。继电保护装置上选择双套配置，一套接入过程层的A1和A2网，另一套则接入过程层的B1和B2网。24台交换机集中租柜，均使用百兆、16多模光口工业级交换机，保证通信质量。110 kV过程层组网方式与上文相同，但是采用单套保护装置，配备有10台百兆、16多模光口交换机。具体配置如表2所示。

表2 方案二交换机配置表

（3）技术经济比较。方案一采用“直采网跳”的组网方案，从技术层面上看，其优点在于网络运行的可靠性较强，而且SV网络采样摆脱了对外部同步的依赖，所用交换机数量较低，在成本上也有优势。缺点在于线路比较复杂，增加了光缆成本，而且信息共享能力较差。方案二采用“网采网跳”的组网方案，从技术层面上看其优点在于线路简单，所用光缆较少，支持设备之间的信息共享，协调性较好。缺点在于所有数据均需要经过交换机传输，无形中增加了交换机的运行压力。同时，配置交换机数量较多，成本较高。综合技术可行性、成本性价比两方面因素，最终选择方案一进行变电站继电保护配置优化。

4 结束语

优化继电保护组网方式和系统配置，是提高智能变电站运行效率的重要手段。针对现阶段发电厂智能变电站组网方式标准不统一、智能保护配置不协调的问题，在进行优化配置时应提前开展调研，在充分了解智能变电站网络结构、硬件组成的基础上，设计相应的优化方案。从实践效果来看，选择“直采网跳”的组网方案，同时引进分布式母线保护、智能变压器保护等技术，能够以较低的成本显著提高继电保护配置的实用效果，成为智能变电站配置优化的一种优选方案。