■河南省電力公司 張曉華 劉躍新

許繼電氣股份有限公司 劉永欣 孫嘉 邱俊宏

0 引言

近年來隨著電網(wǎng)規(guī)模的快速發(fā)展，變電站和輸電線路的數(shù)量越來越多，繼電保護(hù)設(shè)備的校驗(yàn)工作量急劇增加，而各電力公司由于編制所限人員的增加很少，同時繼電保護(hù)工作是一項(xiàng)技術(shù)性很強(qiáng)的工作，人才培養(yǎng)周期長，工作壓力大，目前很多供電公司都存在繼電保護(hù)人員超負(fù)荷工作的情況。如何使繼電保護(hù)設(shè)備少檢修、免維護(hù)，從而降低繼電保護(hù)檢驗(yàn)的工作量和維修成本。這就需要在變電站配置技術(shù)先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備。

微機(jī)保護(hù)應(yīng)用技術(shù)的迅速發(fā)展，使保護(hù)裝置本身具備了很強(qiáng)的自檢功能，但作為電網(wǎng)安全屏障的繼電保護(hù)系統(tǒng)除裝置本身，還包含交流輸入、直流回路、操作控制回路等，狀態(tài)檢修范疇如果僅局限在保護(hù)裝置本身將很難有實(shí)施推廣的價值，對于保護(hù)的狀態(tài)檢修必須作為一個系統(tǒng)性的問題來考慮，或者說狀態(tài)檢修如果能夠包含交流輸入、直流回路、操作回路等構(gòu)成保護(hù)系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)，這樣，才可能避免狀態(tài)監(jiān)測出現(xiàn)“盲點(diǎn)”，使保護(hù)狀態(tài)檢修技術(shù)有可能在實(shí)際應(yīng)用中得到推廣。

常規(guī)的微機(jī)保護(hù)設(shè)備理論上可以實(shí)現(xiàn)對逆變電源、電流、電壓輸入回路、采樣數(shù)據(jù)合理性、保護(hù)定值完整性、保護(hù)的輸入輸出接點(diǎn)、保護(hù)數(shù)據(jù)通信環(huán)節(jié)、執(zhí)行回路可靠性等的監(jiān)視。但是這種方式存在著監(jiān)測的數(shù)據(jù)量大、節(jié)點(diǎn)數(shù)目多、通信通道量大的問題。隨著智能變電站技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化保護(hù)裝置，特別是集中式數(shù)字化保護(hù)裝置的應(yīng)用，狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)被大大簡化了。

本文就只能變電站中二次設(shè)備的狀態(tài)檢測技術(shù)進(jìn)行分析研究，并提出解決方案，希望對只能變電站技術(shù)的發(fā)展有所幫助。

1 智能變電站的系統(tǒng)構(gòu)成

智能變屯站技術(shù)導(dǎo)則[1]給出了智能變電站的如下定義：采用先進(jìn)、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設(shè)備，以全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求，自動完成信息采集、測量，控制、保護(hù)，計(jì)量和監(jiān)測等基本功能，并可報據(jù)需要支持電網(wǎng)實(shí)時自動拄制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能的變電站。

智能變電站系統(tǒng)可分分為控層、間隔層和過程層，由站級總線和過程總線完成各層的信息交互，各層之間的聯(lián)系均可采用光纜。或過程層采用光纜，站級總線采用電纜。導(dǎo)則強(qiáng)調(diào)對智能變電站高級應(yīng)用功能的研究，強(qiáng)調(diào)互動，雙網(wǎng)雙保護(hù)的智能變電站分層結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 站控層

站控層包括自動化系統(tǒng)、站域系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和對時系統(tǒng)等設(shè)備。站控層實(shí)現(xiàn)面向全站或一個以上的一次設(shè)備的測量和控制功能，完成數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制，操作閉所以及同步相量采集、電能量采集、保護(hù)信息管理等相關(guān)功能。

1.2 間隔層

間隔層設(shè)備一般指繼電保護(hù)裝置、測控裝置和故障錄波等二次設(shè)備，實(shí)現(xiàn)使用一個間隔的數(shù)據(jù)并且作用于該間隔一次設(shè)備的功能。間隔層通過光纖與過程層通信。

1.3 過程層

過程層包含由一次設(shè)備和智能組件構(gòu)成的智能設(shè)備、合并單元和智能終端，完成變電站電能分配、變換、傳輸及其測量、控制、保護(hù)、計(jì)量、狀態(tài)監(jiān)測等相關(guān)功能。一次設(shè)備智能化的發(fā)展和非常規(guī)互感器的應(yīng)州滿足間隔層與過程層之間的信息通信光纖化、信息共享準(zhǔn)化的要求。就非常規(guī)電流互感器來講，基于Faraday電磁感應(yīng)原理的羅科夫斯(Rogowski)電子互感器和基于Faraday磁旋光效應(yīng)的磁光玻璃電子互感器[2]或全光纖電子互感器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用帶來變電站技術(shù)形態(tài)的變革。電子互感器測量范圍寬，精度高，因沒鐵心，無磁飽和現(xiàn)象，二次電流不會發(fā)生畸變；由于光纖數(shù)字信號輸出和信息共學(xué)技術(shù)，不再有常規(guī)CT二次負(fù)載的擔(dān)憂；電子互感器也不像常規(guī)CT那樣需要多個次級線圈，體積小，重量輕，絕緣可靠。

2 集中式數(shù)字化保護(hù)

2.1 整體構(gòu)架

智能變電站的集中式數(shù)字化保護(hù)裝置遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，基于過程總線和強(qiáng)大的軟硬件平臺，將目前壘電站內(nèi)多臺間隔層IED的功能集中在一臺IED上完成[3,4]，采用臺IED來實(shí)現(xiàn)原來需要按間隔配置的多臺IED實(shí)現(xiàn)的功能。原來每個IED被抽象成為一個邏輯上實(shí)現(xiàn)保護(hù)、測控功能的單元，簡稱邏輯設(shè)備(LD)，每個LD保持功能上的相對獨(dú)立性并通過統(tǒng)一的通信接口與其他設(shè)備進(jìn)行交互。整體系統(tǒng)構(gòu)架如圖2所示。集成一體化保護(hù)一般按雙套冗余配置。

2.2 高壓線路集成一體化保護(hù)的示例

以線路間隔為例說明集中式數(shù)字化保護(hù)裝置[5]的模型。由一臺集成體化保護(hù)測控裝置實(shí)現(xiàn)若干條線路的保護(hù)測控功能其中每個CPU實(shí)現(xiàn)一個間隔的保護(hù)測控功能，各個間隔之間沒有數(shù)據(jù)通信，互相不影響。采用集成一體化保護(hù)測控裝置方案，可以大量節(jié)省裝置、屏體數(shù)量，并可節(jié)約占地面積。集中式保護(hù)如圖3所示。

3 智能變電站的二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測

智能變電站中基于微電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的繼電保護(hù)設(shè)備其強(qiáng)大的“自檢”能力為狀態(tài)檢修技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供了良好的基礎(chǔ)。智能變電站的繼電保護(hù)裝置二次電流、二次電壓輸入的方式不同于常規(guī)變電站，取而代之的是光纖以太網(wǎng)傳輸?shù)臄?shù)字采樣值報文的輸入：保護(hù)動作出口不再是跳閘、重合閘接點(diǎn)，而是光纖以太網(wǎng)傳輸?shù)腉OOSE開關(guān)量信息。因此，二次設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測不同于一次設(shè)備，一次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測一般都需要安裝另外的監(jiān)測設(shè)備，對主設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測；而二次設(shè)備由于繼電保護(hù)及安全自動裝置一般都具有在線自檢功能及通訊功能，再加上考慮到二次回路的負(fù)載及安全性等因素，一般不另外附加監(jiān)測設(shè)備，屬于嵌入式狀態(tài)監(jiān)測。利用裝置本身自檢及裝置之間的互相監(jiān)測來實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測。因此，建立變電站二次設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)，必須著手開發(fā)具備全面監(jiān)測狀態(tài)信息的全新的保護(hù)、自動裝置及其他智能設(shè)備。

目前智能變電站繼電保護(hù)裝置需要監(jiān)測的主要對象[6,7]如圖4所示，包括：

(1)裝置的電流、電壓等SV通道的狀態(tài)。

(2)裝置的遙信、遙控等GOOSE通道的狀態(tài)。

(3)裝置直流逆變電源的狀態(tài)。

(4)裝置本身自檢如：FLASH擦寫次數(shù)統(tǒng)計(jì)、扇區(qū)健康狀況監(jiān)測、RAM是否出錯、看門狗是否動作、裝置的重啟次數(shù)等。

智能變電站采用的數(shù)字化保護(hù)測控裝置使二次設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測更為全面、可靠。由表1可見，與常規(guī)變電站相比，智能變電站的二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測有著明顯的優(yōu)勢。

3.1 分布式數(shù)字化保護(hù)裝置的狀態(tài)監(jiān)測

在智能變電站，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)為我們提供了數(shù)字化變電站的通信框架，由于采用電子式互感器ECT、EVT，一次的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，傳送到保護(hù)裝置的是經(jīng)過合并器加工的符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的以光纖為媒介的數(shù)字信號；保護(hù)動作后輸出的不再是跳合閘接點(diǎn)，而是光纖以太網(wǎng)傳輸?shù)腉OOSE信息，基于此標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)狀態(tài)監(jiān)測則變得較為容易實(shí)現(xiàn)。

分布式保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)單臺IED的功能，以間隔為單位，不同的間隔配置獨(dú)立的繼電保護(hù)裝置和過程層接口，重要間隔按雙重化配置，如主變間隔、220 kV級以上線路、母線間隔等。

之所以說數(shù)字化保護(hù)裝置的狀態(tài)監(jiān)測更為容易實(shí)現(xiàn)，是因?yàn)殡娮邮交ジ衅鞯膽?yīng)用，進(jìn)入保護(hù)裝置的是光數(shù)字信號，二次電流、電壓輸入、AD采樣不復(fù)存在，對數(shù)字采樣部分實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測更加容易。裝置本身可以對接收的SMV采樣值報文進(jìn)行監(jiān)視，如有接收中斷、丟數(shù)據(jù)幀、接收數(shù)據(jù)幀CRC不正確等現(xiàn)象，立即告警SMV采樣異常即可。

數(shù)字化智能開關(guān)的使用，使二次控制系統(tǒng)的操作回路通過軟件編程的方式實(shí)現(xiàn)智能化，本身具備在線監(jiān)測功能，繼電保護(hù)狀態(tài)監(jiān)測不存在常規(guī)變電站操作回路無法在線監(jiān)測的瓶頸問題。

保護(hù)的投退用軟壓板控制，不存在常規(guī)變電站連接片(壓板)狀態(tài)監(jiān)測的困難。

大量光纖取代銅纜，也不再需要回路絕緣狀況監(jiān)測(直流回路除外)。

強(qiáng)大的以太網(wǎng)通信技術(shù)的應(yīng)用，使數(shù)字化變電站繼電保護(hù)設(shè)備的狀態(tài)檢修網(wǎng)絡(luò)靈活、強(qiáng)壯、可靠性高。

3.2 集中式數(shù)字化保護(hù)裝置的狀態(tài)監(jiān)測

集中式數(shù)字化保護(hù)裝置可實(shí)現(xiàn)多臺IED的功能，如圖3所示的線路集中式保護(hù)裝置，包括了若干條線路的保護(hù)測控功能，為了增加可靠性和維護(hù)方便性，即使低電壓等級，集中式保護(hù)一般按雙套保護(hù)配置。相對分布式保護(hù)裝置狀態(tài)監(jiān)測的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，集中式數(shù)字化保護(hù)裝置的應(yīng)用，使得整個變電站的監(jiān)測對象大大減少，而且狀態(tài)監(jiān)測實(shí)現(xiàn)也相對簡單。

以圖3為例，例如對線路保護(hù)裝置的線路3的SV、GOOSE通道的監(jiān)測，由于集中式保護(hù)按雙套保護(hù)配置，則可采用簡單的比較法：比較雙套保護(hù)裝置的相同間隔(如線路插件3)的采樣值，當(dāng)比值超過設(shè)定門檻時發(fā)出報警信號，據(jù)此認(rèn)為其中一條甚至兩條SV通道有異常；比較兩臺保護(hù)裝置同一LD的GOOSE信息，因?yàn)镚OOSE反應(yīng)的是斷路器和刀閘的位置等信息，而同一時刻的斷路器的位置是一定的，因此比較法同樣適用于GOOSE通道的監(jiān)視。

不但雙套保護(hù)配置為實(shí)現(xiàn)了裝置自身的自檢和裝置之間的互檢提供便利，而且集中式保護(hù)把原來分布式裝置抽象為一個個LD，因此原來每臺分布式裝置所包含的電源監(jiān)測功能、裝置自檢功能、軟壓板監(jiān)測功能都集中到了一臺IED中，這樣不但減少了監(jiān)測對象，也方便了檢修人員的檢修維護(hù)工作，大大減少了工作量。例如，相對于按間隔配置的保護(hù)，基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的集中式保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)更為緊湊，電源數(shù)量極大減少，這使得二次設(shè)備監(jiān)測的重點(diǎn)之電源監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)更為方便。

4 結(jié)論

二次設(shè)備的狀態(tài)檢修是變電站綜合自動化技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果，二次裝置的狀態(tài)監(jiān)測將有助于對設(shè)備的運(yùn)行情況、缺陷故障情況、歷次檢修試驗(yàn)記錄等實(shí)現(xiàn)有效的管理和信息共享，并為設(shè)備運(yùn)行狀況的分析提供了可靠的信息基礎(chǔ)，將有助于合理地制定設(shè)備的檢修策略，提高保護(hù)裝置的用率，為電網(wǎng)的安全運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

智能變電站的全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供了有力條件，特別是集中式數(shù)字化保護(hù)裝置的應(yīng)用，減少了繼電保護(hù)二次設(shè)備的數(shù)量，優(yōu)化了二次設(shè)備的結(jié)構(gòu)，對繼電保護(hù)二次設(shè)備監(jiān)測實(shí)現(xiàn)更為有利。

[l]智能變電站技術(shù)導(dǎo)則[S].2009.12.25.

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[4]徐廣輝,李友軍,王文龍等.數(shù)字化變電站IED采樣數(shù)據(jù)同步插值的設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)自動化,2009,33(4).

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