劉力銘

（洪家渡發(fā)電廠，貴州 畢節(jié) 551700）

1 電氣二次設計項目

電氣二次設計項目為變電站經一回線路與地區(qū)電網相連，經一回線路為地區(qū)提供電力能源，既有電網結構較為薄弱，電力能源供應可靠性不足，且調度運行難度較大。為解決上述問題，規(guī)劃在工期內完成2組主變建設，分組容量為750 MVA、240 MVA。

2 電氣二次設計常見問題

2.1 設計手段滯后

傳統(tǒng)電氣二次設計采用計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）手段，針對客戶較為廣泛，在電氣二次設計時操作較為復雜，且存在功能冗余問題，降低了電氣二次設計效率，影響了整體設計效果[1]。加之設計成品表現為出版藍圖，無法滿足不同專業(yè)、不同設計階段要求，不同類型文件之間相互矛盾情況不時出現，影響了電氣二次設計中多專業(yè)協(xié)同作業(yè)進程。

2.2 可行性研究不完善

電氣二次設計內容與變電站運行維護工作緊密相關，傳統(tǒng)電氣二次設計缺乏完善可行性研究體系，內容偏重于電氣項目建設經濟可行性、技術必要性，理論研究重于實踐分析，導致實際運行階段電氣設備需求在可行性研究中體現不顯著，實際電氣二次設計成果與運行環(huán)節(jié)需求存在偏差，不僅影響了電氣二次設計項目計劃在具體工程措施中的落實，而且制約了電氣設計作業(yè)安全進程。

2.3 線路無功損耗偏高

在電氣二次設計過程中，為應對輸變電項目推遲投產引發(fā)的負面作用，變串補設計大量出現。常規(guī)變串補設計雖然可以適應電力系統(tǒng)快速變化的要求，滿足電網穩(wěn)定運行需求，但是裝設串入線路后無功損耗較大，致使系統(tǒng)運行電壓提升，甚至干擾各電力資源輸送通道潮流的分配合理性，提升了整個輸電過程資源消耗率，對電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性造成了不利影響。

2.4 繼電保護裝置不穩(wěn)定

繼電保護設計是電氣二次設計重要內容，關乎輸變電項目運行安全性。當前，繼電保護設計存在一些問題，如保護裝置冗余度低、正常合閘時誤動作概率高、缺乏事故類型判斷功能等。上述缺陷的存在，給變電站繼電保護裝置正常運行埋下了隱患，特別是在保護裝置冗余度低問題出現后，回路缺乏直流消失監(jiān)視內容，在熔斷器熔斷時，合閘指示燈正常點亮，埋下手動跳閘操作失敗隱患[2]。

2.5 二次監(jiān)控存在缺陷

監(jiān)控設備是電氣二次設計的核心，也是繼電保護策略制定的依據。因監(jiān)控對象繁多、分布位置各異，電氣二次監(jiān)控設計難度較大。既往電氣二次設計存在較大缺陷，不僅未根據數據通信配置足夠網關，而且未有效聯(lián)系保護、測控端口，數據利用價值不高。加之視頻設備、安全防護、電源管理等輔助設備缺乏，無法發(fā)現二次設備問題，影響了電氣二次設備穩(wěn)定運行。

3 電氣二次設計問題的對策

3.1 升級設計手段

針對傳統(tǒng)電氣二次設計手段滯后問題，設計者可以選擇數字三維設計手段，依托STD-R三維變電站設計平臺，根據現有資料進行建模。在建模作業(yè)進入尾聲后，導入電氣設備屬性信息，關聯(lián)工程所用設備型號與設備模型。如在電氣屏柜與電纜設計時，設計者可以借鑒電氣一次設計建模經驗，繪制軸網[3]。根據軸網，鏈接土建圖紙，并布置二次設備室屏柜。同時對應電纜開始端口、結束端口，手動進行三維屏柜編碼。根據三維屏柜編碼信息，結合電纜敷設路徑容量，規(guī)劃電纜溝位置。在電纜溝位置明確后，合理布置屏柜。如某三維屏柜布置如圖1所示。

圖1 三維屏柜布置

在三維屏柜布置后，設計者可以進行硬碰撞測試，觀察電纜敷設通路與其他基礎接觸情況。在發(fā)現構架基礎與電纜溝道出現碰撞后，落實投資優(yōu)先級方針，優(yōu)先改動投資低的部分，降低碰撞問題發(fā)生概率。在這個基礎上，利用三維集成設計軟件支撐的數字化移交平臺代替電子版移交出版藍圖，完成整個變電站全壽命周期信息可視化移交，消除不同專業(yè)協(xié)同作業(yè)壁壘。

3.2 完善可行性研究體系

可行性研究是電氣二次設計的前提，也是電氣項目計劃向具體工程措施落實的依據。設計者可以從電氣主接線、主控室等方面，進行可行性研究方案的初步編制，確保電氣項目計劃可操作性。在電氣主接線可行性研究方面，設計者應根據電氣設計要求進行電流互感器（Current Transformer，CT）繞組數量的科學配置。一般在500 kV串CT可以依據7-9-7配置，并根據系統(tǒng)保護專業(yè)要求進行測量、保護、計量繞組組合[4]。根據電氣系統(tǒng)及一次設計資料，激進型CT級次、容量核算，判定P1（電源側正極）極性與P2（負荷側負極）極性設置正確性。同時以主接線內存在差異的間隔斷路器為對象，借助分箱機構（三相聯(lián)動機構），進行出線PT、PT繞組數量的正確設置。若涉及間隔調整，則應設置一致的間隔名稱、前期調度名稱。

在主控室方面，作為變電站的控制中樞以及繼電保護裝置安裝場地，主控室是電氣二次設計的核心模塊，設計者應結合通信、保護、遠程動作等需求，搜集并記錄主控室尺寸規(guī)格，進行保護屏柜與測控屏柜的科學組裝。在保護與測控屏柜組裝后，結合預制艙型號與蓄電池室尺寸，進行氣體絕緣金屬封閉開關設備的下放。

3.3 降低線路無功損耗

為降低線路無功損耗，電氣二次設計者可以選擇成套設備，配置控制保護系統(tǒng)組網與串補保護裝置，包括串聯(lián)電容器組、金屬氧化物避雷器、限流和阻尼元件、旁路斷路器等。在成套設備電氣二次設計時，設計者可以在獨立的串補就地控制室內放置站用直流屏柜、串補控制保護設備、接口屏、全球衛(wèi)星定位擴展屏、二次交流屏以及不間斷電源屏等裝置。同時采取分層次分布式網絡結構，以每回線路串補控制保護裝置接入1套設備（或者I回線路串補控制保護裝置共用一套設備）的方式，經串補裝置接入監(jiān)控雙網。在這個基礎上，針對間隙、電容器組、旁路斷路器，制定不平衡保護方案[5]。對于間隙保護，主要是以火花間隙回路電流為監(jiān)測對象，在間隙超時觸發(fā)或觸發(fā)不成功的情況下，保護延時發(fā)出永久旁路命令，啟動旁路斷路器，跳開對應側線路斷路器，并進行自動隔離；對于電容器組保護，實施測量電容器不平衡電流，在不平衡電流超出最小定值時發(fā)出報警信號，并經過長延時后旁路電容器組。同時生成臨時三相旁路命令,對于旁路斷路器保護，以串補保護發(fā)出旁路命令為節(jié)點，旁路斷路器合閘將電容器電流調整為零，檢測斷路器位置、電流，判定斷路器是否處于合閘非靈敏狀態(tài)，若斷路器進入合閘非靈敏狀態(tài)，則經保護發(fā)出永久旁路命令、跳開線路本側斷路器命令。

3.4 合理設計繼電保護裝置

根據輸變電項目電氣二次設計總體要求（電力系統(tǒng)工頻50 Hz時毫秒級出現電力故障消除，一次設備使用壽命達到或超過30年），設計者可以選擇點對點的跳閘方式，經網絡跳閘維護跨間隔保護設備穩(wěn)定性。即在現有1路直通光纖通道、1路迂回路由光纖通道的基礎上，配置2套電流差動保護（雙通道專用光纖）以及保護測控一體化裝置，裝置分別接入輸變電項目局部過程層雙網，線路保護的判斷依據輸入端、輸出端電流差值。2套電流差動保護的其中一套為備用，其在通道數量、保護數量方面均獨立運行，在滿足系統(tǒng)冗余配置要求的同時，確?；芈饭收?、失電狀況下故障順利判別。

在線路保護的基礎上，借助線路—變壓器組接線方式，規(guī)避主變故障、斷路器喪失靈敏狀態(tài)對遠方跳閘信號發(fā)送的不利影響，確保線路變側斷路器順利跳開。進而配置2套遠方跳閘就地判別裝置，在回收遠方跳閘信號的第一時間進行元件動作辨別，根據辨別結果第一時間切除出口端線路變側斷路器。此外，因主變壓器故障多源于繞組匝間絕緣損壞，無法從外部察覺，因此，可以在配置遠方跳閘就地保護功能的基礎上，配置2套非電量保護裝置，以瓦斯氣體狀態(tài)為依據，及時發(fā)現變壓器故障，及時發(fā)出警報。

在確保線路遠方跳閘功能正常發(fā)揮的基礎上，設計者可以配置基于電氣二次網絡化的故障錄波及網絡記錄分析一體化裝置，實時記錄過程層數字化變電站的通信網絡（GOOSE）、即多媒體短消息業(yè)務（Multimedia Messaging Service，MMS）報文、實時傳輸數字采樣信息的通信服務（Sampled Value，SV）網絡報文并上傳終端[6]。同時冗余配置斷路器，GOOSE數字采樣交換器組成獨立的2個網端，確保其中一套斷路器出現保護故障動作時另外一套斷路器正常閉鎖。同理，冗余配置母線斷路器，確保母線保護工作正常開展。在這個基礎上，以電壓梯度值16.8 kV/m、風速2.0 m/s、潛供電流18.4 A為依據，設定單相重合閘時間為1 s（含滅弧時間0.7 s，故障點絕緣恢復時間0.2 s，時間裕度0.1 s）。

3.5 健全電力監(jiān)控系統(tǒng)

針對當前電力監(jiān)控系統(tǒng)設計缺陷，設計者可以從站控層、間隔層、過程層3個層級著手，進行二次設計方案的完善。其中站控層包括對時系統(tǒng)、數據通信網關機、數據集中器、監(jiān)控主機、數據服務器、計劃管理終端（含安全文件網關）以及綜合應用服務器幾個模塊；間隔層包括保護、測控2個模塊；過程層包括合并開關、智能終端、互感器、開關/刀閘以及在線監(jiān)測（變壓器、避雷器、開關）、輔助設備（電源管理、環(huán)境監(jiān)測、安全防護）。

站控層包括2臺交換機（22個電口，2個光口）、2個監(jiān)控主站及1套時鐘同步對時裝置、2個遠程聯(lián)動工作站；間隔層為雙行型結構100M以太網，保護數據采取直采直跳方式。站控層、間隔層經MMS、GOOSE、簡單網絡時間協(xié)議網絡連接（Simple Network Time Protocal，SNTP），通信規(guī)約為IEC61850-9-2；過程層包括常規(guī)互感器與合并單元，間隔層、過程層經GOOSE、SV、B碼（B碼授時設備）網絡連接，通信規(guī)約為IEC61850-9-2。

此外，對于變電站交直流一體化電源系統(tǒng)，經總線連接一體化總監(jiān)控器，將事故報警、信息參數、運行狀況上傳到站控層[7]。同時對于交流電源重要饋線，結合站用電屏結構，逐一對應智能監(jiān)控模塊，就地收集饋線開關位置節(jié)點、測量電流、報警節(jié)點、告警數據。而對于直流電源重要饋線，則在2組蓄電池組、2套高頻開關電源充電裝置配置的基礎上，在1回直流電源上配置同一面屏的同一個間隔監(jiān)測保護裝置，每一個直流電子屏的不同母線引入對應的變換器內，變換器單元設定方式為N+1，并配置空氣開關。在同一面屏的同一個間隔監(jiān)測保護裝置運行過程中，實時監(jiān)測每一節(jié)蓄電池電壓、溫度、內阻，經特定通信接口將監(jiān)測數據傳遞給一體化監(jiān)控裝置，判定蓄電池工作狀態(tài)，在發(fā)現蓄電池非正常狀態(tài)的第一時間發(fā)送報警信號。并結合溫度數據，進行蓄電池充電電壓的實時調節(jié)，延長蓄電池使用壽命。在這個基礎上，配置2套不間斷電源，非經端口實時發(fā)送運行狀態(tài)數據，為電力資源生產管理提供依據。

4 結 論

綜上所述，電氣二次設計的主要內容是輸變電、發(fā)配電環(huán)節(jié)的監(jiān)視、調節(jié)、控制、保護設備。針對電氣二次設計問題，設計者可以變電站新建工程為依托，進行繼電保護、電源系統(tǒng)與自動化監(jiān)視系統(tǒng)的科學設計，確保變電站運維智能化、可靠性。