新一代智能变电站保护测控装置配置方案

高运动

摘要：本文从新一代智能变电站的特点分析出发，详细论述了集中式保护测控装置的可行性、实施方案和技术要求。并以某220kV变电站为例讲述集中式保护测控配置方案。

关键词：智能变电站；集中式；保护；测控

变电站中保护、测控设备是为电力系统安全稳定、经济高效运行服务的重要设备。目前智能变电站保护、测控功能是按照一次设备或间隔的独立性来实现的，保护、测控设备也是按间隔配置。

变电站二次设备之间通过光缆/电缆传输信号，一台一次设备就需要有保护、测控等多台二次设备实现保护、测控能，二次设备规模庞大，相互之间的连线复杂，全站一次设备的保护、测控、计量构成一个庞杂的系统，设计、施工、运行维护工作量大，设备和材料消耗大，投资与运行费用高。

1 集中式保护测控装置应用背景

随着智能变电站的技术愈加成熟，变电站自动化网络在IEC61850通信规约上构建分层分网结构，实现了全站信息资源共享。通信通道的优化整合，使各层设备之间调用信息时快捷方便。在调取多个间隔、多种数据时仅需要有限的几根光缆或尾缆即可实现。在这种坚强的自动化网络的基础上，可在遵守保护、测控等逻辑功能约束的前提下，根据需求对保护、测控进行功能分布的再定义，对保护、测控设备的物理位置进行重新整合。

目前保护测控一体化装置已在电网中成功应用。国内主要电力系统保护测控设备生产和研发企业正在致力于开发更高等级的保护测控集成装置，普遍认为更高等级的保护测控采用集中式保护测控装置是可行的。

集中式保护测控即是按间隔或元件配置集中式保护测控一体化模块单元，多个单元按一定整合方式组成的一体化装置。

2 集中式保护测控装置特点

由上述可见，一套集中式保护测控装置可实现多个间隔单元的保护及测控功能，这就需要装置具有接收处理较大数据量的能力。现有装置CPU及相关流量接收终端是否能够达到预期目的还需要一定时间的试点应用。

根据市场调研，目前大部分二次厂家保护测控装置均具有成熟的百兆信息处理能力，千兆信息处理能力目前尚不成熟。通过网络流量分析计算可知，采用IEC61850-9-2标准的采样值报文体积较大，例如适用于保护测控场合的48点/周波采样率的采样值数据单路带宽带到4.3兆，加上单路1.2兆的GOOSE数据，对于只具有百兆信息处理能力的保护测控装置来说，其允许面向的间隔数不超过8个，否则会超出百兆带宽的安全范围40%。

3 新一代220kV智能变电站保护测控配置方案

考虑到目前二次设备厂家技术能力，以及变电站建成后运行可靠性需求。集中式保护测控设计方案一般采用母线保护集成母联或分段保护测控功能；110kV电压等级出线间隔采用线路集中式保护测控装置；主变及220kV出线间隔考虑到在系统中的重要地位，仍采用独立的保护、测控配置方案。

下面以某新一代220kV智能变电站为例，讲述变电站内保护及测控配置方案。

3.1 220kV母线保护

常规母线保护主要实现母线区内的故障切除，厂家也在母线保护中设置母联充电保护。但通常都是另配置双重化母联保护测控装置，保护主要包括过流、充电保护，测控实现母联间隔的监视调控。相比于出线间隔，母联间隔的特点是操作次数少、与其他间隔间连锁少、测控量小。将母联的保护测控功能集成至母线保护易实现，且可行性较大。

除将母联或分段保护测控功能集成外，母线保护还应满足以下基本要求：

（1）母线配置双重化的集中母线保护测控单元，分别安装在两个完全独立的母线集中保护测控装置内，使用独立的网络和直流单元。

（2）每个母线保护单元只作用于一组跳闸线圈。

（3）220kV母线保护应是带电压闭锁元件、具有比率制动特性的电流差动保护。

（4）不应因母线故障时流出母线的短路电流影响而拒动，区外故障穿越电流30倍额定电流时不应误动。应具有交流电流监视功能，5%额定电流时即能可靠动作，交流电流回路不正常或断线时不应误动，应发报警信号。

（5）母线保护整组动作时间，2倍额定电流下应不大于20ms。

（6）保护测控单元应具有标准化的结构，具备自描述功能，能即插即用，各单元的插拔或故障不会影响其他单元的正常运行。

（7）各单元应具有自检功能，故障时能自动闭锁，并能发出报警信号。

（8）装置应配有标准化的网络接口，信号采集及输出完全数字化，支持IEC61850通信规约。

本变电站220kV母线保护拟按远景电气主接线双重化配置两套数字化母线保护，母线保护含断路器失灵保护功能、母联及分段过流及充电保护功能、母聯及分段测控功能；母线保护测控采用“网采网跳”的方式，每套母线保护装置至少应具有3个网络通信接口（两个MMS网、一个SV/GOOSE网），保护跳闸、装置采样、开关量信息及联闭锁信号（失灵启动、主变保护动作解除电压闭锁等）采用SV/GOOSE网络传输，其中第一套母线保护测控接入SV/GOOSE网A，第二套母线保护测控接入SV/GOOSE网B；母线保护测控装置与站控层通过MMS网通信，保护测控装置同时接入MMS网A和MMS网B，本期配置220kV母线保护测控柜两面，每面柜各含一套母线保护测控装置，放置于220kV二次设备保护舱。

3.2 110kV母线保护

按照设计规定，本站110kV母线保护单套配置，功能基本要求与220kV母线保护相同。

110kV配置集中式母线保护测控装置一套，母线保护具备母联过流及充电保护功能、母联测控功能；母线保护测控采用“网采网跳”的方式，每套母线保护测控装置至少应具有4个网络通信接口（两个MMS网、两个SV/GOOSE网），保护跳闸、装置采样、开关量信息及联闭锁信号采用SV/GOOSE网络传输。110kV母线保护测控柜放置于预制式二次设备舱。

3.3 110kV线路保护

在目前智能变电站二次线缆接线中，二次回路通常分为SV信息、GOOSE信息等，并且保护采用“直采直跳”，规程对各回路的线缆用法有着明确的规定，通常每个回路要独立，至少需要一根线缆才能实现相关信息的传输和采集，必然造成复杂的二次接线逻辑和占用了保护、测控屏柜内的空间，相应的是建设成本的提高和施工的难度增加。智能变电站采用光信号为载体分层分网传输各间隔信息流，节省了大量电缆和屏柜内空间，在硬件布置方面为集中式保护测控装置提供了基础。

本变电站集中式保护测控的方案是将110kV出线间隔信息通过智能终端合并单元合一装置上送至110kV过程层交换机，进而上传至集中式保护测控装置。为保证整体方案可靠性，每组单元配置2套集中式保护测控装置，以解决检修或单套装置故障带来的影响。下图为集中式保护测控装置配置方案（图1）、常规保护测控装置配置方案（图2）示意图。

图1 110kV线路集中式保护测控示意图

图2 110kV线路常规保护测控示意图

由上可见，集中式保护测控装置应用可带来如下好处：

（1）减少装置数量，实现硬件的高度集成与整合，节省投资；

（2）可提高低压保护测控装置的整体可靠性，运行的双套保护测控装置解决检修或单套装置故障带来的影响，减少停电时间。

对于双套保护的运行方式可分为两种：双重化控制系统按运行/备用模式设计，一个系统运行，另一个系统热备用。如果运行系统出现故障，备用系统将获得控制权，成为新的运行系统。故障系统（先前的运行系统）只有被检查或维护后，才可成为新的备用系统。双重化保护系统则是按完全独立运行的模式设计，也就是正常情况下两套保护系统都处于运行状态，只有在发生严重故障时自动退出运行至测试模式。控制系统切换的重要原则之一是：两个冗余系统中的切换逻辑完全独立，以保证故障的备用系统将不会影响运行系统的运行和允许一个系统运行时对另一系统进行检修。考虑到采用双套保护同时运行的可靠性更高，本站采用双重化配置方案。

变电站本期和终期共需配置两面110kV线路集中保护测控柜，每面柜内含双重化的110kV集中保护测控裝置，每套装置最多可含8个110kV线路集中保护测控单元，每套110kV线路集中保护测控装置第一套接入SV/GOOSE网A，第二套接入SV/GOOSE网B，保护采用“网采网跳”的方式；保护动作、开关量变位等信息通过MMS接口上送。线路集中保护测控柜放置于110kV预制式二次设备舱。

3.4 其它保护测控配置方案

考虑到在某些地区，220kV变电站仍处于枢纽变电站或中间变电站地位，为满足变电站运行的可靠性要求。变电站主变及220kV线路保护测控仍按间隔独立配置，装置性能满足新一代智能变电站功能需求，本文不做详细论述。

3.5 集中式保护测控进一步实施方案

基于目前的装置研发和制造水平，采用集中保护测控装置初期，建议控制集成度以保证可靠性为先。在下一步设计中还应重点关注以下问题：

（1）装置主CPU的性能要求，应按最极端故障情况下测试。

（2）装置逻辑优化，适应各种情况下，分轻重缓急有序处理好各间隔的功能请求。

（3）设计过程中注重站内通信网络的优化，避免网络阻塞、丢包现象。

随着智能变电站网络通信优势的提升，集中式保护测控装置应用在智能站中的可行性高，能够简化二次回路，使二次设备的监控管理更便捷。

同时装置功能集成后，对设备CPU、保护测控逻辑及网络通信提出了更高的要求，相比于分散式装置，集中式保护测控装置在简化二次回路、节约成本等方面具有较大优势，适应新一代智能变电站发展需求，值得推广应用。

参考文献：

[1] 国家电网公司输变电工程通用设计110kV（66）～500kV智能变电站部分（2011版）.中国电力出版社，2011

[2] 智能变电站继电保护技术规范. 中国电力出版社，2010

[3] 220kV～750kV变电站设计技术规程. 中国电力出版社，2012

[4] 2014年新一代智能变电站扩大示范工程技术要求.国家电网公司发行，2014