中國儲能網(wǎng)訊：隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，傳統(tǒng)變電站正逐步向智能變電站發(fā)展。借助關(guān)鍵技術(shù)的快速發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)化工作的同步推進(jìn)，智能變電站目前已處于大規(guī)模工程實踐階段。截至2016年底，國內(nèi)已建成投運的智能變電站達(dá)3000余座。大量的工程實踐，給新技術(shù)和新設(shè)備的研制和應(yīng)用提供了良好的驗證環(huán)境，同時也暴露出一些新的問題，主要表現(xiàn)為系統(tǒng)可靠性降低和運維工作量增加。為了解決智能站發(fā)展帶來的新問題，本文闡述了一種基于即插即用就地化保護(hù)裝置的變電站保護(hù)系統(tǒng)新方案。該方案架構(gòu)簡單，就地安裝的保護(hù)裝置通過電纜采樣和跳閘，解決了長電纜問題的同時，縮短了保護(hù)整組動作時間，提高了保護(hù)可靠性；裝置接口采用了標(biāo)準(zhǔn)化連接器，將簡化變電站設(shè)計、建設(shè)和運維檢修模式。
1、設(shè)計思路與目標(biāo)
所謂即插即用就地化保護(hù)裝置，是指采用標(biāo)準(zhǔn)化連接器、直接安裝于開關(guān)場或與一次設(shè)備集成安裝的保護(hù)裝置。由于需要就地化無防護(hù)安裝，裝置具有IP防護(hù)等級高、抗電磁干擾能力強、散熱特性好、可靠性高等特點。就地化的安裝模式，將取代傳統(tǒng)的屏柜式的安裝，大幅減少繼保室的面積。標(biāo)準(zhǔn)化的連接器杜絕了現(xiàn)場誤碰和誤接線事故，“即插即用”的設(shè)計理念使得新保護(hù)設(shè)備接入變電站電氣和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，能實現(xiàn)配置文件的自動更新：智能管理單元讀取裝置內(nèi)的配置文件，與相應(yīng)的備份文件進(jìn)行比較，若不一致，則更新保護(hù)裝置內(nèi)的配置文件；硬件方面，現(xiàn)場作業(yè)時只需整機更換即可完成檢修工作，提升作業(yè)效率。
保護(hù)就地化變電站與當(dāng)前智能站都遵循IEC61850協(xié)議，均保持“三層兩網(wǎng)”的結(jié)構(gòu)，但實現(xiàn)方式上發(fā)生了變革。首先，由于采用電纜直采直跳，取消了合并單元和智能終端，只需要操作繼電器組作為保護(hù)裝置與開關(guān)機構(gòu)的接口；而且間隔內(nèi)無網(wǎng)絡(luò)，因而可取消過程層交換機，只需在中心交換機增設(shè)端口即可，簡化了過程層設(shè)備。保護(hù)裝置具備SV和GOOSE輸出功能，供站域保護(hù)、故障錄波和網(wǎng)絡(luò)分析等設(shè)備使用。此外，就地化安裝模式要求設(shè)備取消液晶面板，因此需要增設(shè)智能管理單元，連接于站控層網(wǎng)絡(luò)。智能管理單元對站內(nèi)就地化保護(hù)設(shè)備進(jìn)行界面集中展示、備份管理、保護(hù)設(shè)備在線監(jiān)視與診斷等功能。智能管理單元與不同廠家的保護(hù)裝置之間可實現(xiàn)互聯(lián)互通，對各廠家保護(hù)裝置采用統(tǒng)一的顯示和操作界面。
2、就地化保護(hù)實現(xiàn)方案
保護(hù)按類型可分為單間隔保護(hù)和跨間隔保護(hù)，在保護(hù)就地化變電站中采用不同的實現(xiàn)方案。對于單間隔保護(hù)，本間隔相關(guān)的電流和電壓采集、以及斷路器位置和控制采用電纜直接接入，單間隔完成保護(hù)所有功能，自成體系；與聯(lián)閉鎖相關(guān)的啟動失靈、閉鎖重合閘等數(shù)據(jù)的傳輸采用GOOSE 組網(wǎng)的模式。對于跨間隔保護(hù)，則采用分布式方案將跨間隔保護(hù)間隔化，安裝若干就地化保護(hù)裝置，采用主從式結(jié)構(gòu)，根據(jù)功能不同稱為子機或主機，子機完成相關(guān)間隔的電纜直采直跳，主機完成保護(hù)邏輯功能和對外接口功能，所有子機和子機通過高可靠性無縫環(huán)網(wǎng)（HSR）連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。以單間隔保護(hù)為例，保護(hù)就地化變電站保護(hù)系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。
圖1 保護(hù)就地化變電站保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
跨間隔保護(hù)包含母線保護(hù)和變壓器保護(hù)，與當(dāng)前智能站的跨間隔保護(hù)方案相比，保護(hù)就地化變電站的跨間隔方案具有更好的速動性和可靠性。首先，采用跨間隔就地化保護(hù)可以提升保護(hù)速動性。變壓器保護(hù)一個子機對應(yīng)一個間隔，母線保護(hù)考慮到經(jīng)濟(jì)性，一個子機對應(yīng)8個間隔。與原先合并單元和智能終端模式相比，主子機模式具有更快的動作速度。原因在于，當(dāng)前智能站合并單元和智能終端普遍使用的是CPU架構(gòu)，而保護(hù)就地化變電站中子機不包含計算和同步功能，可采用FPGA架構(gòu)，可以減少一定延時。
再者，采用跨間隔就地化保護(hù)可以提升保護(hù)可靠性。把合并單元和智能終端也納入智能站保護(hù)系統(tǒng)的裝置，對于母線或者變壓器保護(hù)，保護(hù)就地化變電站的保護(hù)系統(tǒng)所使用的裝置數(shù)目更少。假設(shè)所有裝置的故障率都是同一水平，那么就地化保護(hù)系統(tǒng)因設(shè)備少而故障率更低。其次，當(dāng)前智能站網(wǎng)絡(luò)連接是星型架構(gòu)，任意一條網(wǎng)絡(luò)鏈路的中斷，都將造成部分保護(hù)功能的缺失，而保護(hù)就地化變電站由于采用了HSR環(huán)網(wǎng)，單一鏈路的中斷不影響保護(hù)整體功能，從而進(jìn)一步提升了保護(hù)的可靠性。而對于采用雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)的GOOSE網(wǎng)跳模式，由于HSR報文轉(zhuǎn)發(fā)的可靠性要高于交換機報文交換的可靠性，因此即便兩者均能在N-1故障下保障保護(hù)功能的完整，采用HSR傳輸?shù)目煽啃砸廊桓摺?
3、經(jīng)濟(jì)性比較和工程實踐
保護(hù)就地化變電站采用即插即用就地安裝的保護(hù)設(shè)備，設(shè)計、建造、調(diào)試及運維等模式發(fā)生了根本的變化，采用了“標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，工廠化調(diào)試，更換式檢修”，由此帶來變電站全壽命周期內(nèi)設(shè)備購置、安裝調(diào)試和運行維護(hù)費用等各類經(jīng)濟(jì)因子的變更。就地化二次設(shè)備在工廠就完成預(yù)制安裝和集成調(diào)試，與其相連的柜體也在工廠內(nèi)完成預(yù)裝，最后以整柜方式包裝出廠。在現(xiàn)場，智能控制柜僅需通過端子排與一次設(shè)備電纜連接，同時通過光纜與相關(guān)二次設(shè)備連接；然后進(jìn)行通電流、加電壓試驗，通過管理單元自動完成帶負(fù)荷試驗，即可完成調(diào)試。當(dāng)裝置發(fā)生故障時，采用裝置整體更換方案，實現(xiàn)即插即用。以220kV典型工程規(guī)模為例，進(jìn)行就地化方案和當(dāng)前智能站方案的經(jīng)濟(jì)因子對比，對比結(jié)果如圖2所示
圖2 當(dāng)前智能站與保護(hù)就地化變電站經(jīng)濟(jì)因子比較
當(dāng)前，即插即用就地化保護(hù)裝置已通過第三方測試，在全網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)開展掛網(wǎng)試運行。2016年，國家電網(wǎng)選取黑龍江漠河、新疆吐魯番、浙江舟山等七個具有典型極端氣候特征的地區(qū)，進(jìn)行就地化保護(hù)掛網(wǎng)試運行，目前為止運行情況良好。
4、分析與討論
盡管目前已取得諸多成果，即插即用就地化保護(hù)的全面推廣仍面臨諸多挑戰(zhàn)。在技術(shù)層面，由于跨間隔保護(hù)引入了當(dāng)前工程應(yīng)用并不普遍的HSR網(wǎng)絡(luò)，在實際工程中能否真正滿足保護(hù)要求，有待實踐的檢驗；保護(hù)裝置就地化安裝，所承受的VFTO（快速暫態(tài)過電壓）將遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)保護(hù)，如何克服這一影響，中國電科院在該方面的研究也已經(jīng)取得階段性進(jìn)展。在經(jīng)濟(jì)層面，目前保護(hù)裝置和標(biāo)準(zhǔn)化連接器價格較為昂貴，但若以后批量生產(chǎn)，成本自然下降；而且考慮變電站的基建、調(diào)試和運維的全壽命周期成本，即插即用就地化保護(hù)裝置能真正做到降本增效。國家電網(wǎng)在未來十年內(nèi)將積極穩(wěn)妥地推進(jìn)即插即用就地化保護(hù)的工程實踐，這已成為智能變電站繼電保護(hù)重要的發(fā)展方向。
討 論
審稿人意見1
當(dāng)前就地化保護(hù)技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性的比較問題。
對標(biāo)對象是僅針對目前智能變電站（下稱“智能站”）的方案還是包括常規(guī)變電站（下稱“常規(guī)站”）和智能站？目前，保護(hù)就地化所討論的比較范圍都是智能站，但對于變電站建設(shè)而言，應(yīng)該是各項技術(shù)及集成方案的、全生命周期的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。就地化保護(hù)技術(shù)是否是變電站應(yīng)用在全技術(shù)應(yīng)用范疇內(nèi)的最佳方式仍需要進(jìn)一步討論。對于廠礦等應(yīng)用環(huán)境，受空間、惡劣環(huán)境和運維條件等限制，具有高可靠性的無防護(hù)安裝有其工程實用化的意義。而對于變電站應(yīng)用，即使是無人值守變電站，是否還需要采用保護(hù)就地化方案值得進(jìn)一步討論。與常規(guī)站相比，保護(hù)就地化的技術(shù)優(yōu)勢究竟在哪里？節(jié)省電纜是主要的一個方面，另一方面就是可以解決跨間隔保護(hù)如母差保護(hù)的跳閘電纜過長所導(dǎo)致的誤動問題，但常規(guī)站通過分布式母差等技術(shù)也已經(jīng)解決上述問題，目前的就地化保護(hù)技術(shù)類同于分布式保護(hù)技術(shù)而并未有明顯技術(shù)優(yōu)勢。目前的就地化模式所帶來的無防護(hù)、無液晶、就地化管理單元等都給運維帶來了新的問題，需要付出新的代價去解決，所獲得效益則需要從制造、集成測試、運行維護(hù)等各個方面綜合、客觀地進(jìn)行比較。
作者答復(fù)
1）目前針對就地化保護(hù)的技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性比較，對標(biāo)對象既包括了常規(guī)站也包括智能站。
2）就地化保護(hù)技術(shù)提出的一個主要出發(fā)點就在于通過緊湊化結(jié)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化接口，實現(xiàn)工廠化調(diào)試和更換式檢修，解決現(xiàn)場運維人員少與運維工作量大、智能站運維難度大的矛盾。由于設(shè)備技術(shù)要求的提高，使得就地化保護(hù)在建設(shè)階段的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢相比常規(guī)站和智能站不是十分明顯。但從繼電保護(hù)設(shè)備的全生命周期來看，就地化保護(hù)尤其在設(shè)備運維階段的經(jīng)濟(jì)性是十分顯著的。通過對繼電保護(hù)設(shè)備全生命周期下設(shè)備投資和運維成本模型分析，將能對就地化保護(hù)的經(jīng)濟(jì)性作出更深入的研究和綜合性評價。
3）就地化保護(hù)的高可靠性無防護(hù)安裝是基于現(xiàn)階段芯片技術(shù)和制造工藝水平，兼顧了不同地區(qū)氣候環(huán)境、運行工況，按照相對嚴(yán)酷的情況提出的，主要為了能夠保證在相對惡劣運行環(huán)境下，繼電保護(hù)設(shè)備仍然能夠可靠運行，保障電網(wǎng)安全。嚴(yán)格的試驗也證實了就地化保護(hù)具備良好的環(huán)境適應(yīng)性。隨著對就地化保護(hù)解決方案的進(jìn)一步研究和拓展，還會根據(jù)變電站所處的地理位置和氣候環(huán)境、變電站絕緣類型，尤其工礦企業(yè)等特殊環(huán)境，進(jìn)行針對性的研究，在保證繼電保護(hù)設(shè)備運行可靠性的前提下，提出差異化的安裝方式及裝置防護(hù)要求。
4）就地化保護(hù)的解決方案充分利用了常規(guī)站、智能站多年來積累的技術(shù)成果，綜合其優(yōu)點，使得方案既能像常規(guī)站繼電保護(hù)一樣連接可靠、配置簡單、中間環(huán)節(jié)少，還能實現(xiàn)信息共享；就地化保護(hù)的跨間隔保護(hù)同時也采用了分布式部署，保護(hù)之間的信息交互采用光纖數(shù)字傳輸，相對于常規(guī)站使用電纜傳輸手段具有高防誤能力和可監(jiān)測特點。
5）就地化保護(hù)的無防護(hù)是針對設(shè)備的技術(shù)要求，采用嚴(yán)格的試驗手段也能夠基本驗證設(shè)備制造水平達(dá)到了無防護(hù)運行的要求；在國家電網(wǎng)公司7個運行條件相對惡劣的變電站進(jìn)行掛網(wǎng)試運行，也正是為了通過一定運行時間來驗證設(shè)備的可靠性。變電站在實現(xiàn)無人值守后，繼電保護(hù)設(shè)備的液晶存在必要性也隨之減小。根據(jù)以往運行經(jīng)驗，目前繼電保護(hù)設(shè)備的液晶老化和異常占裝置異常的比例也相對較高。就地化管理單元的提出，一方面是在就地化保護(hù)液晶取消后為運維人員提供監(jiān)視、整定的方式，更為重要的是在不額外增加變電站自動化系統(tǒng)信息交互、上送復(fù)雜性的基礎(chǔ)上，能夠在站端實現(xiàn)信息聚合、分類，為繼電保護(hù)運維的高級應(yīng)用提供接口。
總體來說，就地化保護(hù)是綜合了常規(guī)站和智能站的優(yōu)勢，基于電子信息技術(shù)發(fā)展和設(shè)備制造水平，針對當(dāng)前繼電保護(hù)運維等難題提出的解決方案，能夠適應(yīng)更為廣泛的變電站環(huán)境，提高電網(wǎng)綜合效益。就地化保護(hù)運維便捷性已具備了一定的基礎(chǔ)，后續(xù)還將開展相關(guān)的進(jìn)一步研究。
審稿人意見2
關(guān)于就地化保護(hù)安裝模式的探討。
目前，就地化保護(hù)安裝模式要求裝置達(dá)到IP67防護(hù)等級，支持現(xiàn)場完全無防護(hù)安裝。變電站現(xiàn)場是否真的需要這種安裝模式值得商榷。為了達(dá)到這種等級要求，設(shè)備成本等付出的代價能否獲得相應(yīng)回報也需要評估。目前，正在進(jìn)行修訂的IEC 60255-1對戶外安裝設(shè)備的要求是IP65防護(hù)等級，不含浸沒在水中的防護(hù)要求。如果要求變電站淹水時保護(hù)也能夠正常動作，變電站中的很多其他設(shè)備，包括端子箱、操作回路等未必都能達(dá)到IP67防護(hù)等級的要求。此類防護(hù)等級低的設(shè)備一旦浸水，保護(hù)即使能動作，但意義卻大打折扣。因此，保護(hù)盡可能地靠近一次設(shè)備安裝的要求是否就是對保護(hù)就地化的基本要求還需要進(jìn)一步討論。國外有比國內(nèi)預(yù)制艙更小型化的保護(hù)小室產(chǎn)品（Portable Relay Room），這也不失為保護(hù)就地化的一種參考方式。可見，保護(hù)就地化不僅是對保護(hù)裝置制造技術(shù)的要求，也是對整個二次集成技術(shù)的要求，需要從多個技術(shù)維度綜合考慮，以整體代價最小來滿足應(yīng)用需求。
作者答復(fù)
1）就地化保護(hù)的IP67防護(hù)等級要求是基于設(shè)備制造工藝的提高并兼顧了更為惡劣的運行環(huán)境提出的，在就地化保護(hù)整體解決方案中，也針對端子箱和操作箱從安裝方式、端子連接方式等方面都提出了符合設(shè)備制造水平的防護(hù)要求，正是為了使得就地化保護(hù)在不同氣候環(huán)境下具備更廣泛的適應(yīng)性。
2）保護(hù)預(yù)制艙的提出一定程度上減少了變電站二次設(shè)備占地面積，縮短了施工工期，但在運維便捷性上一直存在不足，尤其帶來裝置異常后的維修和更換等困難。就地化保護(hù)是在中國電網(wǎng)發(fā)展背景下提出的，更加符合國家電網(wǎng)公司運維高效的要求。
3）國家電網(wǎng)公司正組織技術(shù)人員針對就地化保護(hù)的免配置技術(shù)、更換式檢修技術(shù)開展相關(guān)研究，也是為了避免智能站推廣初期的問題，即由于基層運維人員技術(shù)能力與設(shè)備技術(shù)發(fā)展水平不匹配，造成設(shè)備可靠性降低，運維難度大。就地化保護(hù)技術(shù)研究的目的正是為了能夠以合理的代價獲得最大的綜合效益，以適應(yīng)中國智能電網(wǎng)的發(fā)展要求。
審稿人意見3
跨間隔保護(hù)就地化相關(guān)問題。
需要明確跨間隔保護(hù)就地化的真正需求。因為面向單間隔，單開關(guān)線路就地化保護(hù)的采樣到跳閘回路都能夠保證最短，還有討論的基礎(chǔ)?？玳g隔保護(hù)由于所跨間隔的空間距離、數(shù)量等問題，目前單靠一個滿足無防護(hù)安裝要求的保護(hù)裝置無法滿足要求。例如，對于母差保護(hù)的就地化，衍生出跨多個間隔子機的分布式母線保護(hù)解決方案，并且保護(hù)主機也要求無防護(hù)安裝，這樣的就地化究竟能解決什么問題還需要進(jìn)一步討論。另外，為滿足母線保護(hù)就地化要求，進(jìn)一步引發(fā)了不少針對就地化母線保護(hù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的討論。先不論目前就地化保護(hù)子機的方式是否合理，單論母差保護(hù)主機如放在控制室，與保護(hù)子機通信采用點對點的方式，所有的采樣和通信可靠性的問題至少在技術(shù)性能層面上得到最優(yōu)解。當(dāng)年智能站保護(hù)采樣跳閘點對點通信正是為了這個可靠性并且堅持了多年，目前保護(hù)就地化卻基本放棄對“點對點”的討論。如果母差保護(hù)就地化的網(wǎng)絡(luò)方式能夠滿足繼電保護(hù)的技術(shù)要求，那同樣技術(shù)應(yīng)用于智能站網(wǎng)絡(luò)采樣、網(wǎng)絡(luò)跳閘也能夠滿足繼電保護(hù)的要求?？玳g隔保護(hù)是否需要就地化、如何就地化有待于進(jìn)一步商榷。
作者答復(fù)
1）一、二次設(shè)備融合是變電站的技術(shù)發(fā)展趨勢。受制于跨間隔保護(hù)的特點，跨間隔保護(hù)只能從位置上相對貼近。就地化保護(hù)中針對母差保護(hù)、變壓器保護(hù)的遠(yuǎn)景技術(shù)方案是采用分布式方案，按照間隔設(shè)置保護(hù)間隔單元，實現(xiàn)跨間隔保護(hù)的間隔化，進(jìn)而實現(xiàn)二次系統(tǒng)的間隔化。多間隔集成是兼顧了基建投資經(jīng)濟(jì)性提出的，隨著對無主分布式技術(shù)的深入研究，將會逐步發(fā)展成為單間隔化，同時還將進(jìn)一步研究保護(hù)間隔單元和間隔保護(hù)的集成等技術(shù)。從變電站繼電保護(hù)整體設(shè)計和運維考慮，各種保護(hù)采用統(tǒng)一的技術(shù)路線是較為理想的方式。
2）當(dāng)前智能站主機和各間隔采用點對點的通信方式是相對可靠和合理的，但對于變電站擴(kuò)建工程而言，其運維過程極為復(fù)雜。無主分布式的跨間隔保護(hù)能夠有效解決該問題。連接跨間隔分布式元件保護(hù)的冗余通信專網(wǎng)不依賴外部同步時鐘源，不依賴交換機，能夠保證其可靠性和快速性，支持間隔單元貼近一次設(shè)備安裝。隨著一次設(shè)備智能化的研究，將能夠?qū)崿F(xiàn)雙端預(yù)制，即插即用。
3）網(wǎng)絡(luò)采樣技術(shù)的研究與就地化跨間隔保護(hù)技術(shù)方案不沖突，如果網(wǎng)絡(luò)采樣技術(shù)的研究進(jìn)一步深入能夠滿足實際工程應(yīng)用的要求，就地化跨間隔保護(hù)也可采用。
總體來說，實現(xiàn)跨間隔保護(hù)的就地化才能真正實現(xiàn)跨間隔保護(hù)的間隔化，間隔化是電網(wǎng)設(shè)備的自然屬性，更加符合電網(wǎng)運維習(xí)慣，將為實現(xiàn)保護(hù)二次設(shè)備與一次設(shè)備的深度融合奠定基礎(chǔ)。
《電力系統(tǒng)自動化》2017年第16期目次
【觀點】國家電力調(diào)度控制中心 陳國平等：繼電保護(hù)面臨的挑戰(zhàn)與展望
主要作者介紹
王德林，碩士，國家電力調(diào)度控制中心繼保處處長，教授級高工，研究方向為繼電保護(hù)及高壓直流輸電技術(shù)。
裘愉濤，碩士，國網(wǎng)浙江電力調(diào)控中心繼保處處長，教授級高工，主要從事繼電保護(hù)專業(yè)管理、智能變電站和新能源技術(shù)研究工作。
凌光，碩士，國網(wǎng)浙江電力調(diào)控中心繼保處專責(zé)，高級技師/工程師，研究方向為繼電保護(hù)、智能變電站通信技術(shù)以及微電網(wǎng)工程應(yīng)用技術(shù)。
