中國儲能網訊：隨著智能電網的發(fā)展，傳統變電站正逐步向智能變電站發(fā)展。借助關鍵技術的快速發(fā)展和標準化工作的同步推進，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，國內已建成投運的智能變電站達3000余座。大量的工程實踐，給新技術和新設備的研制和應用提供了良好的驗證環(huán)境，同時也暴露出一些新的問題，主要表現為系統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裝置的變電站保護系統新方案。該方案架構簡單，就地安裝的保護裝置通過電纜采樣和跳閘，解決了長電纜問題的同時，縮短了保護整組動作時間，提高了保護可靠性；裝置接口采用了標準化連接器，將簡化變電站設計、建設和運維檢修模式。
1、設計思路與目標
所謂即插即用就地化保護裝置，是指采用標準化連接器、直接安裝于開關場或與一次設備集成安裝的保護裝置。由于需要就地化無防護安裝，裝置具有IP防護等級高、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，將取代傳統的屏柜式的安裝，大幅減少繼保室的面積。標準化的連接器杜絕了現場誤碰和誤接線事故，“即插即用”的設計理念使得新保護設備接入變電站電氣和網絡系統中，能實現配置文件的自動更新：智能管理單元讀取裝置內的配置文件，與相應的備份文件進行比較，若不一致，則更新保護裝置內的配置文件；硬件方面，現場作業(yè)時只需整機更換即可完成檢修工作，提升作業(yè)效率。
保護就地化變電站與當前智能站都遵循IEC61850協議，均保持“三層兩網”的結構，但實現方式上發(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裝置與開關機構的接口；而且間隔內無網絡，因而可取消過程層交換機，只需在中心交換機增設端口即可，簡化了過程層設備。保護裝置具備SV和GOOSE輸出功能，供站域保護、故障錄波和網絡分析等設備使用。此外，就地化安裝模式要求設備取消液晶面板，因此需要增設智能管理單元，連接于站控層網絡。智能管理單元對站內就地化保護設備進行界面集中展示、備份管理、保護設備在線監(jiān)視與診斷等功能。智能管理單元與不同廠家的保護裝置之間可實現互聯互通，對各廠家保護裝置采用統一的顯示和操作界面。
2、就地化保護實現方案
保護按類型可分為單間隔保護和跨間隔保護，在保護就地化變電站中采用不同的實現方案。對于單間隔保護，本間隔相關的電流和電壓采集、以及斷路器位置和控制采用電纜直接接入，單間隔完成保護所有功能，自成體系；與聯閉鎖相關的啟動失靈、閉鎖重合閘等數據的傳輸采用GOOSE 組網的模式。對于跨間隔保護，則采用分布式方案將跨間隔保護間隔化，安裝若干就地化保護裝置，采用主從式結構，根據功能不同稱為子機或主機，子機完成相關間隔的電纜直采直跳，主機完成保護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（HSR）連接，實現數據共享。以單間隔保護為例，保護就地化變電站保護系統整體架構如圖1所示。
圖1 保護就地化變電站保護系統結構
跨間隔保護包含母線保護和變壓器保護，與當前智能站的跨間隔保護方案相比，保護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可以提升保護速動性。變壓器保護一個子機對應一個間隔，母線保護考慮到經濟性，一個子機對應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，當前智能站合并單元和智能終端普遍使用的是CPU架構，而保護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，可以減少一定延時。
再者，采用跨間隔就地化保護可以提升保護可靠性。把合并單元和智能終端也納入智能站保護系統的裝置，對于母線或者變壓器保護，保護就地化變電站的保護系統所使用的裝置數目更少。假設所有裝置的故障率都是同一水平，那么就地化保護系統因設備少而故障率更低。其次，當前智能站網絡連接是星型架構，任意一條網絡鏈路的中斷，都將造成部分保護功能的缺失，而保護就地化變電站由于采用了HSR環(huán)網，單一鏈路的中斷不影響保護整體功能，從而進一步提升了保護的可靠性。而對于采用雙網結構的GOOSE網跳模式，由于HSR報文轉發(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故障下保障保護功能的完整，采用HSR傳輸的可靠性依然更高。
3、經濟性比較和工程實踐
保護就地化變電站采用即插即用就地安裝的保護設備，設計、建造、調試及運維等模式發(fā)生了根本的變化，采用了“標準化設計，工廠化調試，更換式檢修”，由此帶來變電站全壽命周期內設備購置、安裝調試和運行維護費用等各類經濟因子的變更。就地化二次設備在工廠就完成預制安裝和集成調試，與其相連的柜體也在工廠內完成預裝，最后以整柜方式包裝出廠。在現場，智能控制柜僅需通過端子排與一次設備電纜連接，同時通過光纜與相關二次設備連接；然后進行通電流、加電壓試驗，通過管理單元自動完成帶負荷試驗，即可完成調試。當裝置發(fā)生故障時，采用裝置整體更換方案，實現即插即用。以220kV典型工程規(guī)模為例，進行就地化方案和當前智能站方案的經濟因子對比，對比結果如圖2所示
圖2 當前智能站與保護就地化變電站經濟因子比較
當前，即插即用就地化保護裝置已通過第三方測試，在全網系統內開展掛網試運行。2016年，國家電網選取黑龍江漠河、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)，進行就地化保護掛網試運行，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的全面推廣仍面臨諸多挑戰(zhàn)。在技術層面，由于跨間隔保護引入了當前工程應用并不普遍的HSR網絡，在實際工程中能否真正滿足保護要求，有待實踐的檢驗；保護裝置就地化安裝，所承受的VFTO（快速暫態(tài)過電壓）將遠高于傳統保護，如何克服這一影響，中國電科院在該方面的研究也已經取得階段性進展。在經濟層面，目前保護裝置和標準化連接器價格較為昂貴，但若以后批量生產，成本自然下降；而且考慮變電站的基建、調試和運維的全壽命周期成本，即插即用就地化保護裝置能真正做到降本增效。國家電網在未來十年內將積極穩(wěn)妥地推進即插即用就地化保護的工程實踐，這已成為智能變電站繼電保護重要的發(fā)展方向。
討 論
審稿人意見1
當前就地化保護技術性和經濟性的比較問題。
對標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，保護就地化所討論的比較范圍都是智能站，但對于變電站建設而言，應該是各項技術及集成方案的、全生命周期的技術經濟比較。就地化保護技術是否是變電站應用在全技術應用范疇內的最佳方式仍需要進一步討論。對于廠礦等應用環(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安裝有其工程實用化的意義。而對于變電站應用，即使是無人值守變電站，是否還需要采用保護就地化方案值得進一步討論。與常規(guī)站相比，保護就地化的技術優(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如母差保護的跳閘電纜過長所導致的誤動問題，但常規(guī)站通過分布式母差等技術也已經解決上述問題，目前的就地化保護技術類同于分布式保護技術而并未有明顯技術優(yōu)勢。目前的就地化模式所帶來的無防護、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、運行維護等各個方面綜合、客觀地進行比較。
作者答復
1）目前針對就地化保護的技術性和經濟性比較，對標對象既包括了常規(guī)站也包括智能站。
2）就地化保護技術提出的一個主要出發(fā)點就在于通過緊湊化結構和標準化接口，實現工廠化調試和更換式檢修，解決現場運維人員少與運維工作量大、智能站運維難度大的矛盾。由于設備技術要求的提高，使得就地化保護在建設階段的經濟性優(yōu)勢相比常規(guī)站和智能站不是十分明顯。但從繼電保護設備的全生命周期來看，就地化保護尤其在設備運維階段的經濟性是十分顯著的。通過對繼電保護設備全生命周期下設備投資和運維成本模型分析，將能對就地化保護的經濟性作出更深入的研究和綜合性評價。
3）就地化保護的高可靠性無防護安裝是基于現階段芯片技術和制造工藝水平，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，繼電保護設備仍然能夠可靠運行，保障電網安全。嚴格的試驗也證實了就地化保護具備良好的環(huán)境適應性。隨著對就地化保護解決方案的進一步研究和拓展，還會根據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，進行針對性的研究，在保證繼電保護設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要求。
4）就地化保護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成果，綜合其優(yōu)點，使得方案既能像常規(guī)站繼電保護一樣連接可靠、配置簡單、中間環(huán)節(jié)少，還能實現信息共享；就地化保護的跨間隔保護同時也采用了分布式部署，保護之間的信息交互采用光纖數字傳輸，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）就地化保護的無防護是針對設備的技術要求，采用嚴格的試驗手段也能夠基本驗證設備制造水平達到了無防護運行的要求；在國家電網公司7個運行條件相對惡劣的變電站進行掛網試運行，也正是為了通過一定運行時間來驗證設備的可靠性。變電站在實現無人值守后，繼電保護設備的液晶存在必要性也隨之減小。根據以往運行經驗，目前繼電保護設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信息交互、上送復雜性的基礎上，能夠在站端實現信息聚合、分類，為繼電保護運維的高級應用提供接口。
總體來說，就地化保護是綜合了常規(guī)站和智能站的優(yōu)勢，基于電子信息技術發(fā)展和設備制造水平，針對當前繼電保護運維等難題提出的解決方案，能夠適應更為廣泛的變電站環(huán)境，提高電網綜合效益。就地化保護運維便捷性已具備了一定的基礎，后續(xù)還將開展相關的進一步研究。
審稿人意見2
關于就地化保護安裝模式的探討。
目前，就地化保護安裝模式要求裝置達到IP67防護等級，支持現場完全無防護安裝。變電站現場是否真的需要這種安裝模式值得商榷。為了達到這種等級要求，設備成本等付出的代價能否獲得相應回報也需要評估。目前，正在進行修訂的IEC 60255-1對戶外安裝設備的要求是IP65防護等級，不含浸沒在水中的防護要求。如果要求變電站淹水時保護也能夠正常動作，變電站中的很多其他設備，包括端子箱、操作回路等未必都能達到IP67防護等級的要求。此類防護等級低的設備一旦浸水，保護即使能動作，但意義卻大打折扣。因此，保護盡可能地靠近一次設備安裝的要求是否就是對保護就地化的基本要求還需要進一步討論。國外有比國內預制艙更小型化的保護小室產品（Portable Relay Room），這也不失為保護就地化的一種參考方式。可見，保護就地化不僅是對保護裝置制造技術的要求，也是對整個二次集成技術的要求，需要從多個技術維度綜合考慮，以整體代價最小來滿足應用需求。
作者答復
1）就地化保護的IP67防護等級要求是基于設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備制造水平的防護要求，正是為了使得就地化保護在不同氣候環(huán)境下具備更廣泛的適應性。
2）保護預制艙的提出一定程度上減少了變電站二次設備占地面積，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。就地化保護是在中國電網發(fā)展背景下提出的，更加符合國家電網公司運維高效的要求。
3）國家電網公司正組織技術人員針對就地化保護的免配置技術、更換式檢修技術開展相關研究，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能力與設備技術發(fā)展水平不匹配，造成設備可靠性降低，運維難度大。就地化保護技術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，以適應中國智能電網的發(fā)展要求。
審稿人意見3
跨間隔保護就地化相關問題。
需要明確跨間隔保護就地化的真正需求。因為面向單間隔，單開關線路就地化保護的采樣到跳閘回路都能夠保證最短，還有討論的基礎?？玳g隔保護由于所跨間隔的空間距離、數量等問題，目前單靠一個滿足無防護安裝要求的保護裝置無法滿足要求。例如，對于母差保護的就地化，衍生出跨多個間隔子機的分布式母線保護解決方案，并且保護主機也要求無防護安裝，這樣的就地化究竟能解決什么問題還需要進一步討論。另外，為滿足母線保護就地化要求，進一步引發(fā)了不少針對就地化母線保護網絡架構的討論。先不論目前就地化保護子機的方式是否合理，單論母差保護主機如放在控制室，與保護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性能層面上得到最優(yōu)解。當年智能站保護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，目前保護就地化卻基本放棄對“點對點”的討論。如果母差保護就地化的網絡方式能夠滿足繼電保護的技術要求，那同樣技術應用于智能站網絡采樣、網絡跳閘也能夠滿足繼電保護的要求?？玳g隔保護是否需要就地化、如何就地化有待于進一步商榷。
作者答復
1）一、二次設備融合是變電站的技術發(fā)展趨勢。受制于跨間隔保護的特點，跨間隔保護只能從位置上相對貼近。就地化保護中針對母差保護、變壓器保護的遠景技術方案是采用分布式方案，按照間隔設置保護間隔單元，實現跨間隔保護的間隔化，進而實現二次系統的間隔化。多間隔集成是兼顧了基建投資經濟性提出的，隨著對無主分布式技術的深入研究，將會逐步發(fā)展成為單間隔化，同時還將進一步研究保護間隔單元和間隔保護的集成等技術。從變電站繼電保護整體設計和運維考慮，各種保護采用統一的技術路線是較為理想的方式。
2）當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，但對于變電站擴建工程而言，其運維過程極為復雜。無主分布式的跨間隔保護能夠有效解決該問題。連接跨間隔分布式元件保護的冗余通信專網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備安裝。隨著一次設備智能化的研究，將能夠實現雙端預制，即插即用。
3）網絡采樣技術的研究與就地化跨間隔保護技術方案不沖突，如果網絡采樣技術的研究進一步深入能夠滿足實際工程應用的要求，就地化跨間隔保護也可采用。
總體來說，實現跨間隔保護的就地化才能真正實現跨間隔保護的間隔化，間隔化是電網設備的自然屬性，更加符合電網運維習慣，將為實現保護二次設備與一次設備的深度融合奠定基礎。
《電力系統自動化》2017年第16期目次
【觀點】國家電力調度控制中心 陳國平等：繼電保護面臨的挑戰(zhàn)與展望
主要作者介紹
王德林，碩士，國家電力調度控制中心繼保處處長，教授級高工，研究方向為繼電保護及高壓直流輸電技術。
裘愉濤，碩士，國網浙江電力調控中心繼保處處長，教授級高工，主要從事繼電保護專業(yè)管理、智能變電站和新能源技術研究工作。
凌光，碩士，國網浙江電力調控中心繼保處專責，高級技師/工程師，研究方向為繼電保護、智能變電站通信技術以及微電網工程應用技術。
