110 kV智能变电站实验室设计初探

高 源，孔建寿，孙金生

（南京理工大学，江苏 南京 210014）

110 kV智能变电站实验室设计初探

高 源，孔建寿，孙金生

（南京理工大学，江苏 南京 210014）

结合南京理工大学智能电网信息工程系智能变电站实验室建设项目，完成了110 kV智能变电站的详细设计，对内桥接线的线路保护间隔、主变保护间隔及电压并列间隔进行了深入探讨，介绍了智能变电站电子式互感器、保护测控装置和后台系统的调试方法，可为智能变电站实验室建设提供参考和借鉴。

智能变电站；内桥接线；保护配置；调试

智能电网是当今电气行业的研究热点，而智能变电站是智能电网的关键组成部分。智能变电站不仅可以改进传统变电站存在的缺点，还可以消除变电站内的信息孤岛，提供统一实时数据的采集。通过使用智能变电站提供的信息和功能，智能电网可以快速可靠地找出并解决电网中发生的故障。结合南京理工大学智能电网信息工程系智能变电站实验室建设项目，利用现有设备搭建110 kV智能变电站实验平台，并完成智能变电站实验室的运行与调试工作。

1 智能变电站设计思路

智能变电站实验室目前购置的设备有：

(1) KST611电子式电流电压互感器；

(2) KSM601电子式互感器智能合并单元；

(3) KSI600电子式互感器校验仪；

(4) UDL-531A线路保护测控装置；

(5) UDT-531变压器保护测控装置；

(6) PWF-3型光数字继电保护测试仪。

利用以上设备搭建一个小型的110 kV智能变电站，该智能变电站配备双绕组变压器2台。110 kV侧采用内桥接线方式，设计有进线断路器2组、内桥断路器1组。10 kV侧采用单母线接线方式，设计有主变低压断路器2组。110 kV进线、内桥、主变高低压侧均配置了电子式电流互感器；110 kV进线、内桥和10 kV母线配置了电子式电压互感器。智能变电站实验室一次接线如图1所示。

图1 智能变电站一次接线

2 智能变电站详细设计

智能变电站从功能实现角度出发可以分为过程层和站控层。过程层面向一次设备，完成保护、控制等功能；站控层面向运行、工程师人员，完成变电站监控及一些高级应用。

2.1 过程层设计

实验室过程层主要设计有110 kV线路保护间隔、主变保护间隔和110 kV电压合并间隔。

2.1.1 110 kV线路保护间隔

110 kV线路保护间隔配置如图2所示。电子式电压/电流互感器(EVT、ECT)实时采集线路上的电压电流值并送到合并单元。合并单元将互感器传输过来的光信号同步并组合成同一时间断面的电流电压数据，然后通过SMV网络传输给线路保护装置。线路保护装置依据SMV网络传输的数据以及光纤差动信息进行相应的逻辑判断并通过GOOSE网络指挥智能终端进行相应的跳闸/合闸动作。

图2 110 kV线路保护配置

该间隔使用的UDL-531A线路保护测控装置采用光纤纵联差动作为主保护，以突变量距离作为快速独立段保护，以三段式接地距离、四段式相间距离、四段式零序方向过流、两段式TV断线过流作为后备保护，同时具备单回线不对称相继速动保护及双回线相继速动功能，并配有三相一次重合闸及合闸于故障线路保护功能。

2.1.2 主变保护间隔

主变压器保护间隔配置图如图3所示。该间隔采用差动保护作为主保护，包括比率制动差动保护、增量差动保护和差流速断保护。其中比率制动差动保护主要反映变压器内部相间短路故障、高压侧单相接地短路及匝间层间短路故障；增量差动保护主要解决变压器轻微的匝间故障，高阻接地故障；差流速断保护则用于快速切除变压器内部的严重故障。以主变1为例(下同)，差动保护所需要的数据由110 kV进线MU1、内桥MU1和主变低压侧MU1提供。

主变高压侧后备保护包括复压方向过流保护、零序方向过流保护和过负荷保护。复压方向过流保护在发生不对称故障时灵敏度很高，主要用于相间短路的后备保护；零序过流保护主要用于变压器中性点接地运行时接地故障的后备保护；过流保护主要用于监视变压器的异常运行，该保护只发出告警信号，不作用于跳闸。复压方向过流保护、零序方向过流保护和过负荷保护所需要的数据由内桥MU、主变高压侧MU1和主变MU1主变本体智能终端提供。

图3 主变压器保护间隔配置

主变低压侧后备保护在高压侧复压方向过流保护、零序方向过流保护和过负荷保护的基础上加入了限时电流速断保护。该保护主要用于在10 kV线路近端故障断路器拒动或母线故障时，以较短时限跳开本侧断路器，避免因复压方向过流保护时限过长而烧坏变压器。主变低压侧后备保护所需要的数据由主变低压侧MU1提供。

变压器非电量保护由主变本体智能终端和主变保护测控装置共同完成。其中不经延时的非电量保护，如重瓦斯、压力释放等直接由智能终端实现，而经延时的非电量保护则由主变保护测控装置判别对应的GOOSE信息然后经延时对智能终端发出跳闸命令或告警信号。

2.1.3 110 kV电压合并间隔

对于内桥接线，母线PT并列功能是必不可少的。在进行一次设备并列操作时，母线PT并列功能可以保证一次设备的继电保护装置、测量仪表和自动装置所需要的二次电压与一次设备所连接的母线对应。母线PT并列功能还可以实现母线PT的互为备用。

该智能变电站使用内桥合并单元(见图3)完成110 kV电压合并功能。合并单元通过GOOSE接收桥开关及母线刀闸的位置，然后根据开关位置进行电压并列后输出。具体的判定规则如表1所示。其中并列允许“0”表示手动转换开关置“解列”，“1”表示置“并列”；内桥、I母刀闸和II母刀闸“1”表示间隔内所有断路器及PT刀闸闭合，“0”表示间隔内所有断路器及PT刀闸断开，“X”表示间隔内所有断路器及PT刀闸为任意位置；开出“U1”表示I母PT测量电压，“U2”表示II母PT测量电压。

表1 电压并列判定规则

2.2 站控层设计

站控层配置如图4所示。远方后台、交换机以及保护测控装置之间采用网线连接，站控层网络主要遵循IEC61850-8-1协议(特定通信服务映射对MMS的映射)。

后台系统使用Super5000搭建，其主要步骤如下：

(1) 导入SCD文件，完成SCD模型以及SCADA应用模型间的映射；

(2) 系统参数配置，包括节点配置、用户配置、权限设置、系统服务配置和节点服务配置；

(3) 工程参数配置；

(4) 控制台参数配置；

(5) 绘制在线监控界面；

(6) 操作票配置。

3 智能变电站实验室运行与调试

3.1 智能变电站模拟运行

该智能变电站实验室主要用于南京理工大学智能电网信息工程系开展教学与实验工作，因此应尽量避免危险的高压试验。通过利用PWF-3型光数字继电保护测试仪替代智能变电站中的电子式电压电流互感器以及合并单元，可实现智能变电站的模拟运行。

3.2 智能变电站调试

智能变电站与传统变电站存在着诸多差异，传统变电站的调试方法已不能满足智能变电站的需求。下面重点介绍智能变电站电子式互感器、保护测控装置以及远方后台系统的调试方法。

3.2.1 电子式互感器调试

随着电子式互感器的逐步广泛应用，互感器的结构和输出信号发生了根本的转变，从传统的全模拟方式输出及传输转变为在互感器内部直接转换，将数字信号通过光纤输出至合并器进行数据的组织及网络化传输。这一改进极大地降低了互感器的绝缘成本，同时提高了互感器的抗干扰能力。但是，由于电子式互感器输出的是数字信号，传统的校验设备及校验方法已经无法对这一类型的互感器进行检测校验。目前常用的电子式互感器调试方法如图5所示。

电子式互感校验仪使用传统互感器作为标准源，电子式互感器作为被测源。同步信号主要用于同步模拟通道与数字通道的采样。对于合并器而言，同步信号主要作用于合并器的计数位(控制计数位清零)，以便控制数据采集的起点。对于模拟通道来说，同步信号的主要作用在于触发数据采集器进行数据采集。得到同步的采集数据后，电子式互感校验仪会分别提取数字量采集通道和模拟量采集通道的数据，从同一时间点开始比较，就可以获得电子式互感器相差、频差以及复合误差等重要实验数据，进而完成电子式互感器的调试工作。

图5 电子式互感器调试

3.2.2 保护测控装置调试

保护测控装置是智能变电站的重要组成部分，承担着汇总过程层实时数据信息、对一次设备保护控制、间隔操作闭锁以及承上启下沟通过程层与站控层等多项工作。因此，针对保护测控装置的具体调试步骤如下。

(1) 装置基本检查。主要包括铭牌信息、保护功能配置、装置版本检查、装置外观检查、电源检查和装置绝缘试验。

(2) 基本功能检查。包括装置程序下载及PLC配置下载检查、定值整定检查、人机界面及菜单检查、SV检查和GOOSE检查。

(3) 保护功能试验。主要检测保护测控装置在遇到电力系统故障时是否能正确地实施保护动作。

(4) 测控功能实验。主要检测保护测控装置的遥测、遥信和遥控功能。

(5) 告警信号测试。主要包括装置故障告警和装置电源失电告警。

(6) 通信端口测试。主要检测装置通信端口的发送接收功率以及灵敏接收功率。

(7) 72 h通电实验。用于测试装置的稳定性，确保实验过程中无异常现象出现。

在进行保护测控装置调试时需要使用数字式继电保护测试仪。它与传统测试仪相比，测试方法相同，主要的区别是和保护装置的信息交互接口发生了变化，需要完成相应的IEC61850配置。IEC61850配置可以通过导入SCD文件自动完成，也可以手工配置完成。当采用IEC61850-9-2协议时需要特别注意品质位的设置，继电保护测试中出现的许多问题都是由于品质位设置错误而造成的。

3.2.3 远方后台系统调试

该部分主要测试远方后台系统是否能正常上传数据并且在故障时是否能及时跳出告警信号。以110 kV进线过流保护试验为例，设置过流保护定值10 A。当电流从8 A增加到11 A时，后台应立刻做出反应。首先，在线监视系统中，110 kV进线断路器颜色由红色(表示合闸状态)转变为绿色，并且不断闪烁，以提示工作人员系统出现异常，断路器已经跳闸。其次，后台系统的系统告警面板中应不断刷新告警信息，以及系统采取的应急措施等(如系统自动重合闸)，方便以后进行事件追忆。

1 袁文广，刘益青，孙十柱，等.110 kV智能变电站典型接线型式的IED配置方案研究[J].电力系统保护与控制，2012(13).

2 李文正，李宝伟，倪传坤，等.智能变电站光纤差动保护同步方案研究[J].电力系统保护与控制，2012(16).

3 林金洪.110 kV数字化变电站继电保护配置方案[J].南方电网技术，2009(2).

4 冯新年，王 珩.内桥接线变压器差动保护接线方式的讨论[J].变压器，2006(2).

2013-08-26。

高 源(1991-)，男，硕士，从事复杂电力网络智能控制研究。

孙建寿(1962-)，男，教授，研究方向为先进制造技术。

孙金生(1967-)，男，教授，研究方向为智能控制。