智能化变电站扩建二次系统建设方案

寇 岩，臧宏志，庞怡君，张 凡，朱晓东

（1.国网山东省电力公司经济技术研究院，济南 250021；2.山东电力工程咨询院有限公司，济南 250012；3.国网山东省电力公司青岛供电公司，山东 青岛 266002）

智能化变电站扩建二次系统建设方案

寇 岩1，臧宏志1，庞怡君1，张 凡2，朱晓东3

（1.国网山东省电力公司经济技术研究院，济南 250021；2.山东电力工程咨询院有限公司，济南 250012；3.国网山东省电力公司青岛供电公司，山东 青岛 266002）

介绍智能化变电站信息采样的各种方式，分析各种采样的特点。国家电网公司发布取消了智能化变电站合并单元的规定，改为使用常规互感器通过控制电缆直接采样的方式，使现阶段智能化变电站扩建的二次设计方案成为讨论焦点。以500 kV巨峰智能化变电站（前期工程为常规互感器加合并单元采样）实际扩建工程为例，综合比较以“常规互感器+合并单元采样”和“常规互感器+控制电缆直接采样”两种方式下的建设方案，分析表明前者更加安全和方便，优于后者。

智能化变电站；采样；电流互感器；电压互感器；继电保护

0 引言

智能化变电站扩建工程的二次部分主要包括继电保护、调度自动化、电费计量、通信等几个方面，是智能化变电站建设的关键所在。

在智能化标准不断发展的过程中，存在已建变电站二次设备和国家电网公司新规定不匹配的问题。这导致扩建方案存在争议，通常建设方案主要有两种：全站依照前期规定建设；前期设备不变，扩建部分依照新规定执行。以何种方案进行建设，需根据具体规定的变更内容进行讨论。

针对国家电网公司关于智能化变电站二次采样方式的新规定：“新、扩建或改造的智能变电站采用电子式互感器时，应通过数字采样接入保护装置；采用常规互感器时，应通过二次电缆直接接入保护装置”，对智能化变电站的采样方式进行讨论分析，并以500 kV巨峰变电站为例，对扩建工程中存在的前期配置与后期建设时相关规程不一致的问题，提出不同建设方案并进行详细的比较讨论，并得到最优方案。

1 智能化变电站发展现状

智能化变电站实现了一次设备智能化和二次设备网络化［1-4］，并以IEC61850标准和通信规范为基础，实现了变电站电气设备间信息共享和智能互操作［5-9］。

新一代智能化变电站技术在2014年初发布，采用集成化智能设备，以一体化业务系统为技术构架，“站域保护”、“三网合一”、“隔离断路器”等新技术得到应用，有效提升了变电站智能化水平，将智能电网建设推向新的阶段。

2 智能化变电站采样方式

采样是智能化变电站建设的关键技术环节，采样方式一直存在争议。在智能电网发展过程中，对采样方式的规定做出多次调整。

2.1 电子式互感器

根据电子式互感器构成原理不同，可分为有源电子式互感器［10-11］和无源电子式互感器［12-15］。

有源电子式互感器利用电磁感应等原理产生数字感应信号。其中电流互感器是基于空心线圈，也称为Rogowski线圈，而电压互感器是基于电阻、电容或电感等元件的分压原理。无源电子式互感器为光学互感器，以光学器件作为电流传感器，借助法拉第磁光效应来感应被测信号，是融电气、光学与微电子等学科为一体的新技术应用［16］。

电子式互感器主要有以下特点：高低压隔离，绝缘简单，安全性高，不存在因漏油而产生的易燃、易爆危险;不存在TA二次开路及TV二次短路的危害；不存在磁饱和、铁磁谐振等问题；体积小，节约占地面积，无污染，无噪声，环保性能好；感应精度高，频率响应宽，动态特性好，能够同时满足测量和继电保护的需求；数字信号分享更为容易，带负载能力强；方便地实现电压电流组合式；适应电力系统数字化、智能化和网络化的需要。

2.2 常规互感器采样加合并单元

常规互感器指传统的电容式互感器和电磁式互感器。常规互感器运行稳定，不易受外界电磁环境干扰，在电子式互感器技术并未完全成熟的情况下，采用常规互感器可更好地保障变电站的安全稳定运行。常规互感器变换所得的模拟量经合并单元进行合并和同步处理，转化为数字信号，并按照特定格式转发给间隔层设备的装置。

“常规互感器采样+合并单元”的采样方式分直采和网采，直采是指SV按间隔独立接入，网采为SV与GOOSE共网传输［17］。

2.3 常规互感器加保护直接采样

此种方式直接取消合并单元，由装置直接对常规互感器进行采样，A/D转换在保护装置内完成，最大程度减少了中间环节，消除不稳定因素。

3 智能变电站采样的相关规定

由于合并单元在运行中仍然存在时钟同步以及自身内部TA饱和等问题，国家电网公司下发的《国家电网公司关于印发防止变电站全停十六项措施（试行）的通知》中规定：“新、扩建或改造的智能变电站采用电子式互感器时，应通过数字采样接入保护装置；采用常规互感器时，应通过二次电缆直接接入保护装置”。2015年5月，国家电网公司对此文件进行了进一步解读，提出“330 kV及以上和涉及系统稳定的220 kV新建智能变电站，采用常规互感器时，应通过二次电缆直接接入保护装置；对于已投运的330 kV及以上和涉及系统稳定的220 kV智能站，应按照新建要求执行，视轻重缓急分步落实。”

目前已建成的220 kV及以上智能化变电站大多采用了“常规互感器采样+合并单元”的采样方式。对于此类变电站，扩建时的采样方式配置需要深入讨论。

4 智能变电站扩建二次建设方案讨论

选取巨峰500 kV智能变电站扩建工程为例，主要从继电保护及相关专业要求等方面对二次建设方案进行讨论。

图1 500 kV巨峰站主接线

巨峰变电站500 kV电气主接线型式为3／2断路器接线，220 kV双母线双分段接线。主接线如图1所示。按相关规划，将对巨峰变电站实施扩建。

前期规模为：主变压器1台，500 kV采用3／2断路器接线，出线4回；220 kV采用双母线双分段接线，已出线7回。前期采样方案为“常规互感器采样+合并单元”采样方式。

本次扩建规模为新建1台主变压器，变电站电气主接线型式不变。根据不同采样方式，给出两种建设方案。

方案1：按照与本站前期相同配置方式，采用“常规互感器采样+合并单元+SV网络”进行采样。

方案2：采用“常规互感器+电缆直接采样”方式。

4.1 保护配置方案

4.1.1 断路器保护。

方案1：500 kV断路器保护采用双重化配置，每套保护包含断路器失灵保护、充电保护、死区保护和重合闸。双重化配置的保护应采用不同厂家的装置。

断路器保护对本断路器直采直跳；本断路器失灵时，经GOOSE网络跳相邻断路器、通过母线保护跳母线侧断路器、启动线路远跳、联跳主变各侧。

本期扩建主变进线两侧断路器2台，每台断路器两套断路器保护装置组1面柜，共新增500 kV断路器保护装置4台。

方案2：500 kV断路器保护采用双重化配置，每套保护包含断路器失灵保护、充电保护、死区保护和重合闸。双重化配置的保护应采用不同厂家的装置。

断路器保护通过二次电缆直接采集互感器二次电流电压，跳闸采用GOOSE方式直接跳本断路器；本断路器失灵时，经GOOSE网络跳相邻断路器、通过母线保护跳母线侧断路器、启动线路远跳、联跳主变各侧。

本期扩建主变进线两侧断路器2台，每台断路器两套断路器保护装置组1面柜，共新增500 kV断路器保护装置4台。

4.1.2 主变压器保护

方案1：主变压器电量保护均采用微机型主后备一体化装置，按双重化配置，组柜安装于继电器室中。双重化配置的保护应采用不同厂家的装置。

主变电量保护直接采样，直接跳主变各侧断路器；主变电量保护跳母联、分段断路器、启动失灵、失灵联跳等通过过程层GOOSE网络传输。

主变非电量保护功能下放至就地，由主变本体智能终端实现。非电量保护采用直接电缆跳闸，保护信息通过过程层GOOSE网络上送至本体测控装置。

方案2：主变压器电量保护均采用微机型主后备一体化装置，按双重化配置，组柜安装于继电器室中。双重化配置的保护采用不同厂家的装置。

主变电量保护三侧电流电压均通过二次电缆直接接入采样，跳闸采用GOOSE方式直接跳各侧断路器；主变电量保护跳母联、分段断路器、启动失灵、失灵联跳等通过过程层GOOSE网络传输。

主变非电量保护功能下放至就地，由主变本体智能终端实现。非电量保护采用直接电缆跳闸，保护信息通过过程层GOOSE网络上送至本体测控装置。

4.1.3 母线保护

方案1：500／220 kV母线保护前期已配置完善，本期不作改动。

方案2：改造原有500／220 kV母线保护为控制电缆直接采样。

4.1.4 故障录波器

方案1：本期主变压器配置1台故障录波装置。

每台故障录波装置配置足够的交流量和开关量；通过网络方式接收GOOSE报文和SV报文；单独组网将录波信息上传给省调主站系统。

方案2：由于采样方式变为电缆直采，本期工程新增1台500kV故障录波装置、1台主变故障录波装置。

每台故障录波装置配置足够的交流量和开关量；装置通过二次电缆直接接入电流电压，通过网络方式接收GOOSE报文；单独组网将录波信息上传给省调主站系统。

4.1.5 其他设备

全站同步时钟系统、站用交直流一体化电源系统、智能辅助控制系统保护试验电源柜、保护及故障录波信息管理子站等设备不涉及两种方案对比，可按照相关规程并结合前期设备情况进行配置，此处不再赘述。

4.2 相关专业的技术要求

4.2.1 对电流互感器及合并单元的要求

方案1：双重化的500 kV断路器失灵保护分别接至相互独立的TA二次绕组，准确级为P级；

各间隔合并单元的配置应能够满足保护双重化配置的要求，且两套保护装置的电流采样值应分别取自相互独立的合并单元；

本工程采用常规互感器，合并单元就地配置与智能控制柜内，两套合并单元分别接两组独立的TA二次绕组。

方案2：采用常规互感器，本期新增的保护、测控装置通过二次电缆直接接入电流，本期工程涉及的前期已有保护、测控装置通过合并单元接入电流采样值；

各间隔合并单元的配置应能够满足保护双重化配置的要求，且两套保护装置的电流采样值应分别取自相互独立的合并单元。

4.2.2 对电压互感器及合并单元的要求

方案1：各间隔合并单元的配置应能够满足保护双重化配置的要求，且两套保护装置的电压采样值应分别取自相互独立的合并单元；

采用常规互感器，双重化的保护装置分别接入双重化的合并单元，双重化的合并单元接入不同TV二次绕组；

各间隔合并单元所需母线电压量通过母线电压合并单元转发。

方案2：本工程采用常规互感器，本期新增的保护、测控装置通过二次电缆直接接入电压，本期工程涉及的前期已有保护、测控装置通过合并单元接入电压采样值；

各间隔合并单元的配置应能够满足保护双重化配置的要求，且两套保护装置的电压采样值应分别取自相互独立的合并单元。

4.3 调度自动化、电量计费、通信系统

此三类设备不涉及两种方案对比，可按照相关规程并结合前期设备情况进行配置，此处不再赘述。

4.4 两种方案综合对比

综上所述，对比两种技术方案如表1所示。

从方案对比可以看出，方案2在合并单元的投资方面比方案1有所降低，但由于需要对原有母线保护、故障录波等设备进行改造更换，同时光缆改为电缆导致电缆用量由22 km增加至48 km，总体投资上两者相差不大。

从施工上考虑，方案1仅涉及本期扩建间隔的建设，而方案2在更换母线保护、故障录波等设备时，需要对所涉及的所有间隔电流回路进行改造，停电涉及范围大，施工难度大，周期长。

表1 技术方案对比

从可靠性考虑，方案1在站内已有运行经验，有现有的成熟设备；方案2存在两个问题：一是主要二次厂家在通过国家电网公司入网检测的设备清单中均无模拟量采样、数字量开入开出的设备，重新研发及送检需要一定时间；二是其他间隔没有为母线保护等预留专用的电流互感器绕组，改造后的母线保护等设备需要将电流回路串接在别的设备后，影响其可靠性。

综合以上考虑，考虑推荐方案1为最终方案，即本期扩建设计原则与前期工程保持一致，采用“常规互感器+合并单元”的采样方式。

为今后条件成熟的情况下取消合并单元提供条件，应将新上电流互感器二次绕组按照取消合并单元后要求进行配置。即500 kV每串断路器的两个边断路器分别配置7个二次绕组，中间断路器配置9个二次绕组进行设计。

5 结语

通过对500 kV巨峰变电站两种扩建方案比较分析得出：对于前期采用“常规互感器+合并单元”的智能化变电站，应按照前期建设方案对合并单元进行配置；同时应考虑在条件成熟的情况下取消合并单元，应将新上电流互感器二次绕组按照取消合并单元后要求进行完整配置。

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Secondary System Construction Scheme for Smart Substations Extension

KOU Yan1，ZANG Hongzhi1，PANG Yijun1，ZHANG Fan2，ZHU Xiaodong3
（1.Economic&Technology Research Institute，State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250021，China；2.Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.，Ltd.，Jinan 250012，China；3.State Grid Qingdao Power Supply Company，Qingdao 266002，China）

Different methods of information sampling in smart substations and their characteristics were presented.According to State Grid， the sampling method using control cable directly from general voltage and current transformers was recently announced to replace the method with merging unit in smart substation，so an in-depth discussion for the secondary system design of smart substation was needed.Taking the extension project of the 500 kV Jufeng smart substation（sampling from general voltage and current transformers with merging unit in its pre project）as an example，the two different construction projects were compared.The Result showed that the project with using control cable directly from general voltage and current transformers was safer and more convenient.

smart substation；sampling；current transformer；voltage transformer；relay

TM63

A

1007－9904（2017）01－0036－05

2016-07-04

寇 岩（1983），男，工程师，从事变电二次可研评审、新能源接入等工作。