新一代智能变电站母线合并单元工程应用技术研究

倪云玲， 史文强， 秦果

(许继集团有限公司，河南 许昌 461000)

新一代智能变电站母线合并单元工程应用技术研究

倪云玲， 史文强， 秦果

(许继集团有限公司，河南 许昌 461000)

当母线合并单元故障，众多间隔的二次装置失压。在智能变电站扩建时，因母线合并单元输入输出通信协议不标准，新增间隔电子互感器(含合并单元)接入困难。采用母线电压互感器按终期新建、间隔合并单元级联按母线段划分、母线合并单元SV/FT3插件冗余等方法，使母线合并单元工程应用合理化。提出标准化合并单元规约、简化过程层网络建议，解决母线合并单元在变电站二次设备中的瓶颈问题。

合并单元；级联；故障；瓶颈；优化

Abstract: When a fault occurs with the bus line merging unit, many spaced secondary devices will lose voltage value. In expansion of smart substations, because of non-standard transmission protocol for the input and output of the bus line merging unit, additional spaced electronic transformers (including merging unit) are difficult to access. Bus voltage transformers are constructed according to their final term, spaced merging unit cascade is divided by bus section, and bus merging unit SV/FT3 plug-in redundancy is offered so that engineering application of bus merging units is rationalized. It is proposed to standardize the merging unit protocol and simplify the process-level network to solve the bottleneck problem of the bus merging unit in secondary equipment of the substation.

Keywords: merging unit； cascade；fault； bottleneck； optimization

0 引 言

新一代智能变电站采样电子互感器。合并单元通过对电子互感器采集单元输出的数字量进行合并和处理，按DL/T 860.92标准转换成以太网数据，输出到过程层网络或相关的智能电子设备。母线合并单元用于输出母线电压采样值，间隔合并单元用于输出间隔电流电压采样值。

在智能变电站(如国网2014新一代智能变电站扩大示范工程) 应用中，间隔合并单元点对点连接母线合并单元后，将采样值发送给保护、测控、计量等装置。母线合并单元光纤连接数量为过程层设备最多。此时，母线合并单元检修或故障会导致整个变电站同一电压等级失压，对变电站的安全运行产生较大影响，母线合并单元已经成为网络化二次设备的瓶颈。

另在南网某些智能变电站中，先期投入I段母线TV(电压互感器voltage transformer)和一台母线合并单元，后期扩建II段母线TV和另1台母线合并单元，II段母线TV及合并单元必须保持与I段设备相同的通讯协议，且扩建间隔合并单元需要级联前期母线合并单元，整个扩建工程给新的供货厂家带来很大困难。

1 母线合并单元配置

除双母双分主接线形式配置四台母线合并单元外，其他如单母双分段、单母三分段、双母单分段主接线形式均配置二台母线合并单元[1]7。

母线合并单元完成电压并列功能，将并列后的电压输出给间隔合并单元。

以下以220 kV变电站为例，介绍母线合并单元配置原则。

1.1 220 kV侧母线合并单元配置原则

220 kV侧元件、线路保护均为双配，两套装置直流电源独立[2]。双套保护的采样回路需独立，配置二套母线合并单元，分别布置在两面母设智能控制柜中，I母设智能控制柜用第一路直流电源，II母设智能控制柜用第二路直流电源。

双母线接线形式，双套电子互感器(含合并单元)典型配置如图1所示，每个不含电压互感器的线路、主变间隔合并单元需级联母线合并单元以获取母线电压。图中虚线代表光缆，箭头指向为数据流向，MU(合并单元merging unit)为合并单元简写。

图1 双母线接线电子互感器典型配置图

1.2 110 kV侧母线合并单元配置原则

110 kV主变各侧保护双配，110 kV母线合并单元双配。因110 kV 线路保护单配，线路合并单元要从二台母线合并单元中选一台级联。

图2所示为110 kV单母双分段接线电子互感器(含合并单元)典型配置，每个不含电压互感器的线路合并单元需与一台母线合并单元级联以获取母线电压。

图2 单母分段接线电子互感器典型配置图

2 母线合并单元检修或故障对系统的影响

电子互感器的故障定位已有了一些诊断手段[3]，电子互感器传感部分的使用寿命预计可达30年，母线合并单元寿命约12年[4]。母线合并单元面临比传感部件更频繁的检修周期及更短的更换周期。

当母线合并单元检修，间隔合并单元不检修时，间隔合并单元将检修的母线电压值与正常电流值合并后，用DL/T 860.92协议发给间隔保护。保护收到整帧报文不置检修但母线电压通道置检修的报文后，分别对采样值处理，针对母线电压检修，将某些保护电压闭锁元件开放。从变电站安全可靠运行角度考虑，当母线合并单元检修时，需要将各相关间隔的保护退出电压闭锁，防止保护装置误动或拒动[5]。

母线合并单元故障，若输出采样值为零值，相应保护测控装置会判为TV断线，自动调整保护配置、退出一些电压闭锁元件。若母线电压输出异常电压值，可能会引起间隔保护误动或拒动。

因此对于间隔合并单元级联母线合并单元后给保护送采样值的网络结构，母线合并单元检修或故障，对变电站二次设备的影响范围很大。

3 扩建对母线合并单元的影响

3.1 通信协议不一致

对于使用电子互感器的变电站，扩建或改造时，增加新的母线合并单元比增加间隔合并单元困难许多。母线扩建时，新上母线电压互感器需要接入前期母线合并单元，前期电压互感器需要接入新上母线合并单元，若不是同一厂家设备，新厂家设备通讯协议(有时还包括硬件)修改工作量较大。间隔扩建时，新上间隔合并单元需要与前期母线合并单元级联，级联通讯协议相对电子互感器内部通讯协议要规范一些，即使要修改间隔合并单元的级联通信协议，也相对容易一些。

3.2 工程规划不合理

如图3所示，当终期有3段母线，一期只投入I、II段母线时，因母线合并单元只允许一种强制并列方式投入，为满足一期I、II母间并列需求，II、III母间就不能并列，故一期母线合并单元按二段母线的ICD(IED能力描述文件IED Capability Description)模型制作SCD(系统规格文件Substation Configuration Description)。扩建III母时，需要对SCD文件进行调整，包括线路3的CID文件、母线合并单元CID都需要更换。

图3 三母线接线母线电子互感器一期配置图

4 母线合并单元工程应用优化方案

4.1 母线电子互感器按终期新建

由于电子互感器采集单元与合并单元的通讯协议未标准化，因此同一电压等级的母线电子互感器应考虑用同一厂家设备。若母线分期建设，母线电子互感器的厂家唯一性不能保证。

建议新建变电站时按终期规模投入母线TV，可以防止后续招标结果与一期厂家不同，给调试及运维带来不必要的麻烦。母线电子互感器按终期新建，也可以防止3.2所述后期扩建修改已投运装置CID的情况。

4.2 级联分配合理

220 kV电压等级，所有间隔保护双配，级联方式只有一种，无可优化。

110 kV电压等级的非主变间隔，目前主要有二种级联分配方式：

(1)将第一套母线合并单元作为主合并单元，所有线路合并单元级联主合并单元。设I母智能控制柜内安装的合并单元为主合并单元，所有线路合并单元均从I母智能控制柜引级联光纤。所有线路间隔的合并单元、保护装置均由第一路直流电源供电。

本级联分配方式适用所有形式的主接线。

(2)按母线段划分。单母双分接线形式，I母线上的间隔合并单元级联I母线智能柜内的A套母线合并单元，II母线上的间隔合并单元级联II母线智能柜内的B套母线合并单元。双母单分按I、III母线上连接线路数分配级联光纤。单母三分段将II母线上连接线路平分到I、III母线上，按单母双方主接线形式分配级联光纤。装置直流电源也按此划分。

两种方式，间隔合并单元收到无效母线电压值的概率相同，但方式(1)同一电压等级全站失压，方式(2)同一电压等级半站失压。无论母线合并单元检修还是故障，选用方式(2)的级联分配方式均比方式(1)对电网安全运行的影响要小，需要注意装置电源与级联分配方式应配套。

4.3 硬件冗余配置

可以通过适当冗余母线合并单元硬件的方式，解决母线扩建时，不同级联协议对母线合并单元光纤接口数量的需要。

目前使用的级联协议主要有国网扩展版FT3(IEC 60044-8扩展)、DL/T860. 92(IEC 61850 9-2)。因智能变电站的理念建立在IEC 61850标准上，DL/T 860. 92级联协议通用性较强。因合并单元与采集单元通讯格式为FT3格式，更多厂家选用IEC 60044-8国网扩展FT3协议作为级联协议。

在新建变电站时，母线合并单元除按本期级联协议预留终期级联光纤接口外，还应冗余常用的DL/T 860. 92、国网扩展版FT3插件，以利于后续间隔厂家不同时间隔合并单元级联接入的需要。

5 母线合并单元相关后续完善建议

5.1 标准化通信协议

随着新一代智能变电站扩大示范工程的推广，电子互感器逐渐被用户认可。母线合并单元实现重采样和电压并列的功能、性能已基本完善[6-10]。

采集单元与合并单元通信协议，除链路层要求为IEC 60870-5-1的FT3外[11-12]，其它如通讯速率、帧含义等尚未明确统一。DL/T 282-2012合并单元技术条件规定，采集单元与合并单元通信采用曼码或异步FT3协议，但该协议并未强制推广。多数厂家的电子互感器与合并单元通讯协议为自定义协议。

因电子互感器型式试验时包含了合并单元，采集单元、合并单元间的通讯协议与电子互感器的准确度相关，因此目前条件下要统一采集单元、合并单元间间的通讯协议，难度较大。目前已有一些电子互感器与合并单元不同厂家配合的实例，但需要提前进行调试，才能保证工程现场正常通讯。

合并单元之间的级联协议作为智能变电站网络化二次设备互联互通的必备条件，级联协议的一致性亟待解决。

常用的DL/T 860. 92、国网扩展版FT3协议各有优缺点。DL/T 860. 92为以太网传输的通讯协议，抗病毒及网络风暴能力差。国网扩展版FT3因通道数22个受限，当母线合并单元需要输出3段母线电压及零序电压时不适用，且有些厂家传输速率20 Mbit/s、10 Mbit/s(数据时钟)可选，有些厂家只做了10 Mbit/s，给互联互通造成困难。

建议当前智能变电站对合并单元间的级联协议进行标准化，尽量采用DL/T 860. 92，当采用串口通讯时，采用唯一速率10 Mbps[1]14。

5.2 过程层网络简化

过程层作为智能变电站三层结构的最底层，涉及变电站一次设备的数据传输和设备的实时控制，如数据采集和保护跳闸等，过程层网络结构设计的合理性在很大程度上决定了变电站全站运行的稳定性和可靠性，意义重大[13]。

图4给出了单母分段主接线形式变电站过程层简化网络构想。其中主变、线路间隔的电流电压值由本间隔电子互感器采集，不再从母线合并单元级联获取。

图4 智能变电站网络结构图

此种网络结构的优势：

(1)电流、电压采集由本间隔电子互感器完成，后续间隔扩建方便，符合智能变电站的发展方向。间隔检修，只有本间隔保护需要投入检修状态。

(2)节省级联光缆。

(3)当线路需要同期合闸时，由线路测控装置进行重合闸角度判断，保护装置只需发重合GOOSE给测控装置手合接点即可，这样对于同期合闸功能无需线路保护、线路测控同时进行参数设置。合并单元DL/T 860.92采样值发送间隔离散值应小于 10 μs，交换机传输延时不大于10 μs[1]8，由测控装置从组网口采集同期电压对同期合闸角度定值基本没有影响。在双母线接线时，需要测控完成电压切换功能。

6 结束语

针对目前新一代智能变电站母线合并单元的配置情况，提出了采用母线电压互感器按终期新建、间隔合并单元级联按母线段划分、母线合并单元SV/FT3插件冗余、标准化合并单元规约、简化过程层网络等方法，缓解当前智能变电站母线合并单元在过程层二次网络中的瓶颈问题。

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A Study on Engineering Application Technology of Bus Merging Unit in New Generation Smart Substations

Ni Yunling, Shi Wenqiang, Qin Guo

(XJ Group Co. Ltd., Xucang Henan 461000, China)

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.03.011

TM72

A

1000-3886(2017)03-0032-03

定稿日期: 2016-09-25

倪云玲(1976-)，女, 浙江定海人，工程师，主要从事电子互感器研发和变电站自动化系统设计。 史文强(1986-)，男,河南许昌人,工程师，主要从事电子互感器的研发和设计。 秦果(1986-)，男, 河南南阳人，工程师，主要从事电子互感器的研发和设计。