即插即用就地化保护技术方案探讨

柯人观，杨 涛，戚宣威

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014）

输配电技术

即插即用就地化保护技术方案探讨

柯人观，杨 涛，戚宣威

（国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014）

针对目前智能变电站存在的问题，引入即插即用就地化保护的概念，研究了基于即插即用就地化保护的变电站整体设计方案，通过比较设备数量、动作性能等方面阐述就地化保护的优越性，在整体方案基础上分类介绍线路保护、母线保护、主变保护等子系统的设计方案，最后对即插即用就地化保护的发展提出展望。

就地化保护；即插即用；整体方案；线路保护；母线保护；主变保护

0 引言

为解决上述问题，亟需快速可靠、便于运维的配电网继电保护新技术，基于即插即用的就地化保护新技术为克服上述困难提供了有利途径和技术支撑[3-5]。就地化保护采用电缆直接采样直接跳闸，减少中间传输环节，提升保护速动性与可靠性，基于接口标准化设计并采用标准航空插头插接，能够实现保护装置的即插即用、工厂化预制、集中式调试、模块化安装和更换式检修，提升工作质量和效率，减少停电时间，实现继电保护装置小型化、集成化，减少设备类型及数量，降低整体设备缺陷率，与传统保护相比具有一定优越性，如表1所示。

1 即插即用就地化保护整站方案

即插即用就地化保护主要遵循使保护装置简单、二次回路简单、装置易维护的基本原则，充分利用智能站数据共享优势，简化装置开入和开出电缆，减少二次设备种类，提高装置的通用性[6]。

就地化保护变电站二次系统由站控层、间隔层、过程层设备，以及网络和安全防护设备组成。站控层设备包括监控主机、数据通信网关机、数据服务器、综合应用服务器、PMU数据集中器和电能量采集终端等；间隔层设备包括继电保护装置、就地化保护智能管理单元、站域保护装置、故障录波装置、网络记录分析装置、测控装置及电能表等；过程层设备包括操作/智能组件等。就地化保护网架结构比较如图1所示，采用就地化保护的变电站整站设备数量有了明显减少，配置得以优化，220 kV变电站典型设计下整站设备数量对比如表2所示。

表1 就地化保护与传统智能变电站保护对比

表2 220 kV变电站典型设计下整站设备数量对比

以220 kV变电站为例介绍全站二次系统架构，如图1所示，全站二次设备采用分散加集中的设计理念，线路保护的电流、电压采集以及断路器位置和控制采用电缆直接接入。跨间隔保护（母差、主变压器）采用分布式设计，子机无防护就地化安装，各保护子机互相独立。子机电缆直接采样，电缆直接跳闸，子机之间采用标准规约环网通信。

图1 220 kV变电站全站就地化保护架构

由于就地化保护取消了合并单元和智能终端，取消了过程层交换机和保护液晶面板，使得当前智能站在遵循IEC 61850协议和保持“三层两网”的基础上得到了精简和优化。

特别指出虽然取消了保护液晶面板，但增加了保护智能管理单元，为就地化保护提供集中式界面和配置功能，相当于就地化保护装置的集中式液晶和配置工具。智能管理单元通过保护MMS专网获取与就地化保护集中界面和配置管理相关的数据，支持对就地化保护信息的远程界面展示，并为支持更换式检修提供一键式管理功能。同时，保护智能管理单元还具备对继电保护设备的在线监视和诊断功能，兼有对定值和故障信息的管理功能。

就地化保护近期方案采用SV+GOOSE共网共口、MMS网络独立配置方式，双重化保护装置和测控装置分别接入SV+GOOSE网A和网 B，保护装置硬接点信号接入间隔测控中。远期方案采取SV，GOOSE，MMS三网合一，所有保护设备接入保护管理专网，再通过隔离装置接入站控层网络。

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2 就地化保护子系统配置方案

2.1 线路保护

以220 kV采用常规互感器的变电站为例，介绍就地化线路保护的配置原则，配置方案如图2所示。

图2 220 k V变电站就地化线路保护配置方案

线路保护配置完整的主后备保护功能，2套保护相互独立，采用模拟量电缆直接采样，采用电缆直接跳闸，通过GOOSE网络发布本装置的跳闸信号及其他状态信号，通过GOOSE网订阅其他保护或控制设备的相关信号，例如启动失灵和闭锁重合闸信号，通过电缆接入断路器位置等信息[7]。

每回线路按间隔双重化配置完整、独立且能反映各种类型故障、具有选相功能的全线速动线路保护，同时完成站域等其他保护和控制设备对本间隔数据的获取及对本间隔设备的控制。每回线路按间隔配置单套测控装置，完成对本间隔相关一次设备及二次设备的测量监视及控制。线路按间隔配置2套或1套操作插件（箱），完成对本间隔断路器的跳合闸控制功能，安装于本间隔就地控制柜中。

2.2 主变保护

变压器各侧接入的模拟量及跳闸开出量较多，集中式变压器保护难以实现装置就地化，同时不具备间隔属性，就地化后安装地点难以选择，因此考虑配置变压器保护子机，同时也可方便运行及检修，避免长电缆带来的风险。

分布式变压器保护可采用3种方式：无主式环网方式、有主式环网方式和主后分体环网方式。

在无主环网方式配置方案中，变压器高、中、低压侧配置相同的分布式子机，分布式子机就地采集本侧的模拟量和开关量数据，并通过环网与其它侧子机共享数据，每个子机配置相同的主后一体保护功能，保护动作时仅跳本侧开关。

在有主式环网分布式方式配置方案中，变压器高、中、低压侧配置相同的分布式子机，子机仅执行就地采集及跳闸出口功能，不运行保护逻辑。单独配置1台主机，主机通过环网接收各子机的模拟量及开入量数据，经逻辑运算后，如果保护动作则向子机发送跳闸指令，由子机电缆直接跳闸。

在主后分体环网分布式方式配置方案中，变压器高、中、低各侧配置相应的分布式后备保护子机，各子机就地采集本侧的模拟量和开关量，并通过环网将模拟量发送至差动保护子机。各侧后备保护子机独立运行保护逻辑，当后备保护动作时，如果需要跳本侧开关，则直接电缆跳闸，如果需要跳其它侧开关，则向相应的子机发送跳闸指令。差动保护子机动作后向各侧子机发送跳闸指令。

有主式环网方案与目前集中式智能变电站保护装置加合智一体装置的模式基本相同，仅网络结构发生了变化。方案结构清晰，实现相对简单，调试和维护方便，同时与国网六统一技术规范变压器保护装置主后一体化的要求相吻合[8]，因此分布式变压器保护装置优先考虑有主式方案，拓扑结构如图3所示。

图3 220 k V就地化变压器保护配置方案

特别指出在有主式环网就地化变压器保护中，主机通过环网接收采样数据和开关量，进行逻辑运算。运算结果通过HSR环网发给子机，跨间隔开关量通过GOOSE网收发。子机采集模拟量后和开关量通过HSR环网发送给主机，并接收主机的开关量信号用于出口。HSR网络的引入，实现了跨间隔保护的间隔化，可以保护各单元间的可靠高效通信。

另外，主变保护主机和子机具备SV和GOOSE过程层共口输出功能，供站域等其他保护使用，并同其他保护的交互采用GOOSE组网方式完成，主机和子机配置对时接口支持IRIG-B码对时，实现站域等其他保护的同步采样。

2.3 母差保护

就地化母线保护按照常规互感器接入方式设计，电缆直接采样、电缆直接跳闸，母线保护采用积木式设计，由一个基础保护系统和若干个扩展保护系统构成，以基础保护系统为中心按星型或环形拓扑连接。以220 kV出线8个间隔为例，基础保护系统和扩展保护系统能够灵活接入8个间隔，基础保护系统负责8个间隔的模拟量和开关量的采集和对应间隔的分相跳闸出口，并完成保护逻辑功能、与智能管理单元接口功能、过程层网络通信接口功能、站控层通信接口功能。扩展保护系统负责8个间隔的模拟量和开关量采集以及对应间隔的分相跳闸出口。

基础保护系统和扩展保护系统可以灵活接入电压模拟量或电流模拟量，每段母线的电压按一个独立的间隔接入，基础保护系统和扩展保护系统具备SV和GOOSE过程层共口输出功能，供站域等其他保护使用，联/闭锁信息（失灵启动、远跳闭重、失灵联跳等）采用GOOSE网络传输方式，如图4所示。

在就地化保护方案中，目前对于母线保护的实施主要有2个方向，即采用星型网络的有主模式母线和采用环型网络的有主模式母线保护[9-10]。

星型网络的有主模式母线保护由主站和间隔单元共同完成。网络结构采用点对点直联方式，各子机通过点对点光纤连接至主机的点对点口，子机上送间隔信息，主机完成保护功能，并向子机发送出口信息，如图5所示。

环型网络有主模式的母线保护，各间隔子机之间通过环形通信网络串接，接受其它所有间隔单元传过来的信息并向其它所有间隔单元传递采集到的信息，主机利用环形网络将这些信息处理完成母线保护功能。采用延时修正的同步方式，根据间隔之间路径传输环节，补偿延时，从而保证保护功能不依赖于外同步时钟，如图6所示。

2种结构的比较如表3所示，经过比较，虽然环型网络的有主母线保护适应于就地无防护安装，但在现阶段从成熟度和可靠性等角度考虑仍以采用星形网络为宜，待条件成熟后，母差保护可由就地化改成站域保护实现。

3 结语

就地化保护通过贴近一次设备就地布置保护装置，采用电缆直接采样直接跳闸，减少中间传输环节，提升保护速动性与可靠性。发展就地化保护新技术，可以推进二次设备的集约化、标准化、模块化，极大简化继电保护运维检修工作，使我国在继电保护技术上、产品上和市场上占领制高点并保持领先地位[11-14]。

图4 基础保护系统与扩展保护系统连接

图5 220 kV星型网络的有主母线就地化保护网络

图6 220 k V环型网络的有主母线就地化保护网络

表3 分布式母线保护就地化实施方案比较

就地化保护也带来了调试及运维方式的变革。就地化二次设备现场调试或检修需面临户外严苛的自然环境，就地化二次设备无液晶设计，装置运行状态需通过保护管理单元集中查阅，而现场运行人员老龄化严重，新的应用模式下，就地化保护管理单元与后台监控功能定位要有明确的定位界限，避免工作和信息采集的重复性。

另外，在采用航空插拔后如何避免二次电流互感器回路开路、二次电压互感器回路短路等问题，在更换后如何确保更换的正确性，需做哪些必要的试验验证，以及航插标准化的问题，都是大规模推广就地化保护亟待解决的问题。

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2017-04-26

柯人观（1988），男，工程师，研究方向为继电保护与控制。

（本文编辑：徐 晗）

Study on a Local Protection Technology of Plug-and-Play

KE Renguan， YANG Tao， QI Xuanwei
（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute， Hangzhou 310014， China）

Based on the existing problems of current intelligent substations，a local protection technology of plug-and-play is introduced，and an overall substation design scheme based on a local protection technology of plug-and-play is studied.By comparison of equipment number and action performance，the advantages of local protection are expounded;besides， design schemes for line protection， bus protection and main transformer protection are respectively introduced.In the final，the paper forecasts the development of the local protection technology of plug-and-play.

local protection； plug-and-play； overall scheme； line protection； bus protection； main transformer protection

10.19585/j.zjdl.201710003

1007-1881（2017）10-0011-06

TM773

B