智能变电站就地化保护研究现状及应用展望

李亮玉，唐宝锋，赵贤龙，张骥，郑紫尧

(国网河北省电力有限公司经济技术研究院，石家庄 050021)

0 引言

随着智能变电站的推广，现有智能变电站继电保护面临的问题愈加突出。(1)变电站数量增多，而运行维护(以下简称运维)检修人员数量基本没有增加，加之二次设备种类多、回路复杂，对运维人员要求高，保护运维工作量大。(2)二次设备生命周期要求为20年，一次设备为40年，二次设备更换时，设计、施工、调试工作量大，相应一次设备停电时间长。(3)公用元件，如合并单元、智能终端，故障率高，单一元件故障，影响多套保护动作的正确性，影响保护的可靠性。(4)智能变电站通常采用“常规互感器+合并单元”方案，中间传输和转化环节多，造成保护动作延时，影响保护速动性。

在上述背景下，变电站保护近几年不断发展，二次设备发展的趋势是就地化配置[1-2]，减少中间传输环节，二次设备与一次设备逐步融合。就地化保护有以下特点：(1)就地化保护装置小型化，接口标准化，即插即用，简化二次接线。同时调试、检修、更换方便，减小了运维工作量。(2)就地安装，电缆采样、跳闸，提高保护的可靠性和速动性[3]。(3)满足就地化安装环境条件及长寿命要求，保护装置就地化以后，运行在相对恶劣的自然和电磁环境中，IP防护、电磁兼容性(EMC)、热设计要求要高于在保护室内运行时的相关要求。

目前，国内就地化技术发展较快，保护就地化已开展了大量技术方案研究，国内二次设备厂家已开发就地化保护产品，并在部分极端环境地区试运行[4-5]。本文在总结保护就地化现状的基础上，论述保护就地化技术方案，着重论述不同跨间隔保护方案，分析就地化保护关键技术，依据目前装置研发进展对其应用前景进行展望。

1 保护就地化现状

一直以来，变电站二次设备朝着简化二次接线、提高可靠性、节约建设面积、方便运维的方向发展。智能变电站为就地化保护提供了平台[6]，其中采用 IEC 61850—2004协议构建信息平台，使保护测控装置实现了变电站设备信息共享，信息通过通信网络传输，为保护就地化创造了条件。

目前变电站保护就地化主要有以下几种形式。

(1)继电保护(以下简称继保)小室。继保小室将各电压等级保护设备就地集中布置，减少了现场智能汇控柜到二次设备室的电缆和光缆长度，但继保小室布置增加了建筑面积和公用屏柜数量。

(2)预制舱。主要适用于室外新建智能变电站，预制舱按相邻几个间隔就地布置，舱内集成保护、测控等二次设备及屏柜，屏间接线在厂内完成，预留对外电缆和光缆接口，预制舱整体吊装到现场安装，提高了施工效率。舱体结构满足现场自然环境和电磁屏蔽要求。

(3)户内汇控柜。户内汇控柜主要针对户内站气体绝缘变电站(GIS)设备，按间隔靠近一次GIS设备分散布置。汇控柜由智能控制柜和保护柜组成，保护装置就地布置在保护柜中。柜体室内布置，较易满足温度、湿度控制要求；采用不锈钢板制造，满足对电磁屏蔽的要求。

(4)户外就地柜。户外就地柜针对户外变电站，保护装置按间隔就地布置。柜体为该间隔的保护装置提供工作环境，具备一定的防护等级，同时采用温湿度控制技术，满足装置对工作环境的要求。柜体采用不锈钢壳体，具备电磁屏蔽性能。

(5)户外无防护就地安装。随着芯片制造等技术的进步，小型化、防护等级高、电磁屏蔽性能好的二次设备较易实现，保护装置可以实现无防护就地化安装。装置可以安装在现场独立支架上、端子箱侧壁或者端子箱内。同时，装置采用预制式航插，方便设计、施工、维护和检修。

表1 有主机和无主机环网方案对比

目前，这5种形式的就地化保护布置都有应用，减少了二次设备间的接线，缩减了二次设备建筑面积，简化了二次设计和施工。但是，继保小室、预制舱保护就地化程度不高，而目前的户内汇控柜和户外就地柜主要针对单间隔保护，本文着重针对户外无防护就地保护，是全面的就地化。

2 就地化保护方案

保护就地化普遍遵循的是一次、二次设备对应原则，即二次设备按间隔分散布置。相应地，保护可以分为单间隔保护(线路保护、母联保护等)、跨间隔保护(母线保护和主变压器(以下简称主变)保护)。下面分别论述其具体方案。

2.1 单间隔保护方案

以220 kV就地化线路保护方案(如图1所示，图中MMS为站控层网络)为例，除满足线路保护基本要求外，其主要特点是：(1)取消了合并单元，其功能由就地化保护装置集成，“电缆采样、电缆跳闸”，减少了中间传输环节，整个装置安装在断路器端子箱附近，操作箱简化配置在本间隔就地控制柜上[7]。(2)单装置完成所有功能，支持采样值(SV)输出及间隔层网络报文(GOOSE)接收，通过GOOSE网发布本装置信号，并订阅其他装置信号，例如：启动失灵、闭锁重合闸[8]。(3)采用单端预制航插作为标准化接口，实现即插即用，提高施工、检修效率。(4)由于就地化保护安装环境恶劣，装置不带人机对话界面，站控层增加智能管理单元实现此功能，双机配置，分别与站控层的双网络连接。

图1 就地化线路保护方案

2.2 跨间隔保护方案

跨间隔保护主要指母线差动(以下简称母差)保护、主变保护，采用分布式设计，即跨间隔保护间隔化，每种保护设置独立的子机，按照断路器配置子机单元，子机电缆采样、电缆跳闸，减少中间环节，提高可靠性。

跨间隔保护普遍采用高可用性无缝环网HSR(High-availability seamless redundancy)双向环网结构，采用有主机[9]和无主机[10-11](全主式)方案。两种方案比较见表1。

无主机方案采用分布式子机，每个子机采集本间隔模拟量和开关量，独立完成保护功能，与其他子机通过环网共享数据，启动失灵等采用GOOSE方式。有主机方案与无主机方案同样采用分布式设计，区别是有主机方案选用1个子机作为主机，主机完成保护功能，子机仅采集模拟量和跳闸信息。

2.2.1 主变保护方案

主变保护采用无主机方案时，变压器发生内部故障，各个子机同时动作并将信息上传至站控层，不便于后期的运行维护。所以，就地化主变保护普遍采用有主机方案[12-13](如图2所示)，主机和子机均就地安装，主机集成在本体子机或高压侧子机(图2中集成在本体子机)。

各子机布置在主变各电压等级侧，子机实现“电缆采样、电缆跳闸”，各子机间通信通过HSR环网汇集到主机，并接受主机的信号，同时子机通过SV和GOOSE网发布信息；主机进行逻辑运算，将结果发送给各子机。

2.2.2 母线保护

母线保护就地化普遍采用无主机方案[14]，便于检修操作和改扩建过程中的“即插即用”，而无主机分布式就地母线保护方案主要有2种。

一种是环网分布式母线保护就地化方案，按间隔设置母线子机[15-16]，如图3所示。各子机组成HSR双向环网，各子机高可靠性、独立、分散地实现母线保护功能。选取2台子机作为对外通信的接口，一主一备，分别与GOOSE网络和MMS网络相连。这种方案子机数量过多，经济性较差，文献[17]提出在高压线路继电保护装置中集成分布式母线保护功能，但这样会使母线保护失去独立性，目前还未见实际运行的装置，其可靠性有待进一步讨论。

图2 就地化主变保护方案

图3 环网分布式母线保护就地化方案

另一种采用有限集中式设计[18](如图4所示)，实际上采用的是有主机星型网络结构，以基础保护为主机，由1个基础保护单元和若干个扩展保护单元构成，基础保护和扩展保护之间采用SV和GOOSE共口方式点对点连接，均采用就地化布置。各保护单元负责8个间隔模拟量和开关量的采集以及对应间隔的分相跳闸出口，基础保护系统还完成保护逻辑、与智能管理单元接口、网络通信接口功能。该方案减少了母线子机数量，又在一定程度上实现了保护的就地化。

2.3 站控层方案

站控层方案与未就地化前的配置方案最大区别是增加了智能管理单元，双套配置，接入MMS。智能管理单元的功能如图5所示，可以分为3部分：(1)基本功能，包括界面显示、查询、复归，保护配置备份管理和一键下装；(2)在线监测功能，包括保护装置运行状态监测、故障信息管理、远程功能等；(3)高级功能，利用智能管理单元可以实现如保护诊断、配置文件管理等功能。同时，管理单元要求兼容不同厂家、型号的保护装置。

图4 有限集中式母线保护就地化方案

图5 智能管理单元的功能

3 关键技术

采用就地化保护后，面临两方面的关键技术问题：运行环境的电磁兼容和环境防护问题，跨间隔保护数据同步问题。

3.1 满足运行环境要求的技术

就地化保护装置安装在一次设备旁边，所处电磁环境复杂，干扰强度远大于保护小室，超过了现有的继电保护通用条件。就地化保护装置需要对EMC方案做增强设计，同时可采用分布式开关场二次等电位接地网技术[19]，保证装置在电磁环境下可靠动作。

就地化保护安装环境恶劣，尤其对于户外变电站，保护装置需要满足以下要求：(1)保护装置满足标准化设计要求，接口密封采用特殊工艺处理，满足防水、防尘、防误等具体要求；(2)满足运行环境要求，能抵御所在地区高温、严寒、盐雾等自然环境[20]；(3)机械强度设计能抵抗恶劣环境冲击和机械振动。针对不同环境条件的装置，应有与之适应的技术标准。

3.2 跨间隔保护数据同步技术

跨间隔保护就地化后，需要采用时间同步技术[21-22]，保证各间隔子机精确对时。目前，针对环网数据同步技术，普遍将环网内的报文传输时延分为传输时延和驻留时间两部分，采用对称算法计算节点间的传输时延，增加驻留修正时延后，再利用插值同步算法实现同步对时。

采样同步目前主要有3种形式：基于外部时钟的采样、点对点采样、基于采样(中断)事件的采样。针对跨间隔就地化保护，基于外部时钟的同步，在时钟异常时系统不稳定，一般不采用；点对点采样，对保护子机采样率要求高(80点/周)，环网流量负荷大；所以，跨间隔保护采样适合采用基于采样(中断)事件的采样技术。

4 研发及应用展望

4.1 装置研发

目前国内保护就地化装置的进程是，线路保护就地化方案较为统一，完成了110～500 kV线路保护装置的开发和试运行，而母线保护、主变保护就地化方案相对较不统一，但也进入了试运行阶段。低压侧通常采用保护测控计量一体化装置，就地安装在开关柜，其就地化需要的进一步工作主要是标准化接口方面，采用双端预制，取消端子排，减少柜内到柜门接线，实现即插即用，提高可靠性。

保护就地化后，相应配套装置需要优化。端子箱和操作箱需要简化和提高防护等级，保证保护回路整体的性能。同时，保护就地化以后，测控装置、故障录波等可考虑进一步实现就地化。

4.2 应用展望

保护就地化的目的之一是减少运维检修工作量，设计、施工、调试方便。保护就地化后，装置实现即插即用，运维检修模式发生变化。

传统调试分为工厂联调(单体和集成调试)和现场联调，工作量大，过程复杂。保护就地化以后，除满足一般数字变电站测试要求[23-24]外，传统的测试技术已经不再适用，保护设备的测试项目、测试方法、测试手段等会有较大的改变。(1)保护就地化后，没有了人机界面，现场测试不太方便，需要在检修公司完成设备调试，实现整站二次设备联调或单装置调试。(2)传统保护设备调试时间较长，保护就地化后，标准化接口为设备功能测试提供了方便，自动测试系统与保护装置直接连接，完成自动测试功能。装置的配置及测试工作在调试中心完成后，现场整机更换，标准化航插接口实现“即插即用”，现场作业简单高效，减少停电时间，提高工作安全性。装置调试、检修和消缺时间大幅缩短，可提高设备可靠性和电网运行效率。

5 结束语

随着技术的发展，二次设备就地布置已是发展趋势，保护就地化可以简化二次回路，提升保护性能；减少屏柜数量，进而减少建筑面积，同时减少光缆数量；减少运维工作量，实现降本增效。

但是，目前就地化保护还有很多工作要做，需要厂家、设计、施工、运维等共同努力，参考国外经验，努力推动我国变电保护就地化方案整体设计优化、运维技术和管理的创新，促进智能站设计、安装调试和运行检修等环节工作效率全面提升。