智能变电站即插即用就地化保护应用研究

刘兴勇 吕昕昕 卢卓群 邹高凯 王涛

摘要：为提高智能变电站保护装置的环境适应性、运行可靠性，降低变电站的运行成本。本文研究了即插即用就地化保护装置在智能变电站中的应用。介绍了智能变电站即插即用就地化保护装置的硬件及软件设计方案， 并在220kV保国智能变电站、海丰变电站挂网试运行，提升了智能变电站的保护性能及运行可靠性。验证了即插即用就地化保护装置及智能管理单元软件的实用性与有效性。

关键词： 智能变电站;即插即用;就地化保护

中图分类号：TP273文献标识码：A

智能变电站采用智能化一次设备替代了常规一次设备，数据传输形式由模拟量转变为光数字量，减少了变电站的二次电缆，提高了信息的共享水平，获得了良好的应用技术价值。现行的智能变电站建设模式是保护装置安装于保护室，采用直采直跳的方式，电缆变成了光缆，同时增加合并单元与智能终端等中间环节，采用组网的通讯模式，保护的动作时间较常规保护有所延长，合并单元及智能终端一般安装于户外汇控柜，运行环境恶劣，抗电磁干扰能力差，故障率居高不下，实际降低了保护的可靠性。同时，二次“虚回路”无法直观显示，配置文件管控难度较大，现场调试及检修复杂，停电时间长等，都是新一代智能变电站所面临的问题。

针对上述问题，本文研究了即插即用就地化保护装置在智能变电站的应用。节约了建设投资成本，降低了运行维护的难度。即插即用就地化保护装置技术的研究，为新一代智能变电站的发展开拓了一条新的思路。

1 即插即用就地化保护装置

即插即用就地化保护装置是基于IEC61850标准开发，采用高防护、抗干扰、一体化硬件设计的就地化二次设备，整机满足无防护下放就地要求。具有无液晶屏（远方“虚拟”显示），户外安装（散热性能优于智能柜）、航空插头（快速插拔、防误插拔）、小型化等特点。装置安装于变电站的间隔层，向上能以IEC6185081与变电站层的监控、远动、故障信息子站等设备通信，使用预制航插硬连接，简化了二次回路。装置支持面向通用对象的变电站事件（GOOSE）功能，满足数字化变电站需求，满足GOOSE组网方式。

即插即用就地化保护装置包括以下模块：CPU1、CPU2、GOOSE、管理、交流、开入、开出、电源。使用两块双核处理器，分别相当于常规保护的“CPU1插件”、“GOOSE插件”、“CPU2插件”、“管理板”。装置采用常规互感器输入，用电缆直接采样和电缆直接跳闸方式，装置接收的断路器位置等本间隔开入信息应采用电缆连接方式，与其他装置间的启动、闭锁等信号应采用GOOSE网络传输。即：常规采样、常规跳闸、组网GOOSE。

即插即用就地化保护装置的特点：

（1）保护体系相对独立，不依赖外部系统和设备：装置采集接口、动作逻辑和启动、联闭锁、出口不依赖外部环节，与传统保护相比，不降低保护可靠性。

（2）充分利用智能站数据共享优势，简化装置开入和开出电缆，装置防护等级提高到IP67。

（3）减少二次设备种类，提高装置的通用性，同一类型设备能做到即插即用，可互相替代。

（4）保护功能相关的输入和输出必须可靠，保护整组动作时间满足GB/T 14285相关条款要求。

2 即插即用就地化保护装置硬件及软件设计

为保证即插即用就地化保护装置在自然环境恶劣（高温、腐蚀、雷雨、高寒等），电磁环境复杂（离开关场更近暂态过程、VFTO，电缆短，衰减少）的情况下，保能够长期安全可靠运行、保障系统安全，装置采用了以下关键技术：IP防护、EMC、低功耗/散热一体化热设计、航空插头、智能管理单元。

（1）IP防护：LED显示采用局部灌胶;端接采用高IP防护的航空插头;所有密封件，采用抗腐蚀、户外型材料。就地化保护装置采用全密闭外壳，一体成型。达到IP67防护等级。

（2）EMC 设计：参考ECVT，装置的EMC设计和测试，按最高标准，并通过GIS隔离开关分合试验，专项做VFTO测试。

（3）热设计：依据标准《GBT 4798.42007 電工电子产品应用环境条件第4部分：无气候防护场所固定使用》中统计国内各地区户外温度值，按无防护户外运行，最高环境温度为摄氏55℃。整体可靠性设计，基于应力强度模型。

（4）装置接口：装置接口标准化设计，所有的端子定义统一，不同厂家装置可实现互换，采用航空插座与航空电缆，实现快速、可靠的插接;接口密封采用特殊工艺处理，满足防水，防尘等具体要求;不同色带和容错键位设计，防止现场的误碰和误接线;更换式检修，实现少维护、易维护，现场工作量大幅降低。

（5）智能控制单元：由于即插即用就地化保护装置取消了键盘和液晶显示，因此在站控层设置就地化保护智能管理单元，提供人机交互的手段，同时智能管理单元还能实现所有保护装置的集中配置功能。智能管理单元提供完善的备份区管理和可靠的备份下装流程。设备维护或整体更换时，从智能管理单元中获取装置的备份文件，一键式下装到装置。重启装置，装置就可以正常工作。就地化保护装置具备上送电源电压、光功率、温湿度，便于设备远程在线监视和历史状态追溯。保护管理单元可基于推理机，亚健康和缺陷可以诊断出来提前预警，维护检修更有效率。通过此系统，我们可以快速便捷得到全站设备运行、通信状态和装置运行工况，便于合理安排设备检修计划。

3 即插即用就地化保护装置在变电站中的应用

为检验就即插即用地化保护装置的性能，试验地区选择在辽宁省朝阳市，试点线路为220kV海保1号线，线路长34.3km，试点线路两侧站点为保国220kV智能变电站（常规互感器+合并单元，主试站）及海丰220kV变电站（常规变电站，配合站），

即插即用就地化保护装置组网方案，如图1所示：

保国220kV智能变电站及海丰220kV变电站配置如下主要设备：

（1）220千伏保国变为主试站，配置2台220千伏即插即用就地化保护装置。采用无防护就地支架安装至本间隔户外端子箱处，就地支架及就地化保护附件等按5套配置。保護室配置1面保护智能管理单元屏。

（2）220千伏海丰变为配合站，配置2台220千伏即插即用就地化保护装置，采用无防护就地支架安装至本间隔户外端子箱处。无保护智能管理单元屏。

就地化保护装置采用侧壁式支架安装在端子箱一侧，支架前后背靠背布置。考虑就地化设备运行维护过程中对预制光电缆的防误碰、防误插拔需求，

在预制线缆外端增加防护罩。端子箱结构采用标准户外柜形式，双层结构。端子箱和防护罩均选用不锈钢板制作，防腐性能良好，端子箱和防护罩外部均设置锁具。考虑设备更换式检修，防护罩选择局部开门设计，防护罩整体可灵活拆卸，便于预制线缆的更换。

即插即用就地化线路保护装置的安装图，如下所示：

即插即用就地化保护装置在实际应用中提升的保护性能指标：

（1）提升速动性：就地化保护装置采用电缆直接采样直接跳闸，减少数据传输中间环节，提高保护动作快速性，单间隔保护装置整组动作时间相较目前智能变电站减少8～10ms。

（2）简化配置：简化“虚回路”配置，实现少配置甚至免配置，减少间隔保护虚回路设计，降低全站SCD配置及管控难度。

（3）提升可靠性：通过单间隔功能集成，减少装置类型及数量，减少中间传输环节，整体降低设备缺陷率，单装置失效影响范围减小，系统可靠性得到明显提升。

（4）减少干扰：基于无防护、开关场安装的就地化二次设备网络架构简单、就地电缆跳闸、电缆采样、解决长电缆传输信号带来的问题：如CT饱和、多点接地、回路串扰、分布电容放电等问题

即插即用就地化保护装置的应用降低了运行维护难度及运行维护成本。检修时，装置的配置及测试工作在调试中心完成，利用就地化保护便于安装和更换的优势，现场整机更换，标准化接口实现“即插即用”，现场作业简单高效，减少了停电时间，降低了“三误”事故概率。所有保护均采用就地化无防护直接安装，保护柜数量大幅减少，无需设置保护小室，减少建筑面积，保护接线采用航空插头，光缆数量大幅减少。采用“工厂化调试+更换式检修”模式，设备检修和消缺时间大幅缩短，提高电网运行效率和可靠性。

4 结论

本文介绍了智能变电站即插即用就地化的应用。并在220kV保国智能变电站、海丰变电站试点挂网运行，验证了即插即用就地化装置及智能管理单元软件的实用性与有效性。该模式提高了智能变电站保护装置的环境适应性和稳定性，降低了运行维护成本及运行难度。随着智能变电站的大力推广，无防护即插即用就地化保护装置在未来会有广阔的应用前景.

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作者简介：刘兴勇（1987），男，山东济宁人，硕士，研究方向：继电保护。