数字化水电站开关设备解决方案研究

李燕云，古树平，张 宏

（1.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明，650051；2.华能澜沧江水电股份有限公司，云南 昆明，650214）

高低压开关设备是水电站内重要的一次设备，包括发电机断路器、厂用电断路器、开关站断路器及刀闸、主变中性点刀闸等，均设置了操作机构箱、汇控柜或为开关柜形式，以开关量形式通过电缆接收现地控制单元LCU、保护屏等的分/合闸命令，并以开关量形式通过电缆控制分/合闸线圈，同时以开关量形式通过电缆上传开关位置、故障信号等给计算机监控系统、保护系统等。随着水电站二次系统的发展，一次开关设备传统的操作与控制逐渐显现出局限性，存在二次接线复杂、信息重复采集、电缆较多、电磁干扰大等问题，数字化程度较低。数字化水电站开关设备的解决方案，可借鉴智能变电站、数字化变电站的成功经验，采用智能终端+GOOSE网络的方式实现开关设备的数字化，从而提升自动化水平。所以，根据水电站电气系统的特点，对发变组、开关站、厂用电3大部分的一次开关设备数字化解决方案进行分析、研究具有重要意义。

1 GOOSE、智能终端原理及特点

GOOSE是一种面向通用对象的变电站事件。主要用于实现在多智能电子设备（IED）间的信息传递，包括传输跳/合闸信号（命令），具有高传输成功率。模拟量、开关量、温度量等均采用GOOSE报文传输。

智能终端是一种智能装置，可实现对一次设备的数字化操作及控制等功能。智能终端是基于传统操作箱的原理，包含分合闸回路、合后监视、重合闸、操作电源监视和控制回路断线监视等功能；同时智能终端具有信息转换和通信功能，采用先进的GOOSE网络技术，能够满足过程层数字化的智能电子设备。它由主CPU、通信、输入、输出和人机交互等模块组成，不仅能完成断路器的操作功能，还能完成隔离刀闸、接地刀闸的分合及闭锁操作，并就地采集开关的状态量。智能终端同时连接一次开关设备和二次装置，与开关设备采用电缆连接，与保护测控装置采用光纤连接，实现对开关设备的测量、控制等功能。其原理如图1所示。

图1 智能终端工作示意图

智能终端+GOOSE的运用简化了现场二次回路接线，大大减少了电缆的使用；远距离传输采用光纤方式，信号抗干扰能力大大增强，增强了二次设备运行的安全可靠性；采用软件逻辑取代传统操作箱中复杂的继电器回路，逻辑清晰并减少了直流接地、交流窜入直流等二次回路问题，给调试维护带来便利。此外，对于户外开关站还可缩小电缆沟尺寸、节约土地资源。

目前智能终端已是成熟产品，在工程中有大量的应用。水电站与变电站在电气系统上具有很多相似之处，智能终端完全可推广至数字化水电站。对于户外开关设备，智能终端可分散布置在开关设备操作箱附近；对于户内GIS开关设备，智能终端根据实际情况可与汇控柜组屏，也可与合并单元、保护、测控装置、监测装置组成智能控制屏。智能控制屏一般安装于GIS汇控柜旁。

2 各电压等级开关设备数字化解决方案

借鉴数字化变电站的成熟经验，数字化水电站计算机监控系统也采用3层2网结构：3层指站控层、单元层和过程层，2网指站控层网络和过程层网络；单元层与站控层设备的通信通过站控层网络（MMS网）实现，与过程层设备的通信通过过程层网络（GOOSE网、SV网）实现。根据不同的受控对象，GOOSE网和SV网也划分为不同网段：各机组 GOOSE（SV）网、开关站 GOOSE（SV）网，各网段之间相互独立。厂用电范围不设置单独的过程层GOOSE、SV网络，与监控系统的数据交换由站控层MMS网完成。

根据水电站电气系统的特点，分别对发变组、开关站、厂用电3大部分一次开关设备数字化的解决方案进行研究。方案图中的保护装置、GOOSE网均按单套、单网示意，实际工程中双重化保护需配置双套的智能终端及GOOSE双网。

2.1 发变组部分

发电机出口为高压开关柜，智能终端根据开关安装形式和保护装置的需求配置。当发电机保护或主变保护等为双重化配置时，发电机出口断路器的智能终端也需按双重化配置，2套保护分别对应独立的智能终端，2个独立的智能终端分别对应两组不同的跳闸线圈。主变中性点设有接地开关时，单独配置1套主变本体智能终端，完成接地开关的信息采集、操作和控制；另外，主变本体智能终端同时还具有非电量信息采集及保护功能。

如图2所示，发变组的开关设备通过电缆将信息送至智能终端，智能终端及各IED通过光纤与机组GOOSE网连接，所有数据遵循“发送网络、谁用谁取”的原则，各保护、监控、励磁及调速等智能装置所需要的开关设备信息均取自GOOSE网，同时通过GOOSE网下发控制命令，智能终端接收后通过硬接线执行操作。需要注意的是，主变高压侧断路器由于同时与机组和开关站的保护等智能装置存在联系，因此其配套的智能终端需同时与机组和开关站的GOOSE网通信。

图2 发变组开关设备通信示意图

发变组的智能终端可安装在开关柜内，如果安装有困难，也可与其他智能装置（如合并单元）组成智能控制屏后布置在开关柜旁；主变本体智能终端可布置于主变本体旁的智能控制屏内。

2.2 开关站部分

水电站开关站的电气结构与变电站基本一致，一次开关设备的数字化方案可参照智能变电站、数字化变电站的实现模式。

220 kV及以上电压等级开关站设备主保护为双重化配置，智能终端需按双重化配置，每1套智能终端接入1套保护装置，两套保护装置的开关量采样均来自于独立的两套智能终端。110 kV电压等级开关站和220 kV及以上电压等级开关站区别在于110 kV一般保护装置不需双套配置，故智能终端单套配置即可。

根据高压开关设备的配置方式分为户外AIS开关设备和室内GIS开关设备，智能终端的实现方式也存在区别。对于户外AIS开关设备，智能终端可单独下放到户外，安装在一次设备旁的智能控制柜内，通过开关站GOOSE网与保护室内的保护和测控装置进行通信。对于室内GIS开关设备，智能终端可与保护、测控装置一起组成智能控制柜，安装在GIS开关设备旁，同样通过开关站GOOSE网与保护、测控装置进行通信。

以较典型的双母线和3/2接线的开关站为例说明高压开关站智能终端的配置及应用，详见图3、4。

图3 数字化水电站开关站开关设备二次接口示意图（双母线接线）

图4 数字化水电站开关站开关设备二次接口示意图（3/2接线）

图3、4所示智能终端及GOOSE网络方案，智能终端通过GOOSE网与测控装置、保护装置完成信息交互，执行分合闸操作并反馈状态信息。智能终端与一次开关设备（汇控柜）仍然采用电缆连接，与单元层设备采用光纤通信。

此外，对于主变高压侧断路器位置信息，通过智能终端同时送至开关站GOOSE网和机组GOOSE网，以供开关站IED和机组LCU、励磁、调速系统使用。

2.3 厂用电部分

水电站厂用电系统一般采用开关柜设备，保护测控装置安装于柜内，互感器、断路器等与保护测控装置均在柜内连接，开关设备信息经保护测控装置采集后上送站控层，同时接收站控层分合闸命令并控制断路器分合闸线圈。断路器等设备与保护测控装置间电缆距离一般在2～3 m以内，配置智能终端对于节省电缆方面的意义不大。

目前已有集成保护、测控、智能终端及合并单元功能于一体的4合1装置在智能变电站、数字化变电站大量应用，此装置同样也适合在水电站中使用。总的来说，实现厂用电开关的数字化非常容易。

3 结束语

通过对数字化水电站一次开关设备的数字化解决方案进行研究分析，可以看出开关设备的数字化不存在技术障碍，针对水电站的自身特点和数字化需求可以寻求适合的解决方案。

采用智能终端+GOOSE网络的解决方案，实现了开关设备信息的就地采集、开关设备信息的网络共享、开关设备的数字化保护与控制，相比传统二次系统优势显著，提高了水电站自动化水平，是水电站数字化的发展方向。