浅谈智能开关站在水电站的应用——以猴子岩水电站为例

刘晟宇（国家能源集团大渡河流域生产指挥中心，四川 成都 610041）

0 引言

猴子岩水电站位于四川省甘孜州康定市境内，是大渡河干流水电规划28级开发方案中第10个梯级电站。电站总装机容量170kW·h(4台42.5万kW)，年设计发电量70亿kW·h，工程总投资192亿元，具有季调节性能，是国家及四川“十三五”规划建设的重大工程，也是大渡河流域首座开关站为智能站的大型水电站。

猴子岩地面500kV GIS开关站选用的是河南平高电气公司的GIS设备，主接线采用三串4/3接线方式，出5回500kV 线路，至丹巴变电站500kV 变2回线路，至康定变电站500kV 变3回，4个发变组间隔，联合组成3个完整开关串。500kV GIS设备主要由2个部分构成:一是猴子岩地面厂房500kV GIS开关站及站内相关设备；二是猴子岩地下厂房内4台主变压器高压侧与高压交联聚乙烯电缆之间的GIS连接线。猴子岩500kV智能开关站2016年10月投产，作为四川省首座已投产智能开关站，多年安全稳定运行，该文对智能开关站结构及主要设备进行简要介绍，并提出智能开关站的日常运行维护及典型事故故障处理方法。

1 常规开关站于智能开关站优缺点分析

1.1 常规开关站

常规开关站涵盖了继电保护装置、监控系统 LCU、故障录波器、电能量采集等系统，系统与系统相互独立，其间的通信线路重复配置，二次接线驳杂， 建设成本高。常规开关站自动化结构比较复杂，需要依赖信号电缆来进行信息传输，当设备需要升级改造时，就需要更改大量的接线电缆，将花费大量的人力物力，并且电缆连接的可靠性不高，设备在日常维护时工作难度大、工作量大。常规开关站设备间通信规约无法统一，不同厂家设备间数据通信需要转换，产品替代新差，增加用户负担。

1.2 智能开关站

智能开关站采用先进、可靠、集成的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动实现信息收集、电气信号的测量、设备的控制、继电保护、电能量计量和设备在线监测等功能，并可实现电网电气信息实时智能控制调节、自动计算分析、协同共享等智能功能的开关站。

猴子岩500kV智能开关站遵循 IEC61850通信规约，进行合理信息分层组件，通过 MMS、GOOSE 网实现智能终端装置、电力系统继电保护、测控装置与设备监控系统实现数据互通，实现开关站智能化功能。

2 猴子岩智能开关站网络结构

2.1 智能开关站功能分层

智能变电站根据相关规划，从逻辑上将变电站按照功能分解为3个层级，一是过程层、二是间隔层、三是站控层[1]。在变电站层和间隔层之间的网络采用抽象通信服务接口映射到制造报文规范(MMS)。

过程层用光纤代替了传统电缆传输一次设备位置信号、告警信号。通过特有的GOOSE网。

保护测控装置通过装置本身的通信网口接入间隔层网络，再经过LC级联的方式与站控层的交换机组网，形成MMS网络。站控层通过PCS-9799C数据网关机进行61850规约转换与智深水电监控后台通信。传统开关站与智能开关站对比结构如图1所示。

图1 传统开关站与智能开关站结构图

传统开关站与智能开关站优缺点结构对比：1）传统开关站回路设计复杂，一次设备、互感器与保护、测控装置之间使用电缆传输信息，传输信息量少，并且抗电磁干扰能力弱，变电站内存在大量电缆接线，给维护、改造带来很大困难。智能站要简化回路设计、节约投资智能站各层设备间使用光纤通信， 传输信息量大、抗干扰能力强。采用光纤节省大量空间及电缆， 节约建设成本。2）智能开关站设备数字化、二次设备网络化、数据平台标准化。传统站存在多套系统，每套系统的数据采集的要求不一致，大量设备都有数据采集单元，采集资源重复，保护、测控、故录、计量都有自己的数据采集系统。智能站一次设备为全数字化输出的电子互感器和智能开关，统一数据采集，信息共享，节约资源。二次设备对上和对下联系均通过高速网络通信；传统开关站通信标准多、杂乱，数据传输准确率不高，智能站所有设备统一采用IEC61850标准，实现设备之间的互操作性。

2.2 过程层

过程层设备包括主变压器、隔离开关、断路器、电流互感器、电压互感器等一次设备及其所属的智能终端和合并单元（MU）。其中智能终端装置采集断路器、刀闸位置信号上传给间隔层设备，同时收到间隔层设备的下传信号进行断路器分合闸操作。过程层网络配备有母线过程层交换机柜，GOOSE网交换机柜。

2.3 间隔层

间隔层设备包括继电保护及安全自动装置、测控装置、故障录波、同步相量装置、行波测距、电能量采集装置、在线监测设备等，实现间隔层数据互通并且还可以控制该间隔层一次设备。其中测控装置与站控层设备直接通信，支持通过GOOSE报文实现间隔层“五防”联闭锁功能，支持通过GOOSE报文下行实现设备操作。

2.4 站控层

站控层设备包括监控系统上位机主机及工作站、全站控制、数据网关机、远传远动系统、北斗及GPS对时系统等，实现全站设备的信号监控、系统控制、光字信号及信息互通功能，实现数据采集和监视控制(SCADA)、设备动作解闭锁、电气设备五防以及PMU信号采集、电气量采集、保护动作管理、顺序控制等相关功能[2]。

3 猴子岩智能开关站运维方式

3.1 功能压板

传统电站继电保护屏保护功能采用的是“物理硬压板”，而新一代智能开关站监控系统界面采用的是“电子软压板”。以往在进行设备停送电、停用相关保护功能时，运行人员需要在保护屏上通过人工拧压板螺栓来实现压板连接断开操作，实现了软板，可在计算机室监控画面上进行操作，大大提高了工作效率和操作准确性。

3.2 压板投退

保护屏上的分、合闸压板集成到后台监控系统界面上命名为GOOSE跳、合闸压板，保护信号跳、合闸命令发送到智能汇控柜跳、合闸压板来实现分合闸功能。智能终端柜配备的跳合闸硬压板为公共分合闸出口压板，其要求是仅在相关间隔全部一次设备转检修时或智能操作装置故障时停用，平时保护功能正常投退只退出相关软压板、GOOSE出口合闸跳闸、启动失灵等软压板。

3.3 检修状态压板

设置检修状态压板作用是屏蔽装置的故障动作信息，不与站控层互通。智能变电站检修过程中防止发生误分合闸事故，在保护系统、测控装置、智能操作箱都配置了检修态硬压板。检修硬压板原理：投入装置检修压板，在其网络传输数据嵌入了相关检修标记，装置的状态识别此标记。例如：保护装置检修压板投入，智能操作箱为正常状态，当保护装置发分闸命令后，开关不动作跳闸，因智能操作箱的检修压板投入，二者状态不对应则不能发信跳闸[3]。

4 智能开关站巡视检查项目标准和运行注意事项

猴子岩智能开关站投运至今运行安全平稳，无设备事故发生，结合电站日常运行规定制定出基本巡回检查标准，说明智能站运行中注意事项。

4.1 巡视检查

智能开关站每天至少巡视检查1次。巡视检查主要内容是对运行中的智能开关站相关设备外观检查，如有异常情况做好记录，并根据异常情况的性质等级要求按规定上报并处理，如下所述。

4.1.1 定期工作

为保证智能站系统运行正常，须定期进行检查维护工作。1）定时巡视智能站各二次设备及其网络设备，每班至少巡视一次。2）交接班时应对智能站后台监控主画面、设备报警一览表、事件一览表等画面进行检查。3）运行人员应定期对数字化保护装置进行采样值检查和时钟校对，每月一次。

4.1.2 巡检项目

为维持设备的原有性能，对设备进行巡回检查，在早期发现设备的隐患和缺陷。1）智能站后台主机、主交换机工作是否正常，是否有故障信号报警。2）设备报警一览表是否显示有继电保护装置、高周安稳新的动作报告。3）各子交换机、数据网关机工作是否正常，是否有故障信号报警。4）检查各保护屏柜后打印纸是否充足、油墨是否用尽，打印字迹是否清晰。5）检查各断路器智能终端无报警、GOOSE断链信息，位置指示灯指示的相应开关位置与实际开关位置一致。6）检查各断路器智能测控装置无地隔刀失电、气室压力报警、PT失电等报警信号。7）查看各测控装置指示灯正常，触摸屏无花屏、数据显示正常、无报警。8）查看各屏内设备，各切换开关、压板在正确位置。9）检查装置无异味、异音；各保护盘柜门关闭良好，电缆孔封堵严密。10）检查各层网络交换机柜内散热风机电源空开合闸或在再投入，风机运行正常。11）检查各屏盘内光纤连接无异常，光纤盒无松动。

4.2 运行注意事项

为确保设备可靠使用及人员的安全，在使用和维护时需要遵守如下几点。1）在保护装置、智能终端、测控装置及其二次回路上进行检修维护工作前，运行值班人员应按工作票的措施要求与实际情况做好安全措施；凡可能引起保护装置误动的一切工作，运行值班人员必须采取防止保护装置误动的有效措施。2）某一断路器停电检修时，该断路器所在间隔汇控柜内智能测控装置“检修压板”不得随意投入。3）单套配置的间隔智能终端故障，以及双重化配置的间隔智能终端双套均发生故障时，应视作间隔失去保护，向调度申请停用一次设备，退出故障间隔的保护及其他间隔保护(如母差保护、主变保护)等相关压板。4）运行中的断路器，停用任意一套智能终端直流电源或进行装置复位前，必须退出保护出口压板，防止发生勿动作；恢复直流电源后，应确认装置工作正常无异常报警信号、GOOSE断链、重合闸、跳闸等信号后，检查保护出口压板两端确无电压方可投入。5）电压互感器断线时，应立即停止与其相关的所有工作，查明原因后方可恢复工作。巡视相关微机保护装置，如电压互感器断线闭锁信号正确发出，可暂不退出保护，检查二次回路是否正常；如有其他异常报警信号，应立即通知维护人员处理。6）执行二次设备安全措施时，应先退出运行设备中的接收软压板，再退出检修设备的发送软压板。7）交换机是智能站网络的重要组成部分，其远方控制、保护跳闸、位置信号上送均依赖交换机。正常运行中，严禁进行交换机的任何作业，包括复位、重启、调试光纤接口等。

5 智能开关站事故及典型故障处理

智能开关站较常规开关站有一定的复杂性，创新性，设备平时日常运行中发生事故及故障的情况不可避免，下面列举几种智能开关站典型故障及处理方法。

5.1 智能站后台遥控500kV 断路器、隔离开关“分/合”失败

现象：智能站后台开出操作命令后，现场开关刀闸未动作，未收到执行反馈信号。

处理：1）一次开出不成功后，严禁再次尝试操作，查看网络通信是否正常，检查登录名及密码是否正确。2）查看现场设备有无故障及报警信息。3）检查智能终端操作电源、开出电源是否合闸良好，“分相跳合闸”压板正确投入。4）检查间隔汇控柜内测控装置的切换开关是否在“远方”“智能控制”位置，“遥控分合”压板正确投入，“投检修态”在退出。5）检查断路器、隔离开关的控制方式在“远方”位置。6）检查断路器有无低油压、低气压闭锁。7）检查开出继电器是否动作正常。

5.2 GOOSE通信中断

现象：1）智能站后台以及上位机报“GOOSE断链”、“采样数据异常”、“开关位置无效”等信号[3]。2）智能站后台及上位机台无法查看该装置的遥信、遥控信息。3）现场设备报警指示灯和GOOSE断链指示灯点亮。

处理：1）若当前有操作，应立即停止对通信中断设备的远方操作。2）若智能终端GOOSE断链，则应立即向省调汇报情况，申请退出该智能终端出口压板，停用相关保护装置重合闸功能，同时根据需要退出受影响的相关保护装置。3）若保护装置和智能终端大规模报“GOOSE断链”、“采样数据异常”、“开关位置无效”等信号，则可能是过程层交换机掉电。应立即向省调汇报并申请停用相关设备，做好隔离，并通知维护人员处理。

5.3 智能终端异常或者故障

现象：1）智能站后台以及上位机报智能装置故障和闭锁信息，或者无法查看其运行信息。2）现场检查智能终端报警灯点亮或者运行灯熄灭。

处理：1）立即检查智能终端异常原因，汇报省调及相关领导。2）如果发现是双套智能终端异常故障、死机，导致一次设备无保护的，则应申请停用相应一次设备。3）若为双套配置其中单套故障，则应立即申请停运相关的装置等，做好隔离措施，通知维护人员处理。4）若单套智能终端死机，汇报省调经同意后可重启智能终端装置一次。重启后，智能终端恢复正常，则退出"检修状态"压板，投入用跳、合闸出口压板以及测控装置的遥控分/合闸压板，并将原因及处理结论汇报省调；若智能终端不能恢复，将设备情况及状态汇报省调，按调度命令调整保护运行方式，并通知维护人员。

6 结语

智能化开关站技术在我国还在持续发展，随着科技的发展，智能化站开发会更加成熟，全面实现智能站会减少大量的运行维护成本，状态化维护检修，提高供电可靠性，经济效益大大增加。猴子岩水电站作为四川省首座智能开关站，投产至今已安全运行5年有余，在智能开关站配置上有很大胆的尝试性、新颖性。该文对猴子岩智能开关站设备及网络配置进行了简要介绍，简单地阐述了与普通开关站的不同之处，结合猴子岩智能开关站安全稳定运行多年的经验，制定出相关的巡检标准及运行注意事项。并针对智能开关站日常中可能发生的事故及故障给出了处理办法，对于今后水电站在智能开关站运行、维护等方面有较成熟的参考价值。