电气二次设计常见问题及对策探讨

刘力铭

（洪家渡发电厂，贵州 毕节 551700）

1 电气二次设计项目

电气二次设计项目为变电站经一回线路与地区电网相连，经一回线路为地区提供电力能源，既有电网结构较为薄弱，电力能源供应可靠性不足，且调度运行难度较大。为解决上述问题，规划在工期内完成2组主变建设，分组容量为750 MVA、240 MVA。

2 电气二次设计常见问题

2.1 设计手段滞后

传统电气二次设计采用计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）手段，针对客户较为广泛，在电气二次设计时操作较为复杂，且存在功能冗余问题，降低了电气二次设计效率，影响了整体设计效果[1]。加之设计成品表现为出版蓝图，无法满足不同专业、不同设计阶段要求，不同类型文件之间相互矛盾情况不时出现，影响了电气二次设计中多专业协同作业进程。

2.2 可行性研究不完善

电气二次设计内容与变电站运行维护工作紧密相关，传统电气二次设计缺乏完善可行性研究体系，内容偏重于电气项目建设经济可行性、技术必要性，理论研究重于实践分析，导致实际运行阶段电气设备需求在可行性研究中体现不显著，实际电气二次设计成果与运行环节需求存在偏差，不仅影响了电气二次设计项目计划在具体工程措施中的落实，而且制约了电气设计作业安全进程。

2.3 线路无功损耗偏高

在电气二次设计过程中，为应对输变电项目推迟投产引发的负面作用，变串补设计大量出现。常规变串补设计虽然可以适应电力系统快速变化的要求，满足电网稳定运行需求，但是装设串入线路后无功损耗较大，致使系统运行电压提升，甚至干扰各电力资源输送通道潮流的分配合理性，提升了整个输电过程资源消耗率，对电力系统运行稳定性造成了不利影响。

2.4 继电保护装置不稳定

继电保护设计是电气二次设计重要内容，关乎输变电项目运行安全性。当前，继电保护设计存在一些问题，如保护装置冗余度低、正常合闸时误动作概率高、缺乏事故类型判断功能等。上述缺陷的存在，给变电站继电保护装置正常运行埋下了隐患，特别是在保护装置冗余度低问题出现后，回路缺乏直流消失监视内容，在熔断器熔断时，合闸指示灯正常点亮，埋下手动跳闸操作失败隐患[2]。

2.5 二次监控存在缺陷

监控设备是电气二次设计的核心，也是继电保护策略制定的依据。因监控对象繁多、分布位置各异，电气二次监控设计难度较大。既往电气二次设计存在较大缺陷，不仅未根据数据通信配置足够网关，而且未有效联系保护、测控端口，数据利用价值不高。加之视频设备、安全防护、电源管理等辅助设备缺乏，无法发现二次设备问题，影响了电气二次设备稳定运行。

3 电气二次设计问题的对策

3.1 升级设计手段

针对传统电气二次设计手段滞后问题，设计者可以选择数字三维设计手段，依托STD-R三维变电站设计平台，根据现有资料进行建模。在建模作业进入尾声后，导入电气设备属性信息，关联工程所用设备型号与设备模型。如在电气屏柜与电缆设计时，设计者可以借鉴电气一次设计建模经验，绘制轴网[3]。根据轴网，链接土建图纸，并布置二次设备室屏柜。同时对应电缆开始端口、结束端口，手动进行三维屏柜编码。根据三维屏柜编码信息，结合电缆敷设路径容量，规划电缆沟位置。在电缆沟位置明确后，合理布置屏柜。如某三维屏柜布置如图1所示。

图1 三维屏柜布置

在三维屏柜布置后，设计者可以进行硬碰撞测试，观察电缆敷设通路与其他基础接触情况。在发现构架基础与电缆沟道出现碰撞后，落实投资优先级方针，优先改动投资低的部分，降低碰撞问题发生概率。在这个基础上，利用三维集成设计软件支撑的数字化移交平台代替电子版移交出版蓝图，完成整个变电站全寿命周期信息可视化移交，消除不同专业协同作业壁垒。

3.2 完善可行性研究体系

可行性研究是电气二次设计的前提，也是电气项目计划向具体工程措施落实的依据。设计者可以从电气主接线、主控室等方面，进行可行性研究方案的初步编制，确保电气项目计划可操作性。在电气主接线可行性研究方面，设计者应根据电气设计要求进行电流互感器（Current Transformer，CT）绕组数量的科学配置。一般在500 kV串CT可以依据7-9-7配置，并根据系统保护专业要求进行测量、保护、计量绕组组合[4]。根据电气系统及一次设计资料，激进型CT级次、容量核算，判定P1（电源侧正极）极性与P2（负荷侧负极）极性设置正确性。同时以主接线内存在差异的间隔断路器为对象，借助分箱机构（三相联动机构），进行出线PT、PT绕组数量的正确设置。若涉及间隔调整，则应设置一致的间隔名称、前期调度名称。

在主控室方面，作为变电站的控制中枢以及继电保护装置安装场地，主控室是电气二次设计的核心模块，设计者应结合通信、保护、远程动作等需求，搜集并记录主控室尺寸规格，进行保护屏柜与测控屏柜的科学组装。在保护与测控屏柜组装后，结合预制舱型号与蓄电池室尺寸，进行气体绝缘金属封闭开关设备的下放。

3.3 降低线路无功损耗

为降低线路无功损耗，电气二次设计者可以选择成套设备，配置控制保护系统组网与串补保护装置，包括串联电容器组、金属氧化物避雷器、限流和阻尼元件、旁路断路器等。在成套设备电气二次设计时，设计者可以在独立的串补就地控制室内放置站用直流屏柜、串补控制保护设备、接口屏、全球卫星定位扩展屏、二次交流屏以及不间断电源屏等装置。同时采取分层次分布式网络结构，以每回线路串补控制保护装置接入1套设备（或者I回线路串补控制保护装置共用一套设备）的方式，经串补装置接入监控双网。在这个基础上，针对间隙、电容器组、旁路断路器，制定不平衡保护方案[5]。对于间隙保护，主要是以火花间隙回路电流为监测对象，在间隙超时触发或触发不成功的情况下，保护延时发出永久旁路命令，启动旁路断路器，跳开对应侧线路断路器，并进行自动隔离；对于电容器组保护，实施测量电容器不平衡电流，在不平衡电流超出最小定值时发出报警信号，并经过长延时后旁路电容器组。同时生成临时三相旁路命令,对于旁路断路器保护，以串补保护发出旁路命令为节点，旁路断路器合闸将电容器电流调整为零，检测断路器位置、电流，判定断路器是否处于合闸非灵敏状态，若断路器进入合闸非灵敏状态，则经保护发出永久旁路命令、跳开线路本侧断路器命令。

3.4 合理设计继电保护装置

根据输变电项目电气二次设计总体要求（电力系统工频50 Hz时毫秒级出现电力故障消除，一次设备使用寿命达到或超过30年），设计者可以选择点对点的跳闸方式，经网络跳闸维护跨间隔保护设备稳定性。即在现有1路直通光纤通道、1路迂回路由光纤通道的基础上，配置2套电流差动保护（双通道专用光纤）以及保护测控一体化装置，装置分别接入输变电项目局部过程层双网，线路保护的判断依据输入端、输出端电流差值。2套电流差动保护的其中一套为备用，其在通道数量、保护数量方面均独立运行，在满足系统冗余配置要求的同时，确保回路故障、失电状况下故障顺利判别。

在线路保护的基础上，借助线路—变压器组接线方式，规避主变故障、断路器丧失灵敏状态对远方跳闸信号发送的不利影响，确保线路变侧断路器顺利跳开。进而配置2套远方跳闸就地判别装置，在回收远方跳闸信号的第一时间进行元件动作辨别，根据辨别结果第一时间切除出口端线路变侧断路器。此外，因主变压器故障多源于绕组匝间绝缘损坏，无法从外部察觉，因此，可以在配置远方跳闸就地保护功能的基础上，配置2套非电量保护装置，以瓦斯气体状态为依据，及时发现变压器故障，及时发出警报。

在确保线路远方跳闸功能正常发挥的基础上，设计者可以配置基于电气二次网络化的故障录波及网络记录分析一体化装置，实时记录过程层数字化变电站的通信网络（GOOSE）、即多媒体短消息业务（Multimedia Messaging Service，MMS）报文、实时传输数字采样信息的通信服务（Sampled Value，SV）网络报文并上传终端[6]。同时冗余配置断路器，GOOSE数字采样交换器组成独立的2个网端，确保其中一套断路器出现保护故障动作时另外一套断路器正常闭锁。同理，冗余配置母线断路器，确保母线保护工作正常开展。在这个基础上，以电压梯度值16.8 kV/m、风速2.0 m/s、潜供电流18.4 A为依据，设定单相重合闸时间为1 s（含灭弧时间0.7 s，故障点绝缘恢复时间0.2 s，时间裕度0.1 s）。

3.5 健全电力监控系统

针对当前电力监控系统设计缺陷，设计者可以从站控层、间隔层、过程层3个层级着手，进行二次设计方案的完善。其中站控层包括对时系统、数据通信网关机、数据集中器、监控主机、数据服务器、计划管理终端（含安全文件网关）以及综合应用服务器几个模块；间隔层包括保护、测控2个模块；过程层包括合并开关、智能终端、互感器、开关/刀闸以及在线监测（变压器、避雷器、开关）、辅助设备（电源管理、环境监测、安全防护）。

站控层包括2台交换机（22个电口，2个光口）、2个监控主站及1套时钟同步对时装置、2个远程联动工作站；间隔层为双行型结构100M以太网，保护数据采取直采直跳方式。站控层、间隔层经MMS、GOOSE、简单网络时间协议网络连接（Simple Network Time Protocal，SNTP），通信规约为IEC61850-9-2；过程层包括常规互感器与合并单元，间隔层、过程层经GOOSE、SV、B码（B码授时设备）网络连接，通信规约为IEC61850-9-2。

此外，对于变电站交直流一体化电源系统，经总线连接一体化总监控器，将事故报警、信息参数、运行状况上传到站控层[7]。同时对于交流电源重要馈线，结合站用电屏结构，逐一对应智能监控模块，就地收集馈线开关位置节点、测量电流、报警节点、告警数据。而对于直流电源重要馈线，则在2组蓄电池组、2套高频开关电源充电装置配置的基础上，在1回直流电源上配置同一面屏的同一个间隔监测保护装置，每一个直流电子屏的不同母线引入对应的变换器内，变换器单元设定方式为N+1，并配置空气开关。在同一面屏的同一个间隔监测保护装置运行过程中，实时监测每一节蓄电池电压、温度、内阻，经特定通信接口将监测数据传递给一体化监控装置，判定蓄电池工作状态，在发现蓄电池非正常状态的第一时间发送报警信号。并结合温度数据，进行蓄电池充电电压的实时调节，延长蓄电池使用寿命。在这个基础上，配置2套不间断电源，非经端口实时发送运行状态数据，为电力资源生产管理提供依据。

4 结 论

综上所述，电气二次设计的主要内容是输变电、发配电环节的监视、调节、控制、保护设备。针对电气二次设计问题，设计者可以变电站新建工程为依托，进行继电保护、电源系统与自动化监视系统的科学设计，确保变电站运维智能化、可靠性。