摘要:智能变电站作为智能电网的重要组成部分,具有“一次设备智能化、全站信息数字化、信息共享标准化、高级应用互动化”等重要特征。随着无人值守变电站在电力系统中的推广应用,对继电保护系统的要求越来越高,及针对当前二次系统中存在的问题,国网提出了就地化保护,从而有效提高保护装置的速动性、可靠性。本文将针对电网就地化技术进行探讨,阐述其特点原理及应用中需注意的问题,以供参考。
关键词:关键词:继电保护;就地化;智能电网;
引言
2018年4月23日,世界首座500kV电压等级全系列就地化保护装置在江苏500kV钟吾变电站成功挂网运行。该变电站在500千伏2M母线、#2主变、山钟5660线、5031、5032、5033断路器分别加装双重化的就地化保护,并配置就地化保护智能管理单元。该站就地化保护装置采用高防护、低功耗、一体化软硬件设计理念,具有就地化、小型化、即插即用等特征,集成合并单元和智能终端功能,使保护动作时间缩短 25%~33%。 同时,就地化安装使得光缆使用数量降幅近60%等优势,该新技术的应用将有效提高电网继电保护可靠性,将继电保护带入全新的发展阶段。
1当前智能站遇到的问题
(1)系统可靠性速动性降低:合并单元和智能终端的应用:增加了回路复杂程度,降低了继电保护系统的速动性和可靠性;
(2)人员承载力不足:智能站二次设备数量增加、接口不统一,安装、运维难度增大,变电站数量逐年递增,而工作人员数量基本不变。
(3)占地面积大、能耗高:变电站继电保护集中布置的模式需要建设专用继电保护小室,户外柜、继保室采用大量空调、风扇等热交换系统。为适应电网发展和运行要求,国网公司组织制定了《国家电网公司继电保护技术发展纲要》,确定了未来一段时间的技术发展方向和目标,为公司系统继电保护技术及科研工作提供指导。按照《纲要》确立的技术原则和技术路线,制订了220kV及以下电压等级常规采样就地化保护整体技术方案。
图1 为就地化继电保护系统架构示意图。
2电网继电保护就地化的优点
就地化继电保护具有保护安放就地化、元件保护专网化、信息共享化、保护装置小型化、集成化、接口标准化等特点,具体理解为以下:
(1)精简保护装置,简化二次回路,减少运行维护工作量;
(2)与保护功能相关的输入、输出可靠,采用电缆采样、电缆跳闸方式;
(3)简化装置开入、开出,设备间的联锁、闭锁功能等可通过网络方式实现;
(4)装置专用连接器标准化,不同厂家装置可互换,实现继电保护装置的即插即用;
(5)单间隔功能实现纵向集成,减少装置类型、数量,降低设备缺陷率;
(6)跨间隔保护间隔化(母差、主变保护采用子机模式);
(7)通过一体化设计,将多个板卡的功能集成于单个芯片,实现继电保护装置小型化;保证装置可实现无保护就地化安装。
通过对继电保护就地化设计原则的分析,可发现这种保护方式除具有二次回路简单、投资少、维护方便的特点外,还具有如下优点。
(1)速动性和可靠性更高
由于就地化继电保护装置靠近一次设备安装,采用电缆直采直跳,取消了合并单元和智能终端,减少了测控数据传输的中间环节,原来的保护屏被小型的就地化保护装置替代,因此继电保护的速动性、可靠性得到了很大的提高。
(2)即插即用,运维效率高
通过保护装置接口的标准化设计,采用航空插头实现了快速、可靠的插接,有效简化了二次回路;同时不同厂家装置可实现互换,缩短了维护工作时间,简化了工作流程,提高了工作效率。
(3)可根据运行环境合理设置
根据设备所处运行环境可对其设置位置进行合理选择。如室内GIS汇控柜、预制舱的保护设置;室外智能控制柜的保护设置;室外的就地化安装及与一次设备集成安装的保护设置。
3 就地化继电保护系统在设计时遵循的原则
(1)就地化保护装置贴近一次设备就地布置,就地化安装使得光缆使用数量降幅近60%等优势;
(2)就地化线路保护独立完成保护功能;就地化变压器保护采用分布式模式,按侧配置保护子机;就地化母线保护采用积木式可扩展设计,每个子机支持多个间隔,根据变电站实际规模灵活配置子机数量。元件保护每个子机均完成保护逻辑运算并负责对应间隔分相跳闸出口,提高元件保护动作速度;
(3)为保证保护的独立性和可靠性,设置全站保护装置专用通信网络,简称保护专网;
(4)就地化元件保护按被保护对象设置独立的双向环网,简称元件保护环网。该网络采用高可靠无缝冗余的专用环网通信协议,确保元件保护各子机间的通信可靠性。
(5)智能管理单元按电压等级双重化配置,实现就地化保护装置的界面集中展示和管理,完成保护与变电站监控之间的信息交互。
4 与常规智能站相比就地化具备的更大优势
4.1取消了合并单元和智能终端
通过电缆直采直跳,只需操作继电器组作为保护装置与开关机构的接口。由于间隔内没有网络,因此取消传统过程层中的交换机,只需在中心交换机增加端口就可实现信息传输,简化了过程层。继电保护装置自身就具备SV、GOOSE输出功能,可满足站域保护、故障录波、网络分析等设备的通信需求。
4.2就地化保护可分为单间隔和跨间隔保护
在变电站中根据设备不同需求采用不同的保护方法。对于单间隔保护,与本间隔相关的电流和电压信号采集、断路器位置和控制采用电缆直接接入,单间隔完成所有的保护功能,自成体系;与联锁、闭锁相关的启动失灵、闭锁重合闸等数据的传输采用GOOSE组网的模式。对于跨间隔保护,则是通过将跨间隔保护间隔化,使用分布式方案安装若干就地化保护装置,采用主从式结构,其中主机完成保护逻辑、对外接口等功能,子机完成间隔电缆的直采直跳;主机和子机通过无缝环网HSR来实现数据共享。变电站跨间隔保护包含母线保护和变压器保护,与智能变电站相比,保护就地化跨间隔方案具有更好的速动性和可靠性。与原合并单元和智能终端的模式相比,这种主、子机模式速动性更好。其原因是主、子机模式中的子机没有计算和同步功能,可采用FPGA架构,能有效减少延时;而合并单元和智能终端模式采用CPU架构,均需进行计算和同步,延时相对较长。另外,在就地化系统中可靠性体现在装置数量较少,故障率也相应较低,同时主、子机间使用HSR环网实现连接,单一链路出现故障不会对系统整体功能造成影响。
4.3即插即用
新的就地安装方式给保护装置的设计、建造、调试、运维等环节都带来了改变。通过实现设计的标准化、调试的工厂化及检修的更换化,给变电站设备的采购、安装、调试、运维方面费用都带来影响。就地化保护设备在出厂前就在其柜体内完成了预安装和调试,到达现场后只需将柜体内端子排与一次设备电缆连接、光缆与相关二次设备连接就完成整个安装过程。而调试工作也只需进行通电流、加电压,智能管理单元就能自动完成带负荷试验。当保护装置出现问题时,可快速即插即用,更换整套保护装置。
5就地化环网设计
5.1保护环网配置方案的引入
跨间隔保护装置对网络环境要求极高,它需要同时获取多组间隔电压以及电流数据。与传统集中式保护相比,传统保护方案是将所有的间隔采样回路以及进出进入回路固定在同一台继电保护设备上,这一现象对回路接线要求极高,另外所有线路集中在一台设备上,对设备的软硬件都造成极大的压力,不仅功耗过高,此外,运行效率也有所降低,在很大程度上难以实现无防护安装目的。要想实现继电保护技术就地化的目的,采取新的架构以及模式显得十分有必要。
5.2保护环网可靠性设计
想要实现环网可靠性设计的目的,借助具有高操作性且无缝冗余环网HSR技术是唯一途径。这一技术的原理是利用内部协议功能将所有数据进行打包,在子机上同时借助两个环网上发送数据包,做好数据备份工作,防止数据丢失损毁。鉴于此,每一个数据包都进行了备份,那么就应该相应的制定配置丢弃方案。当子机节点收到环网数据包的数据时,首先进行解析,假设收到其他子机的数据包,就相应的将数据解析后定向发送给需要保护的装置使用;假设收到本机发送的数据,这就意味着该数据包已经在整个环网中都过了一遍,这时就可以对其进行删除。
5.3环网数据同步技术
环网数据同步技术的原理是在链路收发回路延时一致的基础上,借助对称法计算方法,对各个节点之间的链路传输延时Tlink,利用IEEE1588协议条款输入口令,请求报文以及回复报文,从而对节点之间的链路延时进行计算;跨间隔保护技术有两种操作模式,一是无主模式,即每个子机都能独立自动计算,实现逻辑保护判断;二是有主模式,在环网中固定一台主机,主机操控子机,通过操作主机,实现运行进行保护逻辑计算程序,而各个子机只需完成数据采集、分析并执行主机的操作命令[3]。
6保护就地化应用中需注意的问题
继电保护就地化在实际应用过程中,其安全稳定性极易受到电磁干扰、所处环境、振动等因素的影响,因此应结合现场实际情况针对性地采取防范措施。
(1)电磁干扰
就地化的继电保护装置处在一个具有大量电磁干扰源的环境中,如开关分合产生的电弧放电、电晕放电、变压器产生的交变磁场干扰等,因此要求就地化的继电保护装置必须比传统保护装置具备更高的电磁干扰防护能力。
(2)环境影响
传统的继电保护装置集中安置在集控值班室,运行环境良好,温、湿度恒定。当继电保护装置就地化安装后,运行环境发生了较大的变化。为了保证其能持续稳定的运行,要求其柜体防护等级不低于IP55,同时对散热、驱潮、屏蔽设计都提出了更高的要求。处在柜体防护下,保护装置需考虑的主要是温度。需要注意的是,我国不同的地区的温度差异较大,在保护设备设计、安装时,要对使用地区年度气温情况进行综合考虑。
(3)振动影响
继电保护就地化安装后,与一次设备的距离较近,不可避免会受到开关动作、变压器等设备运行产生的振动影响,因此对继电保护装置的振动、冲击等情况的耐受程度提出了更高要求。相较于传统继电保护装置处于继保小室受到的振动而言,就地化安装的继电保护装置受到的振动影响更大。随着继电保护装置结构越来越复杂、精度越来越高,一个小的保护元件因振动影响损坏都会对整个继电保护装置,甚至变电站造成不可估计的影响。为此,有必要结合继电保护装置所处位置,提高其振动试验等级,保证其运行稳定不受振动影响。
结束语:
随着智能电网运行模式的不断发展,继电保护系统也在不断发生着进步。对于继电保护就地化这一存在更大优点的设备模式,将会是以后电网发展的趋势,但目前的就地化还处于开发试点阶段,还有很多问题需深入研究和改进。本文对继电保护就地化的特点、原则方案及应用中存在的问题进行了探讨。虽然继电保护就地化在实际应用中易受到所处环境、电磁干扰、振动等因素的影响,但是通过采取针对性措施可得以解决,实际应用价值将非常高。
参考文献
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[4]刘宏君,裘愉涛,徐成斌,等.一种新的智能变电站继电保护架构[J].电网与清洁能源,2015(3):50-51.
论文作者:胡敦平,丁宏成
论文发表刊物:《电力设备》2018年第27期
论文发表时间:2019/3/13
标签:保护装置论文; 间隔论文; 继电保护论文; 变电站论文; 智能论文; 设备论文; 电网论文; 《电力设备》2018年第27期论文;