数字化变电站中电气二次设计分析

周 平

（国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京 211100）

0 引言

随着科学技术的发展，智能化技术日趋成熟，其在变电站中的合理运用推动着变电站的发展。随着电力系统的智能化，电力系统的二次设计也逐渐采用了数字化技术。在目前的科学技术条件下，要使变电站构成的二次装置能够正常工作，才能保证变电站的安全。二次前置分为8 大部件，既有测量控制、远程传输、在线检测、故障记录等功能，又具有继电保护、防误闭锁、电压无功控制和同步运行等功能。为确保二次设备运行的稳定、高效，必须确保8 种设备的规范化。现阶段，智能化变电站越来越注重对数据资源的充分利用与分享，因此，变电站的智能化电气二次分析、设计工作对变电站的正常运行起着至关重要的作用[1]。

1 变电站电气二次系统重要作用

近几年，随着电网建设的不断推进，电网向超高压、长距离输电、智能化发展，对输电系统的安全、稳定、可靠的要求也越来越高，同时也需要更加经济地运行。二次设备是变电站的关键设备，它的作用是保证一次设备的安全稳定运行。尤其是近几年，变电站的现代化、便利性、微型化发展速度加快，加上社会发展对电力供应的需求越来越大，进而电力设备在传输、分配等方面的安全问题也越来越突出。因此，要使一次回路、设备的安全得到有效的保障，就必须合理地进行二次系统的设计与使用，并从多个角度考虑各种因素，以使其更加科学合理地设计，并使其在实际中得到更好的应用，从而使一次设备得到更好的保护，为整个变电站的安全打下坚实的基础。

2 数字变电站概述及特点

2.1 数字变电站概述

扬州110 kV 何桥变电站按照ⅠEC61850（DL/T860）、《智能变电站技术导则》和《110（66） kV～220 kV 智能变电站设计规范》进行了全面的设计。该系统具有智能报警、顺序控制等先进智能应用功能，并实时监控主变、避雷器等设备，满足了变电站无人值守的需求。

2.2 数字变电站的特点

2.2.1 一次设备智能化

由于线缆具有较大的空间和较慢的速度等特性,数字变电站在应用中已不能再利用常规的线缆，而是用电子数字代替原有的信号，实现了数据连续传输和信息转换，极大地提升了信息传输和利用效率。在变电站中，较常用的辅助设备有保护装置、测量控制装置、电压控制装置等。在数字变电站中，采用网络技术可以快速传输数据，实现资源的共享。

2.2.2 运行管理系统自动化

在变电站的运行管理系统中，通常采用自动的网络技术来进行数据的录入和分析，而不需要纸张来记录，一旦发生故障，管理系统就能对故障情况进行分析，并提出相应的解决方案及有效的记录。采用自动化管理系统，无需进行常规维修，只需进行状态维修，可以自动发送检修的报告评估数据，劳动力得以有效分配。

3 智能化变电站电气二次设计要点

3.1 智能化变电站设备选择要点

智能化变电站的关键在于如何合理地选择电气二次设备，如智能变电站的智能开关、电感器等。现在的变电站，往往都是采用网格化的方式保证电力二次设备的正常运转。在智能变电站的二次设计中的智能开关和电感器设计中，常会遇到下列问题。①在选用智能开关时，必须根据实际情况，选用最适合的交换机。在诸多选择中，最具科学性和合理性的就是智能切换。智能开关的应用直接关系到智能化变电站的安全稳定。智能开关的选取，直接关系到整个智能变电站的运行性能，对智能变电站的智能化控制能力也有很大的影响。此外，智能切换的合理利用，也可以极大地促进数字的实现，其应用为其提供了一个界面，从而将智能化水平进一步提高。当然，智能开关也有其不足之处，例如造价及维护费用较高。②如果在智能化变电站中使用一般的开关，尽管这样的开关可以提供一个数字界面，但在此情形下，联机监控功能就无法使用。③在选择电子互感器时，通常要考虑采用主动型或被动型。在实际应用中，人们更倾向于采用有源式变压器，它采用激光进行相关匹配，改善了电源的稳定性。而被动式的电子互感器则采用了基于光敏的传感器，这不仅造价昂贵，而且还不稳定，因此大多数人都会选择前者。

3.2 通信规约选择要点

在智能变电站的二次设计中，通常所选用的通讯规范存在着一定的差别。103 通信协议对站控层网络可能更合适。103 使用了常规的功能设计方式，但也有一些缺陷，例如，在运行上没有任何优点，主要应用于要求较低的变电站。ⅠEC 61850 则是一种更好的通讯规约，它的可操作性更强，但也有一个弊端，即成本太高。由于过程层网络规约采用FT3帧，具有更高的实现性能、传输时延的固定等优势。除此之外，ⅠEC 60044-8通讯规约也是一种格式，它的目的是为了实现目标的设计，这样就可以让智能变电站变得更加完善。但是，这种通讯规约在实际应用中，也有很大的限制，比如传送延迟不能确定，稳定性不高，而且价格昂贵。

3.3 网络结构设计要点

在网络的设计中，把智能变电站分为过程层、网络层和站控层三层。工作人员都要针对每个层面的特性进行单独设计。其中，过程层的设计是区别智能变电站与常规变电站的关键环节，因此，在具体的设计中，必须引起足够的重视。目前，在对智能变电站站控层系统的选型中，要综合考量以上各种因素，选取投入最低、科学合理、最稳定、最安全可靠的方法，而星型太网则成为支撑的最佳方式。

3.4 保护配置

在变电站内，每个主变设置2个变压器保护（主后合一）、1 个变压器本体保护；在高压侧和低压侧各设有一操作盒，其主要作用是实现分合高、低压侧开关。变压器的保护方式是主后合一型，即后备和差动保护，以差动和气体保护为主，差动保护在瞬间跳过变压器两边的断路器，而内桥侧的断路器则跳过。变压器的本体保护包括油温、减压等方面的保护，一旦出现异常，就会向操作人员报告异常情况。

3.5 控制保护电源

在220 kV 智能变电站的施工中，由于采用了无人值守或极少有人值守，对变压器保护和220 kV 线路保护采用了双组，并对一些关键的控制电路进行了充分而必要的冗余设计。在变电站的控制上，可选用两组VRLA 型密封蓄电池，其直流电压为110 V，电池容量为500 Ah，电池的数量为54 个，电池的浮充电压为2 V。

3.6 线路保护

在整个故障产生和操作中，若故障是在出线处，则可以利用反向判断的方式以更好地判断问题，也可以在第一时间准确地找到故障，一旦发现问题，立刻就能发送出闭锁信息，从而保证整个电力设备的安全，也能保证整个变电站的正常运转。

4 数字化变电站中的电气二次设计方案

4.1 对电气智能设备进行合理选择

在变电系统中，通常都要进行相关的二次设备的设置，其中网络二次设备是数字化变电站所必需的，因为只有通过网络二次设备才能实现与数字变电站系统的连接和对应的网络通讯。目前，在变电站的选型中，通常采用有源和无源两种方法。与被动式电子变压器相比，有源式电子变压器具有更好的性能和工作效率，因而其应用领域也更广。在选择二次设备的同时，还要考虑到智能开关的选择，最好采用智能终端，因为它能够满足各种设备的切换要求。

4.2 设计组屏方案

数字变电站的二次部分组屏方案与传统的方案有很大的区别。相比而言，二次部分组屏方案功能全面，操作简单，而且还可以根据不同等级的电压集成设备，将多个屏幕组合在一起。在进行设计时，必须将远动主机、监控主机、工程师工作站等设备设置在主控室中，而不像ⅠEC 61850 的智能设备，需要分别设置组屏。

4.3 继电保护模式设计

为了使变电站能够正常工作，变电站需要继电器保护装置和保护设备。继电器是电力系统的核心部件，所以需要对继电器的设计进行了优化。从本质上说，需要在监测系统中设置独立的继电保护，并使其与监测系统处于相互独立的状态。在此基础上，即使在自动变电站突发故障时，该系统内部的保护装置仍然能正常工作。就目前的情况而言，保护与控制设备应包括电容器、变压器、线路等部件，并对重要部件进行多层保护。通过测量和控制，可以得到实时的电压和电流信息。同时，该CPU 具有特殊的逻辑模块，能够根据该逻辑模块对各分片的性能进行判断。

4.4 增加防误闭锁设计

电力系统的安全性是数字化变电站电气设计的重要内容。在进行二次电气设计时，既要确保设计方案的科学性，又要针对发生的问题制订一套完整的防范措施，以确保电网的正常运转。因此，在进行数字化变电站二次设计时，应科学、合理地设置安全防误装置，以保证其与电网的设计和施工相适应。在变电站的自动控制系统中，应设置一个防误闭锁装置，其主要目的是防止高压装置突然发生误动作。从现状来看，防误闭锁可以划分为电气型与微机型的两种类型。通过电气连锁控制，可以对每一条电路进行优化，并通过相应的防误装置实现以上的优化，但其困难是设计者需要将多根二次电缆连接到整个系统中，增加了操作的难度。另外，在以后更换二次线路时，将会花费大量的人力和财力。与之相比，基于计算机控制的防误闭锁具有其独有的技术优越性。这是因为计算机控制方式设计了一种特殊的锁定规则，从而建立了一个数字的锁定转换模型。

4.5 光纤纵差保护设计

光纤纵差保护是利用光纤两端的电气量来实现数字信号的变换，从而达到通信目的。光纤纵差保护功率电缆具有较长的长度，与常规差动保护相比，不会产生环负荷问题，其应用具有显著的优越性。此外，纤维的放电性能及抗雷击性能更好，信息可以传递更远，传递的信息更多。然而，在与继电保护装置进行通讯连接后，由于存在着盲区，光纤通信自愈切换所需的时间较长。为有效地解决这个问题，在进行光纤纵差保护的设计时，必须从通讯机房和继电保护装置的联接、保护等方面进行全面的研究。

4.6 监控系统、应急系统、智能控制系统的设计

监控系统是电力二次系统中的关键部件，它的主要功能是对一次、二次装置进行控制，一般都是采用分布式通过双击方式来实现对断路器的遥控，并通过三种方式实现对断路器的遥控。变电站二次系统中的紧急控制系统通过设置消防警报，可以有效地应对各种突发情况。尤其是在变电站的工作环境下，当出现雷击、超负荷运转时，变电站的应急系统可以保证变电站的安全、可靠。变电站二次系统的高效率运转，以及它的自动化、智能决策功能，都离不开智能控制系统，在变电站的运行中，当发生安全事故时，它可以根据所得到的信息进行快速的判断和处理，从而在最短的时间内做出相应的反应，既可以降低损失，又可以提升整个变电站的工作效率。目前，神经智能与专家系统的研究还在继续，将来必将在电力二次系统中得到广泛的应用。

4.7 直流系统的设计

直流输电在变电站的二次供电中占有重要的位置，它可以为电网的自动控制提供大量的能量，从而确保电网的数据采集和控制等工作顺利进行，为电网的安全运行提供有力的技术支持。在变电站的二次电力系统中，断路器的运行是由电动弹簧来进行的，由于变电站里面的电流并不多，为了保证在停电时可以工作2 h，必须要将电力储存起来，并且设定为300 mA。此外，还必须引进智能计算机技术，将其用于控制系统的切换。

4.8 设计端子排图

在进行数字变电站二次部件的终端布线时，可以省去一次和二次之间的接线布置，同时还可以对控制电路进行优化。这简化了二次电路的设计，比如保护压板、按钮和把手的数目大幅降低，降低了操作和维修工人的安全风险，而且还彻底解决了光缆使用中的老化问题，提高了系统的稳定性，达到了全数字化的目的。

5 数字化变电站中电气二次设计注意事项

5.1 对线路保护方面

线路保护的内容包括：过流保护、距离保护、分相电流差动保护。饱和电磁互感将会对逆时过电流保护的工作时间产生很大的影响，并导致保护工作时间延长。失真发生在二次电流波形上，所以在选用非常规变压器时应选用不饱和特性的变压器。其次是距离保护。距离保护主要是为了判断电流中的非周期成分，一般不能从根本上改变非周期成分，从而导致测量误差过大。采用微分方程的阻抗算法，可以缩短数据窗口，增加数据窗口，增加距离保护操作速度，减少测距误差。第三种是分相电流差动保护。分相电流差动误差主要是因为变压器饱和引起的，如果要有效地解决线路分相电流差动保护的误动问题，可以选用具有非饱和特性的电子互感器。

5.2 对母差保护方面

通过母差分站把模拟信号转换成数字信号，即可完成整个母差系统的数字化。母差维护是把旧母差式保护转化为新的母差式保护，一般分为两大类：分站和主站。一般情况下，分台间只需要将汇流端的电流和开关连接。当进行了对各个分室的数字化设置之后，就可以实现电压、电流和母差式的与主站间的逐渐连接，而通过GOOSE 接口后，就能够实现网络的连通性。

5.3 对数字化低周保护方面

与传统的低周保护相比，数字低周保护存在很大差别，它的特点是数字低周保护没有信号。数字低周保护是在接收到单位位置的母线电压后，对其进行相应的频率运算，然后以报文的形式通过跳闸指令输出。例如，根据预定的时间，在10 kV 区间内设定自动回撤低周压板，并在一定的出口提前跳闸，从而确保低周跳的功能。

6 结束语

当前，我国正处于经济和社会转型的阶段，工业发展需要大量的电力能源，对供电的要求也越来越高，要求电力系统提供更加稳定的电能。在电力系统中，变电站是最重要的，数字化变电站是未来的发展趋势，因此数字变电站二次设计的分析具有重要意义。