淺談智能開關(guān)站在水電站的應(yīng)用
——以猴子巖水電站為例

劉晟宇（國家能源集團(tuán)大渡河流域生產(chǎn)指揮中心，四川 成都 610041）

0 引言

猴子巖水電站位于四川省甘孜州康定市境內(nèi)，是大渡河干流水電規(guī)劃28級(jí)開發(fā)方案中第10個(gè)梯級(jí)電站。電站總裝機(jī)容量170kW·h(4臺(tái)42.5萬kW)，年設(shè)計(jì)發(fā)電量70億kW·h，工程總投資192億元，具有季調(diào)節(jié)性能，是國家及四川“十三五”規(guī)劃建設(shè)的重大工程，也是大渡河流域首座開關(guān)站為智能站的大型水電站。

猴子巖地面500kV GIS開關(guān)站選用的是河南平高電氣公司的GIS設(shè)備，主接線采用三串4/3接線方式，出5回500kV 線路，至丹巴變電站500kV 變2回線路，至康定變電站500kV 變3回，4個(gè)發(fā)變組間隔，聯(lián)合組成3個(gè)完整開關(guān)串。500kV GIS設(shè)備主要由2個(gè)部分構(gòu)成:一是猴子巖地面廠房500kV GIS開關(guān)站及站內(nèi)相關(guān)設(shè)備；二是猴子巖地下廠房內(nèi)4臺(tái)主變壓器高壓側(cè)與高壓交聯(lián)聚乙烯電纜之間的GIS連接線。猴子巖500kV智能開關(guān)站2016年10月投產(chǎn)，作為四川省首座已投產(chǎn)智能開關(guān)站，多年安全穩(wěn)定運(yùn)行，該文對(duì)智能開關(guān)站結(jié)構(gòu)及主要設(shè)備進(jìn)行簡要介紹，并提出智能開關(guān)站的日常運(yùn)行維護(hù)及典型事故故障處理方法。

1 常規(guī)開關(guān)站于智能開關(guān)站優(yōu)缺點(diǎn)分析

1.1 常規(guī)開關(guān)站

常規(guī)開關(guān)站涵蓋了繼電保護(hù)裝置、監(jiān)控系統(tǒng) LCU、故障錄波器、電能量采集等系統(tǒng)，系統(tǒng)與系統(tǒng)相互獨(dú)立，其間的通信線路重復(fù)配置，二次接線駁雜， 建設(shè)成本高。常規(guī)開關(guān)站自動(dòng)化結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要依賴信號(hào)電纜來進(jìn)行信息傳輸，當(dāng)設(shè)備需要升級(jí)改造時(shí)，就需要更改大量的接線電纜，將花費(fèi)大量的人力物力，并且電纜連接的可靠性不高，設(shè)備在日常維護(hù)時(shí)工作難度大、工作量大。常規(guī)開關(guān)站設(shè)備間通信規(guī)約無法統(tǒng)一，不同廠家設(shè)備間數(shù)據(jù)通信需要轉(zhuǎn)換，產(chǎn)品替代新差，增加用戶負(fù)擔(dān)。

1.2 智能開關(guān)站

智能開關(guān)站采用先進(jìn)、可靠、集成的智能設(shè)備，以全站信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)信息收集、電氣信號(hào)的測量、設(shè)備的控制、繼電保護(hù)、電能量計(jì)量和設(shè)備在線監(jiān)測等功能，并可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電氣信息實(shí)時(shí)智能控制調(diào)節(jié)、自動(dòng)計(jì)算分析、協(xié)同共享等智能功能的開關(guān)站。

猴子巖500kV智能開關(guān)站遵循 IEC61850通信規(guī)約，進(jìn)行合理信息分層組件，通過 MMS、GOOSE 網(wǎng)實(shí)現(xiàn)智能終端裝置、電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、測控裝置與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通，實(shí)現(xiàn)開關(guān)站智能化功能。

2 猴子巖智能開關(guān)站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.1 智能開關(guān)站功能分層

智能變電站根據(jù)相關(guān)規(guī)劃，從邏輯上將變電站按照功能分解為3個(gè)層級(jí)，一是過程層、二是間隔層、三是站控層[1]。在變電站層和間隔層之間的網(wǎng)絡(luò)采用抽象通信服務(wù)接口映射到制造報(bào)文規(guī)范(MMS)。

過程層用光纖代替了傳統(tǒng)電纜傳輸一次設(shè)備位置信號(hào)、告警信號(hào)。通過特有的GOOSE網(wǎng)。

保護(hù)測控裝置通過裝置本身的通信網(wǎng)口接入間隔層網(wǎng)絡(luò)，再經(jīng)過LC級(jí)聯(lián)的方式與站控層的交換機(jī)組網(wǎng)，形成MMS網(wǎng)絡(luò)。站控層通過PCS-9799C數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)機(jī)進(jìn)行61850規(guī)約轉(zhuǎn)換與智深水電監(jiān)控后臺(tái)通信。傳統(tǒng)開關(guān)站與智能開關(guān)站對(duì)比結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)開關(guān)站與智能開關(guān)站結(jié)構(gòu)圖

傳統(tǒng)開關(guān)站與智能開關(guān)站優(yōu)缺點(diǎn)結(jié)構(gòu)對(duì)比：1）傳統(tǒng)開關(guān)站回路設(shè)計(jì)復(fù)雜，一次設(shè)備、互感器與保護(hù)、測控裝置之間使用電纜傳輸信息，傳輸信息量少，并且抗電磁干擾能力弱，變電站內(nèi)存在大量電纜接線，給維護(hù)、改造帶來很大困難。智能站要簡化回路設(shè)計(jì)、節(jié)約投資智能站各層設(shè)備間使用光纖通信， 傳輸信息量大、抗干擾能力強(qiáng)。采用光纖節(jié)省大量空間及電纜， 節(jié)約建設(shè)成本。2）智能開關(guān)站設(shè)備數(shù)字化、二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)據(jù)平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化。傳統(tǒng)站存在多套系統(tǒng)，每套系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集的要求不一致，大量設(shè)備都有數(shù)據(jù)采集單元，采集資源重復(fù)，保護(hù)、測控、故錄、計(jì)量都有自己的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。智能站一次設(shè)備為全數(shù)字化輸出的電子互感器和智能開關(guān)，統(tǒng)一數(shù)據(jù)采集，信息共享，節(jié)約資源。二次設(shè)備對(duì)上和對(duì)下聯(lián)系均通過高速網(wǎng)絡(luò)通信；傳統(tǒng)開關(guān)站通信標(biāo)準(zhǔn)多、雜亂，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確率不高，智能站所有設(shè)備統(tǒng)一采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的互操作性。

2.2 過程層

過程層設(shè)備包括主變壓器、隔離開關(guān)、斷路器、電流互感器、電壓互感器等一次設(shè)備及其所屬的智能終端和合并單元（MU）。其中智能終端裝置采集斷路器、刀閘位置信號(hào)上傳給間隔層設(shè)備，同時(shí)收到間隔層設(shè)備的下傳信號(hào)進(jìn)行斷路器分合閘操作。過程層網(wǎng)絡(luò)配備有母線過程層交換機(jī)柜，GOOSE網(wǎng)交換機(jī)柜。

2.3 間隔層

間隔層設(shè)備包括繼電保護(hù)及安全自動(dòng)裝置、測控裝置、故障錄波、同步相量裝置、行波測距、電能量采集裝置、在線監(jiān)測設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)間隔層數(shù)據(jù)互通并且還可以控制該間隔層一次設(shè)備。其中測控裝置與站控層設(shè)備直接通信，支持通過GOOSE報(bào)文實(shí)現(xiàn)間隔層“五防”聯(lián)閉鎖功能，支持通過GOOSE報(bào)文下行實(shí)現(xiàn)設(shè)備操作。

2.4 站控層

站控層設(shè)備包括監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)主機(jī)及工作站、全站控制、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)機(jī)、遠(yuǎn)傳遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)、北斗及GPS對(duì)時(shí)系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)全站設(shè)備的信號(hào)監(jiān)控、系統(tǒng)控制、光字信號(hào)及信息互通功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制(SCADA)、設(shè)備動(dòng)作解閉鎖、電氣設(shè)備五防以及PMU信號(hào)采集、電氣量采集、保護(hù)動(dòng)作管理、順序控制等相關(guān)功能[2]。

3 猴子巖智能開關(guān)站運(yùn)維方式

3.1 功能壓板

傳統(tǒng)電站繼電保護(hù)屏保護(hù)功能采用的是“物理硬壓板”，而新一代智能開關(guān)站監(jiān)控系統(tǒng)界面采用的是“電子軟壓板”。以往在進(jìn)行設(shè)備停送電、停用相關(guān)保護(hù)功能時(shí)，運(yùn)行人員需要在保護(hù)屏上通過人工擰壓板螺栓來實(shí)現(xiàn)壓板連接斷開操作，實(shí)現(xiàn)了軟板，可在計(jì)算機(jī)室監(jiān)控畫面上進(jìn)行操作，大大提高了工作效率和操作準(zhǔn)確性。

3.2 壓板投退

保護(hù)屏上的分、合閘壓板集成到后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)界面上命名為GOOSE跳、合閘壓板，保護(hù)信號(hào)跳、合閘命令發(fā)送到智能匯控柜跳、合閘壓板來實(shí)現(xiàn)分合閘功能。智能終端柜配備的跳合閘硬壓板為公共分合閘出口壓板，其要求是僅在相關(guān)間隔全部一次設(shè)備轉(zhuǎn)檢修時(shí)或智能操作裝置故障時(shí)停用，平時(shí)保護(hù)功能正常投退只退出相關(guān)軟壓板、GOOSE出口合閘跳閘、啟動(dòng)失靈等軟壓板。

3.3 檢修狀態(tài)壓板

設(shè)置檢修狀態(tài)壓板作用是屏蔽裝置的故障動(dòng)作信息，不與站控層互通。智能變電站檢修過程中防止發(fā)生誤分合閘事故，在保護(hù)系統(tǒng)、測控裝置、智能操作箱都配置了檢修態(tài)硬壓板。檢修硬壓板原理：投入裝置檢修壓板，在其網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)嵌入了相關(guān)檢修標(biāo)記，裝置的狀態(tài)識(shí)別此標(biāo)記。例如：保護(hù)裝置檢修壓板投入，智能操作箱為正常狀態(tài)，當(dāng)保護(hù)裝置發(fā)分閘命令后，開關(guān)不動(dòng)作跳閘，因智能操作箱的檢修壓板投入，二者狀態(tài)不對(duì)應(yīng)則不能發(fā)信跳閘[3]。

4 智能開關(guān)站巡視檢查項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)行注意事項(xiàng)

猴子巖智能開關(guān)站投運(yùn)至今運(yùn)行安全平穩(wěn)，無設(shè)備事故發(fā)生，結(jié)合電站日常運(yùn)行規(guī)定制定出基本巡回檢查標(biāo)準(zhǔn)，說明智能站運(yùn)行中注意事項(xiàng)。

4.1 巡視檢查

智能開關(guān)站每天至少巡視檢查1次。巡視檢查主要內(nèi)容是對(duì)運(yùn)行中的智能開關(guān)站相關(guān)設(shè)備外觀檢查，如有異常情況做好記錄，并根據(jù)異常情況的性質(zhì)等級(jí)要求按規(guī)定上報(bào)并處理，如下所述。

4.1.1 定期工作

為保證智能站系統(tǒng)運(yùn)行正常，須定期進(jìn)行檢查維護(hù)工作。1）定時(shí)巡視智能站各二次設(shè)備及其網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，每班至少巡視一次。2）交接班時(shí)應(yīng)對(duì)智能站后臺(tái)監(jiān)控主畫面、設(shè)備報(bào)警一覽表、事件一覽表等畫面進(jìn)行檢查。3）運(yùn)行人員應(yīng)定期對(duì)數(shù)字化保護(hù)裝置進(jìn)行采樣值檢查和時(shí)鐘校對(duì)，每月一次。

4.1.2 巡檢項(xiàng)目

為維持設(shè)備的原有性能，對(duì)設(shè)備進(jìn)行巡回檢查，在早期發(fā)現(xiàn)設(shè)備的隱患和缺陷。1）智能站后臺(tái)主機(jī)、主交換機(jī)工作是否正常，是否有故障信號(hào)報(bào)警。2）設(shè)備報(bào)警一覽表是否顯示有繼電保護(hù)裝置、高周安穩(wěn)新的動(dòng)作報(bào)告。3）各子交換機(jī)、數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)機(jī)工作是否正常，是否有故障信號(hào)報(bào)警。4）檢查各保護(hù)屏柜后打印紙是否充足、油墨是否用盡，打印字跡是否清晰。5）檢查各斷路器智能終端無報(bào)警、GOOSE斷鏈信息，位置指示燈指示的相應(yīng)開關(guān)位置與實(shí)際開關(guān)位置一致。6）檢查各斷路器智能測控裝置無地隔刀失電、氣室壓力報(bào)警、PT失電等報(bào)警信號(hào)。7）查看各測控裝置指示燈正常，觸摸屏無花屏、數(shù)據(jù)顯示正常、無報(bào)警。8）查看各屏內(nèi)設(shè)備，各切換開關(guān)、壓板在正確位置。9）檢查裝置無異味、異音；各保護(hù)盤柜門關(guān)閉良好，電纜孔封堵嚴(yán)密。10）檢查各層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)柜內(nèi)散熱風(fēng)機(jī)電源空開合閘或在再投入，風(fēng)機(jī)運(yùn)行正常。11）檢查各屏盤內(nèi)光纖連接無異常，光纖盒無松動(dòng)。

4.2 運(yùn)行注意事項(xiàng)

為確保設(shè)備可靠使用及人員的安全，在使用和維護(hù)時(shí)需要遵守如下幾點(diǎn)。1）在保護(hù)裝置、智能終端、測控裝置及其二次回路上進(jìn)行檢修維護(hù)工作前，運(yùn)行值班人員應(yīng)按工作票的措施要求與實(shí)際情況做好安全措施；凡可能引起保護(hù)裝置誤動(dòng)的一切工作，運(yùn)行值班人員必須采取防止保護(hù)裝置誤動(dòng)的有效措施。2）某一斷路器停電檢修時(shí)，該斷路器所在間隔匯控柜內(nèi)智能測控裝置“檢修壓板”不得隨意投入。3）單套配置的間隔智能終端故障，以及雙重化配置的間隔智能終端雙套均發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)視作間隔失去保護(hù)，向調(diào)度申請(qǐng)停用一次設(shè)備，退出故障間隔的保護(hù)及其他間隔保護(hù)(如母差保護(hù)、主變保護(hù))等相關(guān)壓板。4）運(yùn)行中的斷路器，停用任意一套智能終端直流電源或進(jìn)行裝置復(fù)位前，必須退出保護(hù)出口壓板，防止發(fā)生勿動(dòng)作；恢復(fù)直流電源后，應(yīng)確認(rèn)裝置工作正常無異常報(bào)警信號(hào)、GOOSE斷鏈、重合閘、跳閘等信號(hào)后，檢查保護(hù)出口壓板兩端確無電壓方可投入。5）電壓互感器斷線時(shí)，應(yīng)立即停止與其相關(guān)的所有工作，查明原因后方可恢復(fù)工作。巡視相關(guān)微機(jī)保護(hù)裝置，如電壓互感器斷線閉鎖信號(hào)正確發(fā)出，可暫不退出保護(hù)，檢查二次回路是否正常；如有其他異常報(bào)警信號(hào)，應(yīng)立即通知維護(hù)人員處理。6）執(zhí)行二次設(shè)備安全措施時(shí)，應(yīng)先退出運(yùn)行設(shè)備中的接收軟壓板，再退出檢修設(shè)備的發(fā)送軟壓板。7）交換機(jī)是智能站網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，其遠(yuǎn)方控制、保護(hù)跳閘、位置信號(hào)上送均依賴交換機(jī)。正常運(yùn)行中，嚴(yán)禁進(jìn)行交換機(jī)的任何作業(yè)，包括復(fù)位、重啟、調(diào)試光纖接口等。

5 智能開關(guān)站事故及典型故障處理

智能開關(guān)站較常規(guī)開關(guān)站有一定的復(fù)雜性，創(chuàng)新性，設(shè)備平時(shí)日常運(yùn)行中發(fā)生事故及故障的情況不可避免，下面列舉幾種智能開關(guān)站典型故障及處理方法。

5.1 智能站后臺(tái)遙控500kV 斷路器、隔離開關(guān)“分/合”失敗

現(xiàn)象：智能站后臺(tái)開出操作命令后，現(xiàn)場開關(guān)刀閘未動(dòng)作，未收到執(zhí)行反饋信號(hào)。

處理：1）一次開出不成功后，嚴(yán)禁再次嘗試操作，查看網(wǎng)絡(luò)通信是否正常，檢查登錄名及密碼是否正確。2）查看現(xiàn)場設(shè)備有無故障及報(bào)警信息。3）檢查智能終端操作電源、開出電源是否合閘良好，“分相跳合閘”壓板正確投入。4）檢查間隔匯控柜內(nèi)測控裝置的切換開關(guān)是否在“遠(yuǎn)方”“智能控制”位置，“遙控分合”壓板正確投入，“投檢修態(tài)”在退出。5）檢查斷路器、隔離開關(guān)的控制方式在“遠(yuǎn)方”位置。6）檢查斷路器有無低油壓、低氣壓閉鎖。7）檢查開出繼電器是否動(dòng)作正常。

5.2 GOOSE通信中斷

現(xiàn)象：1）智能站后臺(tái)以及上位機(jī)報(bào)“GOOSE斷鏈”、“采樣數(shù)據(jù)異?！?、“開關(guān)位置無效”等信號(hào)[3]。2）智能站后臺(tái)及上位機(jī)臺(tái)無法查看該裝置的遙信、遙控信息。3）現(xiàn)場設(shè)備報(bào)警指示燈和GOOSE斷鏈指示燈點(diǎn)亮。

處理：1）若當(dāng)前有操作，應(yīng)立即停止對(duì)通信中斷設(shè)備的遠(yuǎn)方操作。2）若智能終端GOOSE斷鏈，則應(yīng)立即向省調(diào)匯報(bào)情況，申請(qǐng)退出該智能終端出口壓板，停用相關(guān)保護(hù)裝置重合閘功能，同時(shí)根據(jù)需要退出受影響的相關(guān)保護(hù)裝置。3）若保護(hù)裝置和智能終端大規(guī)模報(bào)“GOOSE斷鏈”、“采樣數(shù)據(jù)異常”、“開關(guān)位置無效”等信號(hào)，則可能是過程層交換機(jī)掉電。應(yīng)立即向省調(diào)匯報(bào)并申請(qǐng)停用相關(guān)設(shè)備，做好隔離，并通知維護(hù)人員處理。

5.3 智能終端異常或者故障

現(xiàn)象：1）智能站后臺(tái)以及上位機(jī)報(bào)智能裝置故障和閉鎖信息，或者無法查看其運(yùn)行信息。2）現(xiàn)場檢查智能終端報(bào)警燈點(diǎn)亮或者運(yùn)行燈熄滅。

處理：1）立即檢查智能終端異常原因，匯報(bào)省調(diào)及相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)。2）如果發(fā)現(xiàn)是雙套智能終端異常故障、死機(jī)，導(dǎo)致一次設(shè)備無保護(hù)的，則應(yīng)申請(qǐng)停用相應(yīng)一次設(shè)備。3）若為雙套配置其中單套故障，則應(yīng)立即申請(qǐng)停運(yùn)相關(guān)的裝置等，做好隔離措施，通知維護(hù)人員處理。4）若單套智能終端死機(jī)，匯報(bào)省調(diào)經(jīng)同意后可重啟智能終端裝置一次。重啟后，智能終端恢復(fù)正常，則退出"檢修狀態(tài)"壓板，投入用跳、合閘出口壓板以及測控裝置的遙控分/合閘壓板，并將原因及處理結(jié)論匯報(bào)省調(diào)；若智能終端不能恢復(fù)，將設(shè)備情況及狀態(tài)匯報(bào)省調(diào)，按調(diào)度命令調(diào)整保護(hù)運(yùn)行方式，并通知維護(hù)人員。

6 結(jié)語

智能化開關(guān)站技術(shù)在我國還在持續(xù)發(fā)展，隨著科技的發(fā)展，智能化站開發(fā)會(huì)更加成熟，全面實(shí)現(xiàn)智能站會(huì)減少大量的運(yùn)行維護(hù)成本，狀態(tài)化維護(hù)檢修，提高供電可靠性，經(jīng)濟(jì)效益大大增加。猴子巖水電站作為四川省首座智能開關(guān)站，投產(chǎn)至今已安全運(yùn)行5年有余，在智能開關(guān)站配置上有很大膽的嘗試性、新穎性。該文對(duì)猴子巖智能開關(guān)站設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)配置進(jìn)行了簡要介紹，簡單地闡述了與普通開關(guān)站的不同之處，結(jié)合猴子巖智能開關(guān)站安全穩(wěn)定運(yùn)行多年的經(jīng)驗(yàn)，制定出相關(guān)的巡檢標(biāo)準(zhǔn)及運(yùn)行注意事項(xiàng)。并針對(duì)智能開關(guān)站日常中可能發(fā)生的事故及故障給出了處理辦法，對(duì)于今后水電站在智能開關(guān)站運(yùn)行、維護(hù)等方面有較成熟的參考價(jià)值。