基于光纖通信交互式遠方自投裝置的研發與應用

0　 引言
　　目前，國內電網部分110kV變電站沒有真正實現雙電源供電。即不是直接從220kV變電站引來，而是多座變電站串接在兩座220kV變電站中間，簡稱為“手拉手”式閉環連線開環運行結構。正常時，兩端電源供電，中間的兩座變電站間聯絡斷路器斷開。如下圖1結構。K1~K4，K6~K10閉合，K5斷開，假設左側220kV變電站停電，變電站1內的備自投無法控制K5，導致變電站1，左側220kV變電站全站停電。如何解決這一問題，即檢測、判斷故障，通過何種方式傳遞、變換站間信息，以便隔離故障，提高供電可靠性，一直是一個難題。筆者針對這個問題，聯合邯鄲市德普電力自動化設備有限公司，上海安科瑞電氣有限公司研制了“基于光纖通信交互式遠方自投裝置”，很好的解決了這一問題。

圖1　“手拉手”式電網結構

Fig 1.Hand in Hand Power Network Structure

1　 高壓電網裝設該裝置的背景和意義
　　近階段，河北電網部分變電站采用“手拉手”式結構，不能完全實現真正意義的雙電源供電，當系統發生故障時，經常造成220kV，110kV變電站全站失壓，造成負荷損失，極大地影響了我省部分地區的供電可靠性，但由于電網發展資金的限制，不可能在短時間內通過改善電網結構從根本上解決該問題，這種情況下，需要解決該問題，只能靠安裝安全自動裝置來補救，即基于光纖通信交互式遠方自投裝置。

2　 幾種通信方式的比較
2.1 TCP/IP以太網
　　以太網通信的遠方備自投方案，是應用了計算機網絡通信技術，通過建立以太網內的TCP/IP協議完成裝置間的數據通信，從而實現在局域網內備自投之間的相互通信。每個站的備自投裝置都需安裝發送和接收終端，各有自己的IP地址。這種方式的特點是：必須建立變電站之間的局域網，還需設計開發專用的備自投發送及接收終端，以太網服務器；通信易受干擾，通信交換信息時間過長，安全性能差，維護難度較大。
2.2 GPRS技術
　　GPRS技術的特點是通過點對點或者中心對多點以及多點之間的無線IP連接，數據以“編碼”的形式通過GPRS信道進行通信，利用其傳輸運行狀態信息、故障信息和跳合閘命令信息。這種方式的特點是覆蓋廣，傳輸速度快，可長期在線運行。不足的是：安全性能差，信息交換實時性無法控制，安全性能差，整套設備投資較大。
2.3 光纖通信
　　目前，各個110kV變電站之間基本都實現了光纖通信，其光纖通信傳輸運行狀態信息、故障信息和跳合閘命令信息，具有無誤差，傳輸速度快，傳輸容量大，接口簡便靈活，轉換方便，基本不受外界電磁干擾等優勢，是最可靠的通信通信方式。在此基礎上可實現遠方備自投裝置的任何通信需求。
這種方案投資小，見效快，安全準確，基本無干擾，所以是目前實現遠方備自投的最佳通信方案。

3　 備自投的軟件功能設計
3.1 運行方式分析
　　針對圖1中的問題，裝設的該裝置控制的相鄰兩個變電站四個開關的位置，圖2為裝置裝設圖。

圖2　裝置裝設圖

Fig 2.Device installation Diagram

　　見圖2，根據電力系統運行規則，四個斷路器至少有一個斷路器處于分閘狀態，分析出有運行價值的運行方式，如下所列：
　　方式一：1DL、3DL、4DL閉合，2DL斷開。
　　方式二：1DL、2DL、4DL閉合，3DL斷開。
　　方式三：2DL、3DL、4DL閉合，1DL斷開。
　　方式四：1DL、2DL、3DL閉合，4DL斷開。
　　方式五：1DL、4DL閉合，2DL、3DL斷開。
　　根據功耗的要求，最理想的運行方式為方式五，聯絡線不存在損耗，但是系統以方式五運行時，線路3不帶電，線路3的設備包括電纜、線桿易被盜，長時間不帶電設備會老化；另外如果備自投動作，線路充電時間也很長，電源切換的時間也加長，因此一般不考慮。正常運行時選擇方式一、方式二，電源1給A站供電，電源2給B站供電。如果電源1或者電源2故障停電，自動轉向方式三或方式四。
　　方式三或方式四時，供電都被電源一或電源二承擔，這點也不符合電力系統要求，只能作為臨時供電模式。
2.3 系統正常運行方式下的特點
　　系統在正常運行方式下的特點是：三條線路均帶電；有且僅有1個開關斷開，處在斷開狀態的開關兩側均帶電；4段母線均帶電；當某有一線路發生故障或失電時，需將4段母線恢復帶電狀態；當母線或開關發生故障時，由相關保護裝置切除故障設備。
2.4 變電站間遠方備自投的要求
　　系統在方式一（方式二）運行時，假設電源2（電源1）突然停電，備自投裝置需要斷開4DL（1DL），合上2DL（3DL）；假設電源1（電源2）突然停電，備自投裝置需要斷開1DL（4DL），合上2DL（3DL），保證兩個變電站的四段母線帶電。兩站之間的信息交換可以通過架設的光纖通道完成。
2.5 備自投的功能
　　備自投具有遠方自投和就地自投功能，遠方備自投就地功能在備自投主機/從機通信異常后，投入了“就地備自投功能”才會起作用。
　　在如圖2所示的接線方式，只有在線路1、2、3均帶電的情況下，該裝置（包括遠方功能及就地功能）才具有運行的價值。母線或開關發生故障時可以使用母差等保護裝置動作來閉鎖備自投，在設計該裝置動作邏輯時，僅考慮線路失電（線路故障或電源失電）的情況。根據運行狀態分析和可能發生的失電情況，可以構造出備自投動作及運行方式轉換表。

　　表1　遠方備自投遠方功能動作及運行方式轉換表
　　Table 1.Conversion table of remote function and working pattern of remote reserve power supply auto-switching device

3　 備自投的硬件功能設計
　　該裝置應包含有就地備自投功能，可以在常規線路備自投裝置上進行改造。常規的備自投裝置可以采集進線開關位置，兩條進線的線路電壓、進線電流及母線電壓。通過在常規線路備自投裝置上增加光纖通信模塊、擴展備自投部分的邏輯功能來滿足該裝置的需要。

4　 現場應用
　　利用這一方案設計的該裝置在河北省邯鄲市的兩座變電站裝設。兩變電站直線距離15km，鋪設有單模光纖通道，該裝置使用這一通道完成數據交換，串接在河北電網的兩座220kV變電站間，其中串接的還有4座110kV變電站，6座變電站主要供給多個縣市的工業、農業用戶，居民用戶，停電時間過長會造成工業廢品增加，影響農業生產，人民的生活。該裝置投運后，運行正常。在一次電網倒閘操作中，該裝置實現方式一向方式三的自動切換，操作在500mS內完成，達到了預期的效果。

5　 結語
　　該裝置很好的解決了“手拉手”式電網結構開環運行不能保證連續供電的問題，有一定的推廣價值。
　　驗收委員會認為“110kV系統遠方備自投技術研究”項目研究方法合理，試驗數據真實可信，裝置的使用能有效提高串聯互供接線方式下兩個變電站供電的可靠性。

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