金沙水電站數字化GIS開關站選型設計與應用

龍秀斌 鄭祥偉 王立寶

摘要：目前，數字化水電站研究應用還處于起步階段，而數字化變電站已有較多成功應用的案例。為推廣數字化開關站在水電站的設計應用，對比數字化開關站與傳統開關站的優缺點，從數字化開關站的互感器選型、保護裝置選型、組網方案設計3個重要方面進行了分析對比，結合金沙水電站數字化GIS開關站的選型設計，介紹了該電站數字化GIS開關站系統運行情況，提出了現階段水電站數字化開關站選型設計建議，以期對水電站數字化開關站的選型設計和應用發展提供參考和借鑒。

關鍵詞：數字化GIS開關站; 開關站選型; IEC61850; 智能終端; 金沙水電站

中圖法分類號：TV736 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.021

文章編號：1006 - 0081（2022）03 - 0094 - 06

0 引 言

為適應變電站自動化技術的快速發展，國際電工委員會第57技術委員會（IEC TC57）于2004年制訂發布了IEC61850 Ed1.0標準，2007年IEC TC57又發布了IEC61850 Ed2.0標準，其應用領域從變電站擴展到整個“電力系統自動化”，其標準得到了進一步擴展與完善。2004年，IEC61850標準開始在中國變電站推廣應用，行業統稱為“數字化變電站”。目前，采用IEC61850實現信息交互標準化已經成為國內電力行業的一致共識，國家電網公司也提出“建設數字化電網，打造信息化企業”的戰略方針。作為數字化電網的起點，數字化智能電站是數字化電網重要組成部分，而IEC61850-7-410水力發電標準的建立，為IEC61850在水電站的應用提供了理論依據。

相對于水電站傳統開關站，數字化開關站電氣一次部分基本相同，區別主要在于互感器的選取;二次部分區別在于信息采集傳輸和交互方式的不同[1-3]。目前水電站數字化研究應用剛起步，主要涉及開關站、保護、監控等系統，機組勵磁、調速系統尚不完全具備IEC61850功能[4-5]。數字化GIS開關站是當今世界水電站發展趨勢，目前已在國內多座水電站，如亭子口、猴子巖、沙坪二級、葛洲壩二江、溪洛渡左岸電站等成功投運。本文闡述了數字化開關站引用標準的發展及行業現狀，以金沙水電站數字化GIS開關站為例，從互感器選型設計、保護裝置配置、系統組網方案等方面著手，對比分析了國內電站常見選型設計方案，從安全可靠、經濟靈活性出發，提出了現階段適宜的選型方案。

1 數字化開關站與傳統開關站的優缺點

1.1 傳統GIS開關站缺點

（1） 二次電纜及電纜橋架工程量大，材料造價高;電纜敷設和配線人力成本高，費時費力。

（2） 二次接線復雜，出現錯誤接線不易調換和查找故障;設計變更或工程擴建時，電纜敷設及接線改動量大，靈活性差。

（3） 二次電纜用于電信號傳遞，信號抗干擾能力差，對屏蔽接地工藝要求較高;保護裝置電纜可能受電纜絕緣老化和直流接地影響，造成保護拒動或誤動。

（4） 互感器配置較多，大型互感器成本較高;互感器二次輸出受勵磁特性及二次回路阻抗影響;互感器二次接線可能產生高電壓、大電流的情況，人身、設備安全風險高。

（5） 二次設備配置較多，各系統通信規約不一致，通信接口不同，設備改造、升級難度較大，無法形成統一數據互聯平臺以實現遠方智能控制。

1.2 數字化GIS開關站優點

（1） 匯控柜、保護裝置、監控系統原大量二次電纜由專用光纖進行替代，工程造價有所減少。

（2） 信號抗干擾能力大大增強，提高了保護、監控系統數據采樣精度，智能測控裝置可實現斷鏈通道告警，方便維護人員查找故障。

（3） 減少了大型互感器配置數量，電磁式互感器傳輸距離短，輸出容量減小，節約了設備制造成本;電子式互感器的使用減少了電磁式電壓互感器短路和電流互感器開路風險，設備安全和人身安全大大加強。

（4） 智能終端和智能測控裝置的使用，改變了傳統開關站匯控柜結構，監控系統開關站LCU可不再配置，減少了二次設備配置的數量，節約了設備投資成本。

（5） 數字化GIS開關站設備均按IEC61850通信標準，建立信息模型和接口，確保了保護裝置、監控系統互聯通信，真正實現了數字化交互，智能化控制，保護裝置信息可實現遠程打印，有利于電站自動化管理。

（6） 開關站設備更新或工程擴建時，只需更換GIS智能裝置或新增間隔設備，其互聯通信由網絡交換機完成，設備擴展性強，工程量小，避免重復建設和投資[6-9]。

2 水電站數字化開關站選型設計

2.1 互感器選型設計

按主要工作原理及結構分類，互感器主要分兩大類：傳統電磁式互感器和電子式互感器，其中，電子式互感器又分為有源型電子式互感器和無源型電子式互感器。電子式互感器絕緣結構簡單可靠、體積小、重量輕、線性度好、無飽和現象且輸出信號可直接送至微機化計量、保護設備接口進行采樣，在電力系統中具有廣闊的發展及應用前景。但電子式互感器造價高，產品投入市場的時間相對較短、技術還未完全成熟，在實際應用中穩定性、可靠性尚有提升空間，目前110 kV電壓等級以上的數字化變電站應用較多。經過對已投運智能變電站電子式互感器使用的統計，產品制造和運行過程中存在的主要問題見表1。

由于水電站勵磁、調速、發變組保護系統需要采集使用開關站的CT，VT信號，目前這些系統設備還不能完全可靠地支持IEC61850接口;且電子式互感器在應用時也存在一些問題，這些問題未能有效解決，結合國家電網安全可靠規定要求，現階段水電站數字化開關站仍宜選用傳統電磁式互感器。

2.2 數字化開關站保護裝置選型設計

開關站保護裝置選型設計主要有直采直跳、直采網跳、網采網跳3種方式。在早期的智能變電站二次回路設計中，曾經廣泛基于IEC61850-9-2標準的組網方案，每個間隔配置一臺間隔交換機，站控層設置主干網交換機。間隔層交換機和過程層交換機之間傳輸 GOOSE 跳閘信息、聯閉鎖信號、失靈啟動開入、開關狀態信息，即網采網跳方式。按這種組網方式，會存在以下不利因素：

（1）當出現網絡延時不穩定時，對保護快速動作造成不利影響;

（2）對網絡交換機的依賴性較強，當交換機發生故障時存在造成保護誤動的風險;

（3）對GPS的同步信號依賴性很強，當同步信號丟失后，可能會造成各側的采樣不同步，產生差流。

針對IEC61850-9-2組網模式存在的不利因素，國網智能變電站技術導則提出了直采直跳模式（即點對式）的智能變電站保護設計規范，明確了智能變電站繼電保護應遵循直接采樣、直接跳閘、雙重化配置的原則以及對網絡的總體要求。直接采樣是指保護裝置不經過交換機而是以點對點光纖直聯方式進行采樣值傳輸，直接跳閘是指保護裝置不經過交換機而以點對點光纖直聯方式進行跳合閘信號的傳輸，而繼電保護之間的聯閉鎖、失靈啟動等信息宜采用GOOSE網絡傳輸方式。水電站在選型時宜選擇支持傳統電磁式互感器電纜直采，GOOSE網絡點對點跳閘方式的母線、線路保護裝置[11-13]。

2.3 數字化GIS開關站組網方案設計

數字化GIS開關站主流采用“三層三網”或“三層兩網”設計?！叭龑尤W”基于過程層SV和GOOSE獨立組網方案，在就地智能匯控柜布置合并單元和智能終端，過程層SV，GOOSE分別使用交換機獨立組網，SV網與GOOSE網不存在物理連接。SV組網能夠實現全站采樣數據的共享，GOOSE組網也能夠實現網絡跳閘及開關量信號的共享，滿足IEC61850功能分布、信息共享的要求。同時實現了繼電保護采集、跳閘回路的完全獨立，即從互感器線圈一直到開關跳閘線圈都是雙重化配置，不存在任何交叉，提高了SV和GOOSE傳輸的可靠性，已投運的葛洲壩大江500 kV開關站（改造）采用此方案?！叭龑觾删W”基于傳統采樣及過程層GOOSE組網的方案，使用電纜將傳統互感器的交流量直接接入保護、測控等設備，在GIS室智能匯控柜配置過程層智能終端，將設備的信息及操作數字化，采用IEC61850規約，組成基于GOOSE服務的以太網絡。與之相關的間隔層保護及自動化裝置，則通過光纖以太網與智能終端相連接實現信息共享。保護裝置可以根據需要安裝在繼保室或GIS室，已投運的猴子巖、沙坪二級、金沙水電站皆采用此方案。

“三層三網”方案過程層網絡結構較復雜，增加了交換機的投資。但通過過程層SV和GOOSE組網，用少量光纖代替了大量電纜，節約了電纜及施工成本，總體上節省了開關站的投資?！叭龑觾删W”方案采用傳統模擬量采樣方式，安全可靠性高，通過組建過程層GOOSE網，原來一次設備與保護及自動化裝置之間的大量電纜被少量通信光纜代替，過程層的高速采樣數據可以被不同類型的裝置共享，從而大大簡化了現場的二次接線[14-15]，網絡結構示意圖詳見圖1。

3 金沙水電站工程簡介

3.1 金沙水電站總體概況

金沙水電站是金沙江中游十級水電樞紐規劃的第九級，位于金沙江中游攀枝花市西區河段，上距觀音巖水電站28.90 km，下距銀江水電站21.30 km，多年平均流量1 870 m3/s。電站為河床式電站，采用左廠右泄的結構設計，最大壩高66 m，水庫正常蓄水位1 022 m，總庫容1.08億m3，調節庫容1 120萬m3，裝設4臺軸流轉槳式水輪發電機組，總裝機容量56萬kW（560 MW），多年平均發電量為21.77億kW·h，首臺機組于2020年11月30日并網發電。

3.2 金沙水電站主接線及GIS布置

金沙水電站發電機-變壓器采用一機一變單元接線，220 kV主母線采用雙母線接線，經2回出線輸送電能至國網西佛寺變電站。數字式GIS開關站布置在高程1 021 m副廠房內，成一字形布置，GIS配電裝置共10個間隔，分別為4個主變間隔、2個PT間隔、一個聯絡間隔、3回出線間隔（一回預留）。GIS智能匯控柜布置在GIS室下游側，成一字型布置，GIS室設備整體布置詳見圖2。

4 金沙水電站數字化GIS開關站選型配置

金沙水電站數字化GIS開關站采用“三層兩網”組網方案，主要由過程層設備、間隔層設備、站控層設備構成，由GOOSE網、MMS網組成網絡。過程層設備主要由一次開關設備、傳統互感器、NR智能終端PCS-222組成;間隔層設備主要由NR智能控制裝置PCS-9821、母線保護裝置PCS-915A-DG-G、線路保護裝置、開關站間隔層網絡交換機組成;站控層設備主要配置監控主機兼操作員站、站控層網絡交換機、防火墻設備。開關站互感器采用傳統電磁式互感器，方便電站各系統取用。保護裝置采用直采直跳方式，將GOOSE跳合閘命令接至智能匯控柜內南瑞智能終端以硬接線方式跳閘。電站主監控系統通過MMS網絡與監控主機兼操作員站通信，由監控主機通過MMS網絡交換機傳遞遙控命令至智能控制裝置，由智能控制裝置發信至智能終端去分合一次設備。站控層、間隔層MMS網絡屬于安全Ⅰ區，開關站故障錄波裝置開關量采樣通過MMS站控層網絡進行采樣，模擬量采用電纜直采，而保信子站屬于安全Ⅱ區，即開關站故障錄波裝置既要與安全Ⅰ區交互，又要與安全Ⅱ區交互信息。為了解決網絡安全分區交叉問題，金沙水電站開關站故障錄波裝置采用在內部硬件上，將MMS網和故障錄波通信接口進行隔離。數字化GIS開關站網絡詳見圖3。

5 金沙水電站數字化GIS開關站運行情況

數字化GIS開關站隨金沙水電站首臺機組投產以來，其GIS室一次設備、智能控制裝置、智能終端、保護裝置運行無故障，GOOSE網絡、MMS網絡運行正常，金沙水電站主監控系統與開關站監控主機兼操作員站通信正常，上位機開關站設備監視數據正常，設備運行工況安全可靠。中控室值班人員可全程監視設備運行情況，設備運行數據自動存儲歷史數據庫，設備自診斷功能和人工巡盤相結合，大大提高了設備運行管理水平。母線、線路等保護裝置保護定值，智能匯控柜信息均可在開關站監控主機兼操作員站進行查看和打印，方便了人員操作，提高了工作效率。智能匯控柜操作方式采用設備直接控制，軟件解鎖及硬件解鎖，運行人員可根據使用情況進行解閉鎖操作，大大提高了設備操作的靈活性。智能控制裝置可以現地查看數據采樣信息，并配置有檢同期功能，取代了傳統開關站的開關站測控或監控LCU功能?；贗EC61850規約，開關站相關設備實現了通信接口標準化，在做好網絡安全分區的同時，實現電站各系統安全可靠通信。

6 結 語

金沙水電站于2021年10月4臺機組全部投產發電，屬于新近設計建造完成的大Ⅱ型水電站，是國家西部大開發30項重點工程之一，同時也是四川省、攀枝花市重點工程。目前國內智能變電站發展速度快，應用較廣泛，但水電站數字化開關站還需進一步發展和應用。本文介紹了金沙水電站數字化開關站，選型設計可對智能電廠的研究有一定的參考和借鑒價值，而金沙水電站數字化GIS開關站的成功投運，也對水電站數字化開關站的應用發展有一定的推廣意義。

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（編輯：李 晗）

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