GIS匯控柜的運(yùn)用及其優(yōu)勢(shì)
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本文作者：須雷、黃俊、趙希才 單位：南京南瑞繼保電氣有限公司，國(guó)電西藏尼洋河流域水電開(kāi)發(fā)有限公司
0引言
長(zhǎng)江三峽右岸地下電站位于三峽右岸大壩“百石尖”山體內(nèi)，所有設(shè)備均位于巨大的拱形山洞內(nèi)，由于地形條件的限制，按照常規(guī)規(guī)劃設(shè)計(jì)電站二次保護(hù)控制設(shè)備室已無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)要求。為此，工程采用了500kVgis智能化匯控柜［1－2］?；贕IS智能匯控柜的電站一、二次一體化解決方案，充分利用分層分布式控制原理，應(yīng)用智能控制裝置完成電站二次測(cè)控與GIS控制，構(gòu)成面向間隔的智能匯控柜。
1GIS智能化匯控柜
1．1數(shù)字化變電站
變電站的數(shù)字化是一個(gè)不斷發(fā)展的過(guò)程。就目前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀而言，數(shù)字化變電站是由電子式互感器、智能化開(kāi)關(guān)等智能化一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備分層構(gòu)建，建立在IEC61850通信規(guī)約［3］基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)變電站內(nèi)智能電氣設(shè)備間信息共享和互操作的現(xiàn)代化變電站［4］。
1．2智能化一次設(shè)備
智能化的一次設(shè)備是實(shí)現(xiàn)面向IEC61850新標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化變電站的重要組成部分，它可以利用現(xiàn)有的成熟的二次技術(shù)，結(jié)合傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)設(shè)備，提升智能化水平。它基本定義為具有較高性能的開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備，配有電子設(shè)備、傳感器和執(zhí)行器，不僅具有開(kāi)關(guān)設(shè)備的基本功能，還具有附加功能，尤其在監(jiān)測(cè)和診斷方面。主要包含:在線(xiàn)監(jiān)測(cè)功能、智能控制功能、數(shù)字化的接口、電子操動(dòng)等功能。
1．3GIS智能化匯控柜
在現(xiàn)階段，利用現(xiàn)有成熟的二次技術(shù)和傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)設(shè)備相結(jié)合，提升其智能化水平，是實(shí)現(xiàn)GIS開(kāi)關(guān)設(shè)備智能化的現(xiàn)實(shí)可行方案。目前已有針對(duì)GIS監(jiān)控的智能控制裝置，并設(shè)計(jì)了基于智能控制裝置的保護(hù)及智能控制柜。其中智能控制裝置是以先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)GIS設(shè)備的位置信號(hào)采集和監(jiān)視、模擬量信號(hào)采集與顯示、遠(yuǎn)方/就地控制、信號(hào)操作事件記錄與上傳、諧波分析、儲(chǔ)能電機(jī)的驅(qū)動(dòng)和控制、在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、基于網(wǎng)絡(luò)通信的軟件聯(lián)鎖等一系列功能。將傳統(tǒng)的二次測(cè)控功能與GIS監(jiān)控有機(jī)結(jié)合在一起，聯(lián)合組屏設(shè)計(jì)、優(yōu)化控制回路，構(gòu)成智能的控制功能，并可與相關(guān)的保護(hù)裝置一起組屏安放于GIS旁，構(gòu)成保護(hù)及智能一體化控制柜，實(shí)現(xiàn)面向間隔的保護(hù)、測(cè)控和GIS智能控制一體化。形成基于保護(hù)及智能控制柜的變電站基本結(jié)構(gòu)，圖1展示了GIS智能化匯控柜的技術(shù)思路。它將保護(hù)、測(cè)控和GIS智能控制集成于智能控制柜中，安放在GIS室，對(duì)下與GIS機(jī)構(gòu)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的接插端子連接，優(yōu)化了二次回路的設(shè)計(jì)，對(duì)上節(jié)省了大量電纜，通過(guò)一根光纜直接與主控室連接，構(gòu)成了基于一次設(shè)備智能化的數(shù)字化變電站。在三峽右岸地下電站按照這一概念設(shè)計(jì)的首座變電站已經(jīng)于2006年3月順利投運(yùn)。
2GIS智能化匯控柜在長(zhǎng)江三峽右岸地下電站的應(yīng)用
2．1變電站概況
三峽右岸地下電站的主接線(xiàn)形式為3/2斷路器接線(xiàn);一共為5串(1串線(xiàn)變串為預(yù)留間隔)，6條發(fā)變組進(jìn)線(xiàn)(TR27～TR32)分別單獨(dú)經(jīng)斷路器間隔接變壓器母線(xiàn)，該母線(xiàn)再經(jīng)刀閘與5個(gè)3/2斷路器接線(xiàn)的線(xiàn)變串中的3個(gè)變壓器間隔相連。電壓等級(jí)為500kV，一次設(shè)備采用西安高壓電氣股份有限公司的全封閉組合電器(GIS)。其主接線(xiàn)圖見(jiàn)圖2。
2．2智能匯控柜的配置方案
所有斷路器間隔配置一面智能匯控柜，智能匯控柜由兩面屏組合而成:左柜為現(xiàn)地柜，內(nèi)裝GIS本體電機(jī)驅(qū)動(dòng)接觸器、GIS就地操作指示模擬盤(pán);右柜為智能控制柜，內(nèi)有GIS智能控制裝置PCS－9821、操作箱CZX－22R、壓板、空開(kāi)、交換機(jī)等［5］。GIS本體同智能匯控柜間通過(guò)接插端子連接，接插端子定義由一、二次設(shè)備廠(chǎng)家雙方共同制定，取消原GIS匯控柜內(nèi)的所有告警、閉鎖、顯示等信號(hào)，功能由智能控制裝置實(shí)現(xiàn)。與單元間隔有關(guān)的保護(hù)裝置組屏后置于GIS智能匯控柜旁，與智能匯控柜聯(lián)合設(shè)計(jì)，組成面向間隔的保護(hù)、智能匯控屏組，一些開(kāi)關(guān)本體的信號(hào)直接引入到保護(hù)屏內(nèi)，減少中間轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)，由此解決了三峽右岸地下電站場(chǎng)地狹小，布置困難的問(wèn)題，同時(shí)這種一、二次一體化解決方案也可有效解決電站電纜使用量大，安裝、調(diào)試周期長(zhǎng)等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。具體到線(xiàn)變串，一個(gè)線(xiàn)變串配置三面智能匯控柜(現(xiàn)地柜+智能控制柜)和八面保護(hù)柜(線(xiàn)路保護(hù)、變壓器保護(hù)、短引線(xiàn)保護(hù)、分布式母線(xiàn)保護(hù)子單元、錄波系統(tǒng)采集單元、安穩(wěn)系統(tǒng)I/O單元及PMU采集單元等)。圖3展示了安裝在三峽右岸地下電站的GIS智能化匯控柜。
2．3與水電站監(jiān)控系統(tǒng)的配合
GIS設(shè)備層的智能控制裝置及其它二次設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)、GIS智能測(cè)控系統(tǒng)管理機(jī)與水電站監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信，見(jiàn)圖4。水電站監(jiān)控系統(tǒng)2臺(tái)調(diào)度通信服務(wù)器作為主站與500kVGIS智能測(cè)控系統(tǒng)管理機(jī)進(jìn)行通信，通信規(guī)約采用IEC60870－5－104規(guī)約，通信介質(zhì)采用100M多模光纖。調(diào)度通信服務(wù)器與測(cè)控系統(tǒng)管理機(jī)采用交叉冗余連接方式。測(cè)控系統(tǒng)管理機(jī)采用雙主機(jī)模式對(duì)主站通信。水電站監(jiān)控系統(tǒng)只能從單通道下發(fā)控制命令。取消水電站監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)關(guān)站LCU對(duì)GIS控制裝置的所有開(kāi)出(DO)回路，水電站監(jiān)控系統(tǒng)控制命令通過(guò)通信方式下發(fā)GIS控制設(shè)備完成。GIS智能測(cè)控系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)設(shè)備控制權(quán)硬把手，進(jìn)行控制權(quán)切換，以保證水電站監(jiān)控系統(tǒng)與GIS智能測(cè)控系統(tǒng)在任何時(shí)刻只能有其中一套系統(tǒng)對(duì)斷路器等開(kāi)關(guān)進(jìn)行操作。開(kāi)關(guān)站自動(dòng)準(zhǔn)同期功能由開(kāi)關(guān)站500kV串上智能控制柜內(nèi)的智能裝置完成。水電站監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)500kV系統(tǒng)關(guān)鍵量“直采直送”，包括:500kV斷路器的分合位置、500kV母線(xiàn)電壓/頻率、500kV線(xiàn)路有功/無(wú)功功率等。
2．4運(yùn)行情況
2011年5月24日，三峽右岸地下電站首臺(tái)機(jī)組正式投產(chǎn)運(yùn)行，GIS智能化匯控柜運(yùn)行良好。
3應(yīng)用GIS智能化匯控柜的技術(shù)優(yōu)勢(shì)
應(yīng)用GIS智能化匯控柜的技術(shù)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
(1)節(jié)約了電纜等材料投資以及相應(yīng)的施工投資數(shù)字化變電站建設(shè)的一個(gè)主要現(xiàn)實(shí)目標(biāo)是為了減少變電站內(nèi)控制電纜的數(shù)量，一方面由于原材料的漲價(jià)，電纜成本越來(lái)越高;另一方面，光纜電磁兼容性能遠(yuǎn)好于電纜，能顯著提高變電站內(nèi)信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?。另外，變模擬信號(hào)為數(shù)字信號(hào)能大大增加傳輸?shù)膸捄托畔⒘俊?/p>
(2)節(jié)約了保護(hù)小室及主控室等的占地面積和投資應(yīng)用智能化GIS控制柜使得保護(hù)控制下放成為可能，從而能夠顯著地減少保護(hù)小室和主控室的占地面積，這對(duì)一些需要盡量減少變電站土地的城市變電站和地下變電站來(lái)說(shuō)有明顯的效益。
(3)優(yōu)化了二次回路和結(jié)構(gòu)原來(lái)由于一次和二次的專(zhuān)業(yè)細(xì)分，使得原傳統(tǒng)匯控柜內(nèi)的許多功能與保護(hù)控制二次中的功能相重復(fù)。例如防跳、壓力閉鎖、三相不一致等等?；谝弧⒍握系腉IS智能控制柜能夠有效地取消和簡(jiǎn)化冗余回路，提高了整個(gè)二次回路的可靠性。
(4)智能控制裝置提供了系統(tǒng)的交互性引入智能控制裝置以后，友好的中文液晶人機(jī)界面以及豐富的自檢和就地操作報(bào)告功能，使得運(yùn)行維護(hù)人員無(wú)論在就地還是遠(yuǎn)方都能及時(shí)了解GIS的運(yùn)行情況。
(5)聯(lián)調(diào)在出廠(chǎng)前完成，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試工作量減少傳統(tǒng)方案中，一次設(shè)備和二次設(shè)備的電纜連接和調(diào)試只能到現(xiàn)場(chǎng)后完成，調(diào)試周期比較長(zhǎng)，新方案中一、二次設(shè)備聯(lián)調(diào)在廠(chǎng)內(nèi)完成，到現(xiàn)場(chǎng)后調(diào)試工作量極小，能夠顯著地縮短投運(yùn)周期。
(6)一次二次聯(lián)合設(shè)計(jì)，減輕了設(shè)計(jì)院的負(fù)擔(dān)原來(lái)一次和二次設(shè)備分別由雙方廠(chǎng)家分別出圖，中間的電纜信號(hào)連接由設(shè)計(jì)院完成，應(yīng)用一、二次結(jié)合的新方案后，由兩個(gè)廠(chǎng)家聯(lián)合出圖并對(duì)圖紙的正確性負(fù)責(zé)，減輕了設(shè)計(jì)院的負(fù)擔(dān)。
(7)基于通信和組態(tài)軟件的聯(lián)鎖功能比傳統(tǒng)硬接點(diǎn)聯(lián)鎖方便智能控制裝置能夠采集到間隔內(nèi)所有刀閘位置，且間隔間也有光纜連接，所以可以方便地實(shí)現(xiàn)基于軟件和通信的聯(lián)鎖，能顯著減少機(jī)構(gòu)輔助接點(diǎn)數(shù)量，提高系統(tǒng)的可靠性。
(8)縮小了與互感器的電氣距離，減輕了互感器的負(fù)載新方案下互感器與保護(hù)控制設(shè)備的電氣距離大大縮短，減輕了互感器的負(fù)載，使得互感器的容量選擇更為容易，也為小功率互感器(LPCT)的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。
4結(jié)語(yǔ)
受地形條件限制，節(jié)約占地對(duì)于水電站升壓站的建設(shè)具有十分重要的意義。采用最新的數(shù)字化技術(shù)，對(duì)GIS匯控柜進(jìn)行智能化改造可以滿(mǎn)足這一需求。水電站監(jiān)控系統(tǒng)和GIS智能測(cè)控系統(tǒng)的進(jìn)一步融合，將是水電站數(shù)字化和智能化下一步發(fā)展所要思考和解決的問(wèn)題。