基于220kV变电站二次电气系统设计分析

摘要：本文针对220kV数字变电站二次电气设计原则以及电磁兼容性问题进行了论述。随着变电站数字化进程的加快，二次电气的设计需要不断推进，二次电气设计原则以及电磁兼容性问题均为二次电气设计的重要内容。

关键字：数字化；变电站；二次电气系统

Abstract：In this paper the 220kV digital substation electrical design principles, and electromagnetic compatibility issues are discussed. With the acceleration of the substation digital process, the secondary electrical design need to constantly promote the secondary electrical design principles as well as electromagnetic compatibility issues are secondary electrical design.

Keywords: digital; substation; secondary electrical system

中图分类号：TM411 文献标识码：A 文章编号：

前言

传统的变电站电缆连接设备，二次系统复杂，模拟信号电磁干扰，附加误差大。同时，二次回路安全存在隐患，变电站内与控制中心之间没有完全信息共享平台。二次设备指对一次设备的工作状况进行监视、测量、控制、保护、调节所必需的电气设备，如监控装置、继电保护装置、自动装置、信号器具等。通常还包括电流互感器、电压互感器的二次绕组引出线和站用直流电源。220kV数字变电站通过先进的电子技术，自动控制技术，计算机

技术以及通信技术，对二次设备进行设计与优化，实现对变电站的数字化监控，测量，控制和保护，对于数字化变电站的建设具有重要意义。

1.、本数字化变电站与传统的常规变电站相比的优点

(1)数字化变电站的所有智能设备均按IEC61850标准建立信息模型和通信接口，设备间可实现无缝连接。由于IEC61850的信息采用完善的自解释机制，即使不同设备厂家之间设备存在功能差别，也能在进行各自信息扩展时保证设备之间的互操作性。(2)数字化改造可以大量减少变电站内控制电缆的数量，从而节约电缆成本。(3)数字化改造采用了比电缆具有更好电磁兼容性能的光缆，使变电站内信号传输的可靠性显著提高。(4)使用数字信号大大增加传输的带宽和信息量，常规CT、PT更换为输出数字信号的电子式互感器，电流、电压信号只在源头进行惟一的高精度模数转换，数字化的电流电压信号在传输到二次设备和二次设备处理的过程中不会产生附加误差，提升了保护系统、测量系统和计量系统的系统精度。电子式互感器没有传统互感器固有的TA断线导致高压危险、TA饱和影响差动保护等问题。同时，电子式互感器大量的节约了铁心、铜线等金属材料，与同电压等级的传统互感器相比具有明显的经济性，符合国家可持续性发展的目标。另外，二次设备和一次设备之间使用绝缘的光纤连接，这样切断了一设备对二次设备产生电磁干扰和传输过电压的途径，大大降低了一次设备对二次设备产生干扰的可能性，提高了二次设备运行的稳定性

2数字化变电站二次电气的设计原则

2.1二次电气设备及回路的设计原则

二次电气包括控制系统、信号系统、测量与监视系统、继电保护及自动装置系统和操作电源系统。将这些二次设备按一定要求连接在一起构成的电路，称为二次接线或二次回路。220kV数字变电站要求常规的二次设备，如继电保护装置、测量控制装置、防误闭锁装置、远动装置、故障录波装置、电压无功控制、同期操作装置以及正在发展中的在线状态检测装置等全部基于标准化、模块化的微处理机设计制造，设备之间的连接全部采用高速的网络通信，二次设备不再出现功能装置重复加现场接口，通过网络真正实现数据共享、资源共享，常规的功能装置变成了逻辑的功能模块。数字化变电站采用输出数字信号的电子式互感器，数字化的电流电压信号在传输到二次设备和二次设备处理的过程中均不会产生附加误差，提升了保护系统、测量系统和计量系统的系统精度。同时采用光纤传输，从根本上解决抗干扰问题。数字化变电站的一次设备和二次设备间采用计算机通信技术，一条信道可传输多个通道的信息，加上使用网络技术，大幅度减少了二次接线的数量和复杂度。综合自动化系统内部，必须通过内部数据透信，实现各子系统内部和各子系统之间的信息交换和实现信息共享，以减少变电站二次设备的重复配置和简化备子系统间的互连。二次设备不再以传统的”硬接线”进行协调配合，而是基于过程数据的共享以及二次设备的信息交换，实现保护与自动化功能的分散、分布和协调配合；电站二次设备完全建立在信息平台的基础上，而且也为控制中心的各种系统提供信息服务，实现数字化变电站整体系统的信息共享及集成应用。

2.2五防闭锁

五防功能是指：

(1)防止误分、合断路器；

(2)防止带负荷分、合隔离开关；

(3)防止带电挂(合)接地线(接地刀闸)；

(4)防止带接地线(接地刀闸)合断路器(隔离开关)；

(5)防止误入带电间隔。

数字化变电站五防是一种采用计算机技术，用于高压开关设备防止电气误操作的装置。通常主要由主机、模拟屏、电脑钥匙、机械编码锁、电气编码锁等功能元件组成。现行微机防误闭锁装置闭锁的设备有四类：开关、刀闸、地线(地线刀闸)、遮栏网门(开关柜门)，上述设备是通过微机锁具(电编码锁和机械编码锁)实现闭锁的，对上述设备须由软件编写操作闭锁规则。

2．3 同期合闸

同期合闸是变电站中经常遇到的操作，对减小冲击，提高系统稳定性具有重要作用。同期合闸要求安全、准确、快速。三个条件中安全最为重要，同期装置必须有闭锁功能，宁拒动绝不误动。对差频同期，在系统角差为0时合闸，对系统的冲击最小；电场中作为发电机的并网，快速性也很重要，捕捉第一次0角度合闸可以节省大量能源目。220kV数字变电同期系统应该具备自动识别并网对象类别及并网性质的功能。这种同期装置设计为多条线路所共用，通过自动同期选线器在上位机的控制下自动进行同期点的切换，每个同期点具有独立的整定参数组，其中包括允许功角的定值。控制器以精确严密的数学模型，确保差频并网(发电机对系统或两解列系统间的线路并网)时捕捉第一次出现的零相差，进行无冲击并网。控制器在发电机并网过程中按模糊控制理论的算法，对机组频率及电压进

行控制，确保最快最平稳地使频差及压差进入整定范围，实现更为快速的并网。

图1同期合闸过程框图

2．4保护配置

(1)继电保

护配置原则

继电保护装置是反应电力系统中电气元件发生故障或者不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。它可以用于迅速切除故障，使停电范围缩小，只是不正常状态，并予以控制。继电保护装置由最初的熔断器不断发展，经过电磁型，晶体管型，集成电路型，直至数字化变电站的微机保护。在分层分布式综合自动化系统中，一般将整个变电所的设备分为三层：变电所层一包括监控主机、远动通信机等。变电所

层设现场总线或局域网，供各二次设备之间交换信息。间隔层(单元层)一般按断路器间隔划分，包括测量、控制部件和继电保护装置。过程层(设备层)一主要指变电所内的变压器和断路器、隔离开关及其辅助触点，电流、电压互感器等一次设备。

(2)主变压器保护配置原则

220kV主变压器微机保护按双重化配置电气量保护和一套非电气量保护。采用两套完整、独立并且是安装各自屏(柜)内的保护装置，每套保护均配置完整的主、后备保护，宜选用主后备保护一体装置。两套变压器保护的交流电流、直流电源以及用于保护的隔离刀闸的辅助接点、切换回路应相互独立。两套完整的电气量保护的跳闸回路应与断路器的两个跳圈分别⋯ 对应，非电量保护的跳闸回路同时作用于断路器的两个跳闸线圈。主变压器非电量保护应设置独立的电源回路和出口跳闸回路。

2．5调度自动化

对于远动系统，针对变电站无人值班设计，站内应配置相应的远动通信设备，且应冗余配置，并优先采用专用装置、无硬盘型，采用专用操作系统，远动与计算机监控系统合用I／O测控单元。远动信息采取”直采直送”原则，直接从I／O测控装置获取远动信息并向调度端传送。远动通信设备直接从计算机监控系统的测控单元获取远动信息并向调度端传送，站内自动化信息需相应传送到远方监控中心。

2．6计算机监控系统

变电站计算机监控系统的设备配置和功能要求按无人值班

设计。因此，其监控系统应宜采用分层、分布、开放式网络结构，

主要由站控层设备、间隔层设备和网络设备等构成。站控层设备

按变电站远景规模配置，间隔层设备按工程实际建设规模配置。

包括站控层设备、网络设备、间隔层设备。

图2主变压器保护配置图

3.二次设备电磁兼容性能设计

电磁兼容性是指电子设备在各种电磁环境中仍能够协调、有效地进行工作的能力。电磁兼容性设计的目的使电子设备既能抑制各种外来的干扰，使电子设备在特定的电磁环境中能够正常工作，同时又能减少电子设备本身对其它电子设备的电磁干扰。电磁兼容的三要素：对系统本身不产生干扰；对其它系统不产生干扰；对其它系统的发射不敏感。

对于变电站综合自动化系统来说，消除或抑制干扰应针对电磁干扰的三要素进行，即消除或抑制干扰源；切断电磁耦合途径；降低装置本身对电磁干扰的敏感度。针对综合自动化系统在多个变电站的实际运行情况，电磁兼容技术措施可以分为以下

几个方面：

拟制干扰源的影响。二次设备内，综合自动化系统中的测量和微机保护或自控装置所采用的各类中间互感器的一、二次绕组之间加设屏蔽层，这样可起电场屏蔽作用，防止高频干扰信号通过分布电容进入自动化系统的相应部件；机箱或机柜的输入端子上对地接一耐高压的小电容，可抑制外部高频干扰；变电站综合自动化系统的机柜和机箱采用铁质材料，使其本身也是一种屏蔽。接地和减少共阻抗耦合。接地是变电站综合自动化系统电

磁兼容的重要形式措施之一。该系统的地线种类有微机电源地和数字地、模拟地、信号地、噪声地、屏蔽地等五种地线。微机电源采取浮地方法即其零线不与机壳相连。微机电源地与机壳共地。变电站综合自动化系统属于低频系统，且其各个子系统都由多块插件组成，应尽量采用一点接地的原则。数字地和模拟地的处理。噪声独立处理。变电站综合自动化系统中，采取良好的隔离可以减少于扰传导侵入。行之有效的隔离措施有以下几种：模拟量的隔离；开关量输入、输出的隔离；强、弱信号电缆的隔离；二次设备配线时，应注意避免各回路的相互感应印刷电路板上的布线要注意避免互感。

4.结论

智能化是当今电网发展的新趋势，而数字化变电站则是智能电网建设的物理基础。数字化变电站试点应用是目前电网建设和变电站技术发展的新热点，更将是未来变电站自动化技术的发展趋势和方向。其中，二次电气设计对于数字变电站的建设具有重要作用和意义。

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