CN107681642B - 一种变电站就地化保护*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变电站就地化保护***，包括单间隔保护、跨间隔保护、站域保护和自动化监控装置；在线路、母联和分段配置就地化单间隔保护及公用采集控制终端；在变压器各侧配置就地化公用采集控制终端；跨间隔保护按母线和变压器配置保护主机；站域保护和自动化监控装置在控制室中集中组屏配置；***网络由跨间隔保护专用环网、监控环网和保护公用环网组成。本发明采用就地化单间隔保护、分布式跨间隔保护和双向环形网络，解决智能变电站继电保护***快速性和可靠性降低的问题，同时可适应多种安装场合和运行环境。

Description

一种变电站就地化保护***

技术领域

本发明涉及电力***继电保护技术领域，具体涉及一种变电站就地化保护***。

背景技术

目前，智能变电站普遍采用“三层两网”的***架构，合并单元、智能终端等新IED设备得到广泛应用，安装方式发生了较大变化，在促进智能变电站发展的同时，给二次专业带来了一些新的问题，主要体现在：保护采样、跳闸环节增多、快速性和可靠性降低；网络架构复杂，交换机数量多；装置虚回路配置复杂，对配置接口和文件要求高；安装、调试及检修工作量大。

近年来，GE公司推出了符合IEC 61850的变电站过程层总线解决方案HardFiberProcess Bus System，该方案的核心是被称为 Bricks的开关场I/O接口设备，Bricks采用户外无防护安装方式，通过电缆完成对一次设备进行所有的测量和控制，并通过光纤与保护控制装置进行数据交换，实现了I/O接口设备的就地化。但保护控制设备本身特别是跨间隔保护仍采用传统的安装方式，没有实现全站二次设备就地化安装。

中国已受理专利201510370184.5“一种面向间隔的多功能纵向集成装置”公开了一种面向间隔的多功能纵向集成装置，具体实现方式是将合并单元、智能终端及保护测控分别采用独立的CPU实现，采用多CPU板卡，保证了多功能的相对独立性。这种方法虽然节省了装置间数据传输时间，但存在板间数据传输延时，因此保护动作时间仍将比常规变电站线路保护慢约3~4ms，同时该方法未提及就地化无防护安装措施，不适于就地化安装。

中国已受理专利201610393714.2“基于双环网的无主式就地化变压器保护装置及保护方法”公开了基于双环网的无主式就地化变压器保护装置及保护方法，具体实现方法是变压器各侧设置保护子机，子机之间通过双环网手拉手连接，共享数据，各子机就地采集本侧模拟量和开关量，进行变压器主、后保护逻辑运算，并直接控制跳开相应的断路器。这种方法没有主机，每个子机对等，每个子机依赖其他子机的数据，存在以下问题，任一子机异常时保护功能将失效，数据采集、保护逻辑运算和跳闸分别由不同装置实现，数据链路长，环节多，可靠性降低。

中国已受理专利201611181075.X“就地化继电保护***”公开了一种就地化继电保护***，具体实现方法是设置单间隔保护、跨间隔保护和测控自动化装置，单间隔保护装置就地安装，跨间隔保护和测控装置安装于主控室，单间隔保护包括超级采集单元、线路保护、合并单元和智能终端，跨间隔保护由保护主机、单间隔子机、合并单元、智能终端、GOOSE交换机和点对点SV光纤组成。这种实现方法在现有智能变电站基础上增加超级采集单元作为一二次***间接口，跨间隔实现方式复杂，跨间隔保护主机未能就地化安装。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种变电站就地化保护***，采用功能纵向集成的单间隔保护、分布式跨间隔保护和双向环形网络，解决智能变电站继电保护***快速性和可靠性降低的问题，同时可适应多种安装场合和运行环境。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种变电站就地化保护***，其特征是，包括功能纵向集成单间隔保护、基于双向环网的分布式跨间隔保护、站域保护和自动化监控装置，单间隔保护和跨间隔保护采用SoC（System on Chip）片上***、全密封一体成型机箱，实现就地化安装；

单间隔保护包括线路、母联和分段保护，跨间隔保护包括变压器和母线保护；

在线路、母联和分段就地化配置单间隔保护及公用采集控制终端；在变压器各侧就地化配置公用采集控制终端；在母线和变压器分别就地化配置保护主机；站域保护和自动化监控装置在控制室中集中组屏配置；

变压器保护由变压器保护主机和变压器各侧公用采集控制终端组成，变压器保护主机与公用采集控制终端组建变压器保护专用环网连接；母线保护由线路、变压器相应侧、母联和分段的公用采集控制终端与母线保护主机组成，母线保护主机与公用采集控制终端组建母线保护专用环网连接；

单间隔保护和跨间隔保护主机与自动化监控装置之间组成监控双向环网连接；

所有公用采集控制终端与站域保护之间组成保护公用环网连接。

进一步的，母线保护专网和变压器保护专网通过SV和GOOSE报文实现数据共享。

进一步的，在监控双向环形网络上，单间隔保护与自动化监控装置通过MMS报文实现监视和控制，单间隔保护与跨间隔保护间通过GOOSE报文实现联动、闭锁。

进一步的，保护公用环网通过SV和GOOSE报文实现网采网跳、报文采集和故障记录。

进一步的，站域保护同时接入保护公用环网和监控环网。

进一步的，自动化监控装置包括网络记录和故障录波器、监控后台、远动机和保信子站。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明通过单间隔保护功能独立实现，加快保护动作速度，同时提高单间隔保护可靠性；跨间隔保护分布式布置，扩建配置灵活，独立组建专用环网，提高跨间隔保护可靠性。环网的网络架构方案，在实现数据冗余、保证通信可靠性的同时，取消了交换机设备。相比智能变电站取消了全站交换机投资、减少了电缆和光纤、屏柜的数量，就地化安装减少站内建筑物占地面积，实现了变电站安全可靠、经济高效运行。

附图说明

图1为变电站就地化保护***架构图；

图2为单间隔保护结构框图；

图3为公用采集控制终端结构框图；

图4为跨间隔保护结构框图；

图5为变压器保护专用环网架构图；

图6为母线保护专用环网架构图；

图7为保护公用环网架构图；

图8为监控***环网架构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的一种变电站就地化保护***，包括功能纵向集成单间隔保护、基于双向环网的分布式跨间隔保护、站域保护和自动化监控装置，单间隔保护和跨间隔保护就地化安装；

单间隔保护包括线路、母联和分段保护，跨间隔保护包括变压器和母线保护；

在线路、母联和分段就地化配置单间隔保护及公用采集控制终端；在变压器各侧就地化配置公用采集控制终端；在母线和变压器分别就地化配置保护主机；站域保护和自动化监控装置在控制室中集中组屏配置；

变压器保护由变压器保护主机和变压器各侧公用采集控制终端组成，变压器保护主机与公用采集控制终端组建变压器保护专用环网连接；母线保护由线路、变压器相应侧、母联和分段的公用采集控制终端与母线保护主机组成，母线保护主机与公用采集控制终端组建母线保护专用环网连接；

单间隔保护和跨间隔保护主机与自动化监控装置之间组成监控双向环网连接；

所有公用采集控制终端与站域保护之间组成保护公用环网连接。

以上所述的自动化监控装置包括现有技术中网络记录和故障录波器、监控后台、远动机和保信子站等。

单间隔保护实施例如下：在各线路、母联和分段处各配置一台单间隔保护装置，安装于户外接线端子线附件支架上。单间隔保护集成保护、合并单元和智能终端功能，为功能纵向集成。具有模拟量采集、保护逻辑运算、开入开出和SV、GOOSE通信功能，直接电缆采样电缆跳闸，能独立反应被保护对象的各种类型故障，装置由SOC片上***和***芯片配合实现，采用航空插头，适于就地化无防护安装。

如图2所示，单间隔保护装置设有环网接口、光IRIG-B模块、通信FPGA、采样FPGA、SOC、模拟量输入模块、开入模块和开出模块；模拟量输入模块接入采样FPGA，光IRIG-B模块、采样FPGA、通信FPGA、开入模块、开出模块均接入SOC， SOC片上***中包含保护启动DSP1、保护出口DSP2和管理CPU1，DSP1完成保护出口逻辑运算，DSP2完成保护启动逻辑运算，启动和动作逻辑均满足时通过开出模块发出跳闸信号，管理CPU1完成保护定值管理、内部模块管理功能。装置至少具有一个环网接口，接入监控双向环网。光IRIG-B接口连接至FPGA，接收外部对时信号，FPGA解析卫星对时信息，生成时间同步信息，并产生内部模块间同步信号，实现装置时钟同步。装置通过电缆接入一次互感器，然后通过模拟量输入模块完成信号调理和A/D转换，A/D转换频率为4000Hz，A/D信号由采集FPGA控制，转换后的数据搬移至采集FPGA缓存，保护启动和动作分别由2片不同的A/D芯片采集。DSP1通过内部高速总线读写开入开出模块，开入开出通过电缆接入一次开关和刀闸接线端子箱。DSP1和DSP2从管理CPU1获取保护定值，根据电压和电流采样值，进行保护启动、动作逻辑运算，向开出模块发出跳闸信号，并产生保护事件。通信FPGA作为通信接口的一部分，具有MMS、GOOSE和SV通信报文组织，网络任务调度、风暴过滤、流量控制和MAC功能，与SoC片上***实现数据交互。

公共采集控制终端作为跨间隔保护主机、站域保护和自动化监控装置的公用采集控制终端，设有多组环网端口适应以上应用，具有模拟量、状态量采集及控制功能，直接电缆采样电缆跳闸，按间隔配置，与单间隔保护独立，装置由SOC片上***和***芯片配合实现，采用航空插头，适于就地化无防护安装。

如图3所示，公用采集控制终端由环网接口、光IRIG-B模块、通信FPGA、采样FPGA、SOC、模拟量输入模块、开入模块和开出模块组成，模拟量输入模块接入采样FPGA，光IRIG-B模块、采样FPGA、通信FPGA、开入模块、开出模块均接入SOC，SOC片上***中包含运算DSP3、管理CPU2，运算DSP3完成采样值处理，管理CPU2完成装置参数管理、内部模块管理功能。环网模块至少具有两个环网接口，分别接入上述***内跨间隔保护专网（包括变压器专网和母线专网）和保护公用双向环网。光IRIG-B接口连接至FPGA，接收外部对时信号，FPGA解析卫星对时信息，生成时间同步信息，并产生内部模块间同步信号，实现装置时钟同步。装置通过电缆接入一次互感器，然后通过模拟量输入模块完成信号调理和A/D转换，A/D转换频率为4000Hz，A/D信号由采集FPGA控制，转换后的数据搬移至采集FPGA缓存，保护启动和动作分别由2片不同的A/D芯片采集。DSP3通过内部高速总线读写开入开出模块，开入开出通过电缆接入一次开关和刀闸接线端子箱。通信FPGA作为通信接口的一部分，具有MMS、GOOSE和SV通信报文组织，网络任务调度、风暴过滤、流量控制和MAC功能，与SoC片上***实现数据交互。

公用采集控制终端应用至变压器各侧时，可配置1台公用采集控制终端，具有至少3个环网接口，分别接入母线保护专用环网、变压器保护专用环网和保护公用环网，也可以配置2台公用采集控制终端，每台具有至少2个环网接口，每台一个环网接口分别接入母线保护及变压器保护专用环网，另一个环网接口同时接入保护公用环网。

跨间隔保护主机（变压器保护主机和母线保护主机的统称）设有多组双向环网接口，接收子网内公用采集控制终端的GOOSE、SV报文，完成数据同步，实现保护逻辑运算，向子机发送GOOSE报文，同时主机可通过环网端口与其它保护交互失灵启动、失灵联跳等信息。

如图4所示，跨间隔保护主机设有环网接口、光IRIG-B模块、通信FPGA、SOC、开入模块和开出模块，光IRIG-B模块、通信FPGA、开入模块、开出模块均接入SOC，SoC包含保护启动DSP4、保护出口DSP5和管理CPU3，DSP4完成保护启动逻辑运算，DSP5完成保护出口逻辑运算，启动和动作逻辑均满足时通过开出模块发出跳闸信号，管理CPU3完成保护定值、装置参数、模块管理。DSP4通过内部高速总线读写开入开出模块，开入开出用于压板采集和告警节点输出。光IRIG-B接口连接至FPGA，接收外部对时信号，FPGA解析卫星对时信息，生成时间同步信息，并产生内部模块间同步信号，实现装置时钟同步。通信FPGA介于环网接口和SoC之间，作为通信接口的一部分，具有MMS、GOOSE和SV通信报文组织，网络任务调度、风暴过滤、流量控制和MAC功能，与SoC片上***实现数据交互。装置至少具有两个环网接口，分别接入上述***内跨间隔专网和监控环网，通过跨间隔专网接收SV采样值，收发GOOSE信号，通过监控环网收发保护间联闭锁GOOSE信息和MMS监控信息。

本发明的保护***包含三个相互独立的双向环形网络，可根据变电站规模及设备类型，划分成多个相互解耦的子环网，平衡每个子环网内节点数量，有效减少网络传输延时，利于间隔的灵活扩展，具体如下：

一、跨间隔保护专用双向环形网络，包括母线保护专网和变压器保护专网，通过IEC 61850-9-2 SV和GOOSE报文实现数据共享；

二、间隔保护、跨间隔保护和自动化监控装置组成监控双向环形网络，在此环网上，保护装置与自动化监控装置通过MMS报文实现监视和控制，间隔保护与跨间隔保护间通过GOOSE报文实现联动、闭锁；

三、公用采集控制终端、站域保护组成保护公用双向环网，通过IEC 61850-9-2 SV和GOOSE报文实现网采网跳、报文采集和故障记录功能。

下面对各双向环网进行详细介绍：

变压器保护如图5所示，包括：在变压器三侧（高压侧、中压侧和低压侧）各配置一个公用采集控制终端，配置一台变压器保护主机，均安装于户外接线端子线附件支架上，公用采集控制终端接入一次CT、PT、开入、开出电缆回路，变压器保护主机接入压板、告警节点电缆，各公用采集控制终端和变压器保护主机接入变压器保护专用环网，公用采集控制终端同时接入保护公用双向环网，接入站内IRIG-B对时光纤。

母线保护如图6所示，包括：在各线路、母联或分段处各配置一台公用采集控制终端，配置一台母线保护主机，均安装于户外接线端子线附件支架上，公用采集控制终端接入一次CT、PT、开入、开出电缆回路，母线保护主机接入压板、告警节点电缆，线路、变压器单侧、母联或分段公用采集控制终端和母线保护主机接入母线保护专用环网，公用采集控制终端同时接入保护公用双向环网，接入站内IRIG-B对时光纤。

保护公用环网如图7所示，站内各电压等级线路、母联、变压器各侧公用采集控制终端和站域保护组成保护公用环网。

监控环网如图8所示，自动化监控装置、线路保护、母线保护主机、线路保护主机、母联保护和站域保护组成监控环网。

本发明的有益效果为：

本发明通过单间隔保护功能独立实现，加快保护动作速度，同时提高单间隔保护可靠性；跨间隔保护分布式布置，扩建配置灵活，独立组建专用环网，提高跨间隔保护可靠性。环网的网络架构方案，在实现数据冗余、保证通信可靠性的同时，取消了交换机设备。相比智能变电站取消了全站交换机投资、减少了电缆和光纤、屏柜的数量，就地化安装减少站内建筑物占地面积。实现了变电站安全可靠、经济高效运行。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种变电站就地化保护***，其特征是，包括功能纵向集成单间隔保护、基于双向环网的分布式跨间隔保护、站域保护和自动化监控装置，单间隔保护和跨间隔保护就地化安装；

单间隔保护包括线路、母联和分段保护，跨间隔保护包括变压器和母线保护；

在线路、母联和分段就地化配置单间隔保护及公用采集控制终端；在变压器各侧就地化配置公用采集控制终端；在母线和变压器分别就地化配置保护主机；站域保护和自动化监控装置在控制室中集中组屏配置；

变压器保护由变压器保护主机和变压器各侧公用采集控制终端组成，变压器保护主机与公用采集控制终端组建变压器保护专用环网连接；母线保护由线路、变压器相应侧、母联和分段的公用采集控制终端与母线保护主机组成，母线保护主机与公用采集控制终端组建母线保护专用环网连接；

单间隔保护和跨间隔保护主机与自动化监控装置之间组成监控双向环网连接；

所有公用采集控制终端与站域保护之间组成保护公用环网连接。

2.根据权利要求1所述的一种变电站就地化保护***，其特征是，变压器各侧的公用采集控制终端包括分别设置在变压器高压侧、中压侧和低压侧的公用采集控制终端。

3.根据权利要求1所述的一种变电站就地化保护***，其特征是，母线保护专网和变压器保护专网通过SV和GOOSE报文实现数据共享。

4.根据权利要求1所述的一种变电站就地化保护***，其特征是，在监控双向环形网络上，单间隔保护与自动化监控装置通过MMS报文实现监视和控制，单间隔保护与跨间隔保护间通过GOOSE报文实现联动、闭锁。

5.根据权利要求1所述的一种变电站就地化保护***，其特征是，保护公用环网通过SV和GOOSE报文实现数据共享。

6.根据权利要求1所述的一种变电站就地化保护***，其特征是，站域保护同时接入保护公用环网和监控环网。

7.根据权利要求1所述的一种变电站就地化保护***，其特征是，自动化监控装置包括网络记录和故障录波器、监控后台、远动机和保信子站。