基于光纖通信交互式遠(yuǎn)方自投裝置的研發(fā)與應(yīng)用

0　 引言
　　目前，國內(nèi)電網(wǎng)部分110kV變電站沒有真正實(shí)現(xiàn)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(huán)連線開環(huán)運(yùn)行結(jié)構(gòu)。正常時，兩端電源供電，中間的兩座變電站間聯(lián)絡(luò)斷路器斷開。如下圖1結(jié)構(gòu)。K1~K4，K6~K10閉合，K5斷開，假設(shè)左側(cè)220kV變電站停電，變電站1內(nèi)的備自投無法控制K5，導(dǎo)致變電站1，左側(cè)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(lián)合邯鄲市德普電力自動化設(shè)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(yuǎn)方自投裝置”，很好的解決了這一問題。

圖1　“手拉手”式電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

Fig 1.Hand in Hand Power Network Structure

1　 高壓電網(wǎng)裝設(shè)該裝置的背景和意義
　　近階段，河北電網(wǎng)部分變電站采用“手拉手”式結(jié)構(gòu)，不能完全實(shí)現(xiàn)真正意義的雙電源供電，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，經(jīng)常造成220kV，110kV變電站全站失壓，造成負(fù)荷損失，極大地影響了我省部分地區(qū)的供電可靠性，但由于電網(wǎng)發(fā)展資金的限制，不可能在短時間內(nèi)通過改善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)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(bǔ)救，即基于光纖通信交互式遠(yuǎn)方自投裝置。

2　 幾種通信方式的比較
2.1 TCP/IP以太網(wǎng)
　　以太網(wǎng)通信的遠(yuǎn)方備自投方案，是應(yīng)用了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，通過建立以太網(wǎng)內(nèi)的TCP/IP協(xié)議完成裝置間的數(shù)據(jù)通信，從而實(shí)現(xiàn)在局域網(wǎng)內(nèi)備自投之間的相互通信。每個站的備自投裝置都需安裝發(fā)送和接收終端，各有自己的IP地址。這種方式的特點(diǎn)是：必須建立變電站之間的局域網(wǎng)，還需設(shè)計(jì)開發(fā)專用的備自投發(fā)送及接收終端，以太網(wǎng)服務(wù)器；通信易受干擾，通信交換信息時間過長，安全性能差，維護(hù)難度較大。
2.2 GPRS技術(shù)
　　GPRS技術(shù)的特點(diǎn)是通過點(diǎn)對點(diǎn)或者中心對多點(diǎn)以及多點(diǎn)之間的無線IP連接，數(shù)據(jù)以“編碼”的形式通過GPRS信道進(jìn)行通信，利用其傳輸運(yùn)行狀態(tài)信息、故障信息和跳合閘命令信息。這種方式的特點(diǎn)是覆蓋廣，傳輸速度快，可長期在線運(yùn)行。不足的是：安全性能差，信息交換實(shí)時性無法控制，安全性能差，整套設(shè)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(shí)現(xiàn)了光纖通信，其光纖通信傳輸運(yùn)行狀態(tài)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(zhuǎn)換方便，基本不受外界電磁干擾等優(yōu)勢，是最可靠的通信通信方式。在此基礎(chǔ)上可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(zhǔn)確，基本無干擾，所以是目前實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方備自投的最佳通信方案。

3　 備自投的軟件功能設(shè)計(jì)
3.1 運(yùn)行方式分析
　　針對圖1中的問題，裝設(shè)的該裝置控制的相鄰兩個變電站四個開關(guān)的位置，圖2為裝置裝設(shè)圖。

圖2　裝置裝設(shè)圖

Fig 2.Device installation Diagram

　　見圖2，根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)則，四個斷路器至少有一個斷路器處于分閘狀態(tài)，分析出有運(yùn)行價值的運(yùn)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(jù)功耗的要求，最理想的運(yùn)行方式為方式五，聯(lián)絡(luò)線不存在損耗，但是系統(tǒng)以方式五運(yùn)行時，線路3不帶電，線路3的設(shè)備包括電纜、線桿易被盜，長時間不帶電設(shè)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(yùn)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(zhuǎn)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(dān)，這點(diǎn)也不符合電力系統(tǒng)要求，只能作為臨時供電模式。
2.3 系統(tǒng)正常運(yùn)行方式下的特點(diǎn)
　　系統(tǒng)在正常運(yùn)行方式下的特點(diǎn)是：三條線路均帶電；有且僅有1個開關(guān)斷開，處在斷開狀態(tài)的開關(guān)兩側(cè)均帶電；4段母線均帶電；當(dāng)某有一線路發(fā)生故障或失電時，需將4段母線恢復(fù)帶電狀態(tài)；當(dāng)母線或開關(guān)發(fā)生故障時，由相關(guān)保護(hù)裝置切除故障設(shè)備。
2.4 變電站間遠(yuǎn)方備自投的要求
　　系統(tǒng)在方式一（方式二）運(yùn)行時，假設(shè)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(shè)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(shè)的光纖通道完成。
2.5 備自投的功能
　　備自投具有遠(yuǎn)方自投和就地自投功能，遠(yuǎn)方備自投就地功能在備自投主機(jī)/從機(jī)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(yuǎn)方功能及就地功能）才具有運(yùn)行的價值。母線或開關(guān)發(fā)生故障時可以使用母差等保護(hù)裝置動作來閉鎖備自投，在設(shè)計(jì)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(jù)運(yùn)行狀態(tài)分析和可能發(fā)生的失電情況，可以構(gòu)造出備自投動作及運(yùn)行方式轉(zhuǎn)換表。

　　表1　遠(yuǎn)方備自投遠(yuǎn)方功能動作及運(yùn)行方式轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)
　　該裝置應(yīng)包含有就地備自投功能，可以在常規(guī)線路備自投裝置上進(jìn)行改造。常規(guī)的備自投裝置可以采集進(jìn)線開關(guān)位置，兩條進(jìn)線的線路電壓、進(jìn)線電流及母線電壓。通過在常規(guī)線路備自投裝置上增加光纖通信模塊、擴(kuò)展備自投部分的邏輯功能來滿足該裝置的需要。

4　 現(xiàn)場應(yīng)用
　　利用這一方案設(shè)計(jì)的該裝置在河北省邯鄲市的兩座變電站裝設(shè)。兩變電站直線距離15km，鋪設(shè)有單模光纖通道，該裝置使用這一通道完成數(shù)據(jù)交換，串接在河北電網(wǎng)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(yè)、農(nóng)業(yè)用戶，居民用戶，停電時間過長會造成工業(yè)廢品增加，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，人民的生活。該裝置投運(yùn)后，運(yùn)行正常。在一次電網(wǎng)倒閘操作中，該裝置實(shí)現(xiàn)方式一向方式三的自動切換，操作在500mS內(nèi)完成，達(dá)到了預(yù)期的效果。

5　 結(jié)語
　　該裝置很好的解決了“手拉手”式電網(wǎng)結(jié)構(gòu)開環(huán)運(yùn)行不能保證連續(xù)供電的問題，有一定的推廣價值。
　　驗(yàn)收委員會認(rèn)為“110kV系統(tǒng)遠(yuǎn)方備自投技術(shù)研究”項(xiàng)目研究方法合理，試驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)可信，裝置的使用能有效提高串聯(lián)互供接線方式下兩個變電站供電的可靠性。

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