陈栋，李玉平，陈琦，张玮，胡兵，王胜

(1.国电南京自动化股份有限公司，南京 210003； 2.南京国电南自电网自动化有限公司，南京 211153)

0 引言

随着智能变电站的大面积推广应用，其系统可靠性低、运维工作量大、占地面积广等问题逐渐暴露出来[1]，为解决现有变电站继电保护存在的问题，提高继电保护装置的可靠性和速动性[2]，开展了无防护安装的就地化保护装置研究，并在全国范围内推进就地化线路、主变压器(以下简称主变)和母线保护的挂网试运行工作。

由于就地化保护装置的装置形态、安装位置和运行环境与传统继电保护装置完全不同，因此其在安装方式、系统组网和调试等方面将会遇到新的问题，而元件保护的分布式实现方案也对简化系统组网提出了新的挑战；同时，就地化保护的安装也应尽量保留其小型化、高防护和即插即用的特点。

目前国内对就地化保护装置的实现方案研究较多，但很少涉及就地化保护的安装及系统组网方案。文献[3]提出了一种基于双向环网的变压器保护就地化实现方案，按开关配置分布式保护子机，子机之间通过高可靠无缝冗余(HSR)双向环形高速网络进行数据交互，实现就地化安装。文献[4]提出了一种基于多个HSR的分布式母线保护方案，根据变电站规模和设备类型，可划分若干个HSR子环网，实现灵活配置。文献[5]提出了基于就地化保护装置和管理单元的变电站功能实现方案。文献[6]提出了支架安装、端子箱安装和机构箱安装3种方式，就地化端子箱和机构箱均由普通端子箱改造而来，占用空间大且现场配线工作繁重；而支架安装采用集中安装方式，存在设备间的交叉及长电缆连接的情况，无法实现保护装置就地安装的需求。

图1 整体组网方案Fig.1 Network scheme

本文在端子箱安装方案的基础上提出了一种基于二次预制盒的就地化保护现场安装方案，本方案中二次预制盒按就地化保护子机进行配置，按照间隔就地安装；同时，二次预制盒的接口化连接方式，可实现其输入对象的功能化集中和输出对象的间隔化分解，进而实现工厂化深度预制。

1 就地化保护装置概况

就地化保护装置采用小型化、接口化设计理念，通过单端预制电缆实现电缆采样和电缆跳闸；装置防护等级达到IP67，可贴近一次设备实现户外就地安装。目前，就地化线路、主变和母线保护均已完成装置检测，进入试运行推广阶段。

就地化线路保护装置仅需采集单间隔的电气量信息，采用航插电缆接入本间隔的交流模拟量和开入量，并实现电缆直接跳闸；同时，通过航插光缆搭建保护专网，实现面向通用对象的变电站事件(GOOSE)信号的发布、订阅以及站控层通信[7]。

就地化母线和主变等跨间隔保护采用分布式设计理念，按间隔进行子机配置，各子机均配置航插接口，实现电缆采样和电缆跳闸；同时，通过航插光缆搭建环网和保护专网，双向环网用于实现交流量和开关量的数据交互，保护专网用于实现GOOSE信号的发布、订阅以及站控层通信[8-9]。

通过保护装置的就地安装缩短电缆长度，减少中间环节，可提高保护的可靠性和速动性；就地化保护装置的接口化连接方式可实现更换式检修，提高检修运维效率。就地化保护的应用对于实现变电站的安全可靠运行和便捷高效运维具有极大的推动作用。

2 挂网试运行整体实施方案

目前就地化保护装置正在全国范围内开展挂网试运行工作，国家电网公司发布了就地化保护总体架构方案，但尚无规范化的具体实施方案。本文在国家电网公司现场布置方案的基础上，以浙江湖州220 kV金钉输变电工程(以下简称金钉变)为例，提出了220 kV变电站就地化保护整站实施方案。

湖州220 kV金钉变为电缆采样电缆跳闸的户外气体绝缘组合电器(GIS)变电站，站内有2台220 kV三绕组变压器；220 kV侧为双母线接线，共有2个线路间隔、2个主变间隔和1个母联间隔；110 kV侧为单母分段接线，共有7个线路间隔、2个主变间隔和1个母分间隔；35 kV侧为高压开关柜。本次挂网试运行的主变保护、220 kV母线保护、220 kV线路保护以及就地化智能管理单元、故障录波与网络记录分析(以下简称故录网分)一体装置和保护专网均采用双重化配置，110 kV母线和线路保护采用单套配置。整体组网方案如图1所示。

就地化保护装置户外无防护安装，双套保护装置分别接入就地化保护专网A(A1，A2)，B(B1，B2)，单套保护装置接入保护专网A。保护专网用于采样值(SV)、GOOSE和制造报文规范(MMS)报文的传输，保护专网A，B之间采用网络连接装置相连，用于传输双网之间需交互的信息，保证网络传输的安全性与流畅性[10]。

A，B套就地化保护分别配置双重化的智能管理单元，智能管理单元对下接入保护专网A(A1，A2)，B(B1，B2)，实现对就地化保护的集中配置和管理；对上可直接与调度主站通信，实现调度对就地化保护装置运行状态和动作行为的监视与管理。

配置1台公用测控装置，用于接入就地化保护装置的异常和告警接点，并上送至就地化保护管理单元和站内原有监控系统；配置2台故录网分一体化装置，分别用于A，B套就地化保护装置动作录波及报文分析。

就地化保护安装处安装风向、风速、温湿度、气压、雨量和光辐射传感器，用于环境监测，传感器采用立杆安装。配置1台规约转换装置，用于接入环境检测信息并上送就地化保护管理单元和站内原有监控系统，用以实现对就地化保护运行环境信息的远程实时监测与记录。

3 就地化保护装置安装方案

就地化保护装置由于其形态和防护等级与传统继电保护装置完全不同，其安装方式和接线方式也存在较大的差异。就地化保护装置的高防护等级，使其具备户外裸露安装的条件；同时，就地化保护装置采用电缆采样、电缆跳闸，贴近一次设备就地安装，可大大缩短电缆长度，提高保护可靠性。由此，本文提出了就地化保护的间隔化就地安装方案。

3.1 端子箱侧壁安装方案

为实现就地化保护装置的就地安装，本文介绍了一种端子箱侧壁安装方案。按间隔贴近一次设备配置端子箱，就地化保护装置在端子箱外部侧壁安装。端子箱结构如图2所示。

图2 端子箱侧壁安装图Fig.2 Terminal box installed on side wall

端子箱柜体设置内外2个分区用于设备安装和检修运维，外部分区用于装配就地化保护装置和航插线缆，单侧最大可容纳2台就地化保护装置。

端子箱内部分区配置设备安装和运维检修2大区域。端子箱上部空间可用于安装操作箱和电压并列装置等相关设备，实现箱体空间的集约化使用；箱体正面配置空气开关、压板，用于运行操作，背面配置端子排、光配架，用于外部设备与就地化保护装置电缆和光缆的转接，箱体前后两侧均配置门锁，便于运维人员进行必要的检修、调试工作。

3.2 基于二次预制盒的安装方案

基于就地化保护的小型化和接口标准化的特点，在3.1章节方案的基础上，本文提出了一种基于二次预制盒的就地化保护安装方案，以实现就地化保护及其相关设备的准双端预制连接。二次预制盒在汇控柜附近就地安装，就地化保护装置与就地化操作箱安装于二次预制盒上方，不同型号的就地化保护装置配置与之对应的二次预制盒。

3.2.1 功能分区和分级权限管理

变电站运维工作按照分级负责的原则进行管理，严格落实各级人员责任制，是规范变电站运维管理、提高运维水平、保证运维质量的重要举措，而保护设备的分级权限设置将为贯彻落实分级负责管理原则提供有力的支撑[11]。

二次预制盒是就地化保护、操作箱与一次设备及相关二次设备之间连接的桥梁，内部设置运行监视、转接端子和预制接口3个功能分区，并分别配置独立的门锁，以实现运行操作和检修运维权限的分级管理，二次预制盒结构如图3所示。

运行监视区配置本保护装置对应的压板和空气开关，并配置独立的门锁及玻璃观察视窗，运行人员无需打开柜门即可完成对装置运行状态的巡视。

转接端子区配置端子排和光端子，用于实现保护装置、操作箱与一次设备及相关二次设备间的电缆和光缆连接，内部配线工作均在厂内完成。

预制接口区按照间隔对象分区设置标准化接口，采用航插预制电缆连接，可实现工厂化预制。

运行监视区用于运行人员巡视设备运行状态及进行保护功能投退操作，转接端子区和预制接口区用于检修人员进行必要的运维操作。针对不同的工作需求划分与之对应的功能分区，并分别配置独立的门锁，通过物理隔离实现不同工作种类的需求管理和权限管理，从而降低现场误操作风险，提高运维水平和质量。

图3 二次预制盒结构示意Fig.3 Structure of prefabricated box for secondary system

3.2.2 面向功能到面向对象的航插接口转换

就地化保护装置具有接口标准化和预制化的特点，标准化、预制化的航插接口是实现更换式检修的基础，是提高现场施工效率和简化运维的重要手段。就地化保护装置的安装也应充分保留就地化保护装置自身的特点，实现接口化安装，并最终实现设备间双端预制的即插即用。由于就地化保护装置的标准化接口按照交流、开入、开出和光纤等面向功能设置，而一次设备的接口按照间隔面向对象设置，无法实现保护装置航插电缆与其他设备的直接连接。因此要实现就地化保护和一次设备间的双端预制，必须实现面向功能的接口到面向对象接口的转换，并实现多间隔保护接口的间隔化。

二次预制盒可接入就地化保护装置和操作箱面向功能的航插线缆，并通过内部配线转换为面向间隔对象的航插接口，二次预制盒的预制接口模块可根据所安装保护装置类型的不同配置相应类型的航插预制接口，具体配置如下。

(1)对于线路和母联保护二次预制盒，预制接口模块配置2个航插接口：与母线保护预制盒之间采用双端预制的电缆连接；与一次设备之间采用单端预制的电缆连接，未来随着一次设备的接口标准化，亦可实现双端预制。

(2)对于主变保护，二次预制盒按子机配置，预制接口模块与线路保护相同。对于低压侧未配置母线保护的变电站，低压侧子机预制盒可只配置1个航插接口，用于与一次设备连接。

(3)对于母线保护，二次预制盒按子机配置。根据每台母线保护子机的最大间隔接入能力，母线保护子机二次预制盒预制接口模块配置7个航插接口，用于与线路、母联和主变保护二次预制盒之间的双端预制电缆连接。

二次预制盒面向间隔对象的航插接口配置，保留了就地化保护装置接口化安装的优势，并为实现一、二次设备间的双端预制连接奠定了基础。

3.2.3 基于航插接口的准双端预制回路连接方案

接口化配置和安装的目标是设备间基于双端预制线缆连接的即插即用，二次预制盒的航插接口配置可实现就地化保护装置、操作箱与一次设备及相关二次设备之间开关量的准双端预制连接，回路连接如图4所示。

二次预制盒与就地化保护以及本间隔就地化操作箱之间采用单端预制的航插线缆连接，其接口按照功能配置，分别引入二次预制盒端子排，保护与操作箱之间的连接在预制盒内部完成。

间隔保护(线路、母联、主变保护子机等)二次预制盒与一次汇控柜之间的开入开出采用单端预制的电缆连接，预制盒侧配置航插接口，汇控柜侧采用普通接口。对于线路间隔，二次预制盒与线路汇控柜之间的单端预制电缆主要用于传输断路器位置、低气压闭重开入和操作箱的跳合闸、位置监视、电压切换刀闸位置，同时也用于将刀闸位置经二次预制盒传输给母线保护使用；对于主变保护，二次预制盒按间隔子机配置，主变220 kV子机预制盒与主变220 kV汇控柜之间的单端预制电缆主要用于传输断路器位置和操作箱的跳合闸、位置监视、电压切换刀闸位置，同时也用于将刀闸位置经二次预制盒传输给母线保护使用。

母线保护二次预制盒与间隔保护(线路、母联、主变保护子机等)二次预制盒之间的开入开出采用双端预制的电缆连接，主要用于母差保护至操作箱的跳闸以及获取刀闸位置。

就地化保护二次预制盒通过内部接线完成输入的功能性集中和输出的对象化分解，基于二次预制盒的接口化、对象化回路连接方案可实现开关量输入输出的工厂化深度预制，从而减少一、二次设备间安装接线工作的耦合，为实现模块化安装、快速化改造和更换式检修打下良好的基础。

3.2.4 基于光端子的光纤回路预制连接方案

为降低现场施工组网难度，提高光纤网络清晰度，光纤回路的预制连接是一种有效的解决方案。传统预制光缆接口占用空间大、成本高，且与就地化保护装置航插光缆的连接需要进行接口转换，增加了光缆连接的中间环节。本文中介绍的二次预制盒配置了光纤网卡(LC)接口的光端子，光端子安装方式与传统端子相同，仅需尾缆即可完成就地化保护专网、环网和光纵通道的连接，从而简化现场光纤网络的搭建施工，实现光纤回路的预制连接。具体光纤回路连接如图5所示。

图4 预制电缆连接方案Fig.4 Scheme of prefabricated cable connection

图5 光纤回路连接方案Fig.5 Scheme of fiber connection

元件保护(如图5中的母线保护子机1和子机2)环网在预制盒及户外端子箱的光端子之间通过尾缆完成回路连接。

保护专网通过尾缆及光缆连接。预制盒与户外端子箱的光配架之间通过尾缆连接，户外端子箱与公用测控屏的光配架之间通过光缆连接，公用测控屏交换机与管理单元及故录网分之间采用尾缆连接。

光纵通道通过尾缆及光缆连接。预制盒与户外端子箱的光配架之间通过尾缆连接，户外端子箱光配架与主控室光纤配线架的熔接盒之间通过光缆连接。

二次预制盒中光端子的设置，将就地化保护的保护专网、环网和光纵通道集中转化为多模尾缆和单模尾缆共用的单一通道。户外端子箱与二次预制盒的配合使用，实现了环网回路的内部搭建，以及各装置与端子箱之间尾缆的点对点连接，并将所有就地化保护装置的光缆划分为保护专网和光纵两路通道，从而实现光缆的汇集，简化现场长光缆的敷设难度，降低物力和人力成本，提高施工工作效率。

3.3 安装方案比较

两种方案均实现了保护装置的就地化和间隔化安装，基于二次预制盒的安装方案在如下方面有明显优势。

(1)二次预制盒通过物理隔离实现功能区域划分，各分区配置独立的门锁从而实现权限管理，提高了运维的安全性和便利性。

(2)二次预制盒配置了面向对象的航插接口，可实现就地化保护装置面向功能接口到二次预制盒面向对象接口的转换，并提出了准双端预制的解决方案。

(3)基于二次预制盒的准双端预制连接，相比于端子箱安装方案的普通端子接线连接，可提高现场施工的便利性。跨间隔保护二次预制盒按间隔配置的航插接口，可实现各间隔电气量的物理隔离，提高检修运维的安全性。

(4)基于光端子的光纤回路预制连接方案，相比于普通光缆熔接和传统的预制光缆连接方案，在提高现场组网便利性的同时，可降低物料成本，提高网络连接清晰度，方便后续的检修运维工作。

二次预制盒的航插接口配置和预制电缆的使用与端子箱普通电缆连接方案相比，设备成本有所增加，这是现阶段不可忽略的劣势。然而，接口化安装可促进施工、运维的简化以及工作效率的提升，降低了人力成本和时间成本；同时，预制接口的使用也为促进一、二次设备的接口化连接，进而实现一、二次设备的深度融合打下了基础。

4 结束语

本文提出了基于准双端预制连接的就地化保护现场实现方案，介绍了就地化保护装置的现场安装和组网方式，重点介绍了基于二次预制盒的准双端预制回路连接方案。二次预制盒的标准化、预制化接口，简化了系统组网，实现了设备的模块化安装，同时也大大提高了施工和调试工作的效率。间隔化是电网设备的自然属性，伴随着就地化保护的日益成熟和一次设备接口标准化的推进，基于二次预制盒的准双端预制连接方案，将为实现一、二次设备间的即插即用和一、二次设备的深度融合提供有益的参考。