摘要：利用计算机监控技术、微机继电保护技术和光纤通信技术，合理地确定了南水北调中线一期工程监控方案和继电保护方案。工程总调中心设置电力调度监控主站，供电专网的每个中心开关站设置监控子站，专网的每座降压变电站设置监控终端，35 kV长距离链式供电线路设置分段光纤纵差保护，并通过光纤双环网通信，构成整个工程的配网自动化和继电保护方案。同时还提出了设计中需要注意的问题，供同行参考。
关键词：35 kV配网自动化；分段光纤纵差；故障判别、隔离和供电恢复；光纤双环网
中图分类号：TV68；TV736
文献标识码：B
文章编号：1672-1683(2007)06-0045-03
Design of Distribution Automation Control System of the Main Canal in the Phase-1 of the Middle Route of South-to-North Water Transfer Project
CUI Ya-qiong，SHI Bing-li
(The Second Design and Research Institute of Water Conservancy and Hydropower of Hebei，Shijiazhuang 050021，China)
Abstract：With computer control，computer relay protection and fiber communication technology，the control and relay protection strategy in the phase-1 of the Middle Route of the South-to-North Water Transfer Project is reasonably made.The main dispatching center of project sets up the power dispatching and control stations；and every switch station center of the supply network sets up control substation.And 35kV long-distance chain power supply line founds fiber subsection vertical difference protection that，by fiber double circuit communication，makes up of distribution automation and relay protection scheme of the whole project.At the same time，some questions need to pay in the design are raised for reference.
Keywords：35kV distribution automation；fiber subsection vertical difference；fault discrimination，isolation and power recovery；fiber double circuit
1 概 述
南水北调中线一期工程是一项跨流域、长距离的大型调水工程，沿线布置有节制闸、退水闸、分水闸、排冰闸和检修闸等多处用电负荷。检修闸外的用电负荷对供电可靠程度均有很高的要求。
为满足负荷用电需要，南水北调中线一期工程采用专网环形供电方案向沿线负荷供电，即沿总干渠设置若干个35 kV中心开关站，每个中心开关站从沿线电力系统变电站分别引1～2回35 kV线路接至各中心开关站的母线上，再由各中心开关站母线引出2回35 kV线路向干渠的上下游两侧辐射，在负荷点设置降压变电站向负荷供电。相邻中心开关站供电末端的两座降压变电站之间设置联络开关和联络线路。正常运行时，联络开关处于“断开”位置，各中心开关站之间彼此独立供电；当35 kV输电线路发生故障或某中心开关站失去系统电源时，可通过切除故障线路或故障点、闭合联络开关等一系列操作实现相邻两中心开关站之间的互为备用。
本文借助邯邢段供电系统(见图1)辅以说明南水北调中线一期工程总干渠配网自动监控系统设计方案。
2 设计思路
南水北调中线一期工程控制站点多，监控信息量大，有必要对工程监控进行分类。工程监控可分为2类，一类是闸门监控，另一类是电力监控。电力监控又分为35 kV和0.4 kV两部分内容，而35 kV供电系统的监控是相对独立的，与闸门监控没有直接的联系。另一方面，各中心开关站之间、中心开关站和降压变电站35 kV系统设备之间的联系又是非常密切的，必须统一调度。因此，为了使系统监控信息清晰、明了，控制简单、方便、快捷，35 kV供电系统独立于闸门和低压部分单独组成35 kV供电专网配网自动监控系统。
3 监控系统设计方案
3.1 监控系统结构
配网自动化系统采用分层、分布式结构，整个系统分为监控主站、监控子站和监控终端三个层次。在工程总调度中心设置整个工程的电力调度监控主站；在供电专网的每个中心开关站设置1个监控子站；在专网的每座降压变电站设置监控终端。监控终端与监控子站之间采用RS485方式以光缆为传输介质进行通信；监控子站以10/100 M以太网方式与电力调度主站通信。监控系统结构示意见图2。
图1 南水北调中线一期工程邯邢段总干渠供电系统接线图
图2 配网自动监控系统结构框图
3.2 监控系统主要功能
35 kV供电专网配网自动化系统可以全面、实时、准确地掌握全线35 kV电力系统运行状况，清晰直观地监控每个站点的35 kV设备和运行参数，并根据工程需要直接对相关设备进行操作；及时了解故障情况，并迅速进行处理，使整个供电系统的管理科学化、规范化。供电系统相邻中心开关站之间的互为备用关系使得相邻中心开关站之间的联系是非常密切的。配网自动化系统采用全线联网方式，并归属于1个监控主站，就更能够充分发挥整体优势，进行整个系统电力调度的统筹安排和统一调度。同时与继电保护装置(详见3.4)相配合，可靠、快速地实现配电线路的保护功能，并为非故障线路提供供电保障。
监控系统可以完成开关状态监视、模拟量采集、保护动作信息上传、保护装置参数的管理、远程控制、报警管理、逻辑管理、曲线棒图分析、报表生成、统计打印、用户管理、事故追忆等多种实用功能，从而加强了用电可靠性、提高了用电管理效率，提升了供电质量及电压合格率，降低了运行维护成本。
3.3 监控系统主要设备配置
监控主站：设备配置由全线自动监控系统统一考虑。
监控子站：主要配置有2台冗余配置的监控主机、2台激光打印机、2台语音报警装置、1台前置机、1台10/100 M交换机、1台双重变换在线式UPS电源及其它外围设备。
监控终端：根据监控量的多少，每座降压变电站设置1~2套综合测控装置和多功能电力监测仪，用以采集系统电气参数和设备状态，并上传至上级监控系统，接受上级系统的控制命令对35 kV开关设备进行操作控制；同时，每座降压变电站还设有故障判别用短路故障指示器，设有断路器的降压变电站还设有线路纵联差动保护装置(详见3.4)。
自动化系统软件：主要包括后台软件、通讯软件及系统操作软件和相关应用支持软件等。
3.4 继电保护设计
从图1可以看出，总干渠用电设备多，布置分散，容量小，造成35 kV专网线路段数多，各段线路负荷电流及短路电流相差较小，若采用电流、电压保护，很难满足选择性要求或造成末端线路保护动作时限过长，扩大故障影响范围等，若每一段线路均采用纵联差动保护，由于线路段数较多，将会大规模增加投资。
针对这种情况，南水北调中线一期工程推出了一种全新的设计思路，即根据线路长短、用电负荷数量及重要程度，结合35 kV断路器开合线路充电电流能力等因素，将每2个中心开关站之间的35 kV线路利用断路器分为4~5长段，每一长段设置1套纵联差动保护装置作为本段线路的主保护，装于设有断路器的站点，每段短线路不再单独设置继电保护装置。为确保安全，利用每个中心开关站出线侧的差动保护装置的电流保护功能作为供电范围内线路的后备保护。同时在中心开关站35 kV系统电源进线侧设置1套电流保护装置，作为中心开关站35 kV母线的保护和整个中心开关站供电范围内线路的远后备保护。
未设置差动保护的其他降压变电站进线和出线均只设置短路故障指示器用来采集通过线路的电流，并上传中心开关站监控子站，从而帮助系统判别故障线路，进而完成故障线路的切除和非故障线路的供电恢复任务。
3.5 故障的自动判别、隔离和非故障区域的供电恢复
(1)运行过程中，供电专网任一段35 kV线路发生故障时，先由其差动保护装置动作跳开该段线路两侧的断路器(差动保护拒动时由后备保护动作跳开电源侧的断路器)，电源点至故障点之间的降压变电站进出线短路故障指示器均会发出故障信号，故障点至开环点之间的降压变电站短路故障指示器不会发出故障信号；同时故障信号上传至监控子站。
(2) 启动跳闸断路器站点差动保护装置的三相一次重合闸。重合闸不成功时，中心开关站监控子站根据各降压变电站上传的故障指示信号，进行故障的判别，并自动发出分闸命令跳开故障区域两侧的开关，将故障从专网中隔离。
(3)中心开关站监控子站发出合闸命令合上断开的非故障部分断路器和开环点开关(中心开关站之间的联络开关)，故障线路后的各降压变电站转由相邻中心开关站供电。故障线路修好后，仍恢复故障前的供电方式。
3.6 监控终端设备介绍
(1)综合测控装置。可以采集开关分合状态和故障状态、弹簧储能状态、远方就地控制状态、接地刀状态等开关量，电流、电压等电气测量量，并可以控制开关(断路器)分、合闸。
(2)短路故障指示器。直接接于35 kV线路进线和出线电流互感器，根据流经装置的电流判别是否发生故障或事故。
(3)多功能电力监测仪。测量35 kV系统各种电气参数和有功、无功电能。
(4)线路差动保护装置。装于设有断路器的降压变电站进线和出线电流互感器，与对侧设有断路器的降压变电站的差动保护装置一起保护两者间的线路。
上述设备共同构成监控系统的监控终端，均采用MODBUS和IEC60870-5-101通信协议以RS485方式接于通信用光端机，经光缆与上级监控子站和监控主站进行信息传输。
4 通讯系统结构
由于工程站点多，传输距离长，且控制网络较复杂(正常运行时，中心开关站只需监控正常供电范围内的降压变电站和线路，做相邻中心开关站的备用时，还需监控备用供电范围内的降压变电站和线路)，如何实时有效地在各相关站点间传递信息是监控系统的重点和难点之一。设计中利用现代化通信设备—光端机和工程通信系统设置的光缆组成了一个可靠的信息传输系统。具体方案见图3。
图3 南水北调中线一期工程河北省邯邢段总干渠配网自动化通信系统图
从图中可以看出，中心开关站之间的降压变电站均设置1台具有2对光口的光端机，每个中心开关站设置1台具有4对光口的光端机，两对用于与上游降压变电站的监控终端及相邻中心开关站之间组成光纤双环网，另两对用于与下游降压变电站的终端单元及相邻中心开关站之间组成光纤双环网。连接两个中心开关站的光纤利用工程通信系统右岸的主干光缆光芯，而连接中心开关站和降压变电站的光纤则利用右岸的区段光缆光芯。这种双光缆构成的光纤双环网的通信方式大大提高了通信的可靠程度，任何一对光纤故障中断时，均可自另一通路传输监控信息。
监控子站在中心开关站以10/100 M以太网方式接入整个工程的监控系统广域网，以光纤通信方式与总调度中心的监控主站通信，通信结构与整个工程通信系统一致，可参见工程通信系统设计。
5 设计中应注意的事项
5.1 继电保护
(1)差动保护的动作时间需与短路故障指示器配合，保护动作加开关跳闸时间不能小于100 ms，否则，可能造成故障后短路故障指示器不动作，影响系统的故障判别。
(2)差动保护的差流值应躲过保护范围两侧正常的负荷电流差。因为本供电网络为环形辐射状网络，流过的负荷电流为穿透性电流，电流从中心开关站开始到各降压变电站处，呈递减趋势。
(3)环网中除中心开关站出线断路器外，其余环网断路器不能投入过电流保护，因为随着运行方式的变化，尤其是网络重构后开环点的变化，导致过电流保护间的配合发生变化，动作定值也发生变化，整定计算较为复杂。
(4)常规的差动保护装置一般用于保护短线路，其传输信息用辅助光缆采用多模光缆，传输距离一般不超过3～4 km，很难满足本工程保护线路较长的要求。因此，选用差动保护装置时，应注意根据被保护线路的长度对保护装置光接口提出传输距离要求，同时装置接口应改用单模光纤接口(满足传输距离要求，同时需与通信系统光缆类型相匹配)。
5.2 通 信
由于工程传输距离较远，且需与通信系统光缆类型相匹配，所以光端机必须选用单模光端机；又由于需要构成双纤环网，所以降压变电站光端机必须选用至少2对光接口的设备，中心开关站需与两侧的降压变电站和中心开关站分别组成环网，所以中心开关站的光端机不能少于4对光接口。
一般单模光端机的传输距离为30 km，传输距离超过30 km时应在订货时提出特殊要求，且应留有适当的安全余量。因此，中心开关站之间的光接口传输距离应根据不同站点间距离提出特殊要求或将图3中顺序连接的方式改为跳接，示意图见图4。但是，此种方法要求右岸主干光缆每隔一个闸站就应进入一次闸站，与系统通信方案不一致，需与承接系统通信设计的单位共同研究其可行性。
图4 光纤跳接示意图
6 结 语
南水北调中线一期工程率先在35 kV供电系统上采用了分段光纤纵联差动保护、电流保护、智能终端模块(综合测控装置等)、短路故障指示器、监控子站和监控主站共同构成的35 kV供电专网继电保护和配网自动化系统。既满足了本工程的特点和要求，也可以为以后的类似工程提供素材，积累经验。
参考文献：
[1] 长江水利委员会长江勘测规划设计研究院.南水北调中线一期工程干渠供电初步设计大纲[R].武汉：长江水利委员会长江勘测规划设计研究院，2004.
[2] 长江水利委员会长江勘测规划设计研究院.南水北调中线一期工程可行性研究报告[R].武汉：长江水利委员会长江勘测设计研究院，2005.