新一代智能变电站二次设备配置、优化及集成

张健

【摘 要】目前，在智能化数字变电站技术和DL/T860通信标准不断发展下，我国已经从智能化数字变电站的理论阶段发展到项目实际阶段。我国的电气二次设备也得到高速发展，集成化成为变电站自动化技术未来发展的方向。本文通过分析某220kV智能化变电站建设中电气二次部分的特点，提出新一代智能变电站设备配置、优化及集成的有关内容。

【关键词】变电站;智能;设备;优化

智能变电站二次系统主要由综合自动化系统 继电保护装置、测控装置、录波装置、计量装置、合并单元、智能终端等组成。二次设备通过电压互感器或电流互感器与一次设备相连，对一次设备进行控制、调节、保护和测控。传统变电站面临诸如常规互感器的動态测量范围存在局限性、缺乏统一的信息模型和信息交换模型而使电网信息共享难以实现、设备之间缺乏互操作、大量二次电缆对可靠性的不利影响等问题

1 新一代智能变电站设备配置

新一代智能变电站采用模块化预制二次组合设备，以电气功能和模块为单元，完成站内二次设备的预制拼接和集成调试。整个设备分布在现场组装安装上，降低了变电站的安装调试工作量，减少施工周期。采用光缆与外部设备连接方式，保证即插即用。各功能模块有：

站控层模块包括：监控主站（集成操作员站、工程师站、数据服务器、图形网关机功能）、时钟同步装置、网络打印机等设备;间隔层模块包括：保护及测控柜、故障录波、电度计量[2];集成电源模块包括：交直流系统和逆变电源。

智能变电站综合自动化系统包括三层设备（站控层、间隔层、过程层设备）和三层网络（站控层MMS网络、间隔层网络和过程层网络）。站控层网络通过网络与站控层其他设备通信，与间隔层设备通信，传输MMS报文和GOOSE报文;站控层网络采用双重化星形以太网络，站控层设备通过两个独立的以太网控制器接入双重化站控层网络;间隔层的主要任务是利用本间隔的数据完成对本间隔设备的监测和保护判断，主要包括保护、测控、计量、录波等装置等，间隔层网络通过网络与本间隔其他设备通信、与其他间隔层设备通信、与站控层设备通信，可传输MMS报文和GOOSE报文;变电站间隔层网络采用双重化星形以太网络，间隔层设备通过两个独立的以太网控制器接入双重化的站控层网络;过程层主要完成与一次设备相关的功能，如开关量、模拟量的采集以及控制命令的执行等，主要包括电子式互感器、智能开关等设备。过程层网络通过相关网络设备完成间隔层与过程层设备、间隔层设备之间以及过程层设备之间的数据通信;可传输SV报文和GOOSE报文。过程层网络按电压等级分别组网。

2 智能变电站设备优化

2.1 站控层

变电站自动化系统的各个子系统包括：综合监控系统、电能采集系统、智能辅助控制系统等，均具有统一的水平网络网络。根据安全等级可划分为：安全I区和II区，在安全I区和安全II区之间设置防火墙，区域III和区域IV之间使用前后隔离装置分开，保证各区域之间信息共享、统一存储。

在控制层设置监控主机和操作员站，实现后台监控系统的功能和先进的应用功能的结合。通过监控主机与各子系统之间分层分布式协作，实现暂态数据及稳态数据的统一处理，形成基于同一层面的具有唯一性的基础信息。

监控单元由智能变电站综合监控系统构成，收集了智能变电站通信设备的环境信息、设备信息和其他保护测量信息。

低频低压减负荷装置、电压无功控制（VQC）和变电站实现一体化，自动切换装置不再独立分配，完全由智能变电站综合自动化监控系统实现。考虑到上述设备的一般运行时间较长，运行可靠性要求较低，因此，智能变电站综合自动化监控系统的站控装置可以通过站控层网络的下行信息来满足功能要求。

2.2过程层网络

实现过程层与间隔层之间的信息传递以及间隔层内装置之间的信息交换。信息非常重要，优先级很高，实时性要求也非常高，一般丢失也不重发。可分为采样值（SV）网络和跳闸（GOOSE）网络。

（1）采样值（SV）网络

主要负责将过程层电子式互感器的采样数据传送给间隔层的二次设备。目前主要采用点对点的直连方式，网络协议主要是IEC 61850-9-1，跨间隔的连接可采用同步性能更好的FT3格式。

（2）GOOSE 网络

主要负责传输间隔层保护、测控设备向智能开关设备发送的跳闸/合闸命令，以及智能开关设备间隔层二次设备反馈的开关位置信息及其他相关信息。网络拓扑采用高速光纤环网结构。它是最重要的网络，直接影响了变电站系统的可靠性。GOOSE网络如果不够成熟可靠，将直接引起拒动和误动。因此，对它的网络延时要求在 4ms之内。

2.3网络配置优化

智能变电站网络建立在IEC61850通信技术规范基础上，网络设计的合理性很大程度上决定了变电站运行的可靠性。变电站网络配置应综合考虑运行可靠 性、实用性和经济性，合理配置网络，尽量减少网络交换，对于采用桥式接线、线变组接线220 kV及以下电压等级变电站，可不组建过程层网络，GOOSE / SV 报文采用点对点方式传输，保护及安全自动装置之间信息传输采用直连方式，其优点是避开了交换机环节，减少了传输延时;对于少于三个装置需要接受 SV 报文时，可不组建SV网络;当需要组建网络时，宜采用星形拓扑结构。

目前，变电站采用GOOSE、SV、MMS三网合一的方式组网，减少网络交换机配置，简化网络接线，但是对网络的宽带、交换机的处理能力、通信的安全可靠均提出了很高的要求。该方式理论上具备可行性，建议通过少量的工程试点来检验完善该方式的实际可行性。

3 保护、测控装置集成方案

根据220 kV智能变电站的一次接线，提出了二次设备集成的两种方案。

方案一：根据电气间隔积分、测控、保护功能积分采用一体化装置。每隔一段时间设置保护测控装置。随着科学技术的发展，保护装置综合测控功能的技术 得到了提高。

方案2：根据电压水平和电气间隔，集成测量、控制和保护功能。跨区间集成电压等级，采用综合保护、测量和控制装置。在方案1的基础上，进一步对变 电站继电保护测控装置进行跨区间集成。

集中保护测控装置包括交换服务器和综合保护测控装置。交换服务器通过SV网和GOOSE网采集各间隔数据，其主要功能为：接受来自GPS时钟服务器的同步时钟信号，并且把该同步信号编码输出到相应间隔的各智能单元实现全站的同步数据采集;将来自智能单元的采样数据和开入量数据打包、经过软件计算后，通过以太网向全光纤集成保护测控装置装置发布;将全光光纤综合保护测控装置的输出指令转发给各智能单元，实现保护跳闸。集中式测控保护一体化装置具有共享便利及信息获取的优势，代表了变电站集成保护测控装置未来发展的方向。

结论

通过对220 kV智能变电站电气二次设备进行综合优化，提高了220 kV智能变电站的设备集成度，简化了二次设备与其它设备之间的连接，降低了二次设备现场调试工作量，提高了保护设备的速动性和灵敏性。

参考文献：

[1]嵇建飞，袁字波，庞福滨.智能变电站就地智能设备电磁兼容抗扰度实现分析[J].电工技术学报，20l4，29（1）：2—10.

[2]郝长端，刘钰，陈树果，等.智能变电站网络通信异常的分析[J].电气技术，2016，17（9）：135—138.

（作者单位：广东岭南设计院有限公司）