变电站一体化智能监控系统设计

曹久辉

（国网盐城供电公司，江苏 盐城 224000）

现代电网中，由于变电站所承担的任务越来越多，其故障跳闸的机率也越来越高。为满足《电力发展“十三五”规划（2016—2020 年）》和2020 年国家电网工作大会的要求，及时发现、分析和排除故障，保证电网运行的稳定和可靠性，需要引入网络技术。变电站的监测系统是电力系统中的一个关键支持，其能够全面、实时地了解各系统的工作状态，并对其进行实时的故障预警，并向有关部门提供正确的信息，使其能够快速地排除故障，确保变电所运行的安全。本文根据我国电网的网络安全管理制度，对智能化变电所的监测进行了研究。

1 变电站监控系统的整体设计

1.1 监控体系的体系结构

变电站的监控系统要求采集、分析变电站的各种设备信息，并对其进行控制。本文结合国家关于智能变电站综合监控系统的要求，对其进行了结构上的设计，如图1 所示。

图1 “三层一网”智能变电站监控系统结构图

变电所的监测体系是“三层一网”“，三层一网”的监测体系与“三层两网”的结构特点比较更符合110 kV 的实际情况。110 kV 变电站的进、出线路数量较少，电气装置的安装数量较小，且站控级的联网可以实现对电网的实时监测。与“三层两网”相比，“三层一网”监测系统对交换器数目的需求较小，在经济性上要优于传统的“三层两网”。所以，在变电所的监测体系中，必须采取“三层一网”的方式。

“三层一网”监控体系将整个变电所划分为4 大类：过程层、间隔层、站控层和站控层网络。变电站监控系统站控层配置了监控主机、综合服务器、传输服务器和网络接口等设备，同时在站控层设有1 个工程工作站，利用Linux 平台实现对各类突发事件的实时监测。站控层主要负责对各种线路、设备的集中监测与传送、分析和处理各类数据。

变电所间绝缘装置包括测量控制装置、保护装置及现场分析装置，隔离装置的作用是测量与传送变电装置的资料，并在发生事故时进行现场切断。

变电站的流程设备主要由一次设备和智能终端组成，其功能是采集变电站的数据，并对线路的断开和关闭进行控制。

为了实现全站的数据共享，必须采用IEC61850 通信规范，覆盖跨程层、间隔层和站控层的统一通信网络。

1.2 监控体系架构的设计

根据监测目标的功能及重要性，将其划分为2 大类型：第一类是电力变电所的线路及各类装置的实时监测。第二类是变电所一次设备和二次设备的工作状态。在此基础上，对110 kV 变电站的监测进行了总体规划，并将其分为了I 区和II 区。

变电站监控系统的I 区，主要是收集变电站的线路和设备的实时数据，并将数据传送到变电站的监控系统站控层，由站控层汇总分析数据，提供给现场的值班人员，并将数据以点对点的形式发送至本调度中心。

变电所监测设备I 类，负责采集设备状态、消防和应急等辅助设备的状态信息，并将其传输到站控制层面，通过站控层对各电气设备和辅助设备的状态进行综合和分析。

按照安全Ⅰ区和Ⅱ区的安全原理，在Ⅰ区和Ⅱ区之间设置了防火墙和纵向加密装置，通过防火墙，将安全I 区的监控数据传输至本区域调度中心。

2 监控目标设计

为了确保变电站监控数据的完整性，防止重复采集，根据国家有关标准，对110 kV 变电站的监控数据进行了规划。将被监控对象划分为3 大类：电网运行数据、故障数据和设备监控数据。

2.1 电网系统的运行信号

为确保全网的供电质量，需要实时监控各设备的电压、电流和频率等实时监控，并实时监控各开关设备的情况。

2.2 电力系统故障信号

在变电所出现的各种事故中，为能够及时地掌握和发现问题的根源和解决问题，其监测的是整个站点的总事故信号、间隔事故信号、保护动作信号和重合闸信号。

2.3 电力设备监控资料

监测变电所的测量数据，掌握开关电器设备及设备的故障情况，对一次、二次电气设备的日常远程控制和设备的工作状况进行了测试，以确保其可靠性。

3 监控系统的网络结构设计

110 kV 变电所的智能化无人值守，要求110 kV 变电所采用的传输带宽不低于100 Mbps 的工业以太网作为变电所的通信媒介。建立了1 个变电所监测的网络结构，以满足自动化变电所的实时采集与支持。

变电所站控层网络是“三层一网”监控体系中的重要组成部分，其担负着过程层、间隔层和站控层的实时信息交互作用。按照变电站建设技术规程，变电站站控层网络采用1 个卫星结构，实现简单网络时间协议（SNTP）、变电站事件（GOOSE）、采样值（SV）和制造报文规范（MMS）共网，在变电站的流级上不设置独立的网，采用变电站站控层网络进行数据通信。

4 变电站监控系统的设备结构

110 kV 变电所监测的体系结构为“三层一网”，主要包括站控层网络、过程层、间隔层、站控层及其相应的装置。

4.1 站控层装置

变电所监测的站控级是数据处理、传输和记录等功能。根据变电所监测系统的站控级要求，系统地从数据通信系统、系统操作系统、综合应用系统和数据记录系统等几个部分进行了系统的研究。

4.1.1 操作系统

站控级操作系统承担着3 大功能：一是对变电所全部的线路、装置进行实时监测，防止故障发生；二是实时查看变电站设备实时数据及运行状况数据，对变电站一、二次设备进行实时监控。三是实现了对变电所的数据的储存，使工作人员可以随时查阅所需的资料。

上述3 个任务由监控主机、操作员工作站和数据服务器来完成，由于110 kV 变电站的资料容量较少，由监控主机负责，没有单独的服务器。

通过对110 kV 变电所的站控级操作系统进行全面研究后将配置监控主机和操作员工作站。

4.1.2 数据通信网络关闭功能

数据通信网络关闭功能的作用是把变电站的实时数据传输至本地区调度中心、备用调度中心，为本地区调度中心和备用调度中心在110 kV 变电站远程调度、运行提供可靠的基础信息支撑，从而达到远程调度、运行的目的。变电站内的实时信息主要有：变电站内的线路、设备的实时数据、状态信息、辅助设备信息和变电站的记录信息。

针对变电站监控系统的监控对象类型及重要程度，将其划分为“安全 I 级”和“安全II 级”，并就“两级”的具体情况进行了介绍。

电力设备的主要任务是对110 kV 变电站的数据进行实时的采集和监控，以及对变电站的一、二次设备的监控。这样，区域内的数据通信网的关闭配置需要完成将变电站的实时信息向本区域调度中心发送到专门的通信线路，并能实时接收到控制指令。由于本区域的信息监控工作十分重要，因此，I 区的安全通信网络的关闭采用了双重配置。

安全区内的电子产品，主要是对一次电源的运行状态进行监测，以及对消防、应急等变电站的辅助作用。该地区各地区的数据通信系统必须向本地区的调度室发送信息，方便客户查阅。由于安全区I 区域信息的重要程度不如II 级，因此I 区域数据通信系统采取了1 个单独的配置模式。

4.1.3 综合应用程序

综合应用服务器主要承担变电站内部通信网络与变电站附属设备的联接，并由该系统对变电站和附属设备的数据通信进行集中处理。因为其工作方向是辅助性的，所以其结构是单一的。

4.1.4 GPS、北斗授时系统同步取样与定时设备

为保证110 kV 变电站和调度中心的同步运转，文中给出了同步采样系统、GPS 授时系统及北斗授时系统的构成。

110 kV 变电站的时间传输必须使用双同步时钟，并优先选用国内的北斗定时器。

4.1.5 打印设备

为了记录110 kV 变电站不能正常运行时的全站故障情况，现在配备了2 个能打印A3 和A4 纸的打印机，并与综合应用服务器连接。

4.1.6 设备公共界面

110 kV 变电站的直流电源屏、消防系统等附属设施不符合DL/T860 标准，需要在变电站站控层上安装专用的公共接口。

变电站监控系统站控层装置是按照上述讨论和变电站的实际情况来布置的，见表1。

表1 站控层的设备结构

4.2 间隔层设备

110 kV 变电站的监控系统隔离层，主要是测量各种数据、故障的及时处理、故障分析和记录，目前对隔离层的电力数据测量设备、故障记录分析设备及继电保护设备进行了配置，并根据变电站目前的建设情况进行了调整。

4.2.1 测量和控制设备

变电站测控设备的主要任务是测量、控制、保护、通信、数据分析与记录，依据110 kV 变电站的设计要求，此次的变电站测控设备必须符合IEC61850 电力建设标准，现根据变电站实际建设情况及国家标准对变电站测控装置配置规范。对变电所的各部分进行测试和控制。

为了对变电站进行全方位的监控，本文对变电站的进出线路、各级母线和主变压器等各个部位进行了详细的布置。目前，变电站建设的110 kV 进线2 条，10 kV 出线24 条，各有1 个测控设备，用于测量、控制、保护和记录等工作；110 kV 侧母线、10 kV 侧母线分别有2 台、3 台测控设备，并在母线间隔式智能汇控箱内安装；变压器是变电站的重要设备，需要重点监控和保护，目前变压器的高压侧、低压侧和变压器本体各有1 套，并进行组网的安装；变电站电容器、接地变压器及110 kV 母线部分，分别配置4 台、2 台和1 台测试控制装置。

为保证仪器能够迅速、平稳地工作，其测控系统的测控和防护系统应具有GOOSE 的性能，并按照IEC61850 标准中的报文传输机理，实现对数据的实时传输与监控。

4.2.2 网络录波和分析设备

为了对变电站的工作进行全面的记录，并将报文的初步分析结果发送到变电站的站控层。网络记录和分析设备会记录SV、GOOSE 和MMS 等信息。

4.2.3 电能测量设备

为了对变电站的用电量进行统计，将按IEC61850电气工作规范的110 kV 侧和10 kV 侧的数字式电表、多功能电表，负责对电流、电压等数据的采集；同时，还配备了远程电力终端，用于对变电站站控层和本区域进行远程通信。设备结构见表2。

表2 设备结构

4.3 过程层的设备结构

变电所监测的流程级是对一次设备进行控制、处理和采集的，其中包括隔离开关、断路器和互感器等，而现有110 kV 变电所监测的流线级和智能化终端已经实现了以上工作，方便使用和维护。根据110 kV 变电所现有的工程规模来确定其布局，为以后的工程提供一定的空间。

整合装置的主要作用是实现对变压器采集的信号进行实时整合，把经过加工的信息传输给隔离层，该变电所设置的2 台大变压器均为高压主变。

将1 套一体化的智能化终端装置置于一侧，在各主变的低压侧配置2 套一体化的智能化终端装置，在主变中心安装2 套一体化装置；目前，在变电所的110 kV 进线、110 kV 电压互感器和110 kV 主线路桥距分别安装2 个并联智能终端。

5 结束语

本文根据变电站的监测要求和国家电网公司的具体要求，研制了1 套变电站监测系统。经过总体设计、可行性研究、软硬件设计、设备安装调试和模拟实验等多个环节，结果表明当变电所出现问题时系统可以通过短信方式及时向管理人员报告，以便随时了解变电所的运行状况。