110kV智能變電站設(shè)計與建設(shè)實例

楊建平，陽 靖，羅 莎

（1.湖南省電力公司 長沙電力局，湖南 長沙 410015；2.長沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410004）

智能變電站是堅強智能電網(wǎng)建設(shè)中實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換和控制的核心平臺之一，是智能電網(wǎng)的重要組成部分.目前，中國國內(nèi)變電站的主要模式有常規(guī)變電站與數(shù)字化變電站2種.常規(guī)變電站存在采集資源重復(fù)，系統(tǒng)多套，廠站設(shè)計和調(diào)試復(fù)雜，互操作性差，標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化不足等問題；數(shù)字化變電站則缺乏相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、缺乏相關(guān)評估體系和手段以及過程層設(shè)備穩(wěn)定性和可靠性有待驗證等問題.這些問題都影響了變電站生產(chǎn)運行的效率，不利于電網(wǎng)安全運行水平的進一步提高，因此迫切需要一種新的變電站模式［1］.

智能變電站是變電站自動化領(lǐng)域發(fā)展的下一個階段.在技術(shù)方面，計算機信息與通信技術(shù)已經(jīng)有了很大的發(fā)展，IEC 61850第二版的發(fā)布也為智能化變電站的建設(shè)提供了有力支撐，因此，對智能化變電站建設(shè)及調(diào)試的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行細致地分析和研究是很有必要的.在對目前智能變電站相關(guān)規(guī)定進行研究的基礎(chǔ)上，筆者結(jié)合長沙110kV智能變電站試點工程的設(shè)計和建設(shè)實例，對智能化變電站的具體實現(xiàn)以及建設(shè)過程中遇到的問題進行探討.

1 智能化變電站與常規(guī)變電站的區(qū)別

根據(jù)中國國家電網(wǎng)公司發(fā)布的《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》，智能變電站是采用先進、可靠、集成、低碳及環(huán)保的智能設(shè)備，以全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化和信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監(jiān)測等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策及協(xié)同互動等高級功能的變電站［2］.

與常規(guī)變電站相比，智能變電站在概念上已經(jīng)發(fā)生了根本性的改變，主要體現(xiàn)在2個方面.

1）在常規(guī)變電站的綜自系統(tǒng)中不存在過程層設(shè)備.智能變電站的基本架構(gòu)有3層：過程層、間隔層和站控層.過程層包含由一次設(shè)備和智能組件構(gòu)成的智能設(shè)備、合并單元和智能終端等，完成電能分配、傳輸、變換及測量、控制、狀態(tài)監(jiān)測等相關(guān)功能.常規(guī)變電站中沒有過程層設(shè)備，因此，保護、測控裝置對一次設(shè)備的控制和各種信息的采集均通過大量電纜的連接來實現(xiàn)，這種連接方式既不能夠達到一、二次設(shè)備之間的徹底隔離，也容易造成二次系統(tǒng)的復(fù)雜性，難于設(shè)計［3］.

2）常規(guī)變電站中各種二次裝置與后臺之間、遠方調(diào)度主站之間的通信規(guī)約繁雜多樣.目前，常用的通信協(xié)議包括DNP，103，104，MODBUS等等，大量的規(guī)約轉(zhuǎn)換容易造成“四遙”系統(tǒng)的不可靠，難以達到智能電網(wǎng)變電站集約化管理、協(xié)同互動的要求.由國際電工委員會制定的通信標(biāo)準(zhǔn)IEC 61850是全面規(guī)范智能化變電站自動化通信體系的新標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)的制定推進了智能變電站中各種應(yīng)用系統(tǒng)之間的無縫通信以及站內(nèi)各自動化設(shè)備之間集成應(yīng)用的實現(xiàn)進程.

在具體的實現(xiàn)形式上，智能變電站中還引入了智能設(shè)備的概念，這是高壓設(shè)備智能化的簡稱，即一次設(shè)備和智能組件的有機結(jié)合體，具有測量數(shù)字化、控制網(wǎng)絡(luò)化、狀態(tài)可視化、功能一體化和信息互動化的特征，因此，可以認為實現(xiàn)高壓設(shè)備智能化的關(guān)鍵技術(shù)就在于智能終端的設(shè)計與實現(xiàn).

2 智能化變電站的設(shè)計、建設(shè)實例及實現(xiàn)方式

曾家沖110kV變電站是中國國網(wǎng)公司第1批試點的4個智能變電站之一，也是湖南電網(wǎng)首個投入運行的智能變電站，其設(shè)備型式、二次回路、監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)方式及程序化操作、在線檢測技術(shù)等均與傳統(tǒng)的綜合自動化變電站存在較大差異.

2.1 智能一次設(shè)備的實現(xiàn)

一次設(shè)備作為電網(wǎng)的基本單元，其智能化程度關(guān)系到智能電網(wǎng)的整體水平.一次設(shè)備要實現(xiàn)智能化，首先要擴展監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）的數(shù)據(jù)采集范圍與內(nèi)容，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)測分析，即一次設(shè)備運行狀態(tài)的完全可視.只有在一次設(shè)備實現(xiàn)智能化后才能通過對其所上送的各種數(shù)據(jù)進行分析，判斷運行狀況，以決定何時檢修、檢修什么部件等，達到真正意義上的狀態(tài)檢修.

相比智能二次設(shè)備技術(shù)的不斷更新，智能一次設(shè)備技術(shù)的發(fā)展較為滯后.傳統(tǒng)一次設(shè)備幾乎沒有數(shù)據(jù)采集功能，要達到智能電網(wǎng)要求，必須對其進行技術(shù)更新或改造［4－6］.目前傳統(tǒng)一次設(shè)備實現(xiàn)智能化的實現(xiàn)方式主要有2種：①由智能組件負責(zé)數(shù)據(jù)采集功能，傳感器元件則內(nèi)嵌于一次設(shè)備本體，此種方式下一次設(shè)備與智能組件之間主要采用電纜進行連接；②數(shù)據(jù)采集單元安裝于一次設(shè)備上，由智能組件對采集的數(shù)據(jù)進行處理分析并上傳至間隔層、站控層設(shè)備，此種方式下一次設(shè)備與智能組件之間主要采用光纖進行連接.根據(jù)《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》以及《110（66）～220kV智能變電站設(shè)計規(guī)范》的有關(guān)技術(shù)原則，這2種方式均屬于對傳統(tǒng)一次設(shè)備的智能化改造，都需要采用一次設(shè)備＋智能組件的實現(xiàn)形式，曾家沖變即是采用第1種方式.

2.1.1 集成智能組件的主變壓器

變壓器是變電站系統(tǒng)的核心部分，智能化主變通過內(nèi)嵌于變壓器本體中各單元傳感器所提供的信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測、保護、故障報警、狀態(tài)診斷與評估、信息管理、通信接口和一定的高級功能，能有效提高設(shè)備的可靠性.曾家沖智能化主變的接線形式如圖1所示，智能控制柜的配置如表1所示.

圖1 集成智能組件的主變壓器Figure 1 Main transformer of the integrated intelligent components

表1 主變壓器智能控制柜配置清單Table 1 Intelligent control cubicle disposition detailed list of main transformer

2.1.2 智能110kV GIS設(shè)備

曾家沖變的110kV部分為擴大內(nèi)橋接線方式，接線方式如圖2所示.

110kV智能組件就地安裝在各GIS間隔的匯控柜內(nèi)，進線間隔2，6和內(nèi)橋間隔3，5各配置2套思源弘瑞UDC－502智能組件，其中，第1套智能組件包含合并單元、智能單元，具有測控功能，第2套智能組件用于雙重化配置，不具有測控功能.匯控柜配置及IED功能如表2所示.

從圖2及表2可以看出，雖然曾家沖變通過一次設(shè)備的智能化實現(xiàn)形式達到了智能電網(wǎng)的基本要求，但是所采集的數(shù)據(jù)仍然較簡單，只能為狀態(tài)檢修提供參考，并不能滿足在線診斷的要求.另外，考慮到建設(shè)成本及投入產(chǎn)出比，該站的10kV部分仍然按照常規(guī)站設(shè)計建設(shè).目前，國內(nèi)外關(guān)于智能一次設(shè)備尚沒有統(tǒng)一的定義和標(biāo)準(zhǔn)，從中國已有的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和實際應(yīng)用上來看，一次設(shè)備距離完全智能化還有較大差距.

圖2 曾家沖變擴大內(nèi)橋接線方式（110kV部分）Figure 2 Expanded internal bridge main connection of 110kV Zengjiachong smart substation（110kV part）

表2 110kV GIS出線間隔智能控制柜配置清單Table 2 Intelligence control cubicle disposition detailed list of 110kV GIS outgoing line interval

2.2 二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化的實現(xiàn)方式

2.2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

按照《110（66）～220kV智能變電站設(shè)計規(guī)范》，智能化變電站的二次設(shè)備應(yīng)采用三層兩網(wǎng)的方式進行組網(wǎng).但作為中國首批智能化試點站，曾家沖變的設(shè)計、施工均在此規(guī)范出臺之前，因此，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計并不完全符合此規(guī)定，其中二次站內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)采用了“四網(wǎng)合一、三層一網(wǎng)”方式，即面向通用對象的變電站事件（GOOSE）報文、采樣測量值（SMV）報文、制造報文規(guī)范（MMS）報文和IEEE 1588對時報文的同網(wǎng)傳輸方式，以及過程層報文與站控層報文的同網(wǎng)傳輸方式，站控層設(shè)備、智能組件及主變保護測控裝置均接入該層網(wǎng)絡(luò)［7－8］.這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在中國僅此一例，這也為智能化變電站二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化提供了另外一種思路和例證.

如圖3所示，站內(nèi)采用環(huán)型以太網(wǎng)（單網(wǎng)）結(jié)構(gòu)，并按照IEC 61850通信規(guī)范進行系統(tǒng)建模及信息傳輸，通訊介質(zhì)采用光纖［9］.

圖3 自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Figure 3 Automation system structure

對于110kV分段、10kV線路、電容器、所用變間隔，均采用集合并單元保護測控一體化的智能組件，完成該間隔的所有功能（如保護、測量、控制、計量等），以實現(xiàn)間隔功能自治，即上述功能均不依賴于網(wǎng)絡(luò).

在GOOOSE組網(wǎng)的同時，主變間隔增加了主變保護測控裝置與相關(guān)智能組件的點對點光纖連接，實現(xiàn)主變保護直接采樣和跳閘，達到主變間隔的功能自治的目的.

站域保護（備用電源自投，低周低壓減載）因涉及多間隔元件，采樣值及跳閘均采用網(wǎng)絡(luò)方式.

采用單環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)和應(yīng)用“四網(wǎng)合一”簡化了網(wǎng)絡(luò)物理架構(gòu)的設(shè)計，但是也帶來了一些問題，變電站整站二次設(shè)備可靠運行、保護、測量、控制、計量等各項功能的正確實現(xiàn)均依賴于站內(nèi)二次網(wǎng)絡(luò)，使得二次網(wǎng)絡(luò)的健康度和可靠性直接影響到局部乃至整個智能變電站的安全，同時受限于網(wǎng)絡(luò)流量的限制，VLAN的合理劃分也成為了變電站穩(wěn)定運行的重點工作.

根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架及傳輸需求，常用的VLAN劃分方式有3種.

l）基于端口的VLAN劃分.將一個或多個交換機上的幾個端口劃入一個邏輯組，可通過對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的交換端口進行重新分配即可實現(xiàn)VLAN劃分，不用考慮該端口所連接的設(shè)備.

2）基于MAC地址的VLAN劃分.每塊網(wǎng)卡都有一個唯一且固定的的MAC地址作為網(wǎng)卡標(biāo)識，可按MAC地址把一些站點劃分為一個VLAN.

3）基于路由的VLAN劃分.路由協(xié)議工作在網(wǎng)絡(luò)層，相應(yīng)的工作設(shè)備有路由器和路由交換機（即3層交換機），該方式允許一個VLAN跨越多個交換機或一個端口位于多個VLAN.

對于VLAN的劃分，目前以第1，3種劃分方式為主，以第2種劃分方式為輔.該工程結(jié)合實際需要，采用基于路由的VLAN劃分方式.

2.2.2 保護配置及聯(lián)絡(luò)方式

曾家沖變二次智能系統(tǒng)共配置4臺交換機，并通過千兆光纖聯(lián)接組成一個光纖環(huán)網(wǎng).

4臺交換機中，2臺為羅杰康RSG2288透明交換機、1臺為RSG2100光纖以太網(wǎng)交換機、1臺為RSG2300光纖以太網(wǎng)交換機.RSG2300交換機安裝位置在10kV隔離柜上，其余交換機均安裝在二次室網(wǎng)絡(luò)通信柜內(nèi).

主變保護裝置、110kV進線和內(nèi)橋智能組件A、110kV母線PT智能組件、10kV母聯(lián)保護測控裝置等以百兆光纖接到RSG2288交換機上［10－11］.

110kV電流和電壓互感器及主變低壓側(cè)電流互感器采用電子式互感器；110kV進線不配置保護，內(nèi)橋配置充電保護，主變配置雙套保護；110kV進線、內(nèi)橋和主變低壓側(cè)的智能組件都按雙套配置；主變保護與110kV進線、內(nèi)橋及低壓側(cè)用點對點光纖與各側(cè)智能組件通信，其中，主變第1套保護與各側(cè)的智能組件A相連，第2套保護與智能組件B相連.110kV母線電壓信號經(jīng)智能組件合并后送到站控層網(wǎng)絡(luò)，110kV進線和內(nèi)橋的智能組件A以及主變的2套裝置從站控網(wǎng)絡(luò)接受電壓信號并完成電壓并列功能.

系統(tǒng)配置2套錄波及網(wǎng)絡(luò)記錄分析裝置，第1套為思源弘瑞UDR－505裝置，該裝置通過站控層網(wǎng)絡(luò)記錄全站的GOOSE，SMV，MMS等報文；第2套為國電南思網(wǎng)絡(luò)記錄分析裝置，該裝置的SMV報文采用點對點方式記錄，并從站控層網(wǎng)絡(luò)記錄GOOSE，MMS報文.

2.2.3 智能化狀態(tài)監(jiān)測功能的實現(xiàn)

智能變電站設(shè)備實現(xiàn)廣泛的在線監(jiān)測，使設(shè)備狀態(tài)檢修更加科學(xué)可行［11］.通過信息融合技術(shù)對多種電網(wǎng)運行信息和數(shù)據(jù)進行分析，經(jīng)過綜合處理得到信息的內(nèi)在聯(lián)系與規(guī)律，最終實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的“立體可視化”.狀態(tài)檢測與診斷系統(tǒng)是變電站設(shè)備綜合故障診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)可依據(jù)獲得的被檢測設(shè)備狀態(tài)信息，結(jié)合被檢測設(shè)備的特性、運行狀態(tài)記錄及環(huán)境因素，對被檢測設(shè)備的實時狀態(tài)做出評估.曾家沖變狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)為寧波理工MSD4000監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)配置如圖4所示.

圖4 曾家沖變電站狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)配置Figure 4 State monitoring system deposition of Zengjiachong smart substation

狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采用單獨組網(wǎng)，全站設(shè)置統(tǒng)一、獨立的狀態(tài)監(jiān)測后臺系統(tǒng)，包括主變色譜狀態(tài)監(jiān)測及GIS SF6氣體密度微水狀態(tài)監(jiān)測，通過對數(shù)據(jù)分析及綜合專家系統(tǒng)軟件，識別已有的、正在發(fā)生的或潛在的設(shè)備性能劣化現(xiàn)象，對設(shè)備狀態(tài)作出狀態(tài)預(yù)判和檢修決策建議，并將該分析結(jié)果經(jīng)綜合信息網(wǎng)傳送至長沙局狀態(tài)監(jiān)測主站端.同時接收遠方監(jiān)控中心的控制命令并返校信息［12］.

3 智能化變電站運行評價以及部分缺陷

110kV曾家沖智能變電站在總體設(shè)計方案中遵循了國家電網(wǎng)公司《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》、《110～220kV智能變電站設(shè)計規(guī)范》的有關(guān)技術(shù)原則，但技術(shù)方案在強調(diào)可靠性的基礎(chǔ)上也有大膽創(chuàng)新，通訊網(wǎng)絡(luò)使用了三層一網(wǎng)的架構(gòu)，實現(xiàn)了SMV，GOOSE，IEEE 1588，MMS四網(wǎng)合一，過程層采用了集合并單元、智能終端、保護、測控四合一的智能組件，功能高度集成，開發(fā)試驗了部分高級應(yīng)用功能，實現(xiàn)了變電站順序控制、設(shè)備狀態(tài)可視化、智能告警及分析決策、源端維護、站域控制等功能.

曾家沖變電站從2010年12月26日投運以來，運行總體情況比較穩(wěn)定，但期間也出現(xiàn)過幾次因設(shè)備缺陷而發(fā)生的故障.

1）110kV電子式電壓互感器的電壓信號在操作后消失.經(jīng)設(shè)備廠家與現(xiàn)場工作人員互感器進行詳細檢測及驗證，確定在隔離刀閘帶電動作時，互感器電源側(cè)瞬態(tài)過電壓，使互感器光電轉(zhuǎn)換裝置受干擾失效，造成互感器信號發(fā)送故障.經(jīng)相關(guān)技術(shù)人員試驗、研究后，確定必須在電源端做抗干擾措施后，方可消除隔離刀閘帶電分、合時對互感器的影響.

2）根據(jù)總體設(shè)計方案，進線的A套智能組件可以完成全站電壓并列功能，但在實際執(zhí)行電壓并列后，SMV通道會出現(xiàn)品質(zhì)異常的故障，此時電壓采樣值不能正確地傳輸.經(jīng)檢查后發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)此類問題的原因是電壓并列的瞬間采樣延時過長，導(dǎo)致智能組件的采樣值解析模塊被破壞，即使此后采樣延時恢復(fù)正常也不能正常工作.設(shè)備廠家對智能組件的采樣程序優(yōu)化后，該缺陷已被消除.

綜上所述，可以看到投運后的主要缺陷來自于智能化變電站所使用的新設(shè)備，特別是自動化網(wǎng)絡(luò).雖然智能化站采用的一次設(shè)備先進，具有很高的運行可靠性，二次設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)也經(jīng)過了比較全面、嚴(yán)格的出廠驗收調(diào)試和現(xiàn)場調(diào)試，并且配置了多種設(shè)備自檢、互檢，可有效發(fā)現(xiàn)運行中的各種設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)異常，但其作為首個SMV，GOOSE，MMS，IEEE 1588共網(wǎng)傳輸，站控層、間隔層、過程層“三層一網(wǎng)”的試點站，在運行過程中還是需要加強對網(wǎng)絡(luò)負載的實施監(jiān)控，通過不斷改進和提高技術(shù)手段維持網(wǎng)絡(luò)流量均衡，保證智能設(shè)備間以及整個網(wǎng)絡(luò)的通信穩(wěn)定性.

4 結(jié)語

目前，智能變電站技術(shù)仍處于試點階段，筆者詳細分析了長沙曾家沖智能變電站的設(shè)計與實現(xiàn)方式，并對該站投運后的情況作了簡要評價.總體而言，110kV曾家沖智能變電站的設(shè)計方案、智能化設(shè)備整體達到了實用化運行的要求，是智能變電站成功投運的范例之一，為今后智能變電站的構(gòu)建提供了一種新的實現(xiàn)模式，具有一定的參考價值.

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