智能變電站二次系統(tǒng)雙重化配置技術(shù)應(yīng)用分析

彭志強(qiáng)，張小易，高 磊，卜強(qiáng)生，宋亮亮，袁宇波

(江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211003)

Q/GDW441-2010[1]技術(shù)規(guī)范要求220 kV及以上電壓等級(jí)的繼電保護(hù)及與之相關(guān)的設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)按照雙重化原則進(jìn)行配置，本著這一要求，對(duì)220 kV及以上等級(jí)的智能變電站二次系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行雙重化冗余配置。通過對(duì)智能變電站二次系統(tǒng)進(jìn)行雙重化配置，可以大大提高二次系統(tǒng)的可靠性，適應(yīng)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的要求。在智能變電站的二次回路中，光纖取代了傳統(tǒng)的硬接線，這對(duì)系統(tǒng)可靠性提出了更高要求。智能變電站改變了傳統(tǒng)二次設(shè)計(jì)方式，裝置的開入開出、交流輸入及開關(guān)的操作回路被過程層設(shè)備所涵蓋，各種硬接線由光纖替代，保護(hù)測控裝置信息交互被ICD文件所描述，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)信息流的掌握有一定的難度。結(jié)合500 kV智能變電站工程應(yīng)用，探討了智能變電站二次系統(tǒng)雙重化配置的實(shí)現(xiàn)方案，著重分析了雙測控技術(shù)，并對(duì)雙重化配置的信息流進(jìn)行梳理，從而為工程應(yīng)用提供參考。

1二次系統(tǒng)雙重化配置總體方案

智能變電站中二次系統(tǒng)包括電子式互感器的二次轉(zhuǎn)換器（A/D采樣回路）、合并單元、光纖連接、智能終端、過程層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、繼電保護(hù)裝置、測控裝置、站控層交換機(jī)、監(jiān)控后臺(tái)服務(wù)器等設(shè)備[2]。智能變電站二次系統(tǒng)雙重化配置結(jié)構(gòu)如圖1所示，由于文中著重分析雙重化設(shè)備配置，故圖1略去了非雙重化設(shè)備。

2過程層設(shè)備重化

2.1電子式互感器雙A/D采樣

電子式互感器是由連接到傳輸系統(tǒng)和二次轉(zhuǎn)換器的一個(gè)或多個(gè)電流或電壓傳感器組成，用于傳輸正比于被測量的量，以供給測量儀器、儀表和繼電保護(hù)或控制裝置，它使變電站二次回路由光纖取代了傳統(tǒng)的硬接線[3]。電子式互感器內(nèi)由兩路獨(dú)立的采樣系統(tǒng)進(jìn)行采集，每路采樣系統(tǒng)采用雙A/D系統(tǒng)接入合并單元，每個(gè)合并單元輸出兩路數(shù)字采樣值由同一路通道進(jìn)入一套保護(hù)裝置，以滿足雙重化保護(hù)相互完全獨(dú)立的要求。保護(hù)裝置為防止輸入的雙A/D數(shù)據(jù)之一異常時(shí)誤動(dòng)作而應(yīng)加入判斷雙A/D采樣不一致的判斷。如圖2所示，傳感元件的輸出信號(hào)進(jìn)行雙A/D采樣，經(jīng)過轉(zhuǎn)換器輸入到合并單元。由圖2可以清晰地表達(dá)經(jīng)由電子式互感器的雙重化采樣值由光纖通道傳輸?shù)嚼^電保護(hù)裝置的信息流，對(duì)于保護(hù)裝置接收合并單元的兩路采樣值，對(duì)兩路采樣值進(jìn)行比較，若兩路采樣值偏差超過設(shè)定的閾值，就會(huì)報(bào)雙A/D不一致告警，閉鎖保護(hù)功能，這樣提高了系統(tǒng)的可靠性。

圖1智能變電站二次系統(tǒng)雙重化配置結(jié)構(gòu)示意圖

圖2雙A/D采樣和雙合并單元與雙保護(hù)信息流示意圖

2.2合并單元雙重化

合并單元是實(shí)現(xiàn)電子式互感器與保護(hù)、測控及錄波等二次設(shè)備接口的關(guān)鍵裝置，具有數(shù)據(jù)合并發(fā)送與數(shù)據(jù)同步的功能。雙重化配置的合并單元應(yīng)與電子式互感器2套獨(dú)立的二次采樣系統(tǒng)一一對(duì)應(yīng)。雙重化配置保護(hù)所采用的電子式互感器一、二次轉(zhuǎn)換器及合并單元應(yīng)雙重化配置，2套保護(hù)的電壓（電流）采樣值應(yīng)分別取自相互獨(dú)立的合并單元。由圖2可清晰看出雙合并單元與保護(hù)裝置及電子式互感器的關(guān)系，合并單元通過發(fā)出IEC 61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的SV報(bào)文向繼電保護(hù)裝置點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（P2P）的傳輸采樣值。

2.3智能終端雙重化

智能終端是一種智能組件，它與一次設(shè)備采用電纜連接，與保護(hù)、測控等二次設(shè)備采用光纖連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)一次設(shè)備（如：斷路器、刀閘、主變壓器等）的測量、控制等功能。國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定220 kV及以上電壓等級(jí)智能終端按斷路器應(yīng)進(jìn)行雙重化配置，每套智能終端包含完整的斷路器信息交互功能。雙重保護(hù)的跳閘回路應(yīng)與2個(gè)智能終端分別一一對(duì)應(yīng)，2個(gè)智能終端應(yīng)與斷路器的2個(gè)跳閘線圈分別一一對(duì)應(yīng)。雙重化智能終端信息流如圖3所示，保護(hù)裝置與智能終端通過IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定GOOSE協(xié)議點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的進(jìn)行信息交互。

圖3雙重化智能終端信息流

2.4過程層組網(wǎng)雙重化

過程層網(wǎng)絡(luò)是過程層與間隔層信息交互的紐帶，它包括過程層SV網(wǎng)絡(luò)、過程層GOOSE網(wǎng)絡(luò)，通過過程層交換機(jī)雙重化組網(wǎng)通信。根據(jù)國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，110 kV及以上電壓等級(jí)的過程層SV網(wǎng)絡(luò)、過程層GOOSE網(wǎng)絡(luò)應(yīng)完全獨(dú)立。雙重化配置的繼電保護(hù)裝置的GOOSE、SV網(wǎng)絡(luò)應(yīng)遵循相互獨(dú)立的原則，當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)異?；蛲顺鰰r(shí)不應(yīng)影響另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，所以繼電保護(hù)裝置采用雙重化配置時(shí)對(duì)應(yīng)的過程層網(wǎng)絡(luò)也應(yīng)要進(jìn)行雙重化配置。過程層網(wǎng)絡(luò)雙重化結(jié)構(gòu)如圖4所示，第一套保護(hù)接入A網(wǎng)，第二套保護(hù)接入B網(wǎng)。

3間隔層設(shè)備雙重化

3.1保護(hù)裝置雙重化

Q/GDW441-2010中規(guī)定220 kV及以上電壓等級(jí)的繼電保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)遵循雙重化配置原則，每套保護(hù)裝置功能應(yīng)獨(dú)立完備和安全可靠。其中雙重化的2套保護(hù)裝置及其相關(guān)設(shè)備含電子式互感器、合并單元、智能終端、交換機(jī)、跳閘線圈等的直流電源也要應(yīng)一一對(duì)應(yīng)。雙重化配置的繼電保護(hù)裝置要求使用主、后一體化的保護(hù)裝置，并且雙重化配置的保護(hù)之間不直接進(jìn)行信息交換，而是通過過程層交換機(jī)經(jīng)由GOOSE網(wǎng)絡(luò)交互信息。雙重化保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)裝置應(yīng)能夠完整獨(dú)立處理所有類型的故障。保護(hù)裝置A與保護(hù)裝置B之間沒有任何電氣聯(lián)系，當(dāng)一套保護(hù)裝置異?；蛲顺鰰r(shí)而不應(yīng)影響另一套保護(hù)裝置的正常運(yùn)行。由圖1、圖2、圖3和圖4可以看出保護(hù)系統(tǒng)與其他裝置之間信息交互的信息流，包括合并單元通過SV報(bào)文發(fā)送采樣值給保護(hù)裝置，智能終端以GOOSE報(bào)文傳輸開關(guān)的位置信號(hào)并接受保護(hù)GOOSE報(bào)文跳閘信號(hào)。

圖4雙重化智能終端信息流

3.2雙測控及監(jiān)控后臺(tái)處理方案

繼電保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求220 kV及以上電壓等級(jí)的保護(hù)裝置需雙重化配置，因此采用保護(hù)測控一體化裝置，測控隨保護(hù)也要進(jìn)行雙重化配置，即雙測控[4]。如圖4所示，保測裝置與過程層的信息交互是保護(hù)裝置與測控裝置的累加，與其他IED的信息交互沒什么大的不同，但是與監(jiān)控后臺(tái)的信息交互與單測控有很大的不同。由于間隔層采用了雙測控系統(tǒng)，所以監(jiān)控后臺(tái)和遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)必須處理雙測控系統(tǒng)數(shù)據(jù)，在這里選擇廠站監(jiān)控系統(tǒng)分析，遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)處理方案類似。監(jiān)控系統(tǒng)的信息流可分為上行信息和下行信息，對(duì)上行信息和下行信息處理方案分別如下：

上行信息包括遙測與遙信信息，對(duì)于監(jiān)控后臺(tái)來說，有2個(gè)上行信息，稱之為多源數(shù)據(jù)，即同時(shí)接受同一間隔內(nèi)的2個(gè)不同測控裝置的上行數(shù)據(jù)。監(jiān)控后臺(tái)根據(jù)數(shù)據(jù)源的健康情況判斷采用哪個(gè)測控裝置的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)源根據(jù)一定的規(guī)則設(shè)定優(yōu)先等級(jí)，在健康情況相同時(shí)，采用優(yōu)先等級(jí)較高的數(shù)據(jù)源來反映一次設(shè)備運(yùn)行信息。

下行信息包括遙控與遙調(diào)命令，監(jiān)控后臺(tái)下發(fā)的控制命令只能發(fā)送到其中的一個(gè)測控裝置執(zhí)行。在監(jiān)控后臺(tái)應(yīng)首先根據(jù)數(shù)據(jù)源的健康情況來判斷控制命令采用哪個(gè)裝置執(zhí)行，在健康情況相同時(shí)，采用優(yōu)先等級(jí)較高的數(shù)據(jù)源來執(zhí)行控制命令。

具體處理方案中，在監(jiān)控后臺(tái)定義一個(gè)虛裝置，它包含A、B裝置的公有信息，私有信息（如A、B裝置本身的裝置告警信息等）分別獨(dú)自展示。虛裝置信息根據(jù)A、B裝置的健康情況與事先設(shè)定的優(yōu)先級(jí)來決定。

首先根據(jù)數(shù)據(jù)源的健康情況來判斷，虛裝置是為A裝置還是B裝置。A、B裝置先設(shè)定個(gè)優(yōu)先級(jí)，在A、B裝置健康狀況相同時(shí)，虛裝置即為優(yōu)先級(jí)高的裝置。判定虛裝置的算法程序流程如圖5所示，該算法在監(jiān)控后臺(tái)完成，這樣即可在監(jiān)控后臺(tái)通過程序算法進(jìn)行雙測控的上行數(shù)據(jù)與下行數(shù)據(jù)的判斷處理。對(duì)于雙測控的信息處理，在間隔層不作任何處理，只是在站控層加入數(shù)據(jù)源的判斷選擇，此方案既簡化了信息的處理流程，又大大提高了系統(tǒng)對(duì)測量數(shù)據(jù)與控制命令的可靠性。

圖5判定虛裝置算法程序流程

4站控層設(shè)備雙重化

4.1雙后臺(tái)服務(wù)器

監(jiān)控后臺(tái)服務(wù)器是智能變電站一體化信息平臺(tái)的核心，對(duì)整個(gè)變電站安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用[5]。為了加強(qiáng)系統(tǒng)的冗余性，應(yīng)采用雙服務(wù)器的模式，如圖1與圖6所示，服務(wù)器A與服務(wù)器B互為熱備用。雙后臺(tái)服務(wù)器通過站控層交換機(jī)接入到站控層網(wǎng)絡(luò)與間隔層設(shè)備進(jìn)行信息交互，信息交互的通信協(xié)議遵循IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，以C/S通信模式進(jìn)行信息傳輸，即后臺(tái)服務(wù)器為客戶端 （Client），間隔層裝置為服務(wù)端（Server）。2臺(tái)服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫及相關(guān)配置應(yīng)進(jìn)行定時(shí)同步或自動(dòng)同步，在一臺(tái)服務(wù)器癱瘓或檢修時(shí)，另一臺(tái)服務(wù)器能自行啟動(dòng)并正常運(yùn)行。雙后臺(tái)服務(wù)器的冗余配置，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。

4.2站控層網(wǎng)絡(luò)雙重化

根據(jù)國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求110kV及以上電壓等級(jí)的站控層MMS網(wǎng)絡(luò)應(yīng)雙重化配置[6]。如圖6所示，間隔層設(shè)備應(yīng)提供2個(gè)以太網(wǎng)口分別連至MMS A網(wǎng)與MMS B網(wǎng)，監(jiān)控后臺(tái)服務(wù)器應(yīng)與站控層中心交換機(jī)A與站控層中心交換機(jī)B相連。正常數(shù)據(jù)通信時(shí)，優(yōu)先與A網(wǎng)相連，一旦A網(wǎng)出現(xiàn)故障斷開，系統(tǒng)能自動(dòng)切換到B網(wǎng)。通過站控層網(wǎng)絡(luò)雙重化大大提高了系統(tǒng)站控層網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。

圖6站控層網(wǎng)絡(luò)雙重化結(jié)構(gòu)示意圖

5結(jié)束語

目前智能變電站對(duì)二次系統(tǒng)的配置與組網(wǎng)形式未有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，找到一種最合適的方案有待于在工程實(shí)踐中去探究與證明。文中分析的智能變電站二次系統(tǒng)雙重化配置技術(shù)提高了系統(tǒng)的冗余度，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，其在超高壓等級(jí)的智能變電站將會(huì)得到越來越廣泛的應(yīng)用。

文中給出的智能變電站二次系統(tǒng)雙重化配置方案已成功應(yīng)用于江蘇某500 kV變電站中，結(jié)合500 kV智能變電站工程實(shí)踐，對(duì)二次系統(tǒng)雙重化配置技術(shù)進(jìn)行了完整分析，對(duì)其信息流進(jìn)行了良好的梳理，對(duì)工程應(yīng)用具有參考意義。

[1]Q/GDW 441—2010，智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].

[2]Q/GDW 383—2009，智能變電站技術(shù)導(dǎo)則[S].

[3]Q/GDW 678—2009，智能變電站技術(shù)導(dǎo)則[S].

[4]胡紹謙，熊慕文，王文龍.數(shù)字化變電站雙測控實(shí)現(xiàn)方案探討[J].廣東電力，2011，24(10)：45-48.

[5]Q/GDW 678—2011，智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)功能規(guī)范[S].

[6]Q/GDW 428—2010，智能變電站智能終端技術(shù)規(guī)范[S].