數(shù)字化變電站二次系統(tǒng)接線對比研究

嚴(yán)支斌 周紹奎

摘 要：本文對傳統(tǒng)變電站與數(shù)字化變電站的二次接線的特點分別進(jìn)行了介紹，并對進(jìn)行了比分析，對傳統(tǒng)變電站二次系統(tǒng)的缺陷和數(shù)字化變電站的優(yōu)點進(jìn)行了闡述，并對現(xiàn)階段數(shù)字化變電站二次系統(tǒng)設(shè)計需要考慮的風(fēng)險問題進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化變電站；二次系統(tǒng)；對比研究；GOOSE報文

中圖分類號：TM63 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1引言

隨著計算機技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展，變電站自動化系統(tǒng)也不斷向微機化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。近年來，基于IEC61850規(guī)范的數(shù)字化變電站已投入實際運行，大有逐步取代傳統(tǒng)變電站的趨勢。

數(shù)字化變電站的特點是應(yīng)用電子式互感器，實現(xiàn)一次設(shè)備智能化，二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化。傳統(tǒng)變電站中的大量電纜連接的二次系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)，在數(shù)字化變電站中被光纖GOOSE網(wǎng)絡(luò)取代， 這帶來的變化是革命性的。對數(shù)字化變電站與常規(guī)變電站的二次系統(tǒng)接線進(jìn)行對比研究，對推動數(shù)字化變電站發(fā)展及成熟應(yīng)用具有重要現(xiàn)實意義。

2傳統(tǒng)變電站二次系統(tǒng)特點

傳統(tǒng)的變電站二次系統(tǒng)采用站控層和間隔層二層設(shè)計的分層、分布的架構(gòu)體系，并按測控、計量、錄波和保護(hù)等功能進(jìn)行組屏，其二次系統(tǒng)如圖1所示。

站控層的監(jiān)控主機通過局域網(wǎng)絡(luò)與各功能單元進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并遵循IEC60870系列標(biāo)準(zhǔn)；間隔層設(shè)備若為不同廠家設(shè)備或者不同通訊接口（如串口）設(shè)備，想要接入網(wǎng)絡(luò)，必須先接入通訊管理機，由管理機轉(zhuǎn)發(fā)報文與站控層通訊?；ジ衅魍ㄟ^采集電壓、電流模擬信號連接電纜傳遞到保護(hù)測控裝置內(nèi)部的交流輸入組件，再通過A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號；開關(guān)設(shè)備的分/合閘、閉鎖、開關(guān)位置等重要信息的傳遞通過設(shè)備裝置內(nèi)部的開入開出組件完成。模擬量采集及對一次設(shè)備的控制均由二次設(shè)備自身完成，同時采集到的數(shù)據(jù)信息僅供自身設(shè)備使用。由于各功能單元相對獨立，導(dǎo)致各功能單元信息不能共享，也不能達(dá)到互操作。

3數(shù)字化變電站二次系統(tǒng)特點

數(shù)字化的變電站二次系統(tǒng)架構(gòu)體系采用3層2網(wǎng)的分層分布式，分別由站控層設(shè)備、間隔層設(shè)備、過程層設(shè)備、站控層網(wǎng)絡(luò)及過程層網(wǎng)絡(luò)組建成，增多了合并單元和智能終端設(shè)備，如圖2所示。

此外，數(shù)字化變電站采用統(tǒng)一的61850規(guī)約，各個設(shè)備廠商的設(shè)備可不通過規(guī)約轉(zhuǎn)換器無縫接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，與網(wǎng)絡(luò)上其他設(shè)備具有良好的互操作性。

4傳統(tǒng)變電站與數(shù)字化變電站二次接線對比

在傳統(tǒng)變電站中，使用傳統(tǒng)互感器時需要大量的二次電纜組成完整的變電站二次系統(tǒng)。主要有來自開關(guān)場的交流電纜傳輸?shù)慕涣麟姎饬啃盘?，控制和信號電纜連接不同設(shè)備的端子排。

傳統(tǒng)變電站二次系統(tǒng)存以下問題：①在互感器飽和時，引起電流畸變，從而導(dǎo)致保護(hù)誤動。②電流互感器二次開路和電壓互感器二次短路，可能造成設(shè)備和人身安全問題。③采用油絕緣和SF6氣體絕緣，存在爆炸和氣體泄漏危險。④互感器輸出的模擬量會因電纜長距離傳輸而衰減。⑤電纜用量大，由此導(dǎo)致造價成本高。

在數(shù)字化變電站中，電子互感器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字采樣信號通過合并單元，經(jīng)光纖通訊直接傳遞給變電站二次系統(tǒng)。變電站二次系統(tǒng)不再需要引入交流二次電纜。變電站中的開關(guān)量信號經(jīng)由GOOSE光纖網(wǎng)以GOOSE報文傳送，不再有經(jīng)由控制電纜和信號電纜的硬接點信號。

帶來好處是顯而易見的：①不存在常規(guī)變電站中由二次電纜引起的傳導(dǎo)性電磁干擾現(xiàn)象，二次系統(tǒng)的影響在外界干擾對情況下會得到有效控制。②利用光纖作為傳輸介質(zhì)，實現(xiàn)了高低壓側(cè)的完全隔離，消除了電流互感器二次開路或者電壓互感器二次短路帶來的潛在危險。③通過光纖傳輸?shù)臄?shù)字采樣信號，測量精度與負(fù)載無關(guān)。避免了負(fù)載大小對測量精度的影響。④光纖傳輸回路是完全絕緣的，無接地要求，減少了現(xiàn)場檢查接地的工作量。⑤大量使用光纖和網(wǎng)線作為信息交換的介質(zhì)，電纜用量明顯減少，反映出良好經(jīng)濟效益。

5虛端子與GOOSE服務(wù)配置

傳統(tǒng)變電站二次系統(tǒng)的功能邏輯和信號的輸入輸出都一一對應(yīng)于具體的端子，通過從端子到端子的電纜連接實現(xiàn)二次設(shè)備之間的配合以及保護(hù)對一次設(shè)備的控制。一般在二次系統(tǒng)施工圖中，通過電流和電壓回路圖來控制信號回路圖等表達(dá)二次設(shè)備原理、功能及電氣一、二次設(shè)備連接關(guān)系；通過端子排圖和安裝接線圖與電纜清冊等反映設(shè)備電纜接線情況。

在數(shù)字化變電站中，實現(xiàn)智能各裝置之間的邏輯和信號交互的原有傳統(tǒng)的端子概念消逝了，取代的過程層網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于常規(guī)變電站的二次電纜回路，各智能設(shè)備之間的信息通過光纜以GOOSE和SV報文通信的方式來交換，取代傳統(tǒng)的電纜傳輸。由于沒有電纜連接，所有信息全部隱含在光纜中而無法表達(dá)，科技人員提出了“虛端子”和“虛回路”概念，利用虛端子代替物理端子，邏輯連接替代物理連接，解決了智能變電站SV/GOOSE信息無接點、無端子、無接線帶來的SV/GOOSE配置難以體現(xiàn)等問題。傳統(tǒng)的根據(jù)二次系統(tǒng)原理圖進(jìn)行端子圖、接線圖的設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒛Ｐ偷呐渲梦募?shù)配置以及輸入輸出接口的GOOSE通信配置，就是利用軟信號來實現(xiàn)數(shù)字化變電站二次系統(tǒng)的連接和運行設(shè)置，通過定義GOOSE配置發(fā)送的數(shù)據(jù)集和控制模塊，從而來對發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的定義和獲取，實現(xiàn)GOOSE服務(wù)配置系統(tǒng)運行過程中信息的傳輸。

6數(shù)字化變電站二次接線帶來的新問題

數(shù)字化變電站相比傳統(tǒng)變電站二次系統(tǒng)，簡化了交流輸入回路和控制回路設(shè)計，增加了運行可靠性和安全性，降低了運行維護(hù)難度和成本，其優(yōu)點有目共睹，但其基于電子互感器、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的特點也帶來的新的問題。

（1）數(shù)字化變電站的間隔層，完全由網(wǎng)絡(luò)連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，不再是獨立體系。這增大了對過程層設(shè)備以及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的依賴程度，而且很大程度上依賴于光纖網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。網(wǎng)絡(luò)如果出現(xiàn)故障，變電站全部的保護(hù)和控制的相關(guān)功能會失效，引起嚴(yán)重后果。要求網(wǎng)絡(luò)設(shè)備要具備極高的可靠性，含有間隔層保護(hù)、檢測和控制等裝置設(shè)備。

（2）數(shù)字化變電站跳閘出口命令及其它開關(guān)量的傳輸，完全依賴GOOSE網(wǎng)絡(luò)通訊。網(wǎng)絡(luò)必定會存在非法入侵時的信息安全問題。同時IEC61850協(xié)議的開放性和標(biāo)準(zhǔn)性，也對電力系統(tǒng)的安全帶來隱患。這些問題對變電站二次系統(tǒng)安全防護(hù)及信息安全防護(hù)提出了更高要求。信息的安全性和可靠性的重要之處就凸現(xiàn)出來。

（3）數(shù)字化變電站使用的電子式互感器，其重要核心部件由電子線路組成，因此電子互感器的壽命嚴(yán)重依賴于電子元器件的壽命。同時SMV網(wǎng)中采樣數(shù)據(jù)的同步至關(guān)重要，任何一個互感器的同步丟失必將帶來采樣數(shù)據(jù)的失效，這對保護(hù)等帶來的危害是巨大的。

結(jié)語

本文首先對傳統(tǒng)變電站和數(shù)字化變電站二次系統(tǒng)接線的特點分別進(jìn)行了闡述，傳統(tǒng)變電站由大量二次電纜連接而成，數(shù)字化變電站中過程層光纖網(wǎng)絡(luò)取代了電纜連接。在數(shù)字化變電站中，SV網(wǎng)通訊實現(xiàn)采樣值傳輸，GOOSE網(wǎng)通訊實現(xiàn)了各種開關(guān)型邏輯量傳輸。二次系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化有許多優(yōu)點，解決了傳統(tǒng)變電站許多一直以來困擾的問題，但同時也帶來了新的問題和挑戰(zhàn)，這些問題給數(shù)字化變電站研究提出了新的課題，需要我們在實踐中不斷總結(jié)并解決，最終實現(xiàn)數(shù)字化變電站不斷發(fā)展和進(jìn)步。

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