淺談智能變電站組網(wǎng)方案

吳東憲 馬成龍

摘要：變電站作為電力系統(tǒng)中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，是連接發(fā)電站與電力用戶之間的一個(gè)關(guān)鍵所在。目前智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)日趨成熟，國內(nèi)變電站自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化也得到了相應(yīng)的發(fā)展，由此產(chǎn)生了智能變電站。文章首先介紹我國智能變電站發(fā)展現(xiàn)狀，同時(shí)對(duì)智能變電站架構(gòu)體系進(jìn)行分析，并著重闡述智能變電站組網(wǎng)優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：智能變電站；組網(wǎng)方案；電力系統(tǒng)；發(fā)電站；電力用戶 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM76 文章編號(hào)：1009-2374（2016）05-0117-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.05.059

常規(guī)變電站主要指的是變電站具有全站統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型和通信平臺(tái)，變電站內(nèi)一次電氣設(shè)備和二次電子設(shè)備間均實(shí)現(xiàn)數(shù)字化通信，并在此平臺(tái)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)智能裝置間的相互操作。而智能變電站具有一次設(shè)備數(shù)字化、智能設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)完備化、信息交換標(biāo)準(zhǔn)化、運(yùn)行控制自動(dòng)化、信息展示可視化、分析決策在線化、保護(hù)控制協(xié)同化、設(shè)備安裝就地化等特點(diǎn)。與常規(guī)變電站相比，智能變電站能實(shí)現(xiàn)很好的低碳環(huán)保效果，具有良好的交互性和可靠性等優(yōu)點(diǎn)。智能變電站的運(yùn)行使用不但提高了電網(wǎng)體系運(yùn)行質(zhì)量與效率，而且對(duì)于保證電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性具有顯著作用。

1 我國智能變電站發(fā)展現(xiàn)狀

我國智能變電站相對(duì)于國外發(fā)達(dá)國家研究與開發(fā)起步較晚，2009年我國的智能電網(wǎng)建設(shè)開始試點(diǎn)規(guī)劃，到2010年底我國就已建成110～750千伏智能變電站18座，在建56座，同時(shí)在23個(gè)城市核心區(qū)建設(shè)智能配電網(wǎng)。2011年我國智能電網(wǎng)建設(shè)在全國范圍內(nèi)全面起步，計(jì)劃在“十二五”期間建成智能變電站5000座。到2015年為止，我國的智能電網(wǎng)建設(shè)已經(jīng)初見成效，國家電網(wǎng)將能夠支撐9000萬千瓦風(fēng)電和800萬千瓦太陽能發(fā)電的接入和消納。同時(shí)對(duì)于大家關(guān)心的智能電網(wǎng)的安全性問題，國家電網(wǎng)建立了系統(tǒng)的特高壓與智能電網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，發(fā)布企業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)267項(xiàng)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)39項(xiàng)、國家標(biāo)準(zhǔn)20項(xiàng)、國際標(biāo)準(zhǔn)7項(xiàng)。

另外，在目前技術(shù)設(shè)備信息化和智能化的大背景下，現(xiàn)在智能變電站的研究應(yīng)以智能化互感器設(shè)備、智能斷路器和具備過程層通信接口的二次設(shè)備等智能化電力一次設(shè)備為主要研發(fā)對(duì)象，同時(shí)攻克數(shù)字化建站中的技術(shù)難題。其中智能化互感器設(shè)備已完成多種樣機(jī)的研制，并投入運(yùn)行使用；智能斷路器等其他一次設(shè)備在實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)監(jiān)控GIS裝置內(nèi)部電器元件及操作機(jī)構(gòu)部分的狀態(tài)以及有效采集與分析處理GIS裝置內(nèi)部多種狀態(tài)參數(shù)等方面作用突出；具備過程層通信接口的二次設(shè)備已基本完成研發(fā)，并投入實(shí)際應(yīng)用中；國內(nèi)已有多個(gè)智能變電站投入運(yùn)行。

2 智能變電站架構(gòu)體系

智能變電站較常規(guī)變電站選用了非常規(guī)互感器，其網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)以交換式以太網(wǎng)和光纖組成，并采用了基于微電子技術(shù)的IED設(shè)備功能、信息的冗余等，這使得智能變電站實(shí)現(xiàn)了小型化、緊湊化的設(shè)計(jì)與布置。

對(duì)于智能變電站基本結(jié)構(gòu)來說，其主要由過程層、間隔層和變電站層三部分組成。其中智能變電站的過程層主要具有運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)、實(shí)時(shí)運(yùn)行電氣量檢測(cè)和操作控制命令執(zhí)行等功能；智能變電站的間隔層的主要功能則表現(xiàn)為：實(shí)施對(duì)一次設(shè)備的保護(hù)控制功能、匯總本間隔過程層實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息、執(zhí)行數(shù)據(jù)的承上啟下通信傳輸功能、實(shí)施本間隔操作的閉鎖功能以及對(duì)數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)運(yùn)算及控制命令的發(fā)出具有優(yōu)先級(jí)別控制等；智能變電站的變電站層以接收或傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息為主要任務(wù)，并且具有站內(nèi)當(dāng)?shù)乇O(jiān)控與人機(jī)聯(lián)系功能、在線可編程的全站操作閉鎖控制功能以及對(duì)前面兩層進(jìn)行在線修改參數(shù)、在線組態(tài)、在線維護(hù)等功能。

智能變電站組網(wǎng)方案以過程總線的組網(wǎng)方案與變電站總線的組網(wǎng)方案為主，具體為：

第一，對(duì)于過程總線組網(wǎng)方案來說，其根據(jù)數(shù)據(jù)流要求、可靠性要求以及現(xiàn)場(chǎng)情況等，分為面向間隔原則、單一總線原則、面向位置原則以及面向功能原則。其中面向間隔原則主要是指總線段各個(gè)間隔具有自身的分總線段，并且具有一定獨(dú)立性，該組網(wǎng)方案具有簡便性、可操作性以及易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，但成本費(fèi)用較高；單一總線原則電網(wǎng)內(nèi)所有設(shè)備都連接在全站單一的通信總線中，該組網(wǎng)方案具有使用交換機(jī)數(shù)量少、成本費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，但是其運(yùn)行需要較高的總線速率，且運(yùn)行可靠性較差；面向位置原則主要是指每個(gè)間隔總線段覆蓋了多個(gè)間隔，若IED裝置位于各個(gè)傳感器中心時(shí)，高壓端下來的光線距離最短，實(shí)現(xiàn)了母線電壓互感器互用，節(jié)約了成本費(fèi)用；面向功能原則指的是按照保護(hù)區(qū)域?qū)偩€段進(jìn)行設(shè)置。

第二，對(duì)于變電站總線的組網(wǎng)方案來說，其主要包括合并的變電站總線和過程總線、獨(dú)立的變電站總線兩種。其中采用合并的變電站總線和過程總線組網(wǎng)方案時(shí)，受到非控制性數(shù)據(jù)與控制性數(shù)據(jù)、非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共用同一網(wǎng)絡(luò)的影響，會(huì)產(chǎn)生一定的網(wǎng)絡(luò)爭用和安全性隱患。為解決此問題，通常選用虛擬局域網(wǎng)技術(shù)或者利用交換技術(shù)以太網(wǎng)的優(yōu)先級(jí)排隊(duì)特性等。此外，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，在工業(yè)自動(dòng)化過程控制領(lǐng)域中，選用嵌入式以太網(wǎng)作為分組交換局域網(wǎng)，該組網(wǎng)方案局域網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、網(wǎng)絡(luò)速度快、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、帶寬較寬等優(yōu)點(diǎn)。

3 智能變電站組網(wǎng)優(yōu)化方案

3.1 智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀分析

筆者選用某智能變電站中智能化風(fēng)電場(chǎng)升壓站為研究對(duì)象，分析了智能化變電站站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀。

智能化風(fēng)電場(chǎng)升壓站主要采用“三層兩網(wǎng)”機(jī)構(gòu)，三層主要指的是過程層、間隔層和站控層，而兩網(wǎng)則指的是過程層網(wǎng)絡(luò)、站控層網(wǎng)絡(luò)。其中，過程層主要面向設(shè)備/間隔單元配置，以采集各種實(shí)時(shí)信息和執(zhí)行控制命令為主要任務(wù)；間隔層設(shè)備可以就地下放或集中組屏，其主要具有檢測(cè)、測(cè)量、計(jì)量、控制、保護(hù)等功能；站控層主要由當(dāng)?shù)乇O(jiān)控、高級(jí)應(yīng)用、遠(yuǎn)動(dòng)通訊組成，具有站域控制功能；過程層網(wǎng)絡(luò)包括GOOSE網(wǎng)絡(luò)與SV采樣值網(wǎng)絡(luò)，分別具有實(shí)現(xiàn)開關(guān)量的上傳及分合閘控制量的下行與實(shí)現(xiàn)電流、電壓交流量的上傳功能；變電站站控層網(wǎng)絡(luò)主要以GOOSE網(wǎng)絡(luò)和MMS為主，擁有匯集全站信息的功能。而現(xiàn)行的升壓站網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案包括站控層組網(wǎng)方案和過程層組網(wǎng)方案兩部分。

3.2 智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)流量優(yōu)化是智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的兩個(gè)主要方面，具體為：

3.2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。在結(jié)合國家電網(wǎng)出臺(tái)的《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》基礎(chǔ)上，制定的智能變電站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案為采樣值信息（GOOSE）+（SV）共網(wǎng)傳輸方案。該組網(wǎng)方案既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)高時(shí)性的充分發(fā)揮，又可以確保智能變電站運(yùn)行的安全性、高效性和可靠性。

但是，（GOOSE）+（SV）共網(wǎng)傳輸方案，由于采樣值數(shù)據(jù)流量較大，因此交換機(jī)之間的級(jí)聯(lián)端口可采用千兆連接。同時(shí)，其可能產(chǎn)生一定程度的信息干擾，應(yīng)采取網(wǎng)絡(luò)流量優(yōu)化等措施保證（GOOSE）+（SV）共網(wǎng)傳輸方案的順利實(shí)施。

3.2.2 網(wǎng)絡(luò)流量優(yōu)化。常規(guī)網(wǎng)絡(luò)流量優(yōu)化方案較多，例如流量工程（MPLS）、服務(wù)質(zhì)量（QOS）以及虛擬局域網(wǎng)（VLAN）等。一方面，通過虛擬局域網(wǎng)（VLAN）進(jìn)行流量優(yōu)化；另一方面，通過端口速率限制防止SV業(yè)務(wù)擠占關(guān)鍵業(yè)務(wù)的帶寬。同時(shí)，對(duì)于業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)通信，通過業(yè)務(wù)模式減小網(wǎng)絡(luò)通信量，如采用GVRP動(dòng)態(tài)組播一協(xié)議來降低網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量。此外，針對(duì)關(guān)鍵業(yè)務(wù)通信，通過優(yōu)先級(jí)劃分保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)優(yōu)先傳送，如實(shí)施QOS機(jī)制，將關(guān)鍵業(yè)務(wù)設(shè)置為高優(yōu)先級(jí)，交換機(jī)將優(yōu)先處理高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)包，減少幀排隊(duì)延時(shí)，加快數(shù)據(jù)的

轉(zhuǎn)發(fā)。

4 展望

未來國家將會(huì)建設(shè)統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一建設(shè)的以特高壓電網(wǎng)為骨干網(wǎng)架，各級(jí)電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展，具有信息化、互動(dòng)化、自動(dòng)化特征的智能電網(wǎng)系統(tǒng)，同時(shí)力求智能電網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)和管理技術(shù)都達(dá)到國際先進(jìn)水平。第一，逐步實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)中電氣設(shè)備的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)化和集成化發(fā)展，促進(jìn)電氣設(shè)備數(shù)量的減少與電氣設(shè)備成本費(fèi)用和后期維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用的降低；第二，逐步推行電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)方案，建立健全世界范圍內(nèi)配置平臺(tái)，促進(jìn)電網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)攤銷成本的降低；第三，不斷加強(qiáng)智能變電站總體成本資產(chǎn)分析與控制，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)系統(tǒng)的智能化監(jiān)測(cè)與維護(hù)，實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備使用壽命最大化?？偠灾悄茏冸娬镜倪\(yùn)行使用不但提高了電網(wǎng)體系運(yùn)行質(zhì)量與效率，而且對(duì)于保證電網(wǎng)運(yùn)行安全穩(wěn)定性具有顯著作用。隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)國家電網(wǎng)運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性提出了更高要求，因此加快智能變電站研究與開發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和指導(dǎo)作用。

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作者簡介：吳東憲（1986-），男，長春工業(yè)大學(xué)在職研究生，國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司檢修分公司助理工程師，研究方向：繼電保護(hù)；馬成龍（1985-），男，長春工業(yè)大學(xué)在職研究生，國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司檢修分公司助理工程師，研究方向：繼電保護(hù)。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）