淺析智能變電站自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

劉潔星

摘 要：在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中，電力可以說是支撐國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障，而在電力發(fā)展過程中，變電站在其中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，是整個(gè)電網(wǎng)得以順利進(jìn)行的基礎(chǔ)。而智能變電站的出現(xiàn)，更是在很大程度上促進(jìn)了電力企業(yè)的健康發(fā)展，而智能變電站的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)作為變電站的核心內(nèi)容對變電站的健康發(fā)展有著至關(guān)重要的作用，故在本文中我們主要對智能變電站自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行了簡要的分析與探討。

關(guān)鍵詞：智能；變電站；自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)；架構(gòu)

中圖分類號： TM4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）17-151-2

1 背景及意義

在智能變電站發(fā)展過程中，其通過使用先進(jìn)、低碳以及集成的環(huán)保設(shè)備，并且以全站信息數(shù)字化以及通信平臺網(wǎng)絡(luò)化等先進(jìn)技術(shù)為基本要求，自動(dòng)的完成了對基礎(chǔ)信息的采取與測量、控制、保護(hù)以及檢測的任務(wù)，同時(shí)還可以依據(jù)實(shí)際情況來支持電網(wǎng)的實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、以及完成電網(wǎng)的智能調(diào)節(jié)和在線分析等具有比較高級的使用功能的變電站。

智能化一次設(shè)備包括電子式互感器、智能化開關(guān)等。網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備包括過程層，其中是一次設(shè)備與二次設(shè)備的結(jié)合部分，包括光電式互感器、合并單元、智能終端，間隔層是由保護(hù)裝置、測控裝置、故障錄波裝置以及其他智能設(shè)備構(gòu)成，站控層包括監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)、操作員工作站、遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)、保護(hù)信息子站、維護(hù)工程師站等。

智能變電站用光纖取代傳統(tǒng)的二次回路硬接線，通過網(wǎng)絡(luò)連接全站所有的智能設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的重要組成部分，關(guān)系到整個(gè)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的正常運(yùn)作。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在變電站自動(dòng)化的深化，對智能變電站進(jìn)步起到了至關(guān)重要的作用。

2 智能變電站的優(yōu)點(diǎn)

2.1 常規(guī)變電站特點(diǎn)

常規(guī)的變電站其具有自動(dòng)化系統(tǒng)的特點(diǎn)主要是通過在二次系統(tǒng)中使用單元間隔的一種布置方式，并且其在裝置中通常是相對獨(dú)立的，而且各個(gè)裝置之間也缺乏一定的統(tǒng)一性和協(xié)調(diào)性，在功能上也比較欠優(yōu)化，在進(jìn)行信息輸入時(shí)，其也不能有效的實(shí)現(xiàn)資源的共享，不僅接線比較復(fù)雜，而且在系統(tǒng)擴(kuò)展方面也存在很大的困難。

2.2 數(shù)字變電站優(yōu)缺點(diǎn)

數(shù)字變電站的主要特點(diǎn)就是在一次設(shè)備方面有效的實(shí)現(xiàn)了數(shù)字智能化，在二次設(shè)備方面實(shí)現(xiàn)了數(shù)字網(wǎng)絡(luò)化，并且在變電站通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)方面也逐漸地實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。與常規(guī)變電站相比，其已經(jīng)有了很大的進(jìn)步，不僅體現(xiàn)在其實(shí)現(xiàn)了站控、過程以及間隔三層的功能結(jié)構(gòu)，此外還能通過太網(wǎng)對變電站進(jìn)行科學(xué)的管理，并且具有遙控、遙測以及遙調(diào)等優(yōu)秀的功能。但是在實(shí)質(zhì)上其與信息模型以及互操作性還有很大的不同。

2.3 智能變電站優(yōu)點(diǎn)

智能變電站通過使用先進(jìn)、低碳以及集成的環(huán)保設(shè)備，并且以全站信息數(shù)字化以及通信平臺網(wǎng)絡(luò)化等先進(jìn)技術(shù)為基本要求，自動(dòng)的完成了對基礎(chǔ)信息的采取與測量、控制、保護(hù)以及檢測的任務(wù)，同時(shí)還可以依據(jù)實(shí)際情況來支持電網(wǎng)的實(shí)時(shí)自動(dòng)控制，以及完成電網(wǎng)的智能調(diào)節(jié)和在線分析等具有比較高級的使用功能的變電站。其在實(shí)際操作過程中不僅在很大程度上提高了操作的精確性，而且與數(shù)字變電站相比具有非常明顯的優(yōu)勢，就是有效的實(shí)現(xiàn)了在線監(jiān)測與體系化緊密的智能化設(shè)備以及高端程序的應(yīng)用，智能化變電站不僅具有很高的智能性，而且還具有很高級的互動(dòng)功能，而且也能夠把不同廠家的設(shè)備進(jìn)行有效的連接，從而使其在使用功能方面更加順利，更加暢通。

3 智能變電站自動(dòng)化相關(guān)技術(shù)

3.1 網(wǎng)絡(luò)規(guī)約

常規(guī)站的通訊規(guī)約為IEC103等，只作為通信規(guī)范站控層、網(wǎng)絡(luò)層、間隔層光纖或雙絞線以太網(wǎng)，利用現(xiàn)有二次技術(shù)同時(shí)結(jié)合一次設(shè)備運(yùn)行模式。

數(shù)字化變電站通訊規(guī)約為IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，這種規(guī)約作為通信規(guī)范采用采樣/傳輸?shù)饶Ｊ剑饫w或雙絞線以太網(wǎng)，分別有站控層、間隔層、過程層，一、二次設(shè)備使用光纜連接，用智能互感器或開關(guān)。

3.2 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)

IEC61850除了具有通信規(guī)約以外其還為智能變電站系統(tǒng)提供了一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還對變電站的設(shè)計(jì)、開發(fā)以及工程維護(hù)等諸多領(lǐng)域進(jìn)行科學(xué)的指導(dǎo)，這一點(diǎn)與傳統(tǒng)的IEC60870-5-103標(biāo)準(zhǔn)相比具有非常明顯的優(yōu)勢。其次IEC61850標(biāo)準(zhǔn)還能夠?qū)ψ冸娬咀詣?dòng)化系統(tǒng)對象進(jìn)行建模，并且通過專業(yè)的面向?qū)ο蠹夹g(shù)以及相對比較獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的抽象通信服務(wù)接口在很大程度上增加了變電站不同設(shè)備之間的互操作性，能在不同廠家之間的設(shè)備中進(jìn)行很好的銜接，由此在很大程度上提高了變電站自動(dòng)化技術(shù)操作的水平，以及運(yùn)行的安全性，能夠有效的實(shí)現(xiàn)完全互操作。

3.3 IEC61850定位

目前，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是最為先進(jìn)的變電站自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)，而嵌入式硬件以及嵌入式操作系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用又在很大程度上促進(jìn)了IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在智能變電站系統(tǒng)中的應(yīng)用，可以說其是唯一的一種基于網(wǎng)絡(luò)通信平臺的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn)。

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)不僅對數(shù)據(jù)的定義以及命名和設(shè)備的行為等進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)范，此外還有效的溝通了不同電氣設(shè)備，使不同電氣設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)了信息的共享以及互操作性。此外不僅對測控裝置的模型以及通信接口進(jìn)行了有效的規(guī)范和保護(hù)，還對電子式的CT、PT以及智能化開關(guān)等一次性設(shè)備的模型和通信接口進(jìn)行了科學(xué)的定義。

3.4 智能變電站與常規(guī)變電站的不同

常規(guī)站是一二次設(shè)備設(shè)計(jì)重視通訊網(wǎng)絡(luò)的部分；數(shù)字化變電站是重視二次設(shè)備智能與一次設(shè)備連接，智能開關(guān)/互感器不同于傳統(tǒng)變電站，通信網(wǎng)絡(luò)與GOOSE網(wǎng)絡(luò)分開。

常規(guī)站是二次結(jié)構(gòu)分為站控層、網(wǎng)絡(luò)層、間隔層；數(shù)字化變電站是過程層、間隔層、站控層。

常規(guī)站是站控層包括監(jiān)控后臺（嵌入五防系統(tǒng)） 、工程師站、保護(hù)信息子站、運(yùn)動(dòng)設(shè)備，獨(dú)立五防它們之間的規(guī)約是傳統(tǒng)的通訊規(guī)約；數(shù)字化變電站是站控層設(shè)備同常規(guī)站，但是規(guī)約是IEC61850規(guī)約。

常規(guī)站是監(jiān)控雙網(wǎng)配置，網(wǎng)絡(luò)采用星型結(jié)構(gòu)；數(shù)字化變電站是監(jiān)控雙網(wǎng)傳輸保護(hù)信息、測控采樣信息、聯(lián)閉鎖GOOSE信息、順控信息等，保護(hù)信息單網(wǎng)傳輸保護(hù)信息、錄波信息等，GOOSE雙網(wǎng)配置，都使用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)。

4 智能變電站網(wǎng)絡(luò)基本架構(gòu)

4.1 三層兩網(wǎng)結(jié)構(gòu)

智能變電站三層兩網(wǎng)結(jié)構(gòu)分別為：從結(jié)構(gòu)上講，智能變電站可分為站控層設(shè)備、間隔層設(shè)備、過程層設(shè)備、站控層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò)，即“三層兩網(wǎng)”，如圖1。

4.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的變電站網(wǎng)絡(luò)相比較，智能變電站內(nèi)采用直采直跳的架構(gòu)，電子設(shè)備間不經(jīng)過交換機(jī)而以點(diǎn)對點(diǎn)連接方式直接進(jìn)行采樣值傳輸，同時(shí)電子設(shè)備間不經(jīng)過交換機(jī)而以點(diǎn)對點(diǎn)連接方式進(jìn)行直接跳合閘信號的傳輸。智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于常規(guī)變電站的二次電纜，各IED之間的信息通過報(bào)文交換，信息回路主要包括SV采樣、GO開入和開出。從功能實(shí)現(xiàn)上講，智能變電站可分為過程層（含設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)）和站控層。過程層面向一次設(shè)備，站控層面向運(yùn)行和繼保人員。

5 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)計(jì)

5.1 概述

某智能變電站以“系統(tǒng)高度集成、結(jié)構(gòu)布局合理、裝備先進(jìn)適用、經(jīng)濟(jì)節(jié)能環(huán)?！睘榧夹g(shù)特征的新一代智能變電站，以“集成化智能設(shè)備與一體化業(yè)務(wù)系統(tǒng)”為主要特征，實(shí)現(xiàn)了專業(yè)設(shè)計(jì)向整體集成設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變，一次設(shè)備智能化向智能一次設(shè)備的轉(zhuǎn)變，是先進(jìn)適用技術(shù)的集成應(yīng)用。

該站可以建立在IEC61850通信技術(shù)規(guī)范基礎(chǔ)上，按分層分布方式實(shí)現(xiàn)智能變電站內(nèi)智能電氣設(shè)備間的信息共享和互操作性。從整體上分為站控層、間隔層、過程層三層。

全站均可采用高速以太網(wǎng)組成，通信規(guī)約采用DL/T860標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備統(tǒng)一建模。例如，站控層網(wǎng)絡(luò)采用星形結(jié)構(gòu)MMS網(wǎng)獲取全站的全景數(shù)據(jù)。過程層與間隔層設(shè)備，如合并單元、智能終端、保護(hù)、測控、一、二次設(shè)備在線檢測等設(shè)備，采用就地化布置原則與合并單元與智能終端等過程層設(shè)備優(yōu)化組合實(shí)現(xiàn)就地安裝。

站控層設(shè)備均可安裝在二次設(shè)備室，主要包含一體化監(jiān)控系統(tǒng)平臺、站域保護(hù)、智能遠(yuǎn)動(dòng)裝置、一體化電源等，從而能夠?qū)崿F(xiàn)順序控制、遠(yuǎn)程瀏覽、告警直傳、一體化五防、繼電保護(hù)故障信息管理功能、智能告警及故障信息綜合分析決策、設(shè)備狀態(tài)可視化、遠(yuǎn)端維護(hù)、智能輔助控制系統(tǒng)等高級應(yīng)用功能，能夠充分完成與主站端的數(shù)據(jù)通信與交互工作。

5.2 全站網(wǎng)絡(luò)配置

站控層、間隔層網(wǎng)絡(luò)均可采用雙重化星型以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，傳輸MMS報(bào)文和GOOSE報(bào)文。過程層網(wǎng)絡(luò)：220kV部分采用雙重化星型光纖以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)， 110kV部分的主變間隔采用雙重化星型光纖以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其余間隔采用單星型光纖以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)，10kV站域控制功能部分，設(shè)置獨(dú)立的10kV過程層網(wǎng)絡(luò)，單網(wǎng)配置。

對于層設(shè)備的應(yīng)用，站控層設(shè)備：包括監(jiān)控主機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、綜合應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)關(guān)機(jī)等；

間隔層設(shè)備：包括主變成套保護(hù)、主變非電量保護(hù)、備用電源自投裝置、線路保護(hù)、測控裝置、一體化電源、二次設(shè)備監(jiān)測裝置等；

過程層設(shè)備：包括電子式互感器、合并單元和智能終端等。

6 今后面臨的問題

隨著變電站智能化，網(wǎng)絡(luò)在變電站內(nèi)的重要程度也越來越高，那么如何保障網(wǎng)絡(luò)的安全性及可靠性就成為面臨的重要問題，如通過設(shè)置每一層的安全防火墻來保證橫向的網(wǎng)絡(luò)安全、縱向的安全隔離，使整個(gè)變電站的網(wǎng)絡(luò)可靠安全。同時(shí)，還可從變電站的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選型、系統(tǒng)的冗余配置、網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化等進(jìn)行全方位的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，從而提高全站的網(wǎng)絡(luò)可靠性及安全性。

7 結(jié)語

通過建立智能電網(wǎng)，不僅能夠有效的促進(jìn)人與自然之間實(shí)現(xiàn)和諧發(fā)展，有效的提升電力系統(tǒng)的革新和升級，此外還能有效的實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)管理與消費(fèi)者之間的親密互動(dòng)。而智能化變電站在智能化電網(wǎng)建設(shè)過程中發(fā)揮著重要的作用，因?yàn)橹悄芑冸娬静粌H在電網(wǎng)運(yùn)行以及信息控制方面取得了非常顯著的成績，此外也使得電力系統(tǒng)更加人性化和智能化，而智能化變電站的實(shí)現(xiàn)又離不開對架構(gòu)體系的完善與更新，只有對變電站架構(gòu)體系進(jìn)行有效的更新才能更好的促進(jìn)智能變電站功能的有效實(shí)現(xiàn)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 李斌.智能變電站技術(shù)及其應(yīng)用研究[D].華北電力大學(xué)（北京），2011.

[2] 俞辰穎.智能變電站網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究[D].華北電力大學(xué)，2014.

[3] 尚興明.智能變電站關(guān)鍵技術(shù)分析及應(yīng)用[D].燕山大學(xué)，2014.

[4] 李向峰.智能變電站技術(shù)及其應(yīng)用的研究[D].華北電力大學(xué)，2013.