220kV彩虹智能變電站過程層組網(wǎng)分析

艾 飛，黃繼榮，胡冬良，張 振，林 楠

(1. 國網(wǎng)杭州供電公司，浙江 杭州 310009；2．國網(wǎng)宜昌供電公司，湖北 宜昌 443000)

220kV彩虹智能變電站過程層組網(wǎng)分析

艾 飛1，黃繼榮1，胡冬良1，張 振2，林 楠1

(1. 國網(wǎng)杭州供電公司，浙江 杭州 310009；2．國網(wǎng)宜昌供電公司，湖北 宜昌 443000)

智能變電站技術(shù)仍處于發(fā)展階段，但它是變電站建設(shè)的必然趨勢。目前，中國智能變電站數(shù)量較少，實(shí)際運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)較常規(guī)變電站欠缺。由于智能變電站自身的特點(diǎn)，給運(yùn)行值班人員的學(xué)習(xí)理解帶來一定困難。過程層網(wǎng)絡(luò)是智能變電站的重要基礎(chǔ)，直接關(guān)系到全站數(shù)據(jù)采集和開關(guān)控制的可靠性和實(shí)時(shí)性。以新建220kV彩虹智能變電站為例，介紹了智能變電站保護(hù)、測控、智能組件配置，分析了各典型間隔保護(hù)、測控、智能組件之間的網(wǎng)絡(luò)連接及信息傳遞。對彩虹智能變電站的網(wǎng)絡(luò)剖析可以給運(yùn)行值班人員對智能變電站設(shè)備的運(yùn)行操作提供一定參考。

智能變電站；合并單元；智能終端；GOOSE；SV

0 引 言

智能變電站是變電站自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的延伸。它采用先進(jìn)、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設(shè)備，以全站信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求，自動(dòng)完成信息采集、測量、控制、保護(hù)、計(jì)量和監(jiān)測等基本功能；并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動(dòng)等高級功能的變電站[1]，其主要特征是一次設(shè)備智能化，二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化。智能站與常規(guī)站主要有以下區(qū)別[2]：

1)減少了大量硬接線，所有的開入、模擬量等信息采集均在就地完成，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后通過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約從網(wǎng)絡(luò)傳輸。

2)所有的開出控制通過網(wǎng)絡(luò)通信完成。

3)繼電保護(hù)的采樣、出口以及控制等功能均由網(wǎng)絡(luò)通信報(bào)文完成，取消了傳統(tǒng)的二次繼電器邏輯接線。

4)數(shù)據(jù)的共享通過網(wǎng)絡(luò)交換完成。

具體來講，智能變電站用光纜(網(wǎng)線)取代了電纜，數(shù)字信號(hào)代替了模擬信號(hào)，大大提高了采樣精度和信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?；大幅度簡化了二次接線，避免了傳統(tǒng)互感器和電纜連接的固有問題；設(shè)備之間的互操作性更強(qiáng)，相當(dāng)程度地提高了變電站的自動(dòng)化水平：因此，分析清楚智能變電站的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，尤其是過程層網(wǎng)絡(luò)和信息傳輸對于智能變的運(yùn)行管理極為重要。

1 彩虹變電站概況

彩虹智能變電站工程位于杭州市濱江區(qū)，目前工程規(guī)模如下：主變壓器2×240 MVA；220kV系統(tǒng)采用戶內(nèi)GIS，雙母接線，設(shè)專用母聯(lián)，出線4回；110kV采用戶內(nèi)GIS，單母分段接線，設(shè)專用母分，出線6回；35kV采用常規(guī)戶內(nèi)開關(guān)柜設(shè)備，出線5回。主變壓器配置2套電氣量保護(hù)和1套非電量保護(hù)。220kV母線配置2套母差保護(hù)，220kV線路配置2套線路保護(hù)，220kV母聯(lián)配置2套母聯(lián)保護(hù)。110kV母線配置1套母差保護(hù)，110kV線路配置1套線路保護(hù)，110kV母分配置1套母分保護(hù)，110kV側(cè)還配置備1套自投。35kV線路和母分配置1套保測一體化裝置，均置于各自開關(guān)柜二次倉門上。

隨著光纖通訊技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展及其在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的深入應(yīng)用，用數(shù)字通訊手段“傳遞”電量信號(hào)，用光纖作為傳輸介質(zhì)取代傳統(tǒng)的金屬電纜構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)通訊的二次系統(tǒng)是智能變電站的必然選擇[3]：因此，通訊傳輸網(wǎng)在智能變電站中地位重要，是變電站的“神經(jīng)”。為此，本站中網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)工作電源均采用雙電源配置，確保站中信息傳輸?shù)目煽啃?。彩虹變電站開關(guān)設(shè)備與互感器均為傳統(tǒng)設(shè)備，互感器輸出模擬量通過電纜接入相應(yīng)合并單元；并在合并單元內(nèi)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，避免了傳統(tǒng)接線中電壓互感器短路、電流互感器開路的問題，提高了數(shù)據(jù)精度。SV連接和GOOSE連接采用光纖設(shè)備，按照IEC 61850的規(guī)范進(jìn)行通信。設(shè)備間的連接除合并單元只有輸出外(采用一股光纖)，其他均為輸入輸出(采用兩股光纖)。

彩虹變電站采用了“三層兩網(wǎng)”的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。站控層設(shè)備主要有監(jiān)控主機(jī)、遠(yuǎn)動(dòng)通訊裝置、對時(shí)系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)對全站設(shè)備的監(jiān)視、控制、告警及信息交互功能，完成數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，操作閉鎖及同步相量采集、電能量采集、保護(hù)信息管理等相關(guān)功能。間隔層設(shè)備按斷路器間隔劃分，主要有保護(hù)裝置、保測一體化裝置、測控裝置，實(shí)現(xiàn)使用一個(gè)間隔的數(shù)據(jù)并且作用于該間隔一次設(shè)備的功能。過程層是一次設(shè)備與二次設(shè)備的結(jié)合面，即智能化電氣設(shè)備的智能化部分。其主要功能為運(yùn)行電氣量檢測、運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)檢測、操作控制命令執(zhí)行[4]。過程層設(shè)備主要有合并單元和智能終端，合并單元主要用來接收本間隔或多個(gè)間隔電流互感器、電壓互感器輸出的模擬量，并在裝置內(nèi)部進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，以IEC 61850的幀結(jié)構(gòu)將電流、電壓信號(hào)合并處理后通過SV光信號(hào)傳給保護(hù)、測控等間隔層設(shè)備。智能終端用來獲取刀閘和斷路器的位置信號(hào)等信息，并通過GOOSE規(guī)約上傳給間隔層設(shè)備，同時(shí)接受保護(hù)的跳閘命令或測控的控制命令，來驅(qū)動(dòng)斷路器或刀閘，類似操作箱的功能，作為智能開關(guān)設(shè)備尚未出現(xiàn)情況下的一種過渡設(shè)備[5]。“兩網(wǎng)”指MMS網(wǎng)和GOOSE網(wǎng)。站控層設(shè)備間以及站控層與間隔層設(shè)備間通訊使用MMS規(guī)約通訊，使出自不同制造商的設(shè)備之間具有互操作性[6]。過程層與間隔層設(shè)備通訊使用GOOSE通訊規(guī)約，主要包括傳輸跳合閘信號(hào)，具有高傳輸成功率[7]。

2 GOOSE及SV信號(hào)傳輸

智能變電站過程層網(wǎng)絡(luò)通信主要涉及合并單元和智能終端的使用，對全站的安全穩(wěn)定運(yùn)行起極其重要的作用[8]。目前智能變電站過程層的組網(wǎng)方式主要有[9]：1)SV直連和GOOSE直連；2)SV組網(wǎng)和GOOSE直連；3)SV直連和GOOSE組網(wǎng)；4)SV組網(wǎng)和GOOSE組網(wǎng)；5)混合組網(wǎng)。彩虹變電站主要考慮保護(hù)裝置安全可靠性的要求，盡量避免因網(wǎng)絡(luò)故障導(dǎo)致保護(hù)功能失效，采用了混合組網(wǎng)方式：保護(hù)采樣和跳閘點(diǎn)對點(diǎn)，其余通過組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)。因此，這些合并單元和智能終端都有多個(gè)光纖接口以滿足直連和組網(wǎng)的需求。

2.1 主變壓器配置

主變壓器配置2套電氣量保護(hù)(A套、B套)和1套非電量保護(hù)，每套電氣量保護(hù)包含完整的主、后備保護(hù)功能。主變壓器各側(cè)配置合并單元2套，智能終端2套。220kV側(cè)和110kV側(cè)智能終端與合并單元各設(shè)于同一智能組件柜中并就地放置于一次設(shè)備現(xiàn)場。35kV側(cè)2套智能終端與合并單元設(shè)于相應(yīng)母線母設(shè)柜二次倉上。主變壓器每側(cè)配置1套測控裝置，本體單設(shè)1套測控裝置。

圖1 主變壓器A套保護(hù)相關(guān)信息流向

圖2 主變壓器B套保護(hù)相關(guān)信號(hào)流向

合并單元的信息是單向傳輸?shù)?，本站主變壓器各?cè)合并單元采集電壓、電流信號(hào)并直接通過光纖送給電量保護(hù)，保護(hù)動(dòng)作后直接傳跳閘信號(hào)給各側(cè)智能終端跳開各側(cè)斷路器，即“直采直跳”。

圖3 主變壓器非電量保護(hù)相關(guān)信號(hào)流向

主變壓器本體合并單元2套與非電量保護(hù)設(shè)于同一柜并置于主變壓器現(xiàn)場。該非電量保護(hù)與主變壓器本體智能終端功能合并于同一裝置。

如圖3所示，本站非電量保護(hù)采用就地直接電纜跳閘，本體智能終端接受非電量保護(hù)動(dòng)作報(bào)文；而且能采集主變壓器中性點(diǎn)接地刀閘分合狀態(tài)、主變壓器調(diào)檔信息及中性點(diǎn)接地刀閘控制信息。

2.2 220kV線路配置

圖4 220kV線路保護(hù)A套相關(guān)信息流向

圖5 220kV線路保護(hù)B套相關(guān)信息流向

220kV線路保護(hù)2套(A套、B套)分別設(shè)于2個(gè)屏柜，包含主、后備功能，配置2套獨(dú)立的合并單元、智能終端，各智能終端分別控制1個(gè)跳閘線圈。智能終端間通過網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)現(xiàn)2套重合閘之間的配合。

圖6 220kV母線保護(hù)A套相關(guān)信息流向

220kV線路保護(hù)采用線路三相電壓電流實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，由線路間隔合并單元提供。母線電壓用于同期功能，由母線間隔合并單元送入線路間隔合并單元，并在線路間隔合并單元實(shí)現(xiàn)電壓切換。線路保護(hù)動(dòng)作后，經(jīng)GOOSE光纖直接傳送跳合閘信號(hào)、重合閘信號(hào)至智能終端。同時(shí)智能終端也向線路保護(hù)傳送斷路器位置、壓力低閉鎖重合閘、智能終端閉鎖重合閘等信號(hào)。

2.3 220kV母線配置

圖7 220kV母線保護(hù)B套相關(guān)信息流向

220kV母線保護(hù)2套(A套、B套)分別設(shè)于2個(gè)屏柜。母線保護(hù)包括母差保護(hù)、開關(guān)失靈保護(hù)功能，母線上各間隔合并單元單向向母差保護(hù)提供電流采樣值，母差保護(hù)所需的電壓由各段母線母設(shè)合并單元提供。保護(hù)動(dòng)作后直接開入相應(yīng)的智能終端，實(shí)現(xiàn)“直跳”。各間隔智能終端向母差保護(hù)提供母線刀閘位置、斷路器位置信號(hào)，母差保護(hù)向線路智能終端傳送閉鎖重合閘及三跳信號(hào)，線路開關(guān)或主變壓器開關(guān)失靈信號(hào)通過各網(wǎng)中心交換機(jī)GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳送給母差保護(hù)，即“網(wǎng)跳”。

2.4 220kV母聯(lián)配置

圖8 220kV母聯(lián)保護(hù)A套相關(guān)信息流向

220kV母聯(lián)保護(hù)2套(A套、B套)分別設(shè)于2個(gè)屏柜。母聯(lián)測控1套。母聯(lián)合并單元單向向母聯(lián)保護(hù)和母差保護(hù)提供所需電流，母聯(lián)保護(hù)或母差保護(hù)動(dòng)作后開入母聯(lián)智能終端，“直跳”母聯(lián)開關(guān)。母聯(lián)智能終端向母差保護(hù)提供母線刀閘位置、斷路器位置信號(hào)。母聯(lián)失靈或死區(qū)故障時(shí)啟動(dòng)母差的相關(guān)信息通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳送。

圖9 220kV母聯(lián)保護(hù)B套相關(guān)信號(hào)流向

2.5 110kV線路配置

圖10 110kV線路保護(hù)相關(guān)信息流向

110kV線路保護(hù)測控一體化1套，單設(shè)于一屏柜，原理及信息流向同220kV線路。

2.6 110kV母線保護(hù)配置

圖11 110kV母線保護(hù)B套相關(guān)信息流向

圖12 110kV母分及備自投相關(guān)信息流向

110kV母線保護(hù)1套，單設(shè)一屏柜，原理及信息流向同220kV母線。

2.7 110kV母分及備自投配置

110kV母分保護(hù)測控一體化設(shè)備1套，設(shè)于一屏柜。母分合并單元向母分保護(hù)提供電流信息，向母差保護(hù)提供電流、電壓信息。母分保護(hù)或母差保護(hù)動(dòng)作后“直跳”母分開關(guān)。1號(hào)、2號(hào)主變壓器電量保護(hù)直接傳送閉鎖信號(hào)到備自投裝置，備自投從1號(hào)、2號(hào)主變壓器110kV側(cè)合并單元取得所需電流、電壓量，并根據(jù)運(yùn)行方式傳送跳合閘信號(hào)到相應(yīng)智能終端。

3 結(jié) 語

按照國家電網(wǎng)公司規(guī)劃，智能變電站已全面開展建設(shè)。過程層組網(wǎng)方案及過程層信息傳送對智能變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行起決定性作用。以彩虹智能變電站為例，介紹了智能站的特點(diǎn)，智能站的保護(hù)測控、合并單元、智能終端配置設(shè)置，然后按各典型間隔詳細(xì)分析了過程層設(shè)備與間隔層設(shè)備之間的光纖連接和信息傳送，具有較強(qiáng)的實(shí)踐性，對于變電運(yùn)行值班人員的運(yùn)行操作和學(xué)習(xí)理解有一定的指導(dǎo)意義。

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艾 飛(1983)，碩士、工程師，主要從事變電運(yùn)維工作；

黃繼榮(1965)，高級技師，主要從事變電運(yùn)維工作；

胡冬良(1982)，碩士、工程師，主要從事變電運(yùn)維工作；

張 振(1982)，碩士、工程師，從事繼電保護(hù)整定工作。

The study of smart substation is in progress, but it is an inevitable trend to the further development of substation constructions. The quantity of smart substations is still low at present in China, and it is lack of the experiences in operation and management of smart substations, so operators also face many challenges in study and understanding. Process layer networking is an important base of smart substation. The composition, information transmission and network connections of process layer networking are introduced taking 220kV Caihong smart substation for example. Network analysis of this smart substation provides a reference for operation and manipulation of smart substation.

smart substation; merging unit; smart terminal; GOOSE; SV

TN915

B

1003-6954(2017)02-0075-04

2016-11-08)