特高壓變電站通信屏柜布局優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析

李 葵，林 航，陳曉娟

（1.國網(wǎng)安徽省電力公司信息通信分公司，安徽合肥230000；2.北京許繼電氣有限公司北京100000）

電力系統(tǒng)中樞紐變電站的建設(shè)以及通信系統(tǒng)的改造過程中，均需要考慮通信屏的布局。對(duì)通信屏柜的布局需要考慮到變電站整體的規(guī)劃建設(shè)，同時(shí)要按照信號(hào)流程最簡化原則進(jìn)行規(guī)劃[1]。該種布局方式不僅實(shí)現(xiàn)了通信設(shè)備的優(yōu)化布置，且最大限度地減少了通信線纜的交叉，具有顯著的效果[2]。

實(shí)際工程中，高等級(jí)輸電線路和大型變電站的建設(shè)具有階段性。這意味著，通信設(shè)備的建設(shè)及相關(guān)線路的光纖保護(hù)配置建設(shè)也同樣具有階段性[3-5]。若在前期工程建設(shè)中考慮按照上述原則進(jìn)行布局，后期工程中由于新設(shè)備的建設(shè)，設(shè)備之間將會(huì)發(fā)生空間割裂、走線混亂等問題，違背了“終期性原則”以及“信號(hào)流程最簡化原則”。同時(shí)，也會(huì)影響到設(shè)備維護(hù)的便捷度和應(yīng)急的效率。

因此，有必要對(duì)特高壓變電站通信屏柜的布局設(shè)計(jì)流程進(jìn)行優(yōu)化與分析。充分考慮變電站在不同工期建設(shè)中可能出現(xiàn)的問題，對(duì)變電站通信屏柜進(jìn)行合理配置，以達(dá)到“一致性和特殊性兼顧原則”。針對(duì)上述問題，文中首先提出了變電站通信屏柜布局過程中所需考慮的問題。針對(duì)問題以信號(hào)設(shè)備的分層區(qū)分配置為原則，提出了通信屏柜以及相關(guān)設(shè)備的布置方案，從而為解決工程分期建設(shè)引起的變電站通信屏柜布置問題提供了建議。

1 變電站通信屏柜布局

在變電站建設(shè)過程中，通信屏柜的布局除了要考慮簡潔、方便之外[6-8]，還應(yīng)兼顧變電站建設(shè)的特點(diǎn)。即大型變電站分期建設(shè)過程中應(yīng)按照終期目標(biāo)，給相應(yīng)的設(shè)備和布線留下一定的發(fā)展余地[9-10]。因此，進(jìn)行變電站通信屏柜的建設(shè)在“信號(hào)流程最簡化原則”這一核心原則的基礎(chǔ)上，要考慮到通信屏內(nèi)二次設(shè)備及其走線的特殊性及整體的一致性[11-12]。

1）通信屏柜端子排

一般情況下通信屏柜端子排按照單元分段集中的方法，依次按照交流回路、電源回路、信號(hào)回路進(jìn)行排序。不同屏柜之間通過端子排來轉(zhuǎn)接，通過轉(zhuǎn)接排的設(shè)計(jì)。從而可以有效避免各個(gè)裝置之間的相互干擾，同時(shí)使得整個(gè)屏柜的走線更加緊湊。

2）跳閘回路雙重化

電力系統(tǒng)的安全性是建設(shè)變電站必須首先考慮的問題。因此，為了有效避免事故的發(fā)生，通信屏柜一般均使用雙重保護(hù)的方式。同時(shí)，對(duì)于保護(hù)裝置需要設(shè)置UPS電源，防止由于供電中斷而引起的事故。對(duì)于電壓等級(jí)較高且具有雙重保護(hù)的線路，每套保護(hù)需單獨(dú)引出一個(gè)跳閘接點(diǎn)到跳閘線圈。在實(shí)現(xiàn)跳閘回路雙重化的基礎(chǔ)上，同時(shí)避免了線路的交叉重疊。

3）遠(yuǎn)方復(fù)歸收發(fā)信機(jī)

LFP系列的線路保護(hù)中，發(fā)信機(jī)的復(fù)位需要手動(dòng)操作，從而增加了現(xiàn)場運(yùn)行人員的工作量。為了降低工作量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)線路保護(hù)的可靠動(dòng)作，除了需要在現(xiàn)場安裝信號(hào)收發(fā)機(jī)之外，還需安裝方法收發(fā)機(jī)。通過近端與遠(yuǎn)方收發(fā)機(jī)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場工作人員和遠(yuǎn)方控制室能夠同步接收動(dòng)作信號(hào)，并對(duì)保護(hù)做出相應(yīng)的指令。

4）旁路時(shí)非全相保護(hù)

變電站主變壓器切換為旁路運(yùn)行時(shí)，仍存在一些問題。因此，在優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中將對(duì)旁路保護(hù)柜的保護(hù)裝置進(jìn)行整定。以實(shí)現(xiàn)旁路的正常運(yùn)行，并使其達(dá)到非全相保護(hù)的條件。

5）和綜合自動(dòng)化站配合

通信屏柜的布置不僅要考慮其自身在變電站中的作用，同時(shí)還要考慮其與現(xiàn)場其他設(shè)備的相互配合。由于綜合自動(dòng)化站的測(cè)控柜只能提供手動(dòng)操作，故需要在通信屏柜中增加雙位置繼電器，從而實(shí)現(xiàn)線路保護(hù)的遠(yuǎn)方操作和接地切換的兼容。

6）報(bào)文監(jiān)視

變電站通信屏柜兼具監(jiān)視功能，故需要在通信屏柜內(nèi)配置報(bào)文監(jiān)視工具，實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多個(gè)運(yùn)行通道的實(shí)時(shí)監(jiān)視。由于變電站的通信安全級(jí)別較高，故報(bào)文監(jiān)視工具還應(yīng)具有截獲文件、報(bào)文分析等功能。

除了上述所需考慮的問題之外，500 kV和1 000 kV變電站中，還有遠(yuǎn)動(dòng)以及通信等調(diào)度自動(dòng)化的問題[13-14]。目前，樞紐變電站已實(shí)現(xiàn)和調(diào)度計(jì)算機(jī)、通信屏柜的分離。調(diào)度席位的去主機(jī)化，能夠從根本上解決由于大量主機(jī)的布置而引起的散熱問題以及需要大容量不間斷電源供電問題。對(duì)于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義[15-16]。

2 變電站通信屏柜優(yōu)化布置方案

2.1 通信系統(tǒng)主要信號(hào)設(shè)備配置

特高壓變電站通信系統(tǒng)的安全自動(dòng)化是整個(gè)變電站通信系統(tǒng)中最為重要的部分，因通信自動(dòng)化系統(tǒng)是確保繼電保護(hù)信號(hào)有效傳輸?shù)闹匾A(chǔ)。一般情況下，1 000 kV變電站8回，16路信號(hào)傳輸通路。所以，遠(yuǎn)動(dòng)通信室需配置4套相應(yīng)的光傳輸設(shè)備和16套遠(yuǎn)方接口設(shè)備。500 kV輸電線路是12回，24路信號(hào)傳輸通路，故需配置4套光傳輸設(shè)備和24套遠(yuǎn)方接口設(shè)備。圖1為特高壓變電站通信信通主要信號(hào)設(shè)備的配置示意圖。

2.2 通信屏柜布置

圖1 通信系統(tǒng)主要信號(hào)設(shè)備配置示意圖

特高壓變電站通信設(shè)備一般按照分層分區(qū)的方式進(jìn)行配置，同時(shí)出于對(duì)信號(hào)傳輸?shù)目煽啃钥紤]，需要將用于光纖通信的光端機(jī)以及線路保護(hù)接口設(shè)備置于1 000 kV或500 kV保護(hù)室內(nèi)。如圖2所示，為通信屏柜布置示意圖。

首先，線路保護(hù)的專用通信設(shè)備位于匯聚層。同時(shí)，在匯聚層的155/622 M光端機(jī)之后需要連接兩個(gè)8位系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)配置器、兩個(gè)220 V轉(zhuǎn)48 V的直流電源變換器以及一套光信號(hào)配置器。

圖2 通信屏柜布置示意圖

其次，需要具有相應(yīng)的備用設(shè)備。每種型號(hào)的信號(hào)發(fā)生器至少應(yīng)保持一臺(tái)備用設(shè)備，或兩臺(tái)設(shè)備可以互為備用。如圖2中的A-1-1和B-1-1，A-2-1和B-2-1之間即互為備用。只要其中任何一臺(tái)出現(xiàn)故障，備用設(shè)備便可在5 s之內(nèi)投入運(yùn)行，從而防止由于設(shè)備故障造成系統(tǒng)信號(hào)傳輸?shù)闹袛唷?/p>

AUG和TUG時(shí)隙一般按照1:8的形式分配，即如果只有一個(gè)AUG時(shí)隙，則TUG就需要配置8個(gè)時(shí)隙。同時(shí)，還需滿足向下兼容的8個(gè)兩兆數(shù)配支路接口。同理，TUG_2也需要配置8個(gè)時(shí)隙作為TUG_1的冷備用。

3 變電站通信設(shè)備優(yōu)化配置

3.1 配線設(shè)備配置方案

為了保證特高壓變電站通信系統(tǒng)的可靠性，1 000 kV輸電線路和500 kV輸電線路的通信光纜應(yīng)分開接入。同時(shí)，考慮到設(shè)備的故障率和運(yùn)行可靠性等因素，每種電壓等級(jí)的通信設(shè)備均需分別配置一臺(tái)備用設(shè)備。因此，1 000 kV和500 kV的通信屏柜也應(yīng)有相應(yīng)的備用顯示屏。綜上，變電站現(xiàn)場1 000 kV系統(tǒng)和500 kV均需要配置兩臺(tái)光配屏和各自的OPGW連接。

現(xiàn)場的通信設(shè)備通過模擬電路和匯聚層的光端機(jī)相連，數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。然后通過光纖將設(shè)備信息傳到遠(yuǎn)方通信室，遠(yuǎn)方通信室則通過相應(yīng)的接受光端機(jī)接收信號(hào)。遠(yuǎn)方通信室只是對(duì)現(xiàn)場信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控，故只需安裝一臺(tái)必要的通信屏即可。因此，配線設(shè)備配置方案如圖3所示。

圖3 配線設(shè)備配置方案

3.2 通信設(shè)備配置方案

特高壓變電站的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)主要是通過封裝以太網(wǎng)信息，將其放入SONET/SDH中進(jìn)行傳輸，即IP over SDH綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)。

IP over SDH實(shí)質(zhì)是在一種光纖信號(hào)傳輸系統(tǒng)。其中，SDH 是指“Synchronous Optical Network”，即“同步光網(wǎng)絡(luò)”。由于電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)在傳輸過程中，信息量大，可靠性要求高，故需要選擇一種合適的信息傳輸技術(shù)進(jìn)行交換和接入設(shè)備的配置。傳統(tǒng)的PHD技術(shù)在向更高傳輸速率發(fā)展的同時(shí)，也暴露出：分支電路復(fù)雜、不利用維護(hù)、兼容性低等問題。所以，在此基礎(chǔ)上SDH克服了PDH的不足。IP over SDH通信系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：

1）SDH有強(qiáng)大靈活的分插功能，能夠隨時(shí)滿足設(shè)備增加以及通信擴(kuò)容的需求；

2）SDH有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)管理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)不同電壓等級(jí)和不同保護(hù)信號(hào)的綜合與分析；

3）SDH有標(biāo)準(zhǔn)的光纖接口規(guī)范，能夠?qū)崿F(xiàn)不同廠家的設(shè)備互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了真正的橫向兼容；

4）SDH系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的過程中，充分考慮到了電力系統(tǒng)通信設(shè)備的兼容性問題。因此，SDH具有向后兼容和向前兼容性，即可以兼容上一代線路保護(hù)通信系統(tǒng)PDH。同時(shí)，又滿足了下一代變電站電力保護(hù)通信系統(tǒng)的連接要求。

3.3 網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備配置方案

特高壓變電站網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備要求其在復(fù)雜的電磁環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站及電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)劃、控制和監(jiān)視的功能。因此，變電站的網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備又有其特殊的要求：

1）電力系統(tǒng)保護(hù)的動(dòng)作，設(shè)備的投切等均會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變。因此，網(wǎng)管設(shè)備需要隨時(shí)監(jiān)控電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。

2）變電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)備復(fù)雜，型號(hào)眾多。所以，要求網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備能夠同時(shí)管理多種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)管理異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

3）通信設(shè)備的正常運(yùn)行是變電站實(shí)現(xiàn)信號(hào)連接的基礎(chǔ)，故網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備應(yīng)具有全方位故障監(jiān)控的能力。

4）電力系統(tǒng)的安全性要求較高，為了防止外來接入設(shè)備對(duì)系統(tǒng)的干擾，網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備需要對(duì)終端接入情況進(jìn)行監(jiān)控和查詢。

5）有線和無線通信業(yè)務(wù)的統(tǒng)一配置，是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)管理的重要內(nèi)容。其不僅能夠提升設(shè)備的配置效率，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)保護(hù)通信的分組和擴(kuò)增。變電站網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備配置的人機(jī)交互界面，如圖4所示。

圖4 變電站網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備人機(jī)交互界面

3.4 變電站通信設(shè)備電源配置方案

特高壓變電站通信設(shè)備的供電電源，不僅要求其滿足電源的穩(wěn)定、不間斷的供電要求。同時(shí)，也要求其能夠在復(fù)雜電磁環(huán)境的干擾下正常工作。

針對(duì)特高壓變電的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的特殊要求，通信設(shè)備電源在其配置的過程中應(yīng)滿足以下要求：

1）不間斷工作，即一旦電網(wǎng)發(fā)生解列或供電中斷的情況，UPS也應(yīng)滿足該變電站通信設(shè)備的正常工作；

2）電壓不穩(wěn)定時(shí)，即電壓下陷、欠壓或過壓的情況下，UPS均應(yīng)輸出穩(wěn)定的電壓，而不隨外部條件的變化；

3）強(qiáng)抗干擾能力，主要包括電力系統(tǒng)特有的頻率漂移、暫態(tài)過電壓以及諧波干擾等情況。

綜合考慮上述情況下，特高壓變電站通信設(shè)備電源可參考如下方案配置：輸出功率容量1.2 MW/2.0 MVA，輸出頻率為50 Hz，輸出電壓為380 V，波峰系數(shù)為2.5，且THC應(yīng)小于4.5%，輸出波形為正弦波。輸出電壓THD在線性負(fù)載下小于2.5%，非線性負(fù)載下小于3.5%；在200%過載條件下持續(xù)工作1分鐘，在150%過載條件下持續(xù)工作5分鐘，在125%過載條件下持續(xù)工作10分鐘。

4 結(jié)束語

文中針對(duì)目前變電站建設(shè)過程中通信屏柜布局存在的“信號(hào)流最簡化原則”和“一致性與特殊性兼顧原則”之間的矛盾，分析了特高壓變電站通信屏柜布局考慮的問題，并給出了特高壓變電站通信系統(tǒng)主要信號(hào)設(shè)備配置建議和通信屏柜布置建議。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了特高壓變電站通信設(shè)備的優(yōu)化布置與分析。本文的研究可以為特高壓變電站通信屏柜的布局優(yōu)化提供參考。

超高壓變電站的建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，在實(shí)際工作中需要對(duì)各種情況進(jìn)行綜合考慮，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)、完善改進(jìn)，以保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。