智能變電站分層設(shè)計探討及提升措施

李琦 孟璐璐 趙婉辰

摘 要：智能變電站設(shè)計，采取以構(gòu)建變電站智能化網(wǎng)絡(luò)框架為前期基礎(chǔ)。全站網(wǎng)絡(luò)在邏輯功能上由站控層、間隔層、過程層組成。該框架是電網(wǎng)信息處理的基礎(chǔ)，直接和能量系統(tǒng)耦合。 本文提出了就地化保護(hù)、站域保護(hù)、過程層組網(wǎng)方式靈活化等提升措施，為新一代智能變電站的應(yīng)用提供了參考。

關(guān)鍵詞：智能變電站；分層設(shè)計；提升措施

1 引言

智能變電站系統(tǒng)邏輯上采用分層分布式結(jié)構(gòu)，在綜自站基礎(chǔ)上加入過程層設(shè)備。其中站控層設(shè)備包括監(jiān)控主機(jī)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、綜合應(yīng)用服務(wù)器、操作員站、工程師工作站、PMU數(shù)據(jù)集中器和計劃管理終端等；間隔層設(shè)備包括繼電保護(hù)裝置、測控裝置、故障錄波裝置、網(wǎng)絡(luò)記錄分析儀、及穩(wěn)控裝置等；過程層設(shè)備包括合并單元、智能終端、智能組件等。

2 智能變電站系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化構(gòu)架

智能變電站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用高速以太網(wǎng)，且支持IEC61850規(guī)約，并滿足傳輸速率大于800Mb/s，所有連接到以太網(wǎng)的各類設(shè)備必須具有必要的通信接口。

全站網(wǎng)絡(luò)在邏輯功能上由站控層、間隔層、過程層組成。站控層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎眯切徒Y(jié)構(gòu)。過程層網(wǎng)絡(luò)分為SV（采樣數(shù)據(jù)網(wǎng)）網(wǎng)和 GOOSE網(wǎng)，SV網(wǎng)和GOOSE網(wǎng)物理上相互獨(dú)立，同樣采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。保護(hù)采用雙重化保護(hù)定值，相應(yīng)的過程層網(wǎng)絡(luò)也應(yīng)該雙重化配置，以及兩個過程層網(wǎng)絡(luò)完全獨(dú)立，并滿足繼電保護(hù)點(diǎn)對點(diǎn)直采、直跳的原則。

站控層網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計構(gòu)成站控層以太網(wǎng)，采用智能工作組網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備；10kV網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常屬于站控層網(wǎng)絡(luò)，所以采用智能工作組網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備，通過光纖接入站控層；對于構(gòu)成針對主變壓器GOOSE控制網(wǎng)，采用符合IEC61850的工業(yè)級網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備，且能支持GOOSE技術(shù)。

2.1 過程層

過程層（也稱設(shè)備層）是為完成變電站電能分配、變換、傳輸及其測量、控制、保護(hù)、計量、狀態(tài)監(jiān)測。由一次設(shè)備和二次設(shè)備構(gòu)成，智能設(shè)備由一次設(shè)備和智能組件構(gòu)成，此外還包括其配套的合并單元和智能終端。智能設(shè)備主要由順序控制操作為宜。

2.2 間隔層

間隔層設(shè)備實(shí)現(xiàn)一個間隔的數(shù)據(jù)，并作用于該間隔一次設(shè)備，并且能夠與各種遠(yuǎn)方輸入/輸出、智能傳感器和控制器通信。由繼電保護(hù)裝置、測控裝置等二次設(shè)備組成。

2.3 站控層

站控層為信息統(tǒng)一的存取平臺，功能為將全站各類信息進(jìn)行統(tǒng)一建模，并且建立全景信息統(tǒng)一采集、存儲、處理、展示和上送的功能，為各種高級應(yīng)用提供可靠、穩(wěn)定和高效的數(shù)據(jù)。

3 分層設(shè)計特點(diǎn)

在體系構(gòu)架方面，完全遵循IEC61850規(guī)范，系統(tǒng)建模標(biāo)準(zhǔn)化，統(tǒng)一的信息模型和信息交換模型解決了互操作問題，實(shí)現(xiàn)了信息共享，簡化了系統(tǒng)維護(hù)、工程配置和工程實(shí)施。在信息采集與傳輸方面，采用全數(shù)字接口的二次設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遙測遙信全數(shù)字化高精度測量與同步采集，具有精確絕對時標(biāo)，全站數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集及標(biāo)準(zhǔn)方式輸出共享方便；利用光纜代替?zhèn)鹘y(tǒng)電纜，長期困擾繼電保護(hù)安全穩(wěn)定運(yùn)行的CT開路、PT短路、電磁干擾、一點(diǎn)接地等問題不復(fù)存在，節(jié)約了大量二次電纜和造價，體現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保理念。建立了全站信息一體化平臺，信息一體化平臺作為變電站全景數(shù)據(jù)收集、處理、存儲的中心，融合監(jiān)控、五防、保護(hù)故障信息子站、高級應(yīng)用、狀態(tài)監(jiān)測、各類智能輔助系統(tǒng)等多套系統(tǒng)的信息及功能，簡化了二次系統(tǒng)的配置，實(shí)現(xiàn)全景數(shù)據(jù)集成、標(biāo)準(zhǔn)化后統(tǒng)一上送，實(shí)現(xiàn)了源端維護(hù)。但在實(shí)際運(yùn)行中，智能變電站分層設(shè)計也存在以下問題。

（1）智能變電站在實(shí)際的電力系統(tǒng)運(yùn)行中，會由于智能設(shè)備之間的信息模型不盡相同，存在較大差異而很難確保統(tǒng)一，相互之間的操作性也有明顯差異，這對于系統(tǒng)運(yùn)行是不利的。

（2）智能變電站所收集的信息都是直接存儲在先進(jìn)的集約性設(shè)備中，這就會對系統(tǒng)后期改擴(kuò)建和維護(hù)帶來一定的難度。

（3）智能變電站在檢修過程中，對待檢設(shè)備實(shí)施安全隔離措施，不影響在運(yùn)設(shè)備的安全運(yùn)行，是一件較為繁瑣、細(xì)致的工作，稍有不慎就造成誤投、錯投、漏投等事件，嚴(yán)重時還將影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 智能變電站分層設(shè)計提升措施

4.1 考慮采用就地化保護(hù)

站端所有保護(hù)設(shè)備都應(yīng)具備兩個MMS網(wǎng)口，直接連接到站控層MMS網(wǎng)絡(luò)。智能管理單元采用雙機(jī)配置，與站控層雙網(wǎng)連接，獲取保護(hù)數(shù)據(jù)。

以線路保護(hù)為例，每套線路保護(hù)均具有完整的主后備保護(hù)功能，兩套保護(hù)相互獨(dú)立。線路保護(hù)采用模擬量電纜直接采樣，采集本間隔電流互感器的保護(hù)二次電流及本間隔三相電壓、同期電壓。線路保護(hù)采用電纜直接跳閘，通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)發(fā)布本裝置的跳閘信號及其他狀態(tài)信號，通過GOOSE網(wǎng)訂閱其他保護(hù)或控制設(shè)備的相關(guān)信號（如啟動失靈、閉鎖重合閘等信息）。線路保護(hù)通過開關(guān)量輸入方式接入必要的斷路器信息（如斷路器位置等開關(guān)量信息）。線路保護(hù)具備SV和GOOSE過程層共口輸出功能、供站域等其他保護(hù)使用。

4.2 考慮采用站域保護(hù)

站域保護(hù)基于變電站集中采集的實(shí)時信息，集成全站備自投、低周低壓減載以及優(yōu)化后備保護(hù)的功能，能夠?yàn)閱翁妆Ｗo(hù)提供冗余保護(hù)功能，在保護(hù)裝置故障或檢修時可以在一定時間內(nèi)代替原有保護(hù)，避免一次設(shè)備不必要的停運(yùn)；且由于利用了多間隔的故障信息，對故障的判斷更準(zhǔn)確，可以縮短原有保護(hù)的動作時間。站域保護(hù)采用站控層、過程層、間隔層三網(wǎng)合一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。站控層網(wǎng)絡(luò)與間隔層網(wǎng)絡(luò)使用工作在ISO模型數(shù)據(jù)鏈路層的二層交換機(jī)，相互聯(lián)系形成一個大的廣播域；過程層網(wǎng)絡(luò)使用工作在ISO網(wǎng)絡(luò)層的三層交換機(jī)，通過VLAN將過程層交換機(jī)劃分為邏輯上隔離的數(shù)個廣播域。

4.3 考慮過程層組網(wǎng)方式靈活化

部分智能變電站主接線方式以內(nèi)橋和單母線接線為主，出線間隔較少、線路之間電氣聯(lián)系較弱，因此，過程層網(wǎng)絡(luò)交互數(shù)據(jù)較少，交換機(jī)利用率較低。對于此類主接線較簡單的變電站，為提高運(yùn)行可靠性、節(jié)省建設(shè)費(fèi)用、減少日常維護(hù)量，可考慮簡化分層結(jié)構(gòu)設(shè)計，采取取消過程層網(wǎng)絡(luò)的方式，設(shè)備間通過直連進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

5 結(jié)語

近年來部分智能變電站采用了站控層、過程層、間隔層三網(wǎng)合一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，部分變電站采用站域保護(hù)設(shè)備，進(jìn)一步推進(jìn)新一代智能變電站具有冗余保護(hù)、優(yōu)化后備保護(hù)、安全自動控制等多個功能。

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