智能變電站二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

劉 俊，周旖輝，李煜磊，鐘宇文，賀豐婕，李 旭

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢 430050）

0 引 言

近年來，智能變電站的數(shù)量急劇增長。同傳統(tǒng)變電站不同，智能站的二次系統(tǒng)發(fā)生了根本性改變。傳統(tǒng)變電站的二次設(shè)計(jì)方法已不再適用于智能變電站的設(shè)計(jì)需求。二次系統(tǒng)作為變電站設(shè)計(jì)中極其重要的一部分，研究其設(shè)計(jì)方法具有極其重要的現(xiàn)實(shí)需求。

1 虛端子

1.1 虛端子定義

伴隨智能變電站研究的深入，站內(nèi)的一部分信息都以數(shù)字信息的形式在光纜內(nèi)傳遞（例如，保護(hù)裝置間的分合閘出口、各類信號(hào)的交換和采樣數(shù)據(jù)的傳遞等）[1]，傳統(tǒng)意義上的端子數(shù)量大量減少。但是，端子的減少并不意味著二次回路原理的改變，其只是以另一種形式存在。因此，原有對(duì)應(yīng)開關(guān)量輸入、開關(guān)量輸出、模擬量輸入的端子，此刻分別對(duì)應(yīng)于GOOSE輸入、GOOSE輸出、SV輸入，這類信號(hào)統(tǒng)稱為虛端子[2]。

虛端子的特征如下[3]：

（1）允許一對(duì)多，不允許多對(duì)一；

（2）虛端子的存在，實(shí)現(xiàn)了邏輯上的傳遞方與接收方之間的分隔。

1.2 裝置虛端子的定義

1.2.1 定義SV輸入虛端子

SV輸入采用虛端子，其模型為包含“SVIN”關(guān)鍵字前綴的GGIN邏輯節(jié)點(diǎn)實(shí)例中定義的一類數(shù)據(jù)對(duì)象[4]。圖1為母線保護(hù)（SGB-750A-DA-G型）SV虛端子示意圖。其中，每一個(gè)虛端子都有其自身的定義與描述。例如，In01口SV虛端子“220 kV母線PT合并單元A套額定延時(shí)”為其功能定義“PISV/SVINGGIO1.DelayTRtg1.instMag.i”，這是 In01口傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)屬性。

圖1 SV輸入示意圖

1.2.2 定義GOOSE虛端子

GOOSE虛端子的定義方式與SV有相同點(diǎn)，即需要使用GGIO邏輯節(jié)點(diǎn)實(shí)例方面的定義DO信號(hào)，且需要包含功能的描述和其內(nèi)部應(yīng)用地址[5]，如圖2、圖3所示。

圖2 GOOSE輸入示意圖

圖3 GOOSE輸出示意圖

2 基于虛端子的智能變電站二次虛回路的設(shè)計(jì)

智能變電站中，需要利用全站的虛端子接線表、全站設(shè)備SV/GOOSE的數(shù)據(jù)流向圖及各裝置之間的物理連接圖，設(shè)計(jì)全站的二次回路[6]。

具體流程如下：

（1）按照變電站各個(gè)間隔和設(shè)備的電壓等級(jí)分成幾個(gè)部分，根據(jù)訂購設(shè)備的型號(hào)和初期設(shè)計(jì)，分電壓等級(jí)繪制各個(gè)間隔的SV/GOOSE數(shù)據(jù)流圖；

（2）繪制全職的裝置物理連接圖，制定全站的光纜清單。裝置物理連接圖能完整展示全站各個(gè)設(shè)備之間的光纜連接情況，也能全面展現(xiàn)全站的光纜清單；

（3）IED生產(chǎn)商能以Excel表格格式提供相關(guān)設(shè)備的輸入/輸出虛端子的定義[7]。根據(jù)廠家提供的定義，設(shè)計(jì)人員能完成虛端子連接表，完成SCD文件的制作，之后下載進(jìn)各個(gè)裝置。

2.1 設(shè)計(jì)SV/GOOSE數(shù)據(jù)流圖

設(shè)計(jì)中選擇直采直跳方案，各類數(shù)據(jù)除了部分以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式傳輸，其余通過交換機(jī)以廣播的方式傳輸。合并單元直接采集互感器所獲電流電壓，以數(shù)字信號(hào)的形式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸給保護(hù)裝置。傳輸標(biāo)準(zhǔn)選擇IEC61850-9-2，并通過交換機(jī)發(fā)給需要數(shù)據(jù)的智能電子設(shè)備。交換機(jī)的對(duì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)選擇IRIG-B。SV數(shù)據(jù)通過交換機(jī)將被發(fā)送給線路測(cè)控、故障錄波、線路電度表和同步相量測(cè)量裝置（PMU）。

3)分別求解m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的條件熵Ej，并對(duì)其進(jìn)行歸一化處理，得到關(guān)于各評(píng)價(jià)指標(biāo)重要性的熵值e(dj)=(1/lnn)Ej。

在500 kV間隔中，邊斷路器的電流合并單元將采樣數(shù)據(jù)發(fā)送至500 kV線路保護(hù)（只與線路相連的有）、500 kV斷路器保護(hù)和500 kV母線保護(hù)（與該斷路器相連母線），只與主變相連的斷路器的斷路器電流合并，才需要發(fā)送至主變保護(hù)。而中開關(guān)的電流合并單元需要將采樣數(shù)據(jù)送至主變保護(hù)，而不需要送給500 kV母線保護(hù)，如圖4所示。

圖4 500 kV間隔電流采樣數(shù)據(jù)流圖

此外，500 kV間隔中的線路電壓合并單元與主變合并單元的電壓采樣數(shù)據(jù)流，如圖5、圖6所示。線路合并單元需要將數(shù)據(jù)發(fā)送至與線路相連斷路器的斷路器保護(hù)處，好需要送一組單相電壓作為中斷路器的同期電壓。主變電壓合并單元需要送一組單相電壓給邊斷路器和500 kV線路電壓合并單元，作為其同期電壓。

圖5 500 kV線路合并單元電壓采樣數(shù)據(jù)流圖

圖6 主變合并單元電壓采樣數(shù)據(jù)流圖

在220 kV間隔中，利用FT3規(guī)約，220 kV母線PT合并單元向線路合并單元傳輸級(jí)聯(lián)電壓。220 kV間隔的采樣數(shù)據(jù)流圖如圖7所示。

圖7 220 kV線路間隔采樣數(shù)據(jù)流圖

35 kV間隔的SV數(shù)據(jù)一般只有電流電壓數(shù)據(jù)的輸入，故不在此贅述。

以某個(gè)220 kV間隔內(nèi)GOOSE數(shù)據(jù)流圖為例設(shè)計(jì)GOOSE數(shù)據(jù)流圖，如圖8所示。

2.2 裝置物理連接圖

裝置物理連接圖是用來表達(dá)站控層、間隔層和過程層交換機(jī)的光纜連接方式[8]。通過各個(gè)交換機(jī)之間的連接，根據(jù)設(shè)計(jì)的SV/GOOSE數(shù)據(jù)流圖，確定每根光纜所鏈接的兩個(gè)設(shè)備的光口類型，從而選出與之相符的光纜型號(hào)。光纜清單是按照這個(gè)方式確定的全站的光纜型號(hào)與連接方式的清單[9]。以圖9為例，給出了過程層的交換機(jī)光纜連接圖。圖9以過程層交換機(jī)為主體，并未畫出各個(gè)設(shè)備之間的連接。實(shí)際上，保護(hù)裝置一般為直采直跳，即保護(hù)裝置與智能終端間有直接光纜連接。過程層交換機(jī)連接中心交換機(jī)，其中PMU、故障錄波等設(shè)備通過中心交換機(jī)獲取相應(yīng)的電壓值、電流值、斷路器位置及保護(hù)動(dòng)作信息。

圖8 GOOSE數(shù)據(jù)流圖

圖9 過程層連接示意圖

2.3 全站虛端子連接表

根據(jù)數(shù)據(jù)流圖和裝置物理連接圖，建立Excel格式的全站虛端子表。該虛端子表需要清晰明確表達(dá)全站的二次回路數(shù)據(jù)傳輸和虛二次回路的連接關(guān)系。虛端子表需要有詳細(xì)的接收方、發(fā)送方及其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)描述和數(shù)據(jù)類型。

3 就地智能控制柜二次回路設(shè)計(jì)簡化

隨著智能站大量投入運(yùn)行和新智能站籌建的全面開展，提出了智能化二次設(shè)備就地化，充分利用一次設(shè)備廠商完成集成的要求[10]。針對(duì)這種要求，提出了二次回路的簡化設(shè)計(jì)方法。

3.1 減少斷路器/刀閘輔助接點(diǎn)數(shù)量

將一副常閉、一副常開輔助接點(diǎn)采集，通過開入插件將信息傳遞至CPU，利用GOOSE報(bào)文向IED發(fā)送位置信息。這樣所有IED只能接受唯一一個(gè)信號(hào)源的位置信息，且所有IED關(guān)于開關(guān)位置的信息保持一致。此外，根據(jù)裝置的需求完成單雙點(diǎn)信號(hào)設(shè)置。通過此方法，輔助接點(diǎn)的數(shù)量大量減少，能實(shí)現(xiàn)一半以上的節(jié)約。

3.2 簡化斷路器總位置信號(hào)回路

直接利用邏輯判斷，就能完成通過分相跳合閘位置合成斷路器的跳合閘總位置。GOOSE報(bào)文的存在避免了對(duì)信息的冗余采集，完成了二次接線的精簡。

3.3 跨間隔橫向電氣聯(lián)閉鎖回路取消

基于GOOSE報(bào)文的廣播機(jī)制，能實(shí)現(xiàn)多個(gè)間隔位置共享，且本間隔測(cè)控裝置能完成間隔內(nèi)的五防邏輯閉鎖。改造時(shí)，僅需要修改配置和增加邏輯節(jié)點(diǎn)，即可完成二次接線的簡化，提高回路的可靠性。

3.4 取消冗余控制開關(guān)

取消控制轉(zhuǎn)換開關(guān)裝置，取消與其相關(guān)聯(lián)的二次回路，一定程度上完成了二次回路接線的簡易化，降低了誤操作的可能性。

3.5 簡化電壓并列切換回路

以SV信號(hào)的形式取母線電壓；以GOOSE信號(hào)的形式去開關(guān)位置；經(jīng)由母線電壓合并單元，實(shí)現(xiàn)各間隔間的電壓級(jí)聯(lián)。該方法從源頭上避免了二次反充電現(xiàn)象。

可見，這些設(shè)計(jì)明顯簡化了智能控制柜的二次回路，具有優(yōu)點(diǎn)：節(jié)約投資成本，降低事故發(fā)生的可能性，減少現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試任務(wù)，縮短工程周期，提高設(shè)備的集成度，實(shí)現(xiàn)更方便、更可靠。

4 結(jié) 論

本文以虛端子為基礎(chǔ)提出了二次虛回路的設(shè)計(jì)方法，利用全站設(shè)備間的SV/GOOSE數(shù)據(jù)流向圖、各裝置間的物理連接圖、全站的虛端子接線表和光纜清單實(shí)現(xiàn)全站的二次回路設(shè)計(jì)，并提出了就地智能控制柜二次回路設(shè)計(jì)簡化方案，為未來的智能變電站二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)等工作提供了理論依據(jù)。