智能變電站二次系統(tǒng)優(yōu)化分析

王優(yōu)優(yōu)，朱維鈞

(1·長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙410004；2·國網(wǎng)湖南省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖南 長沙410007)

0 引言

電力行業(yè)改革步伐的加快，對電力企業(yè)服務(wù)能力及設(shè)施水平提出了新的要求。為了提升電力生產(chǎn)水平、優(yōu)化生產(chǎn)方式，需要加強(qiáng)電網(wǎng)尤其是變電站的建設(shè)。變電站作為電力流和信息流的中樞，是智能電網(wǎng)和電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的重要領(lǐng)域。近年來國家電網(wǎng)有限公司持續(xù)推進(jìn)變電站智能化建設(shè)，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。但由于現(xiàn)有專業(yè)管理細(xì)分等原因，智能變電站頂層設(shè)計(jì)時(shí)沒有體現(xiàn)“開放、共享”的互聯(lián)網(wǎng)思維，仍存在信息孤島和數(shù)據(jù)煙囪[1－2]。這無論與電網(wǎng)安全還是企業(yè)經(jīng)營的角度都是不相符的，所以重構(gòu)、優(yōu)化變電站二次系統(tǒng)構(gòu)架是十分有必要的。

1 智能變電站二次系統(tǒng)現(xiàn)狀

智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)主要遵循Q/GDW 678《智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)功能規(guī)范》和Q/GDW 679《智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)規(guī)范》[3]，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)按信息安全分區(qū)進(jìn)行配置和管理，監(jiān)控系統(tǒng)、繼電保護(hù)等裝置在安全Ⅰ區(qū)，故障錄波、輔助控制系統(tǒng)、一次設(shè)備在線監(jiān)測等在安全Ⅱ區(qū)。

電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)通過Ⅰ區(qū)網(wǎng)關(guān)機(jī)轉(zhuǎn)換成104/101規(guī)約上送調(diào)度主站；電網(wǎng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)通過PMU數(shù)據(jù)集中器轉(zhuǎn)換成GB 26865規(guī)約上送調(diào)度WAMS系統(tǒng)；電網(wǎng)暫態(tài)數(shù)據(jù)和保護(hù)動(dòng)作信息通過保護(hù)信息子站轉(zhuǎn)換成103規(guī)約或DL/T860代理方式上送調(diào)度保護(hù)信息主站；電能量數(shù)據(jù)通過ERTU集中器以102規(guī)約上送調(diào)度主站或計(jì)量主站；一次設(shè)備在線監(jiān)測、輔助控制系統(tǒng)等數(shù)據(jù)通過正反向隔離裝置送到Ⅲ/Ⅳ區(qū)主站[4－7]。

1.1 智能變電站繼電保護(hù)現(xiàn)狀

智能變電站繼電保護(hù)(含電網(wǎng)安全自動(dòng)裝置)主要遵循Q/GDW 441《智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范》，以220 kV保護(hù)技術(shù)方案為例，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 220 kV線路保護(hù)技術(shù)方案

合并單元采集間隔內(nèi)電壓(電壓量通過母線合并單元點(diǎn)對點(diǎn)送到間隔合并單元)、電流量采樣值通過DL/T 860 9－2 SV服務(wù)點(diǎn)對點(diǎn)送到保護(hù)裝置，保護(hù)裝置通過插值法同步各間隔合并單元采樣數(shù)據(jù)，不依賴外部對時(shí)實(shí)現(xiàn)其保護(hù)功能；智能終端采集斷路器開關(guān)位置、壓力等開關(guān)量通過DL/T 860 GOOSE服務(wù)點(diǎn)對點(diǎn)送到保護(hù)裝置，同時(shí)保護(hù)裝置的跳閘信號點(diǎn)對點(diǎn)送到智能終端；合并單元、智能終端和保護(hù)裝置都接入過程層網(wǎng)絡(luò)，保護(hù)裝置之間的閉鎖、啟動(dòng)等信號通過網(wǎng)絡(luò)傳輸[8]。

1.2 網(wǎng)絡(luò)通信及信息交互現(xiàn)狀

測控裝置、故障錄波、報(bào)文記錄分析裝置、PMU、電能計(jì)量、一次設(shè)備在線監(jiān)測、輔助控制系統(tǒng)等主要遵循《國家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計(jì)》，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 智能變電站二次裝置及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

測控裝置通過過程層網(wǎng)絡(luò)采集合并單元發(fā)出的電流電壓SV采樣值和智能終端發(fā)出的GOOSE開關(guān)量信息，經(jīng)由過程層網(wǎng)絡(luò)給智能終端發(fā)送GOOSE控制命令，裝置之間通過站控層網(wǎng)絡(luò)傳輸聯(lián)閉鎖GOOSE信息；故障錄波器通過過程層網(wǎng)絡(luò)采集電流電壓SV采樣值和智能終端、保護(hù)裝置發(fā)出的GOOSE開關(guān)量信息；報(bào)文記錄分析裝置除了記錄過程層SV、GOOSE報(bào)文，還通過交換機(jī)鏡像端口記錄后臺主機(jī)和網(wǎng)關(guān)機(jī)MMS報(bào)文；PMU采集器、電能計(jì)量裝置通過過程層網(wǎng)絡(luò)采集合并單元發(fā)出的電流電壓SV采樣值；輔助控制系統(tǒng)和一次設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)直接由站控層網(wǎng)絡(luò)上送[9－10]。

2 問題分析

2.1 合并單元降低了保護(hù)可靠性

合并單元采樣數(shù)據(jù)存在同步機(jī)制復(fù)雜、運(yùn)維檢修措施復(fù)雜等問題，易導(dǎo)致保護(hù)功能異常和誤操作；合并單元供多類保護(hù)裝置共用，出現(xiàn)故障將影響多套保護(hù)裝置功能，尤其是母線合并單元出現(xiàn)問題將影響母線上所有間隔保護(hù)功能；保護(hù)裝置模擬量使用直采模式，并沒有發(fā)揮公用設(shè)備的數(shù)據(jù)共享優(yōu)勢。

2.2 二次同質(zhì)數(shù)據(jù)重復(fù)采集

測控裝置、PMU、參考計(jì)量裝置對電壓、電流模擬量的需求一致，但裝置及其通信回路均獨(dú)立配置；錄波器通過合并單元采集模擬量，與保護(hù)裝置同源，沒有起到第三方仲裁效果；站控層數(shù)據(jù)服務(wù)器、監(jiān)控主機(jī)、工程師站、五防主機(jī)、順控主機(jī)、綜合應(yīng)用服務(wù)器等設(shè)備眾多，部分軟硬件重復(fù)配置。

2.3 專業(yè)間數(shù)據(jù)共享程度低

保護(hù)、測控、PMU、計(jì)量、在線監(jiān)測、輔控系統(tǒng)分別獨(dú)立上送各自主站，各級主子站、系統(tǒng)間數(shù)據(jù)無法共享，“數(shù)據(jù)煙囪”現(xiàn)象嚴(yán)重，造成資源浪費(fèi)。保護(hù)、測控、PMU、計(jì)量等數(shù)據(jù)接入Ⅰ/Ⅱ區(qū)，Ⅲ/Ⅳ區(qū)主站無法獲取相關(guān)數(shù)據(jù)；一次設(shè)備在線監(jiān)測、輔控系統(tǒng)接至Ⅲ/Ⅳ區(qū)，Ⅰ/Ⅱ區(qū)主站無法獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.4 運(yùn)維檢修模式復(fù)雜

智能站采用SCD文件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二次圖紙，保護(hù)等二次設(shè)備從硬壓板到軟壓板、電纜到虛回路、模擬采樣到數(shù)字采樣，外接口特性發(fā)生了根本轉(zhuǎn)變。但運(yùn)維檢修模式并沒有隨著技術(shù)發(fā)展而改變，人員素質(zhì)、技能水平長時(shí)間無法適應(yīng)需要，基建、改擴(kuò)建、消缺等工作對二次設(shè)備廠家依賴程度極高[11－13]。

2.5 自動(dòng)化對點(diǎn)工作量大

變電站上送調(diào)度端信息對點(diǎn)工作是確保站端設(shè)備納入正常監(jiān)控的必要條件。智能變電站投運(yùn)后，站端上送調(diào)度端信息成倍增長，但自動(dòng)化對點(diǎn)仍采用傳統(tǒng)方式，需人工在站內(nèi)逐點(diǎn)核對，效率低、錯(cuò)誤率較高。以一座500kV變電站(含2臺主變壓器、6條500 kV出線)為例，常規(guī)變電站上送調(diào)度端的三遙信息約2 600點(diǎn)(其中遙信約2 100點(diǎn))，調(diào)試人員完成三級聯(lián)調(diào)花費(fèi)約1周。而智能變電站上送配置三遙信息達(dá)5 500點(diǎn)(其中遙信約4 800點(diǎn))，完成聯(lián)調(diào)約2～3周[14－15]。

3 優(yōu)化方案

3.1 技術(shù)原則

1)堅(jiān)持“安全可靠”原則，遵循繼電保護(hù)(含電網(wǎng)安全自動(dòng)裝置)四性要求和網(wǎng)絡(luò)安全“十六字”方針。堅(jiān)持“自主可控”原則，適應(yīng)國產(chǎn)化芯片裝置的應(yīng)用，并逐步過渡到保護(hù)、測控裝置全部采用國產(chǎn)化元件。110 kV及以上電壓等級保護(hù)裝置雙重化配置，電纜采樣電纜跳閘。

2)堅(jiān)持“功能集成”原則，業(yè)務(wù)需求和設(shè)備管理解耦。測控與PMU、參考計(jì)量功能集成；故障錄波與網(wǎng)絡(luò)分析、二次系統(tǒng)在線監(jiān)視集成；電網(wǎng)安全自動(dòng)裝置整合為三類，穩(wěn)控裝置、電壓頻率緊急裝置、失步解列裝置；站控層集成主設(shè)備監(jiān)控與輔助設(shè)備監(jiān)控功能；站控層設(shè)置Ⅰ區(qū)服務(wù)器，集成監(jiān)控、操作、順控、五防、維護(hù)、數(shù)據(jù)存取等功能，設(shè)置Ⅱ區(qū)服務(wù)器集成保信子站、錄波子站、綜合應(yīng)用服務(wù)器功能；Ⅲ區(qū)配置鏡像服務(wù)器，單向?qū)崟r(shí)同步Ⅰ/Ⅱ區(qū)數(shù)據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)模型。

3)堅(jiān)持“標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一”原則，簡化設(shè)備接口和配置模型，減少設(shè)備間的回路，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)接口。統(tǒng)一站內(nèi)規(guī)約、出站規(guī)約，采用通用服務(wù)協(xié)議(GSP)。

4)堅(jiān)持“運(yùn)維高效”原則，適應(yīng)無人值守和遠(yuǎn)方操作的技術(shù)和管理要求，實(shí)現(xiàn)免(少)維護(hù)，簡化配置，便于運(yùn)行維護(hù)和故障處置，提升運(yùn)維效率。

5)進(jìn)一步發(fā)展遠(yuǎn)程瀏覽技術(shù)，站端告警智能分析技術(shù)，一、二次設(shè)備在線監(jiān)測技術(shù)，信息電子化傳輸技術(shù)，研究集控站模式，減少站端遠(yuǎn)傳信息量，加強(qiáng)設(shè)備監(jiān)視，提升設(shè)備管控水平及質(zhì)量[10]。

變電站二次系統(tǒng)優(yōu)化后的架構(gòu)見圖4所示。

圖4 變電站二次系統(tǒng)優(yōu)化后的架構(gòu)

3.2 對比分析

與現(xiàn)在的智能變電站相比，該方案有以下優(yōu)點(diǎn):

1)取消合并單元、智能終端，大大減少二次設(shè)備數(shù)量。

2)保護(hù)裝置電纜采樣電纜跳閘，增強(qiáng)了保護(hù)“四性”。

3)測控、PMU、參考計(jì)量功能集成，實(shí)現(xiàn)同源數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集，也減少了設(shè)備數(shù)量。

4)采用統(tǒng)一服務(wù)器，減少站控層設(shè)備數(shù)量。

5)服務(wù)器提供GSP服務(wù)數(shù)據(jù)，并在Ⅲ/Ⅳ區(qū)鏡像，消除“數(shù)據(jù)煙囪”。

6)整體架構(gòu)簡化，減少變電站二次設(shè)備運(yùn)維工作量，降低設(shè)備運(yùn)維復(fù)雜程度。

7)電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行信息、設(shè)備管理信息和輔助設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)等可通過Ⅱ區(qū)服務(wù)器或Ⅲ/Ⅳ區(qū)鏡像服務(wù)器給運(yùn)維檢修部門，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

4 結(jié)論

本文對變電站二次系統(tǒng)進(jìn)行了大幅的優(yōu)化，以傳輸網(wǎng)絡(luò)化、設(shè)備集成化為原則，重構(gòu)了站端整體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，減少電纜、光纜、交換機(jī)數(shù)量，其整體運(yùn)行效率將會提高，并使智能變電站可靠性增強(qiáng)，可滿足電力生產(chǎn)計(jì)劃實(shí)施的實(shí)際要求。但是二次系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)由保護(hù)、自動(dòng)化、計(jì)量、運(yùn)檢等專業(yè)管理部門獨(dú)立歸口，從思考到實(shí)現(xiàn)需要跨越專業(yè)管理界線，打破傳統(tǒng)藩籬，從原始業(yè)務(wù)需求出發(fā)，定義功能模塊和數(shù)據(jù)流，最終形成系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)施方案，只有這樣才能實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一建設(shè)，從而達(dá)到業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)、設(shè)備整體優(yōu)化提升的目標(biāo)。