變電站一體化智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

曹久輝

（國網(wǎng)鹽城供電公司，江蘇 鹽城 224000）

現(xiàn)代電網(wǎng)中，由于變電站所承擔的任務(wù)越來越多，其故障跳閘的機率也越來越高。為滿足《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃（2016—2020 年）》和2020 年國家電網(wǎng)工作大會的要求，及時發(fā)現(xiàn)、分析和排除故障，保證電網(wǎng)運行的穩(wěn)定和可靠性，需要引入網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。變電站的監(jiān)測系統(tǒng)是電力系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵支持，其能夠全面、實時地了解各系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對其進行實時的故障預(yù)警，并向有關(guān)部門提供正確的信息，使其能夠快速地排除故障，確保變電所運行的安全。本文根據(jù)我國電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全管理制度，對智能化變電所的監(jiān)測進行了研究。

1 變電站監(jiān)控系統(tǒng)的整體設(shè)計

1.1 監(jiān)控體系的體系結(jié)構(gòu)

變電站的監(jiān)控系統(tǒng)要求采集、分析變電站的各種設(shè)備信息，并對其進行控制。本文結(jié)合國家關(guān)于智能變電站綜合監(jiān)控系統(tǒng)的要求，對其進行了結(jié)構(gòu)上的設(shè)計，如圖1 所示。

圖1 “三層一網(wǎng)”智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

變電所的監(jiān)測體系是“三層一網(wǎng)”“，三層一網(wǎng)”的監(jiān)測體系與“三層兩網(wǎng)”的結(jié)構(gòu)特點比較更符合110 kV 的實際情況。110 kV 變電站的進、出線路數(shù)量較少，電氣裝置的安裝數(shù)量較小，且站控級的聯(lián)網(wǎng)可以實現(xiàn)對電網(wǎng)的實時監(jiān)測。與“三層兩網(wǎng)”相比，“三層一網(wǎng)”監(jiān)測系統(tǒng)對交換器數(shù)目的需求較小，在經(jīng)濟性上要優(yōu)于傳統(tǒng)的“三層兩網(wǎng)”。所以，在變電所的監(jiān)測體系中，必須采取“三層一網(wǎng)”的方式。

“三層一網(wǎng)”監(jiān)控體系將整個變電所劃分為4 大類：過程層、間隔層、站控層和站控層網(wǎng)絡(luò)。變電站監(jiān)控系統(tǒng)站控層配置了監(jiān)控主機、綜合服務(wù)器、傳輸服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)接口等設(shè)備，同時在站控層設(shè)有1 個工程工作站，利用Linux 平臺實現(xiàn)對各類突發(fā)事件的實時監(jiān)測。站控層主要負責對各種線路、設(shè)備的集中監(jiān)測與傳送、分析和處理各類數(shù)據(jù)。

變電所間絕緣裝置包括測量控制裝置、保護裝置及現(xiàn)場分析裝置，隔離裝置的作用是測量與傳送變電裝置的資料，并在發(fā)生事故時進行現(xiàn)場切斷。

變電站的流程設(shè)備主要由一次設(shè)備和智能終端組成，其功能是采集變電站的數(shù)據(jù)，并對線路的斷開和關(guān)閉進行控制。

為了實現(xiàn)全站的數(shù)據(jù)共享，必須采用IEC61850 通信規(guī)范，覆蓋跨程層、間隔層和站控層的統(tǒng)一通信網(wǎng)絡(luò)。

1.2 監(jiān)控體系架構(gòu)的設(shè)計

根據(jù)監(jiān)測目標的功能及重要性，將其劃分為2 大類型：第一類是電力變電所的線路及各類裝置的實時監(jiān)測。第二類是變電所一次設(shè)備和二次設(shè)備的工作狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上，對110 kV 變電站的監(jiān)測進行了總體規(guī)劃，并將其分為了I 區(qū)和II 區(qū)。

變電站監(jiān)控系統(tǒng)的I 區(qū)，主要是收集變電站的線路和設(shè)備的實時數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳送到變電站的監(jiān)控系統(tǒng)站控層，由站控層匯總分析數(shù)據(jù)，提供給現(xiàn)場的值班人員，并將數(shù)據(jù)以點對點的形式發(fā)送至本調(diào)度中心。

變電所監(jiān)測設(shè)備I 類，負責采集設(shè)備狀態(tài)、消防和應(yīng)急等輔助設(shè)備的狀態(tài)信息，并將其傳輸?shù)秸究刂茖用?，通過站控層對各電氣設(shè)備和輔助設(shè)備的狀態(tài)進行綜合和分析。

按照安全Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的安全原理，在Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)之間設(shè)置了防火墻和縱向加密裝置，通過防火墻，將安全I 區(qū)的監(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸至本區(qū)域調(diào)度中心。

2 監(jiān)控目標設(shè)計

為了確保變電站監(jiān)控數(shù)據(jù)的完整性，防止重復(fù)采集，根據(jù)國家有關(guān)標準，對110 kV 變電站的監(jiān)控數(shù)據(jù)進行了規(guī)劃。將被監(jiān)控對象劃分為3 大類：電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)和設(shè)備監(jiān)控數(shù)據(jù)。

2.1 電網(wǎng)系統(tǒng)的運行信號

為確保全網(wǎng)的供電質(zhì)量，需要實時監(jiān)控各設(shè)備的電壓、電流和頻率等實時監(jiān)控，并實時監(jiān)控各開關(guān)設(shè)備的情況。

2.2 電力系統(tǒng)故障信號

在變電所出現(xiàn)的各種事故中，為能夠及時地掌握和發(fā)現(xiàn)問題的根源和解決問題，其監(jiān)測的是整個站點的總事故信號、間隔事故信號、保護動作信號和重合閘信號。

2.3 電力設(shè)備監(jiān)控資料

監(jiān)測變電所的測量數(shù)據(jù)，掌握開關(guān)電器設(shè)備及設(shè)備的故障情況，對一次、二次電氣設(shè)備的日常遠程控制和設(shè)備的工作狀況進行了測試，以確保其可靠性。

3 監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計

110 kV 變電所的智能化無人值守，要求110 kV 變電所采用的傳輸帶寬不低于100 Mbps 的工業(yè)以太網(wǎng)作為變電所的通信媒介。建立了1 個變電所監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以滿足自動化變電所的實時采集與支持。

變電所站控層網(wǎng)絡(luò)是“三層一網(wǎng)”監(jiān)控體系中的重要組成部分，其擔負著過程層、間隔層和站控層的實時信息交互作用。按照變電站建設(shè)技術(shù)規(guī)程，變電站站控層網(wǎng)絡(luò)采用1 個衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（SNTP）、變電站事件（GOOSE）、采樣值（SV）和制造報文規(guī)范（MMS）共網(wǎng)，在變電站的流級上不設(shè)置獨立的網(wǎng)，采用變電站站控層網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)通信。

4 變電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備結(jié)構(gòu)

110 kV 變電所監(jiān)測的體系結(jié)構(gòu)為“三層一網(wǎng)”，主要包括站控層網(wǎng)絡(luò)、過程層、間隔層、站控層及其相應(yīng)的裝置。

4.1 站控層裝置

變電所監(jiān)測的站控級是數(shù)據(jù)處理、傳輸和記錄等功能。根據(jù)變電所監(jiān)測系統(tǒng)的站控級要求，系統(tǒng)地從數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、系統(tǒng)操作系統(tǒng)、綜合應(yīng)用系統(tǒng)和數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)等幾個部分進行了系統(tǒng)的研究。

4.1.1 操作系統(tǒng)

站控級操作系統(tǒng)承擔著3 大功能：一是對變電所全部的線路、裝置進行實時監(jiān)測，防止故障發(fā)生；二是實時查看變電站設(shè)備實時數(shù)據(jù)及運行狀況數(shù)據(jù)，對變電站一、二次設(shè)備進行實時監(jiān)控。三是實現(xiàn)了對變電所的數(shù)據(jù)的儲存，使工作人員可以隨時查閱所需的資料。

上述3 個任務(wù)由監(jiān)控主機、操作員工作站和數(shù)據(jù)服務(wù)器來完成，由于110 kV 變電站的資料容量較少，由監(jiān)控主機負責，沒有單獨的服務(wù)器。

通過對110 kV 變電所的站控級操作系統(tǒng)進行全面研究后將配置監(jiān)控主機和操作員工作站。

4.1.2 數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)閉功能

數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)閉功能的作用是把變電站的實時數(shù)據(jù)傳輸至本地區(qū)調(diào)度中心、備用調(diào)度中心，為本地區(qū)調(diào)度中心和備用調(diào)度中心在110 kV 變電站遠程調(diào)度、運行提供可靠的基礎(chǔ)信息支撐，從而達到遠程調(diào)度、運行的目的。變電站內(nèi)的實時信息主要有：變電站內(nèi)的線路、設(shè)備的實時數(shù)據(jù)、狀態(tài)信息、輔助設(shè)備信息和變電站的記錄信息。

針對變電站監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控對象類型及重要程度，將其劃分為“安全 I 級”和“安全II 級”，并就“兩級”的具體情況進行了介紹。

電力設(shè)備的主要任務(wù)是對110 kV 變電站的數(shù)據(jù)進行實時的采集和監(jiān)控，以及對變電站的一、二次設(shè)備的監(jiān)控。這樣，區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的關(guān)閉配置需要完成將變電站的實時信息向本區(qū)域調(diào)度中心發(fā)送到專門的通信線路，并能實時接收到控制指令。由于本區(qū)域的信息監(jiān)控工作十分重要，因此，I 區(qū)的安全通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)閉采用了雙重配置。

安全區(qū)內(nèi)的電子產(chǎn)品，主要是對一次電源的運行狀態(tài)進行監(jiān)測，以及對消防、應(yīng)急等變電站的輔助作用。該地區(qū)各地區(qū)的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)必須向本地區(qū)的調(diào)度室發(fā)送信息，方便客戶查閱。由于安全區(qū)I 區(qū)域信息的重要程度不如II 級，因此I 區(qū)域數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)采取了1 個單獨的配置模式。

4.1.3 綜合應(yīng)用程序

綜合應(yīng)用服務(wù)器主要承擔變電站內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)與變電站附屬設(shè)備的聯(lián)接，并由該系統(tǒng)對變電站和附屬設(shè)備的數(shù)據(jù)通信進行集中處理。因為其工作方向是輔助性的，所以其結(jié)構(gòu)是單一的。

4.1.4 GPS、北斗授時系統(tǒng)同步取樣與定時設(shè)備

為保證110 kV 變電站和調(diào)度中心的同步運轉(zhuǎn)，文中給出了同步采樣系統(tǒng)、GPS 授時系統(tǒng)及北斗授時系統(tǒng)的構(gòu)成。

110 kV 變電站的時間傳輸必須使用雙同步時鐘，并優(yōu)先選用國內(nèi)的北斗定時器。

4.1.5 打印設(shè)備

為了記錄110 kV 變電站不能正常運行時的全站故障情況，現(xiàn)在配備了2 個能打印A3 和A4 紙的打印機，并與綜合應(yīng)用服務(wù)器連接。

4.1.6 設(shè)備公共界面

110 kV 變電站的直流電源屏、消防系統(tǒng)等附屬設(shè)施不符合DL/T860 標準，需要在變電站站控層上安裝專用的公共接口。

變電站監(jiān)控系統(tǒng)站控層裝置是按照上述討論和變電站的實際情況來布置的，見表1。

表1 站控層的設(shè)備結(jié)構(gòu)

4.2 間隔層設(shè)備

110 kV 變電站的監(jiān)控系統(tǒng)隔離層，主要是測量各種數(shù)據(jù)、故障的及時處理、故障分析和記錄，目前對隔離層的電力數(shù)據(jù)測量設(shè)備、故障記錄分析設(shè)備及繼電保護設(shè)備進行了配置，并根據(jù)變電站目前的建設(shè)情況進行了調(diào)整。

4.2.1 測量和控制設(shè)備

變電站測控設(shè)備的主要任務(wù)是測量、控制、保護、通信、數(shù)據(jù)分析與記錄，依據(jù)110 kV 變電站的設(shè)計要求，此次的變電站測控設(shè)備必須符合IEC61850 電力建設(shè)標準，現(xiàn)根據(jù)變電站實際建設(shè)情況及國家標準對變電站測控裝置配置規(guī)范。對變電所的各部分進行測試和控制。

為了對變電站進行全方位的監(jiān)控，本文對變電站的進出線路、各級母線和主變壓器等各個部位進行了詳細的布置。目前，變電站建設(shè)的110 kV 進線2 條，10 kV 出線24 條，各有1 個測控設(shè)備，用于測量、控制、保護和記錄等工作；110 kV 側(cè)母線、10 kV 側(cè)母線分別有2 臺、3 臺測控設(shè)備，并在母線間隔式智能匯控箱內(nèi)安裝；變壓器是變電站的重要設(shè)備，需要重點監(jiān)控和保護，目前變壓器的高壓側(cè)、低壓側(cè)和變壓器本體各有1 套，并進行組網(wǎng)的安裝；變電站電容器、接地變壓器及110 kV 母線部分，分別配置4 臺、2 臺和1 臺測試控制裝置。

為保證儀器能夠迅速、平穩(wěn)地工作，其測控系統(tǒng)的測控和防護系統(tǒng)應(yīng)具有GOOSE 的性能，并按照IEC61850 標準中的報文傳輸機理，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時傳輸與監(jiān)控。

4.2.2 網(wǎng)絡(luò)錄波和分析設(shè)備

為了對變電站的工作進行全面的記錄，并將報文的初步分析結(jié)果發(fā)送到變電站的站控層。網(wǎng)絡(luò)記錄和分析設(shè)備會記錄SV、GOOSE 和MMS 等信息。

4.2.3 電能測量設(shè)備

為了對變電站的用電量進行統(tǒng)計，將按IEC61850電氣工作規(guī)范的110 kV 側(cè)和10 kV 側(cè)的數(shù)字式電表、多功能電表，負責對電流、電壓等數(shù)據(jù)的采集；同時，還配備了遠程電力終端，用于對變電站站控層和本區(qū)域進行遠程通信。設(shè)備結(jié)構(gòu)見表2。

表2 設(shè)備結(jié)構(gòu)

4.3 過程層的設(shè)備結(jié)構(gòu)

變電所監(jiān)測的流程級是對一次設(shè)備進行控制、處理和采集的，其中包括隔離開關(guān)、斷路器和互感器等，而現(xiàn)有110 kV 變電所監(jiān)測的流線級和智能化終端已經(jīng)實現(xiàn)了以上工作，方便使用和維護。根據(jù)110 kV 變電所現(xiàn)有的工程規(guī)模來確定其布局，為以后的工程提供一定的空間。

整合裝置的主要作用是實現(xiàn)對變壓器采集的信號進行實時整合，把經(jīng)過加工的信息傳輸給隔離層，該變電所設(shè)置的2 臺大變壓器均為高壓主變。

將1 套一體化的智能化終端裝置置于一側(cè)，在各主變的低壓側(cè)配置2 套一體化的智能化終端裝置，在主變中心安裝2 套一體化裝置；目前，在變電所的110 kV 進線、110 kV 電壓互感器和110 kV 主線路橋距分別安裝2 個并聯(lián)智能終端。

5 結(jié)束語

本文根據(jù)變電站的監(jiān)測要求和國家電網(wǎng)公司的具體要求，研制了1 套變電站監(jiān)測系統(tǒng)。經(jīng)過總體設(shè)計、可行性研究、軟硬件設(shè)計、設(shè)備安裝調(diào)試和模擬實驗等多個環(huán)節(jié)，結(jié)果表明當變電所出現(xiàn)問題時系統(tǒng)可以通過短信方式及時向管理人員報告，以便隨時了解變電所的運行狀況。