智能變電站自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案研究

［關(guān)鍵詞］變電站；自動化系統(tǒng)；方案設(shè)計(jì)

南匯220kV變電站位于上海市浦東新區(qū)，變電站周邊區(qū)域負(fù)荷由南匯、惠南兩座220kV變電站供電，變電容量900MVA，該區(qū)域從遠(yuǎn)東500kV分區(qū)受電。南匯220kV站現(xiàn)有主變?nèi)萘繛?×120MVA，電壓等級為220/110/35kV，2021年夏季高峰時，南匯站負(fù)荷為112MW，主變負(fù)載率約47%；惠南站主變規(guī)模為2×240+180MVA，電壓等級220/110/35kV，2021年夏季高峰時，惠南站負(fù)荷為265MW，主變負(fù)載率約40%。南匯站及周邊區(qū)域未來負(fù)荷增長點(diǎn)主要為工業(yè)區(qū)、商業(yè)中心和城鎮(zhèn)社區(qū)負(fù)荷。根據(jù)負(fù)荷預(yù)測，南匯站及周邊區(qū)域現(xiàn)有供電容量已無法滿足負(fù)荷供電需要，需對具備改造增容條件的南匯220kV變電站進(jìn)行改造，以適應(yīng)負(fù)荷發(fā)展需要。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

基于變電站的運(yùn)行需求，智能變電站自動化系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)采集、運(yùn)行監(jiān)視、操作控制、運(yùn)行分析與輔助決策、生產(chǎn)管理等功能和各種新業(yè)務(wù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套全面的軟件架構(gòu)，旨在為應(yīng)用程序開發(fā)提供多元化的交互平臺，并集成了一系列關(guān)鍵功能來支持?jǐn)?shù)據(jù)管理、用戶體驗(yàn)、公共服務(wù)和系統(tǒng)維護(hù)。

2 系統(tǒng)軟硬件方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

該智能變電站自動化系統(tǒng)包含站控層、間隔層、過程層的各類設(shè)備，以及網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)施。

2.1.1 站控層

站控層的核心設(shè)備包括監(jiān)控主機(jī)、數(shù)據(jù)交換網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、多用途應(yīng)用服務(wù)器、操作員界面終端以及工程師工作站。站控層負(fù)責(zé)構(gòu)建站內(nèi)的實(shí)時監(jiān)控與管理平臺，執(zhí)行對間隔層和過程層設(shè)備的操控，形成全面的站點(diǎn)監(jiān)控和管理中樞，并與遠(yuǎn)程監(jiān)控調(diào)度中心保持通訊暢通。

為了保證冗余性和可靠性，系統(tǒng)配備兩套功能集成的監(jiān)控主機(jī)，作為操作員站和工程師站，具備防誤閉鎖操作等功能，可智能負(fù)載均衡，單機(jī)故障時，另一臺可接管所有任務(wù)。此外，硬件和軟件模塊都具備自我監(jiān)控能力。站控層數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)考慮長遠(yuǎn)擴(kuò)展需求，以便于未來擴(kuò)建工程的無縫銜接。

站控層的設(shè)備匯總見表1。

2.1.2 間隔層設(shè)備

間隔層設(shè)備主要包括繼電保護(hù)裝置、測控單元、故障記錄儀和網(wǎng)絡(luò)記錄分析儀等。該層設(shè)備由多個子系統(tǒng)構(gòu)成，如保護(hù)、測控、計(jì)量、錄波和網(wǎng)絡(luò)分析，即使在站控層和網(wǎng)絡(luò)中斷的情況下，也能獨(dú)立進(jìn)行間隔設(shè)備的本地監(jiān)控。

根據(jù)國家電網(wǎng)公司企標(biāo)Q/GDW679—2011《智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)技術(shù)規(guī)范》及《國家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計(jì)（110（66）～750kV智能變電站部分2011版）》要求，站控層設(shè)備匯總?cè)缦隆?/p>

1面監(jiān)控主機(jī)屏、2臺監(jiān)控主機(jī)、1面Ⅰ區(qū)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)柜、2臺Ⅰ區(qū)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)、2臺站控層Ⅰ區(qū)交換機(jī)、2臺防火墻、1面Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ區(qū)通信網(wǎng)關(guān)柜機(jī)、2臺Ⅱ區(qū)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)、1臺Ⅲ/Ⅳ區(qū)區(qū)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)、2臺站控層Ⅱ區(qū)交換機(jī)、1面綜合應(yīng)用服務(wù)器屏、1臺綜合應(yīng)用服務(wù)器、1臺正向隔離、1臺反向隔離、1臺智能防誤主機(jī)（含屏）、1套順控模塊軟件、2臺網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)。

間隔層測控裝置見表1。

2.1.3 過程層設(shè)備

過程層設(shè)備涵蓋集成單元、智能核心模塊等元件。它們構(gòu)成的底層組件，致力于實(shí)現(xiàn)變電站的基礎(chǔ)功能，例如，實(shí)時采集電力運(yùn)行數(shù)據(jù)、監(jiān)控設(shè)備動態(tài)并執(zhí)行控制指令。這個層次的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)獨(dú)立于站控和區(qū)域?qū)拥木W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

2.1.4 網(wǎng)絡(luò)和安全防護(hù)設(shè)備

網(wǎng)絡(luò)組件方面，配備了多樣化的通信設(shè)備，其中包括交換機(jī)、光電轉(zhuǎn)換器、接口裝置以及用于網(wǎng)絡(luò)連接的硬件。

（1）對于站控層，部署了4臺冗余配置的24端口中心交換機(jī)（20電口，4光口），所有設(shè)備均安置在專門的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)柜中，確保高可用性。

（2）間隔層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的配置策略依據(jù)實(shí)際需求，可按設(shè)備室或者電壓級別進(jìn)行定制化設(shè)置，以優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)布局和效率，220kV間隔層6臺24口交換機(jī)（20電口，4光口），組屏1面，布置在220kV配電裝置室內(nèi)；110kV間隔層4臺24口交換機(jī)（20電口，4光口），組屏1面，布置在110kV配電裝置室內(nèi)；35kV開關(guān)柜室間隔層6臺24口交換機(jī)（20電口，4光口），組屏1面，布置在110kV配電裝置室內(nèi)。

（3）過程層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。SV采樣值網(wǎng)，采樣值SV均采用點(diǎn)對點(diǎn)方式，不獨(dú)立組網(wǎng)。GOOSE網(wǎng)每臺主變獨(dú)立組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)冗余配置，220kV按間隔獨(dú)立組網(wǎng)，110kV僅配置過程層中心交換機(jī)，過程層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)配置見表2。

2.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

整個站點(diǎn)采用單一的站控層MMS通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，設(shè)計(jì)為雙冗余星型拓?fù)?，支持雙線并行操作。

（1）站控層網(wǎng)絡(luò)。站控層設(shè)備通過此網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行內(nèi)部設(shè)備間，以及與間隔層設(shè)備的交互，包括MMS和GOOSE信息的傳輸。

站控層交換機(jī)配備有1000Mbps電口接口，并通過1000Mbps光口進(jìn)行級聯(lián)連接，連接著數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)、監(jiān)控主機(jī)、綜合應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器等關(guān)鍵設(shè)備。站控層設(shè)備通過兩個獨(dú)立的以太網(wǎng)控制器接入這個雙網(wǎng)系統(tǒng)。

（2）間隔層網(wǎng)絡(luò)。間隔層的通信同樣基于雙重化星形以太網(wǎng)絡(luò)，每個間隔層設(shè)備通過各自的獨(dú)立以太網(wǎng)控制器接入網(wǎng)絡(luò)。間隔層網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)本間隔內(nèi)的設(shè)備通信，以及與其他間隔和站控層的交互，支持MMS和GOOSE報文的傳輸。間隔層交換機(jī)優(yōu)選1000Mbps電口，級聯(lián)端口則推薦使用1000Mbps光口，其部署策略可依據(jù)設(shè)備室或電壓等級的不同而變化，通常選擇具備24個端口的交換機(jī)。

（3）過程層網(wǎng)絡(luò)。過程層網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)處理間隔層與過程層設(shè)備，以及同類設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，主要承載SV和GOOSE報文的傳輸，其確保了各層級間的高效通信。

2.3 系統(tǒng)軟件

（1）操作系統(tǒng)。選用先進(jìn)的Linux/UNIX架構(gòu)，其模塊化設(shè)計(jì)確保了高效、穩(wěn)定的運(yùn)行性能，具備優(yōu)異的擴(kuò)展適應(yīng)性和可靠性。

（2）歷史數(shù)據(jù)庫。依托業(yè)界成熟的商業(yè)解決方案，配備了專用的數(shù)據(jù)庫管理和軟件開發(fā)工具，便于維護(hù)、升級和功能拓展。

（3）實(shí)時數(shù)據(jù)庫。憑借其高強(qiáng)度的安全保障和卓越的實(shí)時數(shù)據(jù)處理能力，支持多任務(wù)并行訪問和即時數(shù)據(jù)同步更新，提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。

（4）數(shù)據(jù)通信模塊。其采用基于事件驅(qū)動的消息傳遞模式，借助先進(jìn)的消息中間件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了不同應(yīng)用程序間的信息無縫對接和交互。

監(jiān)控主機(jī)作為系統(tǒng)的核心控制單元，全面監(jiān)控和管理所有保護(hù)裝置及記錄設(shè)備狀態(tài)。I區(qū)域的監(jiān)控主機(jī)用于全站保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)控與管理，清晰呈現(xiàn)所有保護(hù)設(shè)備的運(yùn)行狀況和故障報告。配備專用的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和診斷裝置，負(fù)責(zé)從過程層實(shí)時采集和解析數(shù)據(jù)，其診斷結(jié)果以統(tǒng)一的方式在站級管理層進(jìn)行集中展示，提升了整體工作效率。

監(jiān)控主機(jī)能滿足本站（包含遠(yuǎn)景）的信息點(diǎn)接入市調(diào)的D5000系統(tǒng)，并為本站擴(kuò)容階段冗余配置CPU板卡，以滿足全站的負(fù)荷控制率。

3 智能輔助控制系統(tǒng)

南匯變電站配置1套智能輔助控制系統(tǒng)，輔控系統(tǒng)由生產(chǎn)用視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)、燈光控制子系統(tǒng)、火災(zāi)報警子系統(tǒng)、安防用視頻監(jiān)控系統(tǒng)、安全防衛(wèi)系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn)對站內(nèi)各分系統(tǒng)設(shè)備的監(jiān)視與控制。其中火災(zāi)報警子系統(tǒng)設(shè)置獨(dú)立主機(jī)與輔控后臺系統(tǒng)通信；生產(chǎn)用視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)、燈光控制子系統(tǒng)不設(shè)置獨(dú)立主機(jī)，由輔控后臺系統(tǒng)集成；安防用視頻監(jiān)控系統(tǒng)、安全防衛(wèi)系統(tǒng)分別設(shè)置獨(dú)立主機(jī)，組成安防圖像監(jiān)視系統(tǒng)。

3.1 視頻監(jiān)視系統(tǒng)

南匯變電站本期配置1套生產(chǎn)用視頻監(jiān)視子系統(tǒng)，生產(chǎn)用視頻監(jiān)控攝像頭直接接入變電站一體化智能輔助控制系統(tǒng)，攝像頭采用網(wǎng)絡(luò)方式傳輸圖像，攝像機(jī)布置滿足變電站設(shè)備遙控操作輔助監(jiān)視及設(shè)備遠(yuǎn)程輔助巡視的要求，滿足控制操作到設(shè)備冷備用狀態(tài)輔助監(jiān)視的要求。生產(chǎn)用攝像機(jī)安裝位置見表3。

3.2 安防用視頻監(jiān)視系統(tǒng)

安防用視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要用于對電力設(shè)施全面部署區(qū)域及其周邊環(huán)境進(jìn)行無間斷視頻監(jiān)控，同時能與技防報警系統(tǒng)進(jìn)行報警聯(lián)動，滿足全站安防要求。安防用視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置獨(dú)立視頻主機(jī)，并配置安防圖像監(jiān)視后臺主機(jī)用于集成技防報警系統(tǒng)，視頻主機(jī)按上海技防辦要求預(yù)留視頻上傳接口。攝像頭采用網(wǎng)絡(luò)方式傳輸圖像。本期工程南匯站安防用攝像機(jī)安裝位置如下：圍墻安裝4臺室外網(wǎng)絡(luò)快球、大門安裝2臺網(wǎng)絡(luò)固定攝像機(jī)、大樓出入口安裝6臺網(wǎng)絡(luò)固定攝像機(jī)、大樓二層對外通道安裝2臺固定網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。

3.3 安全防衛(wèi)系統(tǒng)

安全防衛(wèi)體系構(gòu)建了雙層防護(hù)策略：第1層是圍繞變電站設(shè)立的外圍防線，第2層是對核心作業(yè)區(qū)域?qū)嵤┨貏e關(guān)注。

南匯站采用電子圍欄作為變電站周界防范設(shè)備，電子圍欄系統(tǒng)相比紅外對射等普通周界報警系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：通過在周界圍墻上安裝電子圍欄能達(dá)到普通周界報警系統(tǒng)不能達(dá)到的功能，具備威懾作用，能更有效地阻止人員攀爬、翻越圍墻。電子圍欄所用的高強(qiáng)度金屬絲具備顯著的抵御力，可以遏制鳥類、小型生物以及微小枝葉引發(fā)的意外警報干擾。站內(nèi)關(guān)鍵區(qū)域根據(jù)環(huán)境特點(diǎn)采用紅外雙鑒、紅外幕簾、紅外對射等告警設(shè)備，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)區(qū)域的技術(shù)防范。安全防衛(wèi)系統(tǒng)主機(jī)將相關(guān)信號接入站內(nèi)智能輔助控制系統(tǒng)，以滿足值班人員的需要。

3.4 火災(zāi)報警系統(tǒng)

由于南匯220kV變電站主變?nèi)萘枯^大，故考慮采用全站火災(zāi)報警方式。滅火方式采用水噴霧。

火災(zāi)預(yù)警管理系統(tǒng)由核心處理器、各類感應(yīng)器、手動警報裝置、聲光警示器、通信線路等構(gòu)成。當(dāng)火災(zāi)警情出現(xiàn)，感應(yīng)器將火警信息傳輸?shù)胶诵奶幚砥?，該處理器能精確記錄火災(zāi)發(fā)生的時刻和位置，并啟動緊急警報模式。

核心處理器位于變電站的消防安全監(jiān)控中心，其全面掌控整個站點(diǎn)的消防管理體系，實(shí)時顯示變壓器和各個設(shè)備區(qū)域的火警狀態(tài)并發(fā)出警報。整個系統(tǒng)可自動、遙控和人工手動起動。

在二次設(shè)備室、35kV配電裝置室、走廊及樓梯間采用智能感煙探測器，220kV及110kV配電裝置室、接地變室、站用變室、電容器室及電纜層內(nèi)安裝空氣采樣感煙探測器；主變、電抗器及其散熱器采用線型定溫探測器。各感應(yīng)器全面監(jiān)控，不僅能即時反應(yīng)各設(shè)備區(qū)的火警，還具備報警功能。一旦發(fā)生火災(zāi)，感應(yīng)器迅速將警訊傳送到消防主控系統(tǒng)，確認(rèn)火警后，會立即觸發(fā)聯(lián)動機(jī)制，開啟雨淋閥。當(dāng)雨淋閥開啟，其壓力開關(guān)會激活并傳遞信號啟動消防水泵進(jìn)行霧狀噴水滅火，同時，這一動作信號也會同步傳遞至火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)。

3.5 六氟化硫（SF6）監(jiān)測系統(tǒng)

南匯220kV變電站為新建地上站，本期220kV、110kV及35kV配電裝置采用戶內(nèi)GIS組合電器，主變室進(jìn)線采用SF6通管，為保證人身安全，站內(nèi)配置一套SF6氣體監(jiān)測系統(tǒng)。

本工程配置SF6主機(jī)3套：1套主機(jī)布置在220kV配電裝置室二樓走廊入口處，1套主機(jī)布置在110kV配電裝置室一樓平臺入口處，1套主機(jī)布置在35kV開關(guān)室一樓平臺入口處，方便運(yùn)行和檢修人員及時了解情況。控制主機(jī)電源由站用電屏提供，報警信號通過主機(jī)送入站內(nèi)輔助控制系統(tǒng)后臺。

本期工程南匯站SF6氣體監(jiān)測系統(tǒng)按照SF6監(jiān)測主機(jī)3套、SF6氣體監(jiān)測傳感器60個配置。對于SF6氣體濃度的監(jiān)控，各房間內(nèi)的感應(yīng)器特別設(shè)計(jì)，一旦檢測到超標(biāo)，會立即將警報發(fā)送至主控系統(tǒng)。系統(tǒng)接收到信號后，會啟動站內(nèi)事故通風(fēng)專用的排風(fēng)機(jī)，并啟動緊急排風(fēng)程序，并通過鳴笛警示。主機(jī)通過硬接點(diǎn)發(fā)信號（失電、故障、報警）至站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)，預(yù)留RS485/232通訊接口及以太網(wǎng)口。

3.6 環(huán)境信息采集系統(tǒng)

為了滿足站內(nèi)二次設(shè)備運(yùn)行對環(huán)境的要求，對繼保室、蓄電池室、220kV/110kVGIS室、35kV開關(guān)柜室等，安裝了溫度和濕度傳感器，實(shí)時監(jiān)測環(huán)境的關(guān)鍵參數(shù)。傳感器的選擇和布局依據(jù)實(shí)際環(huán)境測量需求，數(shù)據(jù)處理部分設(shè)在繼保室，而傳感器則直接部署在設(shè)備操作區(qū)域，確保實(shí)時性和準(zhǔn)確性。相關(guān)信號送入站內(nèi)輔助控制系統(tǒng)后臺。

3.7 智能輔助控制系統(tǒng)后臺

智能輔助控制系統(tǒng)后臺功能通過綜合應(yīng)用服務(wù)器實(shí)現(xiàn)，采集站內(nèi)智能輔助控制各個子系統(tǒng)數(shù)據(jù)等各類數(shù)據(jù)，并作為各種數(shù)據(jù)收集、存儲、處理、分析的中心，實(shí)現(xiàn)各個子系統(tǒng)智能聯(lián)動功能。綜合應(yīng)用服務(wù)器經(jīng)過III/IV區(qū)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)與調(diào)度（調(diào)控）中心的系統(tǒng)主站端進(jìn)行通信。

4 結(jié)束語

文章系統(tǒng)介紹了220kV智能變電站自動化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)探討了總體功能、硬件方案及輔助控制系統(tǒng)。采用完備的設(shè)計(jì)方案，可有效確保220kV智能變電站的高效、可靠與穩(wěn)定運(yùn)行。