金南智能變電站自動化系統關鍵技術和問題分析

趙永生，桑仲慶，劉海峰，歐陽帆

(1.湖南省電力公司科學研究院，湖南長沙410007;2.上海思弘瑞電力控制技術有限公司，上海201108)

智能變電站〔1-3〕是智能電網〔4，5〕環境下對變電站技術形態的最新要求。智能變電站大量采用基于IEC 61850標準的智能設備，在設備的安裝、調試及變電站綜合自動化系統的運行維護方面提出了新的要求和挑戰。

長沙110 kV金南智能變電站作為國家電網公司的智能化試點變電站，研究其自動化系統關鍵的技術在應用上的成功經驗和出現的問題，有助于提高智能變電站自動化系統的技術和應用水平。

1 金南變電站自動化系統構成

長沙金南智能變電站按無人值班運行方式設計。網絡結構如圖1所示，變電站自動化系統采用開放式分層分布式系統，由站控層、間隔層和過程層組成。

(1)變電站自動化系統采用3層設備1層網絡結構，即全站采用光纖環形以太網，智能組件接入變電站網絡，采樣值報文通信協議采用DL/T860.92或IEC 61850-9-2標準。

(2)站控層包括主機兼操作員工作站、遠動通信裝置、網絡通信記錄裝置、站域控制;間隔層包括各測控裝置、保護裝置等;過程層包括智能組件 (含智能單元、合并單元功能等)。

(3)變電站自動化系統統一組網，信息共享，通信規約采用DL/T 860或IEC 61850標準。變電站內信息具有共享性和唯一性，保護故障信息、遠動信息不重復采集。

(4)110 kV和10 kV采用集成“合并單元、智能單元、保護、測控、錄波”功能的一體化智能組件，就地一體化布置，110 kV的智能組件布置在GIS智能控制柜內，10 kV智能組件分散布置在相應的開關柜上。各間隔的智能設備實現“間隔”功能自治，保護直采直跳，保護功能不依賴網絡。

(5)網絡記錄分析裝置兼具全站故障錄波功能。

(6)配置1套站域控制裝置，具備110 kV及10 kV備自投和10 kV低頻/低壓減載功能。

(7)全站配置1套公用的時間同步系統，采用IEC 61588(IEEE 1588)網絡方式對時。

(8)站控層、主變間隔層設備布置在變電站主控制樓內二次設備室內。過程層設備包括智能組件、光纖式電流互感器、電子式電壓互感器、GIS設備布置在戶內GIS配電裝置現場的智能控制柜內或10 kV開關柜內，主變本體中性點的本體智能組件組柜布置在戶內主變旁邊。

2 自動化系統的關鍵技術

2.1 四網合一技術

所謂四網合一，即SMV，GOOSE，IEEE1588，MMS信息共網傳輸;不再分別設置專門的SMV，GOOSE和MMS網絡。如圖1所示，變電站采用三層一網結構，間隔層設備與過程層設備間通過光纖直連，站控層為100 Mbps單環網架構，網絡中同時傳輸SMV，GOOSE，IEEE1588，MMS共4種信息;其中SMV采用每周波80點采樣。

圖1 網絡結構示意圖

四網合一技術不僅要求站控層設備滿足四網合一的通信要求，更重要的是間隔層智能電子設備(IED)能夠滿足技術要求。金南變電站的IED設備采用FPGA并行處理網絡報文，完成SMV和GOOSE及IEEE 1588數據的編解碼工作，并對MMS報文進行過濾，有效滿足四網合一的技術要求。

金南變電站作為一個系統終端開關站，采用四網合一技術，可有效降低IED的光纖接口配置數量，減少交換機的數量，降低變電站的建設成本，也能有效的減少系統的運行維護工作量。

2.2 拓撲智能五防技術

金南變電站采用SUPER5000監控系統，內嵌拓撲智能五防軟件，通過提取SCD文件中包含的一次設備物理連接關系形成靜態的拓撲模型，在靜態拓撲的基礎上增加設備狀態作為連通與否的條件，從而獲得實時拓撲圖。實時拓撲圖中相互連通的電氣設備所組成的集合稱為電氣島，電氣島又可以分為電源島 (島內存在發電機或等效電源)、接地島 (島內存在接地點)、負載島 (島內存在負載點)、復合島 (同時具備2種島的特征，如1個島上既有接地點又有負載，則該復合島既是接地島又是負載島)等不同類型的島。分析1臺設備各個端點所處的島便可以知道該設備的帶電狀態。以實時拓撲的電氣島分析結果為依據，根據設備的五防規則即可實現五防閉鎖判斷。

智能五防系統由全站拓撲五防和間隔拓撲五防組成。全站拓撲五防部署在站控層 (包括監控后臺和遠動)，由于站控層能夠收集全站信息甚至線路對端信息，信息量大而全面，帶電拓撲更加準確，所以在其基礎上的拓撲五防也更準確、更全面。間隔拓撲五防分布在間隔層的測控裝置中，以本間隔內的設備為拓撲對象，不受其他間隔運行狀況的影響，保證了間隔獨立性。

站控層包含監控和遠動2部分，它們各自擁有獨立的全站拓撲五防，計算過程相互獨立，互不影響。但它們可以共享配置過程，即由監控后臺統一提取設備連接關系形成拓撲數據庫，分別存儲到監控和遠動。

全站拓撲五防包含了間隔拓撲五防且更全面、更準確，因此，正常情況下應以全站拓撲五防結果作為閉鎖源。間隔拓撲五防作為全站拓撲五防的后備，由于其拓撲范圍小，閉鎖結果具有局限性，只能保證本間隔的操作安全，正常情況下并不發揮作用，只有全站拓撲五防因故障不能發揮作用時才投入工作。2種防誤模式相互補充，形成完整可靠的智能變電站五防體系。

2.3 基于合閘預置的跳合閘接點檢測技術〔6〕

金南變電站過程層采用具有基于合閘預置的跳合閘接點檢測功能的智能組件。跳閘回路的硬件原理圖如圖2所示。

圖2 跳閘接點狀態檢修回路

跳閘回路由第1跳閘出口接點(TZCK1)、第2跳閘出口接點(TZCK2)以及跳閘控制監視電路串聯構成，該回路一端連接到控制電源正，另一端連接到斷路器操作機構的跳閘線圈。在斷路器合閘預置時，能自動對2個動作接點分別執行閉合、分斷動作序列狀態檢測，使得動作接點的任何異常狀況都能被及時診斷的優點。而且2個出口接點的串聯也避免了任一接點故障而引起的誤動作，與傳統繼電保護裝置的啟動和出口接點串聯模式功能類似。合閘回路的原理與跳閘回路原理相同，文中不再贅述。

該技術不僅提高了跳合閘回路的可靠性，更重要的是解決了電氣二次回路狀態檢修問題，是實現保護系統完整的狀態監測的重要組成部分。

3 調試中出現的主要問題

3.1 網絡通信可靠性問題

在現場的調試中發現，在站控層網絡中，SMV和GOOSE及IEEE1588信息的收發穩定可靠，而MMS數據的收發則會有不穩定的情況，現象表現為監控系統與間隔層裝置之間的網絡通信連接有時會中斷，特別是在間隔層保護裝置做測試時，監控系統與間隔層裝置間的通信連接中斷更為頻繁。

根據現象分析，問題應與網絡通信的數據流量和數據收發的優先級相關。現場技術人員通過監視網絡數據、仿真調試等手段，確定為間隔層設備網絡數據處理問題。在站控層的網絡信息中，SMV和GOOSE信息數據處理的優先級最高，間隔層設備優先處理SMV和GOOSE數據信息，在SMV和GOOSE數據流量達到間隔層設備的最大處理能力時，間隔層設備無法及時有效地響應MMS服務信息，導致監控系統與間隔層裝置間的通信連接中斷。

通過修改交換機的配置，對不同的交換機光纖通信口的數據發送進行識別，間隔層設備只從站控層網絡收到所需數據，其他數據被交換機過濾，監控系統與間隔層裝置間的通信連接恢復正常。

3.2 設備的現場測試問題

智能變電站中所使用的間隔層和過程層智能設備的現場測試，與傳統的二次設備的現場測試有很大的不同，當前的一些智能裝置的測試設備不能滿足現場測試的多變要求。

現場測試與普通的性能測試不同，要求輸入量完全按工程實際的方式和格式處理，同時要求能有明確的輸出或報告，來判別設備是否工作正常。在智能變電站中，由于各個不同廠家的智能設備的輸出的數據模式及大小不盡相同，無法象傳統二次保護裝置一樣，用一種通用試驗設備進行測試。在金南變電站的智能設備，如合并單元、電子式互感器等的測試，由于設備沒有人機接口等顯示部分，只能通過各自廠家的調試軟件來判別測試結果是否滿足要求，因此亟需研制統一的調試工具軟件。

3.3 SCD文件配置

全站系統配置文件 (SCD)的配置是智能變電站最為重要的調試工作之一，也是重復最多的工作之一。金南變電站采用EASY50配置工具完成SCD文件的配置，EASY50不但可以完成 GOOSE和SMV等信號的連接配置關系，而且可以通過圖形化方式直接將LN與一次系統接線圖關聯。金南變電站的SCD文件在配置過程中出現多次修改以及SCD文件配置錯誤問題，其原因主要在于:

(1)在調試過程中增加或修改功能，從而導致裝置的外特性改變，需要重新配置SCD文件中的相應部分的關聯關系。

(2)修改智能裝置的功能，引起ICD文件中的LN的參引變化，需替換SCD文件的相應部分。

由于智能裝置的ICD文件改變，引起CID和SCD文件的變化，從而導致裝置調試、監控系統配置等重復性工作。

因此，智能變電站應做到:

(1)建立智能變電站各配置文件配置及展示統一平臺軟件，該軟件應展示直觀、配置方便、適用廣泛，可直觀顯示修改對各智能設備的影響。

(2)規范智能變電站各配置文件，做到不因局部修改，導致無邏輯關系的智能設備升級，以適應今后智能設備的改造升級和改、擴建。IED裝置應考慮最大化設計，保證外特性及LN的參引的穩定和規范。

4 結束語

文中論述了長沙金南110 kV智能變電站自動化系統的關鍵技術，著重闡述了 SMV，GOOSE，IEEE1588，MMS四網合一技術和拓撲智能五防技術及跳合閘回路監測技術的特點與應用經驗。同時也提出了在金南變電站調試過程中出現的問題。當前各設備生產廠家對于智能電網技術及標準的理解和應用上還有差異，智能變電站在測試的流程及標準上還需進一步規范，智能變電站的調試工具軟件還需要完善和統一。

〔1〕高翔.數字化變電站應用技術〔M〕.北京:中國電力出版社，2008.

〔2〕高翔，張沛超.數字化變電站主要技術特征和關鍵技術〔J〕.電網技術，2006，30(23):67-71.

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〔4〕胡學浩.智能電網一未來電網的發展態勢〔J〕.電網技術，2009，33(14):1-5.

〔5〕常康，薛峰，楊衛東.中國智能電網基本特征及其技術進展評述〔J〕.電力系統自動化，2009，33(17):10-15.

〔6〕桑仲慶，林海鷹，秦貴鋒.智能操作箱跳合閘接點狀態檢修方案〔J〕.電網技術，2010，34(12).