智能變電站過程層與間隔層的應用技術研究

楊國濤 程先銳 郝雨

【摘要】隨著經濟的發展，社會已經向智能化、信息化的時代發展。科學技術水平的提高，變電站也向著智能化的方向發展前進。智能變電站的技術關鍵點與難點過程層網絡。在滿足過程層網絡實時控制需求的基礎上，結合現有技術條件，本文分析了過程層設備的功能、傳輸及配置原則，并闡述了智能變電站過程層的基本要求，并提出了相關的方案。

【關鍵詞】智能變電站；過程層；應用技術；研究

1、變電站過程層的概述

智能變電站是當前電力系統發展的一大產物，它是隨著科技的發展從而實現變電站的智能化和自動化。可以有效的實現信息的數字化，并且具備一定的采集信息、處理數據信息的能力，實現信息共享。智能變電站由站控層、間隔層和過程層三層結構。而過程層位于整個自動化系統的最底層，主要由變壓器、斷路器、隔離開關以及電流電壓互感器等一次設備和各種智能組件構成的電子裝置。其主要職能是對整個設備進行監測，并執行相關的操作命令。過程層是三層中與一次設備連接最為密切的，因此它的運行狀態也直接影響到整個變電站運行的穩定性。

過程層是智能變電站區別于常規變電站的主要特點，相對于傳統的變電站，智能站的過程層能有效解決變電設備的抗干擾、對高壓和低壓的相互隔離、信息的不可共享和發展。同時智能變電站的過程層設備的發展采用了較為復雜的新技術，從而新增了較多的設備。對實時性和可靠性的要求提出了新的要求。對于智能變電站的相應設備的運行業績較少并且時間較短，并且相關的建設方案未實現完全的共識，設備過程中的安全性和可靠性過程中的分析和管理過程中的問題也不容忽視。

2、應用過程層的基本要求

過程層在整個變電站中的使用當中起著重要的作用，因此，要想整個自動化系統合理、安全的運行下去，就必須遵循相應的原則，這樣才能更好安裝和管理好過程層。

2.1 實時性原則

在通信標準中IEC 61580中規定的GOOSE是一種面向通用對象的變電站事件，簡言之，其主要工作職能就是保護交換和傳輸中的信息能夠合理有效。在智能變電站中，GOOSE服務主要是對那些智能單元、一次設備等進行有效的連接信息傳輸服務，尤其是對跳合閘信號和命令的傳輸。雖然GOOSE服務的報文數據量不是很大，但是它所傳輸的數據都較為重要，而且傳輸過程極具突發性，因此在傳輸報文的過程中就必須要遵循實時性原則，有效的將數據信息傳送到制定地點。一般對GOOSE服務傳輸數據的時間限定在4 ms以內。

2.2 采樣值傳輸數據技術原則

采樣值傳輸主要是過程中與間隔層之間通信的一個重要內容，在二者傳輸過程中，其中過程層中最大的一個數據流就在互感器的保護以及測控之間的采樣值傳輸中。因此，采樣值傳輸數據也必須要有一定的實效性，其相關技術原則也有如下要求：①采樣值的傳輸要與過程網進行連接，一般采取光纖連接；②要注意的是，間隔層中的承擔保護、檢測的設備與合并單元進行連接時，要通過過程層的交換機進行傳輸，二者不能直接進行連接。交換機獲取采樣值信號然后在通過其二次傳輸實現消息共享；③接入方式選取點對點的接入方式。以便更好的發揮交換機的虛擬技術和優先級技術，這樣就更能保護網絡，提高穩定性能。

2.3 智能終端設計基本原則

智能終端是智能變電站的一個重要設備，它實際上一種智能組件，通過電纜與一次設備連接，從而起到監測和測量的作用。智能終端主要針對通用對象的變電站事件，做到合理有效的監測和控制。在安裝智能終端時，應多安裝在封閉的空間，如戶內柜、戶外柜等，且防護等級必須要高，要達到相關的標準。在具體的設計環節也應遵循幾點原則：①智能終端主要針對的是通用對象的變電站，其傳播速度要保整合理，因此，設計時要注重信息傳播的實時性；②應具備COOSE命令記錄功能，無論是命令時間還是命令來源以及相關的措施都要記錄下來，并且還要提供有效的查看方法；③在設計智能終端時，還要讓其具備通信功能和轉換功能，這樣才能有效地執行相關的控制命令。

3、智能化變電站過程層應用方案

3.1 常規互感器方案

在該設計方案中，以220 kV線路保護為例，通過常規互感器從而加裝、采集單元以實現采樣值的數字化。配置好現場采集單元，處理好互感器輸出的模擬量最終按FT3格式輸出，然后在采用光纖的方式接入合并單元。整個方案系統是基于IEC 61850標準，從而以達到不經過交換機而直接采樣的效果，如圖1所示。該種設計方案可以直接經過GOOSE跳斷路器，斷路器的失靈、重合閘也可以通過GOOSE玩了過方式直接啟動。該種方案的最大優點就是從長遠方面考慮，在后期工程中可以直接將常規互感器改造成為電子式互感器。但同時也存在一定的弊端，結構過于復雜，且對于常規電流互感器的飽和問題也沒有得到有效的解決。

3.2 電子式互感器直采直跳方案

該種方案也是以220 kV線路保護為例，但是與常規互感器方案不同，該方案采用的是電子式互感器，因此不需要采集單元，可以實現直采直跳的狀態。即過程層采樣值與GOOSE信息采用實現點對點傳輸。在整個方案中，繼電保護的采樣值是基于IEC 61850-9標準GOOSE協議下進行的，如圖2所示。

在該種方案下，采取的是雙重化配置保護裝置，這樣更能保持設備的穩定性和安全性。該種方案最大的優點就是簡單方便，省略了交換機的環節，同時也不需要依賴同步對時信號，使得變電站信息傳輸更加方便、快捷，輕松實現信息數字化、集成化。雖然該種方案可以省略大量的復雜結構，使得數據信息傳播更加便捷，但是需要保護和合并單元的網口多，發熱量過大，就必須要用到更多的光纜和交換機，雖然結構簡單，但是配件過于復雜。

3.3 過程層三網合一的方案

三網合一是指IEC 61850-9-2采樣信息、IEEE 1588對時信息以及GOOSE信息共網傳輸的方案。該方案以變壓器保護為例，實現三網合一結構，如圖3所示。在該結構中，間隔層和過程層合并單元采用的是IEC 61850-9-2表展，而與過程層智能終端合并單元則是采用的是GOOSE通信協議，通過配置間隔交換機以及各主干網交換機從而實現信息共享。

該方案的最大優點就是實現三網合一，信息共享。與其他兩種方案相比，可以最大化地實現信息共享，并且該方案網絡結構簡單、清晰，也不需要大量的光纜和交換機作為附件去連接。無論是設計環節還是實際安裝環節都比較簡便，也方便進行后期管理和維護?？梢哉f，三網合一方案是未來技術發展的一大主流趨勢。雖然三網合一的方案簡介、方便，但是其技術性要求較高，技術難度較大，可靠性也有待探究，并缺乏有效的冗余手段。因此，在實行該種方案還需要注重冗余技術的應用。

4、智能變電站過程層設備

4.1 智能變電站過程層構成

智能變電站自動化系統之間三層之間用分層、分布、開放式網絡系統實現連接。過程層位于最底層，是一次設備和二次設備的結合，主要完成運行設備的狀態檢測、操作控制命令的執行和實時運行電氣量的采集功能，實現基本狀態量和模擬量和數字化輸入/輸出。

相應信息傳輸到過程層。直接影響變電站信息的采集方式、準確性和實時性。是繼電保護正確動作的前提。

相對于傳統變電站，智能變電站的一、二次設備發生了巨大變化，電磁式互感器被電子式互感器取代，傳統開關被智能化開關取代，多個智能電子設備之間通過GOOSE、采樣值傳輸機制進行信息的傳遞。這些特征有利于實現反映變電站電力系統運行的穩態、暫態、動態數據及變電站設備運行狀態、圖像等數據的集合，為電力系統提供全景數據。過程層設備包括變壓器、斷路器、隔離開關、電流/電壓互感器等一次設備及其所屬的智能組件和獨立的智能電子裝置。

4.2 智能變電站過程層設備功能

合并單元功能：接收ECT、EVT數字信息，通過光纖實時接收ECT、EVT輸出的采樣值報文。交流模擬量采集。需要接入交流模擬量的MU應具備交流模擬量采集的功能，可采集傳統電壓互感器、電流互感器輸出的模擬信號。采樣值輸出，MU宜采用DL/T 860.92規定的數據格式通過光纖以太網向保護、測控、計量、錄波、PMU等智能電子設備輸出采樣值。MU應輸出電子式互感器整體的采樣響應延時。母線PT并列切換功能，可接入硬開入或GOOSE等狀態量實現母線PT并列及切換功能，方便母線PT檢修。時鐘同步及守時MU應接收外部基準時鐘的同步信號并具有守時功能。提供秒脈沖測試信號，MU應具備1個1PPS輸出測試接口，用以測試MU的時間及守時精度。

智能終端功能：支持最大8路直跳接口+2路網絡接口；支持三相/分相斷路器保護出口，測控控制出口；支持7路刀閘分、合、邏輯閉鎖控制；支持發送GOO反饋信號功能；支持多路硬開入接入。

操作回路功能：支持三相/分相斷路器操作回路；支持保護出口觸點反饋功能。

溫濕度采集功能：提供兩路直流采集功能，用與溫濕度采集；CPU插件提供板上溫濕度采集。

4.3 過程層設備配置原則

合并單元配置原則：繼電保護雙重化配置的間隔，合并單元冗余配置，應具有冗余的獨立輸出回路；其余間隔合并單元宜單套配置。宜具備多個光纖接口，滿足保護直接采樣要求。合并單元輸出采樣率可設置（全站48點/周波，最高需求192點/周波） 宜具備電壓切換或電壓并列功能。需要時可接入常規互感器或模擬小信號互感器輸出的模擬信號）。

智能終端配置原則：220kV線路、母聯（分段）智能終端按雙重化配置；擴大內橋接線內橋間隔智能終端按雙重化配置，110kV線路、母聯（分段）智能終端按單套配置。35kV及以下配電裝置采用戶內開關柜布置時不宜配置智能終端（主變壓器間隔除外）。主變壓器本體智能終端宜單套配置，集成非電量保護功能。220、110（66kV）每段母線配置1套智能終端。智能終端宜分散布置于配電裝置場地智能控制柜內。

過程層交換機配置原則：一個半斷路器接線、500kV電壓等級過程層GOOSE、SV網交換機應按串配置，每串宜按雙重化共配置2臺GOOSE交換機。當接入設備較多時，也可按雙重化共配置4臺GOOSE交換機；當設置SV網絡時，每串按雙重化共配置2臺交換機；500kV每串GOOSE、SV交換機組2面柜。

220kV電壓等級過程層GOOSE、SV交換機按間隔配置； GOOSE、SV采樣共網設置，1各間隔按雙重化配置2臺交換機，交換機按間隔與保護測控一體化裝置共同組屏。主變高壓側相關設備接入高壓側所在串GOOSE、SV網交換機；主變中壓側按間隔配置GOOSE、SV網交換機，交換機布置在主變保護柜上；主變低壓側可采用點對點方式或與220kV側共用交換機。

500kV電壓等級應根據規模按雙重化配置GOOSE和SV中心交換機，中心交換機可單獨組柜，也可與間隔交換機共同組柜。每臺交換機的光纖接入數量不宜超過16對，每個虛擬網均應預留1～2個備用端口。任意兩臺智能電子設備之間的數據傳輸路由不應超過4臺交換機。雙重化配置的保護裝置分別接入各自的過程層網絡，單套配置的保護裝置通過不同的網口接入雙重化網絡。

5、結語

綜上所述，智能變電站是未來電力系統發展的潮流方向，智能化變電站也使得電網的配電管理更加穩定、安全。而過程層作為變電站較為重要的環節，其相關技術的研究尤為重要。本文主要從過程層的概念出發，闡述了過程層的相關技術要求，并提出當前的三大技術方案。其中三網合一方案較為合理，但其技術性和可靠性還有待探究。智能變電站的建立與使用大大的改變了以往常規變電站中不能做到的部分，并且隨著信息技術的快速發展，電力企業也應該緊緊跟隨時代發展的步伐，積極改善電力設備不足的方面。通過對智能變電站過程層的詳細了解與規劃，提出三網合一的技術，并且該技術還在測驗與測試階段，相信在不僅的將來該技術將得到極大的應用，不僅節省線路的鋪設，也使得信息的傳輸速度得到極大的提升。該技術將隨著不斷的發展與進步逐漸向新一代智能化方向發展，這需要不斷的努力與嘗試。