上海智能變電站的思考

朱俊杰，蔡穎聰，邵劍峰，陳鐵敏

(1.國網上海電力公司檢修公司，上海 200235；2.上海電力高壓實業有限公司，上海 200442)

研究與探索

上海智能變電站的思考

朱俊杰1，蔡穎聰1，邵劍峰2，陳鐵敏1

(1.國網上海電力公司檢修公司，上海 200235；2.上海電力高壓實業有限公司，上海 200442)

對比了智能變電站和傳統綜合自動化變電站的結構，分析了智能變電站給電網帶來的變革，闡述了運行人員和繼電保護檢修維護人員在智能變電站這個全新模式下的工作要點及與以往工作的不同之處。

智能變電站；傳統綜合自動化變電站；繼電保護

隨著電力智能化技術的不斷進步和發展，國內的電網設備也隨之不斷發展和更新，從最原始的RTU遠動模式，過渡到分層分布面向間隔的綜合自動化變電站(以下簡稱綜自變電站)，再到如今新興的智能變電站。上海電網目前已投運了智能變電站。面對這樣一個全新的變電站模式，運維人員、繼電保護檢修調試人員，都面臨了全新的挑戰。

1 智能變電站的基本情況

智能變電站采用先進、可靠、集成、低碳、環保的智能設備，以全站信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監測等基本功能，并可根據需要支持電網實時自動控制、智能調節、在線分析決策、協同互動等高級功能的變電站[1]。

IEC 61850規約作為一個越來越廣泛應用的通信標準，解決了變電站內各IED設備之間的網絡通信問題，實現了變電站內信息共享和互操作性，簡化了變電站集成和工程實施等問題，不同廠家設備可實現無縫連接，實現即插即用的終極目標。

智能變電站的實現模式，大致有如下幾種總體方案：

(1)僅采用IEC 61850規約的過渡型變電站；

(2)采用IEC 61850規約與數字化CT/PT的實用型變電站；

(3)采用IEC 61850規約、數字化CT/PT、智能一次設備的完全型變電站。

1 智能變電站與傳統綜自變電站的區別

1.1 傳統綜自變電站的結構

傳統的綜自變電站，主要構架可概括為兩層化的結構，也就是間隔層和站控層，見圖1[2]。

傳統的綜自變電站的最大特點就是，設備之間以直觀的物理連接進行交互，以一個一個的回路間隔為單元，一次設備使用的是傳統斷路器、隔離開關、電壓互感器和電流互感器，通過二次電纜硬接線與保護和操作箱相連接。

綜自變電站具有直觀可視化、可觸及的特點，作為成熟運行多年的結構，已經深入到運行和檢修維護人員的心中。當然其缺點也顯而易見，多而繁雜的二次交直流電纜的存在，設備與設備之間大多是點對點的硬連接，幾乎沒有互操作性。而且當電流回路或者電壓回路發生故障時，可能引發比較大的危害，危及設備和現場作業人員的安全。

圖1 傳統綜自變電站的兩層化結構[2]

1.2 智能變電站的結構

相對傳統綜自變電站，智能變電站采用的是三層兩網的結構：過程層、間隔層、站控層三層；過程層網絡和站控層網絡[2]，見圖2。

通過智能一次設備，光電流互感器、電子式電壓互感器，以及智能終端和合并單元的使用，將原來的模擬量轉變成數字量，通過更為可靠的光纖傳輸，解決了以往因為電纜接線故障而可能引發的對設備的危害，提高了設備運行安全性。通過過程層GOOSE和SV網將遙信、遙測、遙控信息在保護和一次設備之間進行傳遞。通過站控層MMS網絡，來實現運維人員對于站內各個設備之間的信息交互。

圖2 智能變電站三層結構

1.3 智能變電站相對綜自變電站帶來的改變

智能變電站和傳統綜自變電站的結構區別如表1所示。智能變電站將傳統綜自變電站的電纜物理接線升級成了光纖和網絡化接線，其傳遞的不再是模擬量而是帶有時標的數字量；而且相對于傳統綜自變電站中為大家所熟知的硬壓板都已經被自動化后臺上的軟壓板所替代，保留了檢修壓板作為硬壓板，僅為設備檢修維護、故障隔離時所使用。

表1 智能變電站和傳統綜自變電站的結構區別

隨著智能變電站的深入應用，對于繼電保護人員而言也帶來了一個非常大的變化，以往直觀的模擬量、點電位判斷方式，將被報文分析所替代。

智能變電站帶來的變化主要有如下幾點[3]。

(1)智能終端就地化，減少二次電纜使用量，取而代之為光纜；

(2)壓板模式發生了變化，保護裝置出口采用軟壓板方式進行投退，檢修壓板作用發生重大變化；

(3)程序化操作成為了可能：IEC 61850 的應用使保護等二次設備具備遠方操作的技術條件；

(4)二次設備網絡化，安全措施發生較大變化。自動化、保護、通信等專業逐漸向大二次系統專業融合，運行的操作流程、檢修維護規范發生改變；

(5)調試方法發生根本性的轉變：不僅僅局限于以往的現場調試，而是提前介入集成測試，在整齊、標準的測試環境中，完成對智能化設備的調試。現場只需進行相應的整組試驗就能完成整站的調試。

2 智能化變電站對于運行和繼電保護維護人員工作的思考

2.1 對于運行人員日常操作和巡視的思考

智能變電站的投運，徹底改變了運行人員日常的操作和巡視習慣。取代而之的是更為人性化的顯示，更為友好的人機見面，更簡潔的操作界面以及更為堅強的電網設備。

(1)日常操作。智能變電站帶來最顯著的變化就是：以往二次保護裝置屏前數量眾多、標色鮮明的硬壓板極大程度的減少，取代而之的是對自動化后臺界面上的虛擬軟壓板的投退。相對于以往直觀的硬壓板，軟壓板種類繁多。在日常操作中，哪些壓板需要投退，哪些壓板不該操作，對于運行人員來說是需要仔細分辨清楚的。

當然，相對于以往那些硬壓板的逐一投退，在后臺上投退軟壓板，顯著降低了運行人員的工作強度，但是對于操作時的仔細和嚴謹程度，要求更高了。

為數不多的硬壓板主要有：保護屏上的檢修壓板，以及智能終端上的出口硬壓板。檢修壓板的重要性相對于以往變電站中檢修壓板的作用，已經完全不同。

傳統變電站保護中的檢修壓板在最后操作,作用是用于屏蔽裝置的故障、動作信息，不上傳給站控層[4]，從而減少設備檢修校驗時，校驗引發的動作告警等信號對正常監盤的影響；而現在的檢修壓板一旦投入，則相關的GOOSE和SV報文中相關檢修壓板的標志位會發生變化，這些變化將會直接影響相關接口IED設備的動作行為。因此，在設備運行的情況下，在日常的運行、檢修中，運行人員嚴格執行對檢修壓板的投退，嚴禁擅自操作檢修壓板[5]。

設備的虛擬化、數字化在降低工作量的同時，也帶來了一定的不安全因素。為了防止誤投入或者退出一些重要的軟壓板，自動化后臺中是否需要考慮設置一些防范措施來更好地保證操作的可靠性，也是需要進一步考慮的。

(2)日常監盤和巡視。智能變電站增加了合并單元和智能終端。這些設備裝設在就地，因此一般工作工況會相對惡劣。但是它們作為過程層中最前沿交互斷路器、隔離開關，以及電壓、電流互感器信息的設備，其運行的正常與否，意義重大。因此在日常的巡視過程中，對于它們要重點關注。

智能變電站的網絡化特點，也使得設備間隔的單元化概念被模糊化了，公共設備的概念有所擴大，不同間隔的設備之間，有可能會共享一些數據信息，比如母線電壓等，而這些設備如果發生故障，將會影響到一連串設備的正常運行。因此，對于設備的巡視要求也更高了。

此外，由于智能變電站內部傳輸數字量的特點，對時的可靠性要求大幅度提升，數字信息需要打上時標才能有其特定的意義，特別是對于差動保護而言，不同時刻的電流參與運算會導致差動量出現不平衡，所有只有同一時刻的電流和電壓的數字量才能組合起來，才能正確代表這一時刻電網潮流的實際運行情況。因此，日常巡視中對于對時系統的檢查也至關重要。

2.2 對于檢修人員日常校驗以及改擴建工程中的思考

智能變電站對于繼保人員而言，帶來的變化是翻天覆地的。原先直觀的二次電纜變成了一根根光纖，原來遇到問題一般采取的萬用表點電位分析法，在智能變電站中將無從下手。在智能變電站的環境下，繼保人員需通過對報文的解析分析，來判斷相關保護的動作情況，以及一些問題的癥結所在。這對于繼保人員而言，還需要對IEC 61850規約有所了解，對報文解析也需要一定程度上的掌握。

(1)日常校驗安全措施。智能變電站設備的網絡化特點，使得二次設備之間共享信息量大幅度提高。信息交互便捷性，對于檢修時做好安全隔離帶來一定的限制和難度。設備與設備之間的聯系越發緊密，當一條線路二次設備進行檢修時，如何做好足夠的安全措施，確保其能夠比較徹底地與運行設備隔離開，從而保障對檢修設備的操作不會影響到運行設備。這是繼保人員面臨的一個問題。

智能變電站保護設備的特點是接線數字化、虛擬化。壓板基本以軟壓板為主，很少有硬壓板。其帶來的問題就是沒有明顯、直觀的斷開點，而且不能簡單的通過拔出光纖來作為隔離手段。

此時檢修壓板的功能為智能變電站檢修設備和運行設備之間隔離，起到了一個非常重要的作用。檢修壓板投入后，GOOSE報文的test位會置1，只有接收裝置自身的檢修壓板也投上之后，才會對這一幀報文進行處理，否則不進入邏輯運算。即接收報文的test位和自身的檢修壓板的狀態相匹配時，報文會被處理，否則不處理[3-6]。而對應合并單元的SV報文，則是test位為TRUE或者FALSE，為TRUE時，接收裝置自身的檢修壓板投入，那么該SV報文數據被接收進入邏輯運算。否則只顯示數據而不參與計算。這與GOOSE報文的test位判決相類似。總結而言，就是必須接收報文和裝置自身的檢修狀態一致，則接收報文并進行邏輯運算，否則不會進行運作。

充分利用檢修壓板以及報文的test位的一一對應的特性，就可以較好地將運行設備的正常報文數據，與檢修設備之間發送的測試報文區別開，運行狀態設備不會接受檢修狀態設備的報文，不會誤動作。

但是，對于像母差保護這樣的公共設備卻有所不同。由于檢修壓板的特殊功能，其投入必須兩者匹配，如果發生不匹配，則報文就無法正常起作用。母差保護上接有多個回路，如果單獨校驗母差保護，將母差保護自身的檢修壓板打上，那么其發出的報文的test位會置1，則不會影響線路保護的運行，不會誤跳閘。但是，如果反過來一條線路檢修，那么就只能打上與該線路相關的部分的檢修壓板，且母差內接受此線路的SV軟壓板退出，GOOSE跳閘出口壓板退出，從而將這條線路脫離出運行的母差保護。否則由于線路為檢修狀態，母差中該回路并未退出，采樣數據不參與運算將導致母差裝置被閉鎖。所以在檢修單條線路時，應做好相應的安全措施和設置后，必要時可以在確定的情況下通過拔除光纖將檢修設備與運行設備進行物理隔離。

此外，智能變電站相比傳統回路間隔多出了智能終端和合并單元，而且合并單元之間可能還有級聯關系，此時就要充分考慮級聯設備之間如果一個設備置檢修之后，對其他設備之間的影響。因此，智能變電站回路的安全措施相對于傳統回路而言，涉及面廣，而且要進行多方面仔細考量。

(2)光纖設備可靠性。按照國網要求，為了確保采樣及跳合閘的正確性，保護及測控采取直采直跳組網模式。 即合并單元采樣后，SV報文直接上傳給保護及測控裝置，保護裝置及測控裝置跳、合閘直接下傳給智能終端，中途數據不經過交換機轉發。因此過程層網絡中SV不再單獨組網，只包括GOOSE A 網、GOOSE B 網。由于光纖對電磁輻射具有天然的免疫，它成為了過程層網絡傳輸的首選介質[6-7]。而這直采直跳對于光纖的可靠性要求尤為重要，如果光纖發生問題，或者通信板卡發生故障，勢必會影響相關設備的運行，嚴重時可能造成拒動。在日常檢修維護過程中，對于光纖設備功率、衰耗的監測，成為一個比較重要的內容。

(3)改擴建工程中的變化和需要注意的問題。智能變電站的調試階段，由于不僅僅局限于現場調試，而是在集成測試階段就開始介入，在整齊、標準的測試環境中，完成對智能化設備的調試。此時就需要在前期做好充分的準備，在廠家的測試環境中，盡可能模擬現場實際的運行情況將設備組裝好，做好各種測試，來驗證各種設備邏輯動作的正確性。現場只需進行相應的整組試驗就能完成整站的調試。

以往常規變電站是土建之后才開始介入調試，調試的主要部分都是在現場完成。智能變電站大部分調試工作都是在廠家就完成了，現場主要是進行整組試驗。因此，智能變電站前期投入的精力遠比常規變電站改擴建時投入的要多。

智能變電站有一個全站唯一的SCD文件，其是通過將變電站內二次設備廠家提供的ICD文件導入配置為工具，再進行配置形成的。其包含了變電站一次系統配置、二次系統配置，以及一二次關聯信息，還有通信網絡和參數配置，并提供給自動化后臺的遠動作為依據。

SCD文件作為全站配置的唯一核心文件，需要對其版本做嚴格的管理。在后期改擴建時，必須在原有運行SCD的基礎上進行增加，但絕對不能對原有SCD進行任何的改動。任何一次SCD的改變，必須在配置工具中進行相應的記錄，并通過比對軟件確定修改部分，無添加或減少。這一點直接關系到是否會影響現有的運行設備，是改擴建過程中特別需要密切注意的。

3 展望

目前上海已投運了一座220 kV電壓等級的智能變電站，不過還在起步階段，對于該變電站的日常維護的流程和相關的安全措施也處在不斷的完善過程中。現階段該變電站正在實施擴建工作，如何保證新擴建設備和原來的運行設備進行銜接的過程中不會影響原來運行設備的安全運行，這是重中之重。

據了解，今后新投運的變電站220 kV及以上電壓等級的變電站設計可能都將使用智能變電站的模式進行設計。這樣對于運行和繼保維護人員來說勢必要更新自身的專業知識，充實自身。

智能變電站應用的不斷推廣也為電網設備帶來一個全新的階段，有了智能變電站，通過設備之間的數據交互，實現交流設備的程序化操作將成為可能，這樣能真正實現變電站內設備的自我管理。隨著二次設備的智能化、數字化的推進，二次設備自身狀態的自檢測也更加易于實現。這樣將進一步推進狀態檢修的進程，能夠更好地降低檢修維護人員的工作量，提高供電設備的可靠性。

[1]智能變電站繼電保護技術規范：Q/GDW441—2010[S].

[2]周家旭,孫俊杰,陳得豐,等. 智能變電站與綜自變電站區別綜述[J]. 東北電力技術， 2016，37(2)：54-57.

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HU Bo. Current status and research of relay protection in smart substation[J]．Telecom Power Technologies, 2015，32(6)：292-293.

(本文編輯：楊林青)

Thougths on Intelligent Substations in Shanghai

ZHU Jun-jie1, CAI Ying-cong1, SHAO Jian-feng2, CHEN Tie-min1

(1. Inspection & Maintenance Company, SMEPC, Shanghai 200063, China；2. Shanghai High Voltage Industrial Power Co., Ltd., Shanghai 200442, China)

This paper compares the differences in the structure between the comprehensive automation substation and the intelligent substation, and analyzes the changes of power grid brought by intelligent substations. Furthermore, it expounds the major tasks and different work of operation personnel and the relay protection maintenance staff working in this new mode of intelligent substations.

intelligent substation; comprehensive automation substation; relay protection

10.11973/dlyny201701010

朱俊杰(1984-)，男，工程師，從事繼電保護、生產調度工作。

TM76；TM63

A

2095-1256(2017)01-0039-05

2016-11-15