變電站二次系統(tǒng)數(shù)字化及三維接口設計應用研究

齊 煒，陳科技

（1.中國能源建設集團浙江省電力設計院有限公司，杭州 310012；2.寧波市電力設計院有限公司，浙江 寧波 315000）

0 引言

隨著智能變電站的不斷發(fā)展，社會的不斷進步，對變電站的設計要求不斷提高，數(shù)字化技術已經(jīng)融入到社會生產(chǎn)、建設的各個領域。在國內(nèi)以數(shù)字化技術為基礎，開展電網(wǎng)數(shù)字化研究，進行數(shù)字化變電站設計已經(jīng)進入了推廣階段[1]。

目前變電站二次系統(tǒng)設計模式普遍采取的是一種全授權(quán)人工工作模式，原理圖、端子排圖人工繪制，虛端子設計工作完全依賴于二次系統(tǒng)集成商，配置工作結(jié)果完全由集成商現(xiàn)場修改、現(xiàn)場調(diào)試，這樣帶來了設計和配置的一致性和標準化問題，很難保證設計藍圖與最終變電站實際情況保持一致。并且不同階段設計資料移交不充分，缺乏統(tǒng)一的管理手段，給現(xiàn)場調(diào)試工作以及以后的運行維護、工程改擴建都留下很多隱患。

1 常規(guī)變電站二次系統(tǒng)數(shù)字化設計

1.1 常規(guī)變電站二次系統(tǒng)CAD設計內(nèi)容

常規(guī)變電站二次系統(tǒng)CAD（計算機輔助設計）設計范圍的內(nèi)容主要有：

（1）原理接線圖，包括交流電流、電壓回路，控制、信號回路，保護回路等，是對二次設備原理及功能的表達，同時反映電氣一次、二次設備的連接關系。

（2）二次系統(tǒng)安裝圖，主要包括了一次設備機構(gòu)的二次回路端子接線圖，反映了二次設備的電纜接線情況，用于直接指導施工接線和運行檢修維護。

（3）電纜清冊及電纜敷設圖，反映了電纜接線的起止點，用于指導施工單位敷設電纜用。

以往變電站的設計方式是面向?qū)ο蟮娜跈?quán)人工模式，完全依賴于人工操作、接線、檢查，差錯率較高。

1.2 常規(guī)變電站二次系統(tǒng)數(shù)字化設計流程

針對變電站設計模式的改善，提出采用ELEC軟件設計，ELEC軟件是上海欣電信息技術有限公司（前身為上海鷗蓮信息技術有限公司）針對電氣二次系統(tǒng)開發(fā)的作圖軟件，該軟件是針對變電站集成設計模式開發(fā)，軟件具有文件管理、數(shù)據(jù)庫管理、自動交叉連接、自動開列電纜清冊、自動生成端子排等智能模塊，這些模塊不僅能滿足現(xiàn)有變電站二次系統(tǒng)設計的范圍，同時能極大的提高設計效率。

采用變電站二次系統(tǒng)數(shù)字化設計軟件進行變電站設計流程如下：

（1）首先錄入人員信息，工程信息均記錄在數(shù)據(jù)庫中，便于管理，電纜型號、芯線功能、設備標識（名稱）和卷冊名稱等通用數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中管理。設計時由設計人員從數(shù)據(jù)庫選擇，實現(xiàn)信息統(tǒng)一。設備編號及編碼規(guī)則有利于在處理過程中簡化手續(xù)，加快信息傳遞速度，提高工作效率。

（2）利用二次設備設計編碼繪制原理接線圖，包括交流電流、電壓回路，控制、信號回路，保護回路等。以往原理圖設計方式是以回路為主、人工繪制端子及電纜。二次系統(tǒng)數(shù)字化軟件設計方式是以設備為主，對側(cè)設備、端子、電纜歸納由軟件自動或半自動生成。

（3）根據(jù)原理圖自動生成端子排接線圖，在廠家端子排的基礎上自動生成與原理圖完全一致的端子排接線圖，或生成格式標準的端子排接線圖，包括互聯(lián)端子、內(nèi)部配線、功能、回路及對側(cè)端子等，并且在原理圖修改后，端子排接線圖也可對應自動修改。

（4）自動生成電纜清冊并導出。一鍵生成含有電纜編號、起終點、電纜型號的電纜清冊，并生成通用格式的成品。

2 智能變電站二次系統(tǒng)數(shù)字化設計

2.1 智能變電站二次系統(tǒng)CAD設計內(nèi)容

智能變電站電氣二次系統(tǒng)設計內(nèi)容除了上述常規(guī)變電站設計內(nèi)容之外，還增加了以下2個方面：

（1）過程層網(wǎng)絡實現(xiàn)了數(shù)字化，控制線路斷路器跳、合閘的二次設備類型沒有發(fā)生變化，仍然是測控裝置、線路保護裝置、母差保護裝置。但是其控制命令是通過過程層GOOSE（面向通用對象的變電站事件）網(wǎng)以數(shù)字信號的方式傳輸至智能設備，而不是通過控制電纜引接至一次設備。智能變電站與常規(guī)控制回路的區(qū)別是智能變電站間隔層的保護、測控裝置是通過以太網(wǎng)連接于過程層GOOSE網(wǎng)絡，過程層的智能設備也是通過以太網(wǎng)口連接于過程層GOOSE網(wǎng)絡。間隔層設備的控制命令是以數(shù)字信號（網(wǎng)絡報文）的方式通過網(wǎng)絡傳輸給智能設備，而不是通過常規(guī)控制電纜[2]。二次設備接口圖將取代常規(guī)的設備端子排圖來表示設備間的連接情況，增加了光纜連接圖。

（2）智能變電站常規(guī)電流互感器采用或者常規(guī)互感器就地數(shù)字化模式，一般1個繞組可以供多個保護或測控、計量等裝置從網(wǎng)絡上獲取相關信息，非常規(guī)互感器通過互感器內(nèi)部的采集器將反映本間隔一次電流的模擬量通過A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號接入合并單元，常規(guī)互感器通過電纜接入合并單元，然后經(jīng)光纖網(wǎng)絡將SV（采樣測量值）信息傳輸給間隔層保護裝置、測控裝置、計量單元以及母線中心交換機。

（3）以網(wǎng)絡化信息共享替代了傳統(tǒng)的二次回路，原有的物理端子變成了與之對應的虛端子，原有的大量信號硬接線電纜被交換式以太網(wǎng)為載體的軟連接方式—“虛回路”所代替，增加了虛端子排圖，圖中需注明接口名稱，對側(cè)設備，并需對接口采用的光纖或網(wǎng)線進行編號，便于施工、調(diào)試和運行單位工作。

2.2 智能變電站虛端子常規(guī)配置方法

針對IEC 61850標準在變電站中的應用帶來的新的變化，可采用GOOSE/SV“虛端子”反映智能裝置GOOSE/SV配置，解決IEC 61850變電站智能裝置GOOSE/SV信息無接點、無端子、無接線帶來的GOOSE/SV配置難以體現(xiàn)等問題。

GOOSE/SV虛端子配置方法可通過如下技術方案實現(xiàn)：采用智能裝置虛端子、虛端子邏輯連線以及GOOSE/SV配置表[3-6]。

（1）虛端子：采用智能裝置GOOSE/SV“虛端子”的概念，將智能裝置的開入邏輯與開出邏輯分別定義虛端子屬性。

（2）邏輯連線：虛端子邏輯連線以智能裝置的虛端子為基礎，根據(jù)繼電保護原理聯(lián)系，將各智能裝置GOOSE/SV配置以連線的方式加以表示，虛端子邏輯連線以間隔為單元進行設計。虛端子邏輯連線可直觀地反映不同智能裝置之間GOOSE聯(lián)系的全貌，供保護及相關專業(yè)人員參閱。

（3）配置表：GOOSE/SV配置表以虛端子邏輯連線為基礎，根據(jù)邏輯連線，將智能裝置間GOOSE/SV配置以列表的方式加以整理再現(xiàn)。GOOSE/SV配置表由虛端子邏輯連線及其對應的起點、終點組成，其中邏輯連線由邏輯連線編號和邏輯連線名稱2列項組成，邏輯連線起點包括起點的智能裝置名稱、虛端子輸出編號以及虛端子的內(nèi)部數(shù)據(jù)屬性3列項，邏輯連線終點包括終點的智能裝置名稱、虛端子輸入編號以及虛端子的內(nèi)部屬性3列項。GOOSE/SV配置表對所有虛端子邏輯連線的相關信息系統(tǒng)化地進行表達，既作為施工調(diào)試依據(jù)，也是為今后維護和擴建留下可供追溯的書面信息。

在具體工程設計中，首先根據(jù)智能裝置的開發(fā)原理，設計智能裝置的虛端子，其次，結(jié)合繼電保護原理，在虛端子的基礎上設計完成虛端子邏輯連線，最后，按照邏輯連線，設計完成GOOSE配置表。邏輯連線與GOOSE配置表共同組成了基于IEC 61850變電站GOOSE配置虛端子設計圖。

GOOSE/SV虛端子配置方法與現(xiàn)有的常規(guī)變電站保護設計相比，將基于網(wǎng)絡傳輸?shù)腉OOSE/SV網(wǎng)絡報文以虛端子的形式一一表述在圖紙上，使得設計、施工、調(diào)試以及運維人員能夠直觀的閱讀智能裝置的輸入、輸出以及出口邏輯等。通過虛端子邏輯連線以及GOOSE/SV配置表的設計方法表現(xiàn)智能裝置之間的GOOSE/SV配合，在設計階段可實現(xiàn)保護測控等之間GOOSE/SV的表達，但此種表述方式是純手工操作，自動化程度底，而1個500 kV變電站虛回路連接有近上萬條，采用CAD圖紙和Excel表連接效率極低。

2.3 智能變電站二次數(shù)字化設計軟件應用

通過變電站二次數(shù)字化設計軟件除了可以生成相應的物理回路端子排圖，同時也可以實現(xiàn)以圖形化的方式完成物理回路和虛回路的回路設計，形成完整的具有虛回路和物理回路耦合關系的可編輯的可視化標準回路接線圖。

（1）首先繪制光纜接線圖，利用變電站二次數(shù)字化設計軟件自動生成光纜配線架接線圖，光配端口號自動排列，每1根光纜的光纖定義、回路號、光配接口類型、去向，以及屏柜間尾纜的定義、去向表示清晰。

（2）利用變電站二次系統(tǒng)數(shù)字化設計軟件將廠家提供的SCD/ICD格式的虛端子文件與光纜接線圖進行鏈接綁定，自動生成對應的虛端子配置表[7-10]。

3 三維數(shù)字接口設計

為了提高變電站二次系統(tǒng)的設計效率，減少設計差錯，更為直觀地實現(xiàn)面向?qū)ο蟮膱D模一體化變電站設計，在實現(xiàn)變電站設計智能化的基礎上，提出建立變電站二維到三維的接口鏈接[11-12]。最終將三維成品整體移交至相關管理部門，接口建立可以分為以下幾個步驟進行。

3.1 一次設備與二次設備的三維數(shù)字化接口

建立變電站的一次設備與二次設備接口，在三維軟件中編輯一次設備的屬性、定義、間隔編號，導入二次系統(tǒng)設計軟件中的二次設備型號、屬性到對應的設備中。這樣無需查詢二次圖紙，通過選中不同的一次設備可以自動查詢對應的二次設備屬性。接口建立映射如圖1所示。

3.2 電纜敷設與數(shù)字化二次軟件的三維數(shù)字化接口

建立電纜與二次設備的接口，需要利用電纜通道定義、敷設規(guī)則定義、電纜外徑、電纜起點位置和電纜終點位置，實現(xiàn)電纜敷設以及電纜長度統(tǒng)計。

數(shù)字化二次系統(tǒng)設計軟件中的光電纜表、設備表均為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，均可導出Excel并可按需定制，可提供電纜型號、電纜起點設備標識和電纜終點設備標識。

電纜通道定義、敷設規(guī)則定義均在電纜敷設軟件中實現(xiàn)。通過統(tǒng)一電纜型號命名，可將電纜型號轉(zhuǎn)換為電纜外徑。通過統(tǒng)一電纜起點終點設備標識命名，可將電纜起點終點設備標識轉(zhuǎn)換為電纜起點終點設備位置。

通過統(tǒng)一電纜型號命名規(guī)則、電纜起點終點設備標識命名完全可以實現(xiàn)數(shù)字化二次系統(tǒng)設計軟件與電纜敷設軟件的集成。

圖1 一次設備與二次設備的三維數(shù)字化接口映射

3.3 光纜/虛端子與二次設備的數(shù)字化接口

建立光纜清冊、虛端子配置表與二次設備的接口，導入二次系統(tǒng)數(shù)字化設計軟件的光纜清冊、虛端子配置表至相應的三維模型中的二次設備，用戶只需選中不同的二次設備即可看到對應的光纜終點、功能、截面、長度、虛端子屬性及走向示意圖，通過檢索可以快速查詢到所需虛端子信息。

4 結(jié)語

變電站二次系統(tǒng)數(shù)字化設計軟件實現(xiàn)設計過程的智能化，所有設計圖紙可以自行檢查并提交至數(shù)據(jù)庫，避免數(shù)據(jù)丟失；不同設計卷冊的文件可以交叉鏈接，根據(jù)設計數(shù)據(jù)自動實時更新圖紙信息[13]。

自動提交檢查功能可以減少校審核時間，原理圖差錯率低，常規(guī)錯誤能夠即時檢查，并快速定位方便修改。光/電纜清冊、虛端子表自動生成，基本不占用設計時間。

直觀的實現(xiàn)面向?qū)ο蟮膱D模一體化變電站設計，在實現(xiàn)變電站設計數(shù)字化的基礎上，建立變電站一次設備與二次設備之間、電纜清冊與三維模型之間、光纜/虛端子與設備之間的二維到三維的可視化接口[14-15]。

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