智能變電站分層設計探討及提升措施

李琦 孟璐璐 趙婉辰

摘 要：智能變電站設計，采取以構建變電站智能化網絡框架為前期基礎。全站網絡在邏輯功能上由站控層、間隔層、過程層組成。該框架是電網信息處理的基礎，直接和能量系統耦合。 本文提出了就地化保護、站域保護、過程層組網方式靈活化等提升措施，為新一代智能變電站的應用提供了參考。

關鍵詞：智能變電站；分層設計；提升措施

1 引言

智能變電站系統邏輯上采用分層分布式結構，在綜自站基礎上加入過程層設備。其中站控層設備包括監控主機、數據通信網關、數據服務器、綜合應用服務器、操作員站、工程師工作站、PMU數據集中器和計劃管理終端等；間隔層設備包括繼電保護裝置、測控裝置、故障錄波裝置、網絡記錄分析儀、及穩控裝置等；過程層設備包括合并單元、智能終端、智能組件等。

2 智能變電站系統網絡化構架

智能變電站網絡系統采用高速以太網，且支持IEC61850規約，并滿足傳輸速率大于800Mb/s，所有連接到以太網的各類設備必須具有必要的通信接口。

全站網絡在邏輯功能上由站控層、間隔層、過程層組成。站控層網絡拓撲采用星型結構。過程層網絡分為SV（采樣數據網）網和 GOOSE網，SV網和GOOSE網物理上相互獨立，同樣采用星型拓撲結構。保護采用雙重化保護定值，相應的過程層網絡也應該雙重化配置，以及兩個過程層網絡完全獨立，并滿足繼電保護點對點直采、直跳的原則。

站控層網絡，設計構成站控層以太網，采用智能工作組網絡交換設備；10kV網絡系統通常屬于站控層網絡，所以采用智能工作組網絡交換設備，通過光纖接入站控層；對于構成針對主變壓器GOOSE控制網，采用符合IEC61850的工業級網絡交換設備，且能支持GOOSE技術。

2.1 過程層

過程層（也稱設備層）是為完成變電站電能分配、變換、傳輸及其測量、控制、保護、計量、狀態監測。由一次設備和二次設備構成，智能設備由一次設備和智能組件構成，此外還包括其配套的合并單元和智能終端。智能設備主要由順序控制操作為宜。

2.2 間隔層

間隔層設備實現一個間隔的數據，并作用于該間隔一次設備，并且能夠與各種遠方輸入/輸出、智能傳感器和控制器通信。由繼電保護裝置、測控裝置等二次設備組成。

2.3 站控層

站控層為信息統一的存取平臺，功能為將全站各類信息進行統一建模，并且建立全景信息統一采集、存儲、處理、展示和上送的功能，為各種高級應用提供可靠、穩定和高效的數據。

3 分層設計特點

在體系構架方面，完全遵循IEC61850規范，系統建模標準化，統一的信息模型和信息交換模型解決了互操作問題，實現了信息共享，簡化了系統維護、工程配置和工程實施。在信息采集與傳輸方面，采用全數字接口的二次設備，實現遙測遙信全數字化高精度測量與同步采集，具有精確絕對時標，全站數據統一采集及標準方式輸出共享方便；利用光纜代替傳統電纜，長期困擾繼電保護安全穩定運行的CT開路、PT短路、電磁干擾、一點接地等問題不復存在，節約了大量二次電纜和造價，體現了節能環保理念。建立了全站信息一體化平臺，信息一體化平臺作為變電站全景數據收集、處理、存儲的中心，融合監控、五防、保護故障信息子站、高級應用、狀態監測、各類智能輔助系統等多套系統的信息及功能，簡化了二次系統的配置，實現全景數據集成、標準化后統一上送，實現了源端維護。但在實際運行中，智能變電站分層設計也存在以下問題。

（1）智能變電站在實際的電力系統運行中，會由于智能設備之間的信息模型不盡相同，存在較大差異而很難確保統一，相互之間的操作性也有明顯差異，這對于系統運行是不利的。

（2）智能變電站所收集的信息都是直接存儲在先進的集約性設備中，這就會對系統后期改擴建和維護帶來一定的難度。

（3）智能變電站在檢修過程中，對待檢設備實施安全隔離措施，不影響在運設備的安全運行，是一件較為繁瑣、細致的工作，稍有不慎就造成誤投、錯投、漏投等事件，嚴重時還將影響電網的安全穩定運行。

4 智能變電站分層設計提升措施

4.1 考慮采用就地化保護

站端所有保護設備都應具備兩個MMS網口，直接連接到站控層MMS網絡。智能管理單元采用雙機配置，與站控層雙網連接，獲取保護數據。

以線路保護為例，每套線路保護均具有完整的主后備保護功能，兩套保護相互獨立。線路保護采用模擬量電纜直接采樣，采集本間隔電流互感器的保護二次電流及本間隔三相電壓、同期電壓。線路保護采用電纜直接跳閘，通過GOOSE網絡發布本裝置的跳閘信號及其他狀態信號，通過GOOSE網訂閱其他保護或控制設備的相關信號（如啟動失靈、閉鎖重合閘等信息）。線路保護通過開關量輸入方式接入必要的斷路器信息（如斷路器位置等開關量信息）。線路保護具備SV和GOOSE過程層共口輸出功能、供站域等其他保護使用。

4.2 考慮采用站域保護

站域保護基于變電站集中采集的實時信息，集成全站備自投、低周低壓減載以及優化后備保護的功能，能夠為單套保護提供冗余保護功能，在保護裝置故障或檢修時可以在一定時間內代替原有保護，避免一次設備不必要的停運；且由于利用了多間隔的故障信息，對故障的判斷更準確，可以縮短原有保護的動作時間。站域保護采用站控層、過程層、間隔層三網合一的網絡架構。站控層網絡與間隔層網絡使用工作在ISO模型數據鏈路層的二層交換機，相互聯系形成一個大的廣播域；過程層網絡使用工作在ISO網絡層的三層交換機，通過VLAN將過程層交換機劃分為邏輯上隔離的數個廣播域。

4.3 考慮過程層組網方式靈活化

部分智能變電站主接線方式以內橋和單母線接線為主，出線間隔較少、線路之間電氣聯系較弱，因此，過程層網絡交互數據較少，交換機利用率較低。對于此類主接線較簡單的變電站，為提高運行可靠性、節省建設費用、減少日常維護量，可考慮簡化分層結構設計，采取取消過程層網絡的方式，設備間通過直連進行數據傳輸。

5 結語

近年來部分智能變電站采用了站控層、過程層、間隔層三網合一的網絡架構，部分變電站采用站域保護設備，進一步推進新一代智能變電站具有冗余保護、優化后備保護、安全自動控制等多個功能。

參考文獻：

[1] 周崇泉，王寧寧，韓本帥等.標準配送式智能變電站模塊化二次組合設備研究[J].電工技術，2015（7）：28～30.

[2] 魯新良.智能變電站功能架構及設計原則[J].黑龍江科技信息，2015（24）：52.

[3] 熊偉.智能變電站功能架構及設計原則討論[J].通訊世界，2014（20）：118～119.