新一代智能變電站設(shè)計

梁 能

（廣州遠(yuǎn)望電力工程設(shè)計股份有限公司，廣東 廣州 510520）

0 引 言

電網(wǎng)智能化是世界電力發(fā)展的趨勢，發(fā)展智能電網(wǎng)已在世界范圍內(nèi)形成共識。變電站智能化是一個逐步深入的過程，從傳統(tǒng)變電站發(fā)展到綜合自動化站，然后到數(shù)字化變電站，最后為智能變電站?，F(xiàn)階段，國家電網(wǎng)公司早已實(shí)現(xiàn)數(shù)字化變電站的大規(guī)模建設(shè)，并提出了建設(shè)智能變電站的目標(biāo)和規(guī)劃，到2020年已實(shí)現(xiàn)新建重要變電站智能化率100%[1]。南方電網(wǎng)于2019年提出全面建設(shè)智能變電站的要求。

智能變電站是指采用先進(jìn)、可靠、集成、低碳以及環(huán)保的智能設(shè)備，以全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護(hù)、計量與監(jiān)測等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實(shí)時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能，實(shí)現(xiàn)與相鄰變電站和電網(wǎng)調(diào)度等互動的變電站。

智能變電站是數(shù)字化變電站的升級和發(fā)展，在數(shù)字化變電站的基礎(chǔ)上結(jié)合智能電網(wǎng)的需求對變電站自動化技術(shù)進(jìn)行充實(shí)以實(shí)現(xiàn)變電站智能化功能。與傳統(tǒng)變電站相比，智能變電站具有結(jié)構(gòu)緊湊、系統(tǒng)集成、信息共享、安全可靠以及節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，在技術(shù)和功能上能更好地滿足智能電網(wǎng)信息化、自動化與互動化的要求，更好地支撐智能電網(wǎng)其他環(huán)節(jié)的建設(shè)，更好地服務(wù)于電網(wǎng)資源的整體優(yōu)化配置，提高資源的使用效率。

1 智能變電站的整體解決方案

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)是目前電力系統(tǒng)自動化領(lǐng)域唯一的全球通用標(biāo)準(zhǔn)，其應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了智能變電站的工程運(yùn)作標(biāo)準(zhǔn)化，使得智能變電站的工程實(shí)施變得規(guī)范、統(tǒng)一且透明。智能變電站應(yīng)使用IEC 61850配置工具完成智能站ICD、SSD、SCD、CID以及CCD等文件的配置[2]。不論是哪個系統(tǒng)集成商建立的智能變電站工程都可以通過SCD文件了解整個變電站的結(jié)構(gòu)和布局，對于智能變電站的發(fā)展具有不可替代的作用[3]。SCD文件是全站系統(tǒng)配置文件，應(yīng)全站唯一，描述變電站所有IED設(shè)備的實(shí)例配置和通信參數(shù)、IED設(shè)備間的通信配置以及變電站一次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[4]。

智能變電站各業(yè)務(wù)功能實(shí)現(xiàn)涉及數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)應(yīng)用、數(shù)據(jù)管理以及網(wǎng)絡(luò)安全等各個環(huán)節(jié)。通過基于過程層數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)的系統(tǒng)性解決方案，全面提高智能變電站二次系統(tǒng)的可靠性；通過智能站二次設(shè)備的檢修隔離安全措施優(yōu)化，提高智能變電站繼電保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)維水平和運(yùn)維可靠性；通過智能站統(tǒng)一的全景模型，為智能變電站各個應(yīng)用提供完善的數(shù)據(jù)和信息交互方案，切實(shí)提高智能變電站數(shù)據(jù)質(zhì)量與數(shù)據(jù)可靠性；通過多維度的三位一體的二次安防措施，實(shí)現(xiàn)智能站的結(jié)構(gòu)安全、本體安全以及行為安全，提高監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全水平[5]。智能變電站的結(jié)構(gòu)及典型配置如圖1所示。

圖1 智能變電站的結(jié)構(gòu)及典型配置

2 過程層設(shè)備

過程層設(shè)備主要包括列電子式互感器、合并單元、智能終端、在線監(jiān)測裝置以及選相合閘裝置等?？刹捎媒M合式互感器實(shí)現(xiàn)對一次電流和電壓的同時檢測。智能終端合并單元可采用二合一的模式，并可集成測控功能，簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。針對GIS開關(guān)特性、SF6、局放、避雷器、油色譜等的集成式一次設(shè)備在線監(jiān)測裝置。高壓開關(guān)選相分合閘裝置，能實(shí)現(xiàn)在全工況下對各類開關(guān)的高精度選相分合閘功能。目前，南方電網(wǎng)電流、電壓模擬量采用常規(guī)傳統(tǒng)的電纜采集方式，信號、控制以及跳閘等開關(guān)量的采集主要采用智能終端來傳輸。智能終端是與一次設(shè)備采用電纜連接，與保護(hù)和測控等二次設(shè)備采用光纖連接，實(shí)現(xiàn)對一次設(shè)備測量、控制等功能的智能設(shè)備[6]。

3 間隔層設(shè)備

采用先進(jìn)的平臺化設(shè)計思想，采用硬件、軟件解耦的方式和模塊化設(shè)計的思想，保證硬件和軟件的獨(dú)立升級，并支持不同功能的快速集成，使裝置能夠很好地適應(yīng)智能化變電站各種不同的需求。

硬件、軟件模塊化，通用靈活，便于用戶熟悉、使用及維護(hù)，方便備件庫存管理，生命周期長。高性能、一體化程度高，可由多個CPU和DSP組合，完成復(fù)雜的控制保護(hù)功能。安全性和可靠性高，單重系統(tǒng)內(nèi)采樣雙重化，啟動、保護(hù)計算獨(dú)立，具有完善的自檢功能。此外，支持直采直跳、網(wǎng)采網(wǎng)跳、常規(guī)采樣GOOSE跳閘以及常規(guī)采樣常規(guī)跳閘等各種采樣跳閘方式。

4 站控層設(shè)備

智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)采用平臺即服務(wù)架構(gòu)方案，構(gòu)建了智能變電站一體化業(yè)務(wù)平臺，為應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)模型服務(wù)，并對系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)用功能進(jìn)行了統(tǒng)一封裝，形成通用的服務(wù)，滿足各類智能站應(yīng)用的需求，也為應(yīng)用間的數(shù)據(jù)交互與共享提供了途徑。

采用面向?qū)ο髮?shí)時數(shù)據(jù)庫、高效消息總線、負(fù)載均衡以及安全區(qū)通信等技術(shù)解決了站端業(yè)務(wù)一體化后帶來的海量數(shù)據(jù)、資源競爭、安全隔離等問題。一體化業(yè)務(wù)平臺可以靈活部署在各種硬件平臺上，滿足監(jiān)控主機(jī)及智能網(wǎng)關(guān)機(jī)間功能和應(yīng)用的靈活配置。

通過圖模一體化工具完成模型轉(zhuǎn)換和模型數(shù)據(jù)映射。在廠站端完成模型、圖形以及數(shù)據(jù)的統(tǒng)一維護(hù)，并統(tǒng)一發(fā)布實(shí)現(xiàn)變電站和多級主站之間共享。系統(tǒng)完成各專業(yè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集、處理、存儲、傳輸以及多專業(yè)融合的一體化應(yīng)用功能，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)主站和子站間的應(yīng)用互動。基于主子站統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，在主站實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的訂閱發(fā)布，簡化工程配置和調(diào)試過程。

通過基于物理端口建模的二次回路在線檢測及校核技術(shù)對二次回路的實(shí)時狀況進(jìn)行監(jiān)測，并對異常進(jìn)行告警。通過檢修操作序列預(yù)定義及在線可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備的檢修安全隔離，集成工具的應(yīng)用大大提高了智能站的設(shè)計水平和運(yùn)維效率。

5 過程層網(wǎng)絡(luò)

5.1 直采直跳解決方案

過程層GOOSE、SV網(wǎng)絡(luò)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各電壓等級的過程層網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立單網(wǎng)配置。通過網(wǎng)絡(luò)流控方案保證共網(wǎng)方式下鏈路間的數(shù)據(jù)互不影響[7]。直采直跳解決方案的典型過程層網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

5.2 網(wǎng)采網(wǎng)跳解決方案

應(yīng)用于智能變電站過程層的以太網(wǎng)交換機(jī)具有交換延時累加、自動配置、統(tǒng)一管理、流量控制以及智能告警等功能[8]。過程層GOOSE、SV網(wǎng)絡(luò)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，各電壓等級的過程層網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立配置。為簡化過程層網(wǎng)絡(luò)配置，提高智能站技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，采用SV、GOOSE共網(wǎng)方案，通過網(wǎng)絡(luò)流控保證共網(wǎng)方式下鏈路間的數(shù)據(jù)互不影響。110 kV及以上采用雙網(wǎng)配置，保證任一交換機(jī)或光纖鏈路異常的情況下，保護(hù)功能不受影響。

220 kV及以上電壓等級，采用SV、GOOSE共網(wǎng)，雙網(wǎng)配置，MMS獨(dú)立組網(wǎng)。10 kV、110 kV電壓等級考慮MMS、SV、GOOSE共網(wǎng)，進(jìn)一步減少交換機(jī)的數(shù)量，簡化網(wǎng)絡(luò)配置。雙重化保護(hù)的跳閘回路應(yīng)分別與兩個智能終端一一對應(yīng)，兩個智能終端應(yīng)分別與斷路器的兩個跳閘線圈一一對應(yīng)[9]。網(wǎng)采網(wǎng)跳解決方案的典型過程層網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

6 二次安防

智能變電站二次安防解決方案基于多維度三位一體的網(wǎng)絡(luò)安全理念，構(gòu)建變電站監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安全、本體安全以及行為安全的技術(shù)和產(chǎn)品架構(gòu)，系統(tǒng)性地提供邊界防護(hù)、網(wǎng)絡(luò)主機(jī)安全加固、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備安全核查、網(wǎng)絡(luò)行為安全監(jiān)測與評估預(yù)警等服務(wù)，并能提供IEC61850出站，支持遠(yuǎn)傳告警事件、原始報文、模型圖形、拓?fù)潢P(guān)系等，實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)的主子站協(xié)同。

多層次的立體安全防線。二次系統(tǒng)的邊界上部署縱向加密認(rèn)證網(wǎng)關(guān)和正反向隔離裝置，防火墻構(gòu)建第一道安全防線，在二次系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)建設(shè)通信行為的實(shí)時監(jiān)測者和審計者，識別不安全因素，發(fā)現(xiàn)異常及時預(yù)警，并記錄網(wǎng)絡(luò)交換行為的原始痕跡，構(gòu)建第二道安全防線，網(wǎng)絡(luò)主機(jī)以及IED設(shè)備本身從操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)訪問、通信協(xié)議、端口服務(wù)等方面構(gòu)建第三道安全防線。

多維度的行為安全分析。從事前的風(fēng)險評估威脅感知、事中的網(wǎng)絡(luò)異常實(shí)時告警以及事后的網(wǎng)絡(luò)安全審計等多個時間維度來監(jiān)控和管理系統(tǒng)的安全。正向隔離裝置采用雙機(jī)+隔離島技術(shù)方案，并可以實(shí)現(xiàn)對TCP連接的單向控制，支持對數(shù)據(jù)包的深度過濾檢測，提高對不同安全等級區(qū)域的通信隔離防護(hù)安全能力。

廠站安全監(jiān)測裝置用于變電站和電廠等廠站端監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測采集分析，并匯總上送，同時支持主站對廠站的安全服務(wù)代理以及廠站本地的配置和安全管理[10]。二次安防系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

7 結(jié) 論

智能變電站通過以上模式，能夠?qū)崿F(xiàn)智能變電站的從一次設(shè)備到二次設(shè)備等各方面的架構(gòu)，是現(xiàn)階段智能變電站的典型設(shè)計，并取得了良好的效果，為全面實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的發(fā)展提供了變電站基礎(chǔ)。