變電站一體化智能監控系統設計

曹久輝

（國網鹽城供電公司，江蘇 鹽城 224000）

現代電網中，由于變電站所承擔的任務越來越多，其故障跳閘的機率也越來越高。為滿足《電力發展“十三五”規劃（2016—2020 年）》和2020 年國家電網工作大會的要求，及時發現、分析和排除故障，保證電網運行的穩定和可靠性，需要引入網絡技術。變電站的監測系統是電力系統中的一個關鍵支持，其能夠全面、實時地了解各系統的工作狀態，并對其進行實時的故障預警，并向有關部門提供正確的信息，使其能夠快速地排除故障，確保變電所運行的安全。本文根據我國電網的網絡安全管理制度，對智能化變電所的監測進行了研究。

1 變電站監控系統的整體設計

1.1 監控體系的體系結構

變電站的監控系統要求采集、分析變電站的各種設備信息，并對其進行控制。本文結合國家關于智能變電站綜合監控系統的要求，對其進行了結構上的設計，如圖1 所示。

圖1 “三層一網”智能變電站監控系統結構圖

變電所的監測體系是“三層一網”“，三層一網”的監測體系與“三層兩網”的結構特點比較更符合110 kV 的實際情況。110 kV 變電站的進、出線路數量較少，電氣裝置的安裝數量較小，且站控級的聯網可以實現對電網的實時監測。與“三層兩網”相比，“三層一網”監測系統對交換器數目的需求較小，在經濟性上要優于傳統的“三層兩網”。所以，在變電所的監測體系中，必須采取“三層一網”的方式。

“三層一網”監控體系將整個變電所劃分為4 大類：過程層、間隔層、站控層和站控層網絡。變電站監控系統站控層配置了監控主機、綜合服務器、傳輸服務器和網絡接口等設備，同時在站控層設有1 個工程工作站，利用Linux 平臺實現對各類突發事件的實時監測。站控層主要負責對各種線路、設備的集中監測與傳送、分析和處理各類數據。

變電所間絕緣裝置包括測量控制裝置、保護裝置及現場分析裝置，隔離裝置的作用是測量與傳送變電裝置的資料，并在發生事故時進行現場切斷。

變電站的流程設備主要由一次設備和智能終端組成，其功能是采集變電站的數據，并對線路的斷開和關閉進行控制。

為了實現全站的數據共享，必須采用IEC61850 通信規范，覆蓋跨程層、間隔層和站控層的統一通信網絡。

1.2 監控體系架構的設計

根據監測目標的功能及重要性，將其劃分為2 大類型：第一類是電力變電所的線路及各類裝置的實時監測。第二類是變電所一次設備和二次設備的工作狀態。在此基礎上，對110 kV 變電站的監測進行了總體規劃，并將其分為了I 區和II 區。

變電站監控系統的I 區，主要是收集變電站的線路和設備的實時數據，并將數據傳送到變電站的監控系統站控層，由站控層匯總分析數據，提供給現場的值班人員，并將數據以點對點的形式發送至本調度中心。

變電所監測設備I 類，負責采集設備狀態、消防和應急等輔助設備的狀態信息，并將其傳輸到站控制層面，通過站控層對各電氣設備和輔助設備的狀態進行綜合和分析。

按照安全Ⅰ區和Ⅱ區的安全原理，在Ⅰ區和Ⅱ區之間設置了防火墻和縱向加密裝置，通過防火墻，將安全I 區的監控數據傳輸至本區域調度中心。

2 監控目標設計

為了確保變電站監控數據的完整性，防止重復采集，根據國家有關標準，對110 kV 變電站的監控數據進行了規劃。將被監控對象劃分為3 大類：電網運行數據、故障數據和設備監控數據。

2.1 電網系統的運行信號

為確保全網的供電質量，需要實時監控各設備的電壓、電流和頻率等實時監控，并實時監控各開關設備的情況。

2.2 電力系統故障信號

在變電所出現的各種事故中，為能夠及時地掌握和發現問題的根源和解決問題，其監測的是整個站點的總事故信號、間隔事故信號、保護動作信號和重合閘信號。

2.3 電力設備監控資料

監測變電所的測量數據，掌握開關電器設備及設備的故障情況，對一次、二次電氣設備的日常遠程控制和設備的工作狀況進行了測試，以確保其可靠性。

3 監控系統的網絡結構設計

110 kV 變電所的智能化無人值守，要求110 kV 變電所采用的傳輸帶寬不低于100 Mbps 的工業以太網作為變電所的通信媒介。建立了1 個變電所監測的網絡結構，以滿足自動化變電所的實時采集與支持。

變電所站控層網絡是“三層一網”監控體系中的重要組成部分，其擔負著過程層、間隔層和站控層的實時信息交互作用。按照變電站建設技術規程，變電站站控層網絡采用1 個衛星結構，實現簡單網絡時間協議（SNTP）、變電站事件（GOOSE）、采樣值（SV）和制造報文規范（MMS）共網，在變電站的流級上不設置獨立的網，采用變電站站控層網絡進行數據通信。

4 變電站監控系統的設備結構

110 kV 變電所監測的體系結構為“三層一網”，主要包括站控層網絡、過程層、間隔層、站控層及其相應的裝置。

4.1 站控層裝置

變電所監測的站控級是數據處理、傳輸和記錄等功能。根據變電所監測系統的站控級要求，系統地從數據通信系統、系統操作系統、綜合應用系統和數據記錄系統等幾個部分進行了系統的研究。

4.1.1 操作系統

站控級操作系統承擔著3 大功能：一是對變電所全部的線路、裝置進行實時監測，防止故障發生；二是實時查看變電站設備實時數據及運行狀況數據，對變電站一、二次設備進行實時監控。三是實現了對變電所的數據的儲存，使工作人員可以隨時查閱所需的資料。

上述3 個任務由監控主機、操作員工作站和數據服務器來完成，由于110 kV 變電站的資料容量較少，由監控主機負責，沒有單獨的服務器。

通過對110 kV 變電所的站控級操作系統進行全面研究后將配置監控主機和操作員工作站。

4.1.2 數據通信網絡關閉功能

數據通信網絡關閉功能的作用是把變電站的實時數據傳輸至本地區調度中心、備用調度中心，為本地區調度中心和備用調度中心在110 kV 變電站遠程調度、運行提供可靠的基礎信息支撐，從而達到遠程調度、運行的目的。變電站內的實時信息主要有：變電站內的線路、設備的實時數據、狀態信息、輔助設備信息和變電站的記錄信息。

針對變電站監控系統的監控對象類型及重要程度，將其劃分為“安全 I 級”和“安全II 級”，并就“兩級”的具體情況進行了介紹。

電力設備的主要任務是對110 kV 變電站的數據進行實時的采集和監控，以及對變電站的一、二次設備的監控。這樣，區域內的數據通信網的關閉配置需要完成將變電站的實時信息向本區域調度中心發送到專門的通信線路，并能實時接收到控制指令。由于本區域的信息監控工作十分重要，因此，I 區的安全通信網絡的關閉采用了雙重配置。

安全區內的電子產品，主要是對一次電源的運行狀態進行監測，以及對消防、應急等變電站的輔助作用。該地區各地區的數據通信系統必須向本地區的調度室發送信息，方便客戶查閱。由于安全區I 區域信息的重要程度不如II 級，因此I 區域數據通信系統采取了1 個單獨的配置模式。

4.1.3 綜合應用程序

綜合應用服務器主要承擔變電站內部通信網絡與變電站附屬設備的聯接，并由該系統對變電站和附屬設備的數據通信進行集中處理。因為其工作方向是輔助性的，所以其結構是單一的。

4.1.4 GPS、北斗授時系統同步取樣與定時設備

為保證110 kV 變電站和調度中心的同步運轉，文中給出了同步采樣系統、GPS 授時系統及北斗授時系統的構成。

110 kV 變電站的時間傳輸必須使用雙同步時鐘，并優先選用國內的北斗定時器。

4.1.5 打印設備

為了記錄110 kV 變電站不能正常運行時的全站故障情況，現在配備了2 個能打印A3 和A4 紙的打印機，并與綜合應用服務器連接。

4.1.6 設備公共界面

110 kV 變電站的直流電源屏、消防系統等附屬設施不符合DL/T860 標準，需要在變電站站控層上安裝專用的公共接口。

變電站監控系統站控層裝置是按照上述討論和變電站的實際情況來布置的，見表1。

表1 站控層的設備結構

4.2 間隔層設備

110 kV 變電站的監控系統隔離層，主要是測量各種數據、故障的及時處理、故障分析和記錄，目前對隔離層的電力數據測量設備、故障記錄分析設備及繼電保護設備進行了配置，并根據變電站目前的建設情況進行了調整。

4.2.1 測量和控制設備

變電站測控設備的主要任務是測量、控制、保護、通信、數據分析與記錄，依據110 kV 變電站的設計要求，此次的變電站測控設備必須符合IEC61850 電力建設標準，現根據變電站實際建設情況及國家標準對變電站測控裝置配置規范。對變電所的各部分進行測試和控制。

為了對變電站進行全方位的監控，本文對變電站的進出線路、各級母線和主變壓器等各個部位進行了詳細的布置。目前，變電站建設的110 kV 進線2 條，10 kV 出線24 條，各有1 個測控設備，用于測量、控制、保護和記錄等工作；110 kV 側母線、10 kV 側母線分別有2 臺、3 臺測控設備，并在母線間隔式智能匯控箱內安裝；變壓器是變電站的重要設備，需要重點監控和保護，目前變壓器的高壓側、低壓側和變壓器本體各有1 套，并進行組網的安裝；變電站電容器、接地變壓器及110 kV 母線部分，分別配置4 臺、2 臺和1 臺測試控制裝置。

為保證儀器能夠迅速、平穩地工作，其測控系統的測控和防護系統應具有GOOSE 的性能，并按照IEC61850 標準中的報文傳輸機理，實現對數據的實時傳輸與監控。

4.2.2 網絡錄波和分析設備

為了對變電站的工作進行全面的記錄，并將報文的初步分析結果發送到變電站的站控層。網絡記錄和分析設備會記錄SV、GOOSE 和MMS 等信息。

4.2.3 電能測量設備

為了對變電站的用電量進行統計，將按IEC61850電氣工作規范的110 kV 側和10 kV 側的數字式電表、多功能電表，負責對電流、電壓等數據的采集；同時，還配備了遠程電力終端，用于對變電站站控層和本區域進行遠程通信。設備結構見表2。

表2 設備結構

4.3 過程層的設備結構

變電所監測的流程級是對一次設備進行控制、處理和采集的，其中包括隔離開關、斷路器和互感器等，而現有110 kV 變電所監測的流線級和智能化終端已經實現了以上工作，方便使用和維護。根據110 kV 變電所現有的工程規模來確定其布局，為以后的工程提供一定的空間。

整合裝置的主要作用是實現對變壓器采集的信號進行實時整合，把經過加工的信息傳輸給隔離層，該變電所設置的2 臺大變壓器均為高壓主變。

將1 套一體化的智能化終端裝置置于一側，在各主變的低壓側配置2 套一體化的智能化終端裝置，在主變中心安裝2 套一體化裝置；目前，在變電所的110 kV 進線、110 kV 電壓互感器和110 kV 主線路橋距分別安裝2 個并聯智能終端。

5 結束語

本文根據變電站的監測要求和國家電網公司的具體要求，研制了1 套變電站監測系統。經過總體設計、可行性研究、軟硬件設計、設備安裝調試和模擬實驗等多個環節，結果表明當變電所出現問題時系統可以通過短信方式及時向管理人員報告，以便隨時了解變電所的運行狀況。