數(shù)字化變電站二次設(shè)備配置方式探討

高蘇州，高金鎖

(宿遷供電公司，江蘇 宿遷 223800)

1 引言

隨著大規(guī)模集成電路的集成度進一步提高及成本的快速降低，實時嵌入式系統(tǒng)開始應(yīng)用于電力系統(tǒng)一二次設(shè)備，使這些設(shè)備具備了強大的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理能力，為巨量數(shù)據(jù)傳輸及處理提供基礎(chǔ)。指導(dǎo)變電站建設(shè)的國際規(guī)范IEC61850標準的正式發(fā)布，為變電站一二次設(shè)備的互連互通及互操作提供了保證，使一二次設(shè)備通過快速以太網(wǎng)交換數(shù)據(jù)成為可能。從國際國內(nèi)的情況看，數(shù)字化PT/CT及智能化一次設(shè)備開始大量應(yīng)用于各個電壓等級的變電站，使變電站的二次布線有了革命性的變化。采用電磁型PT/CT的傳統(tǒng)變電站，一次系統(tǒng)的信號采用電纜以模擬量的方式傳送到控制室，控制室的二次設(shè)備必須具備自己的采樣回路才能獲取需要的數(shù)據(jù);而采用數(shù)字化的PT/CT及智能化一次設(shè)備的數(shù)字化變電站，其一次系統(tǒng)的信號通過光纜以數(shù)字量的方式送到控制室［1］，控制室的二次設(shè)備只需要具備通信功能即可獲取需要的數(shù)據(jù)，節(jié)省了電纜投資，提高了采樣性能，增強了二次系統(tǒng)的可靠性［2］。變電站一次設(shè)備的數(shù)字化為重新布局二次設(shè)備提供了可能。在數(shù)字化變電站建設(shè)過程中，改變傳統(tǒng)的二次設(shè)備配置方式，以更可靠、更經(jīng)濟、更簡潔的方式布局二次設(shè)備，將成為今后一段時間變電站數(shù)字化改造的重要研究方向。本文將在傳統(tǒng)的二次設(shè)備配置的基礎(chǔ)上，提出幾種新的二次設(shè)備配置的方法，并探討各種配置方法的優(yōu)點和缺點。

2 變電站二次設(shè)備的傳統(tǒng)配置方式

在傳統(tǒng)的變電站中，一次系統(tǒng)的電流電壓量必須通過電磁型PT/CT進行變換后，通過電纜傳送到控制室，同時其他一次設(shè)備如斷路器等的位置信號也必須通過電纜傳送到控制室。因二次設(shè)備的采樣數(shù)據(jù)不能共享，故所有二次設(shè)備都有自己的采樣回路，獲得的采樣數(shù)據(jù)只能自己使用，導(dǎo)致一二次設(shè)備之間有大量的電纜連線，為設(shè)備的調(diào)試及施工帶來了大量的查線工作，同時二次系統(tǒng)的配置形成了目前的各個二次系統(tǒng)之間互不聯(lián)系的局面。在傳統(tǒng)變電站中，一般的配置情況為:

(1)高壓部分(110kV及以上電壓等級)采用每個對象分別配置一套保護裝置及一套測控裝置的模式。保護裝置具有該間隔需要的所有保護功能，如距離、零序、差動、過流等。測控裝置測量該間隔的電壓、電流、相角、功率、頻率等，同時具有控制功能。

(2)低壓部分采用保護測控一體化的方式，即每個對象配置一臺裝置，該裝置具有測量、控制和保護的功能。

(3)各個電壓等級的母線分別配置母線差動保護裝置，有幾種電壓等級就需要幾臺母線差動保護裝置，高壓斷路器需配置斷路器保護裝置。有一些母聯(lián)還需配置母聯(lián)保護裝置。

(4)變壓器需配置單獨的變壓器保護裝置和測控裝置。

(5)對于重要的高電壓等級變電站一般還需配置穩(wěn)控系統(tǒng)。

(6)另外還需配置錄波器，規(guī)模較大的變電站需配置多臺錄波器。

(7)其他輔助裝置，如小電流接地選線裝置需單獨配置。

這種配置方案主要基于采樣數(shù)據(jù)不共享，各種裝置不能同時采樣太多數(shù)據(jù)，故只能完成很少的和本間隔相關(guān)的功能。對于傳統(tǒng)變電站，這種配置方案是合適的。

3 數(shù)字化變電站過程層組網(wǎng)方式

國內(nèi)目前在建的數(shù)字化變電站中，雖然已經(jīng)實現(xiàn)一次設(shè)備的數(shù)字化，但二次設(shè)備依然按照傳統(tǒng)變電站的方式配置，沒有充分發(fā)揮數(shù)字化變電站經(jīng)濟、簡潔及可靠的優(yōu)勢，主要原因是目前的數(shù)字化變電站中一次設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸用的最多的還是點對點傳輸方式，造成數(shù)據(jù)共享還只能在有限的范圍內(nèi)，無法做到全站共享的方式［3］。很多數(shù)字化變電站中的過程層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)還相對保守，主要采用PT/CT的遠端模塊將數(shù)據(jù)傳送給控制室中的合并單元，由合并單元分成多路光纖點對點傳給保護、測控以及其他設(shè)備［3］，該模式如圖1所示。

圖1 點對點方式的過程層數(shù)據(jù)傳輸

該模式符合目前國內(nèi)對保護測控設(shè)計的基本思路，即采用最安全的點對點傳輸模式，最大限度減少數(shù)據(jù)傳輸延時，同時避免了采用以太網(wǎng)傳輸時數(shù)據(jù)過分依賴以太網(wǎng)設(shè)備的問題。

但隨著技術(shù)的進步，以太網(wǎng)設(shè)備可靠性穩(wěn)定性大幅度提高，可采用以太網(wǎng)共享數(shù)據(jù)的模式，如圖2。

圖2 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)共享的過程層數(shù)據(jù)傳輸

該模式為一次設(shè)備的數(shù)據(jù)直接上網(wǎng)，各個間隔單獨組網(wǎng)，每個間隔的網(wǎng)絡(luò)通過路由器互連。這種組網(wǎng)方式下，只需單個間隔數(shù)據(jù)的保護測控設(shè)備，可通過間隔層交換機獲取數(shù)據(jù)，對于需要多個間隔數(shù)據(jù)的保護測控設(shè)備(如母差保護)，則可通過路由器獲取全站的數(shù)據(jù)。這種模式組網(wǎng)簡單，數(shù)據(jù)隔離方便，較好平衡網(wǎng)絡(luò)負荷能，可有效分散網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不穩(wěn)定造成數(shù)據(jù)丟失的風險。

4 變電站二次設(shè)備配置方式革新的條件

隨著一次設(shè)備的數(shù)字化及以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，使一次設(shè)備將其信號通過以太網(wǎng)傳送到控制室成為可能。一次設(shè)備的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)為二次設(shè)備共享，可大大簡化二次設(shè)備的設(shè)計及二次系統(tǒng)的布線。IEC61850的全面推廣，為不同設(shè)備之間的數(shù)據(jù)共享提供了依據(jù)及可行的方法。斷路器及開關(guān)刀閘能通過網(wǎng)絡(luò)接收命令并執(zhí)行，并通過網(wǎng)絡(luò)將自己的狀態(tài)及執(zhí)行結(jié)果送給控制方，這些智能化的一次設(shè)備使二次設(shè)備可以擺脫傳統(tǒng)思維模式的束縛而重新設(shè)計及配置。這些條件的具備，為二次系統(tǒng)重新設(shè)計提供了可靠的保障。同時也需要在電力系統(tǒng)管理模式上進行革新，以適用全新的數(shù)字化變電站的建設(shè)及運行管理。

5 幾種數(shù)字化變電站二次設(shè)備配置方案

在數(shù)字化變電站中，二次設(shè)備不需要采樣回路，只需要配置網(wǎng)卡就可獲得所需的數(shù)據(jù)，使二次設(shè)備向小型化、智能化及高集成化方向發(fā)展。多種傳統(tǒng)二次設(shè)備的功能集成在單臺二次設(shè)備中成為可能，將大大減少設(shè)備投入成本。根據(jù)數(shù)字化變電站的特點，本文總結(jié)了以下4種數(shù)字化變電站二次設(shè)備配置方式。

(1)按傳統(tǒng)方式配置二次設(shè)備

這種配置方式在上文已經(jīng)敘述，這里不再贅述。傳統(tǒng)配置方式是在傳統(tǒng)變電站模式下發(fā)展起來的，目前各項運行管理方法也是基于該模式發(fā)展起來的。因此在數(shù)字化變電站中采用這種配置方式后，目前運行管理方法不用做任何改變即可適用。這種配置方式?jīng)]有充分利用數(shù)字化變電站數(shù)據(jù)共享的優(yōu)勢，配置顯得復(fù)雜且經(jīng)濟性不好。

(2)按對象配置方式

該模式采用保護測控一體化的方式，每個對象不再分別配置保護和測控，而只需配置一套裝置，該裝置完成該對象的所有保護及測控功能。這樣在裝置內(nèi)部可以共享一些計算數(shù)據(jù)，簡化了二次系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟性。這種配置方式將自動化專業(yè)和保護專業(yè)合二為一，故必須改變目前運行管理過程中存在的按專業(yè)設(shè)置部門的方式，否則在運行管理上將出現(xiàn)盲點。

(3)按功能配置的方式

該配置方式采用弱化具體對象的方法，從全站二次設(shè)備需要實現(xiàn)的功能出發(fā)，采用以功能為單位配置二次設(shè)備，如距離保護裝置負責全站所有線路的距離保護的計算及出口，差動保護負責全站所有對象差動保護功能的計算。測控裝置負責全站所有對象的測控功能。穩(wěn)控裝置完成全站的穩(wěn)控功能。該方案進一步簡化了二次系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時也帶來了其他問題，首先全站過程層數(shù)據(jù)必須在同一個局域網(wǎng)上，巨大的數(shù)據(jù)流量對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備形及二次設(shè)備的網(wǎng)卡成了較大的沖擊;其次二次設(shè)備必須面對大量的數(shù)值計算，對單片機的性能要求很高;第三在大量數(shù)據(jù)的沖擊下，能否保證GOOSE數(shù)據(jù)的時效性是一個值得繼續(xù)研究的問題。

(4)集中式配置的方式

該方式采用變電站為對象的方法，采用一臺服務(wù)器完成所有的保護、測控、穩(wěn)控、錄波及其他功能。這樣可以極大簡化變電站二次設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，但將風險集中到了一臺設(shè)備上，在目前的運行管理方式下肯定是不能被接收的。

以上4種二次設(shè)備配置方案沒有敘述雙重化的問題，如需要雙重化配置方法，可以按照傳統(tǒng)的雙重化配置方案配置，本文不再贅述。

6 結(jié)語

目前國內(nèi)的數(shù)字化變電站建設(shè)中，絕大多數(shù)采用傳統(tǒng)方式配置二次設(shè)備，避免了管理方式的改變。但采用傳統(tǒng)方式配置數(shù)字化變電站的二次設(shè)備，不能充分發(fā)揮數(shù)字還變電站簡化二次設(shè)計及節(jié)約成本的優(yōu)勢。集中式配置方式因風險過于集中，在目前的技術(shù)及環(huán)境下很難執(zhí)行。采用按對象配置和按功能配置的方式能極大的簡化變電站二次系統(tǒng)，且較好的分散設(shè)備風險。但采用新的配置方式缺乏運行管理經(jīng)驗。為改變二次設(shè)備配置方式，必須對目前的運行管理方式進行創(chuàng)新，否則很難適用新的數(shù)字化變電站二次設(shè)備。希望本文能起到拋磚引玉的作用，使科研、設(shè)計、生產(chǎn)、運行管理等部門能一起探討數(shù)字化變電站二次設(shè)備的配置思路，集思廣益，把數(shù)字化變電站的建設(shè)推向更高的水平。

［1］李萌，李紅斌，馮凱，等.基于嵌入式以太網(wǎng)的電子式互感器數(shù)字輸出口［J］.電力系統(tǒng)自動化，2004，28(13):93 －96.

［2］李九虎，鄭玉平，等.電子式互感器在數(shù)字化變電站的應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)自動化，2007，31(7):94 －98.

［3］徐大可，趙建寧，張愛祥，等.電子式互感器在數(shù)字化變電站的應(yīng)用［J］.高電壓技術(shù)，2007，33(1):78 －82.