智能變電站二次系統雙重化配置技術應用分析

彭志強，張小易，高 磊，卜強生，宋亮亮，袁宇波

(江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211003)

Q/GDW441-2010[1]技術規范要求220 kV及以上電壓等級的繼電保護及與之相關的設備、網絡等應按照雙重化原則進行配置，本著這一要求，對220 kV及以上等級的智能變電站二次系統應進行雙重化冗余配置。通過對智能變電站二次系統進行雙重化配置，可以大大提高二次系統的可靠性，適應堅強智能電網的要求。在智能變電站的二次回路中，光纖取代了傳統的硬接線，這對系統可靠性提出了更高要求。智能變電站改變了傳統二次設計方式，裝置的開入開出、交流輸入及開關的操作回路被過程層設備所涵蓋，各種硬接線由光纖替代，保護測控裝置信息交互被ICD文件所描述，對整個系統信息流的掌握有一定的難度。結合500 kV智能變電站工程應用，探討了智能變電站二次系統雙重化配置的實現方案，著重分析了雙測控技術，并對雙重化配置的信息流進行梳理，從而為工程應用提供參考。

1二次系統雙重化配置總體方案

智能變電站中二次系統包括電子式互感器的二次轉換器（A/D采樣回路）、合并單元、光纖連接、智能終端、過程層網絡交換機、繼電保護裝置、測控裝置、站控層交換機、監控后臺服務器等設備[2]。智能變電站二次系統雙重化配置結構如圖1所示，由于文中著重分析雙重化設備配置，故圖1略去了非雙重化設備。

2過程層設備重化

2.1電子式互感器雙A/D采樣

電子式互感器是由連接到傳輸系統和二次轉換器的一個或多個電流或電壓傳感器組成，用于傳輸正比于被測量的量，以供給測量儀器、儀表和繼電保護或控制裝置，它使變電站二次回路由光纖取代了傳統的硬接線[3]。電子式互感器內由兩路獨立的采樣系統進行采集，每路采樣系統采用雙A/D系統接入合并單元，每個合并單元輸出兩路數字采樣值由同一路通道進入一套保護裝置，以滿足雙重化保護相互完全獨立的要求。保護裝置為防止輸入的雙A/D數據之一異常時誤動作而應加入判斷雙A/D采樣不一致的判斷。如圖2所示，傳感元件的輸出信號進行雙A/D采樣，經過轉換器輸入到合并單元。由圖2可以清晰地表達經由電子式互感器的雙重化采樣值由光纖通道傳輸到繼電保護裝置的信息流，對于保護裝置接收合并單元的兩路采樣值，對兩路采樣值進行比較，若兩路采樣值偏差超過設定的閾值，就會報雙A/D不一致告警，閉鎖保護功能，這樣提高了系統的可靠性。

圖1智能變電站二次系統雙重化配置結構示意圖

圖2雙A/D采樣和雙合并單元與雙保護信息流示意圖

2.2合并單元雙重化

合并單元是實現電子式互感器與保護、測控及錄波等二次設備接口的關鍵裝置，具有數據合并發送與數據同步的功能。雙重化配置的合并單元應與電子式互感器2套獨立的二次采樣系統一一對應。雙重化配置保護所采用的電子式互感器一、二次轉換器及合并單元應雙重化配置，2套保護的電壓（電流）采樣值應分別取自相互獨立的合并單元。由圖2可清晰看出雙合并單元與保護裝置及電子式互感器的關系，合并單元通過發出IEC 61850-9-2標準規定的SV報文向繼電保護裝置點對點（P2P）的傳輸采樣值。

2.3智能終端雙重化

智能終端是一種智能組件，它與一次設備采用電纜連接，與保護、測控等二次設備采用光纖連接，實現對一次設備（如：斷路器、刀閘、主變壓器等）的測量、控制等功能。國網標準規定220 kV及以上電壓等級智能終端按斷路器應進行雙重化配置，每套智能終端包含完整的斷路器信息交互功能。雙重保護的跳閘回路應與2個智能終端分別一一對應，2個智能終端應與斷路器的2個跳閘線圈分別一一對應。雙重化智能終端信息流如圖3所示，保護裝置與智能終端通過IEC 61850標準規定GOOSE協議點對點的進行信息交互。

圖3雙重化智能終端信息流

2.4過程層組網雙重化

過程層網絡是過程層與間隔層信息交互的紐帶，它包括過程層SV網絡、過程層GOOSE網絡，通過過程層交換機雙重化組網通信。根據國網標準，110 kV及以上電壓等級的過程層SV網絡、過程層GOOSE網絡應完全獨立。雙重化配置的繼電保護裝置的GOOSE、SV網絡應遵循相互獨立的原則，當一個網絡異常或退出時不應影響另一個網絡的運行，所以繼電保護裝置采用雙重化配置時對應的過程層網絡也應要進行雙重化配置。過程層網絡雙重化結構如圖4所示，第一套保護接入A網，第二套保護接入B網。

3間隔層設備雙重化

3.1保護裝置雙重化

Q/GDW441-2010中規定220 kV及以上電壓等級的繼電保護系統應遵循雙重化配置原則，每套保護裝置功能應獨立完備和安全可靠。其中雙重化的2套保護裝置及其相關設備含電子式互感器、合并單元、智能終端、交換機、跳閘線圈等的直流電源也要應一一對應。雙重化配置的繼電保護裝置要求使用主、后一體化的保護裝置，并且雙重化配置的保護之間不直接進行信息交換，而是通過過程層交換機經由GOOSE網絡交互信息。雙重化保護系統的保護裝置應能夠完整獨立處理所有類型的故障。保護裝置A與保護裝置B之間沒有任何電氣聯系，當一套保護裝置異常或退出時而不應影響另一套保護裝置的正常運行。由圖1、圖2、圖3和圖4可以看出保護系統與其他裝置之間信息交互的信息流，包括合并單元通過SV報文發送采樣值給保護裝置，智能終端以GOOSE報文傳輸開關的位置信號并接受保護GOOSE報文跳閘信號。

圖4雙重化智能終端信息流

3.2雙測控及監控后臺處理方案

繼電保護設計規范要求220 kV及以上電壓等級的保護裝置需雙重化配置，因此采用保護測控一體化裝置，測控隨保護也要進行雙重化配置，即雙測控[4]。如圖4所示，保測裝置與過程層的信息交互是保護裝置與測控裝置的累加，與其他IED的信息交互沒什么大的不同，但是與監控后臺的信息交互與單測控有很大的不同。由于間隔層采用了雙測控系統，所以監控后臺和遠動系統必須處理雙測控系統數據，在這里選擇廠站監控系統分析，遠動系統處理方案類似。監控系統的信息流可分為上行信息和下行信息，對上行信息和下行信息處理方案分別如下：

上行信息包括遙測與遙信信息，對于監控后臺來說，有2個上行信息，稱之為多源數據，即同時接受同一間隔內的2個不同測控裝置的上行數據。監控后臺根據數據源的健康情況判斷采用哪個測控裝置的數據，數據源根據一定的規則設定優先等級，在健康情況相同時，采用優先等級較高的數據源來反映一次設備運行信息。

下行信息包括遙控與遙調命令，監控后臺下發的控制命令只能發送到其中的一個測控裝置執行。在監控后臺應首先根據數據源的健康情況來判斷控制命令采用哪個裝置執行，在健康情況相同時，采用優先等級較高的數據源來執行控制命令。

具體處理方案中，在監控后臺定義一個虛裝置，它包含A、B裝置的公有信息，私有信息（如A、B裝置本身的裝置告警信息等）分別獨自展示。虛裝置信息根據A、B裝置的健康情況與事先設定的優先級來決定。

首先根據數據源的健康情況來判斷，虛裝置是為A裝置還是B裝置。A、B裝置先設定個優先級，在A、B裝置健康狀況相同時，虛裝置即為優先級高的裝置。判定虛裝置的算法程序流程如圖5所示，該算法在監控后臺完成，這樣即可在監控后臺通過程序算法進行雙測控的上行數據與下行數據的判斷處理。對于雙測控的信息處理，在間隔層不作任何處理，只是在站控層加入數據源的判斷選擇，此方案既簡化了信息的處理流程，又大大提高了系統對測量數據與控制命令的可靠性。

圖5判定虛裝置算法程序流程

4站控層設備雙重化

4.1雙后臺服務器

監控后臺服務器是智能變電站一體化信息平臺的核心，對整個變電站安全運行起著至關重要的作用[5]。為了加強系統的冗余性，應采用雙服務器的模式，如圖1與圖6所示，服務器A與服務器B互為熱備用。雙后臺服務器通過站控層交換機接入到站控層網絡與間隔層設備進行信息交互，信息交互的通信協議遵循IEC 61850標準，以C/S通信模式進行信息傳輸，即后臺服務器為客戶端 （Client），間隔層裝置為服務端（Server）。2臺服務器的數據庫及相關配置應進行定時同步或自動同步，在一臺服務器癱瘓或檢修時，另一臺服務器能自行啟動并正常運行。雙后臺服務器的冗余配置，大大提高了系統的可靠性。

4.2站控層網絡雙重化

根據國網標準要求110kV及以上電壓等級的站控層MMS網絡應雙重化配置[6]。如圖6所示，間隔層設備應提供2個以太網口分別連至MMS A網與MMS B網，監控后臺服務器應與站控層中心交換機A與站控層中心交換機B相連。正常數據通信時，優先與A網相連，一旦A網出現故障斷開，系統能自動切換到B網。通過站控層網絡雙重化大大提高了系統站控層網絡通信的可靠性。

圖6站控層網絡雙重化結構示意圖

5結束語

目前智能變電站對二次系統的配置與組網形式未有統一的認識，找到一種最合適的方案有待于在工程實踐中去探究與證明。文中分析的智能變電站二次系統雙重化配置技術提高了系統的冗余度，增強了系統的可靠性，其在超高壓等級的智能變電站將會得到越來越廣泛的應用。

文中給出的智能變電站二次系統雙重化配置方案已成功應用于江蘇某500 kV變電站中，結合500 kV智能變電站工程實踐，對二次系統雙重化配置技術進行了完整分析，對其信息流進行了良好的梳理，對工程應用具有參考意義。

[1]Q/GDW 441—2010，智能變電站繼電保護技術規范[S].

[2]Q/GDW 383—2009，智能變電站技術導則[S].

[3]Q/GDW 678—2009，智能變電站技術導則[S].

[4]胡紹謙，熊慕文，王文龍.數字化變電站雙測控實現方案探討[J].廣東電力，2011，24(10)：45-48.

[5]Q/GDW 678—2011，智能變電站一體化監控系統功能規范[S].

[6]Q/GDW 428—2010，智能變電站智能終端技術規范[S].