智能變電站二次系統安全性探討

郭積才，曹金元

(國網甘肅省電力公司金昌供電公司，甘肅 金昌 737100)

1 智能變電站二次系統通信方式

智能變電站即數字化變電站，是由智能化一次設備和網絡化二次設備分層構建，建立在IEC 61850通信規約基礎上，能夠實現變電站內智能電氣設備間信息共享和交互操作的現代化變電站。智能化一次設備包括電子式互感器、智能終端，以及今后逐步發展的智能變壓器、智能斷路器等。

智能變電站二次系統基于DL/T 860(IEC61850)通信標準構建，采用開放式分層、分布式網絡結構，由站控層、間隔層和過程層3部分組成。站控層和間隔層通信方式均使用雙以太網連接，簡稱“三層兩網”結構。間隔層和過程層之間，采樣系統采用點對點方式，GOOSE系統采用網絡通訊方式。

1.1 站控層

站控層主要包括變電站監控系統、遠動系統、防誤閉鎖系統、保護信息管理系統、通訊監控系統、打印機等。站控層通過兩級高速網絡匯總全站的實時數據信息，不斷刷新實時數據庫，按既定規約將有關數據信息送向調度或控制中心。接收調度或控制中心有關控制命令并轉間隔層、過程層執行。

1.2 間隔層

間隔層主要包括保護裝置、測控裝置以及其他智能設備。間隔層設備直接下放至各間隔智能控制柜及開關柜上，各間隔設備相對獨立，僅通過通訊網互聯，和站控層間采用以太網通信方式。間隔層主要用于匯總本間隔過程層的實時數據信息；實施對一次設備的保護控制功能和本間隔操作閉鎖、操作同期及其他控制功能；承上啟下的通信功能，即同時高速完成與過程層及站控層的網絡通信功能。

1.3 過程層

過程層主要包括電子互感器(含合并單元)、智能開關設備及過程層網絡設備等，是一次設備與二次設備的結合面，或者說過程層是指智能化電氣設備的智能化部分。過程層使用100M光纖以太網，傳輸介質選用光纖。過程層的主要功能分為2類：一是電力運行的實時電氣量檢測；一是操作控制的執行與驅動，包括變壓器分接頭調節控制，電容投切控制，斷路器、隔離開關合分控制等。

2 智能變電站與常規變電站二次系統的區別

2.1 硬件區別

智能變電站的微機保護主要包括模擬量輸入接口單元、開關量輸入輸出接口、數據處理單元、人機接口、通信接口等。

智能變電站數字化保護的數據直接來自電子式電流互感器/電子式電壓互感器(ECT/EVT)的數字信號。它主要包括光接口單元、中央處理單元、開入單元、開出單元、人機接口和通信接口。

2.2 信號傳輸方式不同

常規綜自站一次設備采集到模擬量后，通過電纜將模擬信號傳輸到保護裝置，在保護裝置經模數轉換后進行數據處理，再通過網線將數字量傳至后臺監控系統。同時，監控系統和測控保護裝置對一次設備的控制也是通過電纜傳輸模擬信號實現的。

在IEC 61850規約中，智能變電站的光電互感器將采樣值經過內部轉換后通過光纖傳輸至合并單元， 合并單元將各路光電互感器傳送來的二次側數據匯總后打上時間標簽送至過程總線，保護等智能電子裝置從過程總線獲取采樣和控制信息。跳閘信號則由光纖以太網取代電纜硬接線方式進行傳輸。

基于IEC 61850規約的數字化保護設備之間的信息傳遞全部網絡化，傳統電纜接線的測試方法已經不再使用。因此有必要開發新的測試系統，以便能夠對變電站繼電保護裝置的基本功能進行閉環測試。這樣可以反映電力系統的真實情況，對網絡負荷情況和裝置接口是否正常工作、保護動作時延等相關因素進行分析。

3 智能變電站二次系統技術優勢

3.1 技術含量高

智能變電站技術含量高，是采用先進、可靠、集成的智能設備，以全站信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監測等基本功能，并可根據需要支持電網實時自動控制、智能調節、在線分析決策、協同互動等高級功能的變電站。

3.2 構建了信息一體化平臺

智能變電站二次系統構建了信息一體化平臺，作為變電站全景數據收集、處理、存儲的中心。通過三網(GOOSE，SV，MMS)將全站自動化、狀態監測、輔助系統等信息進行了融合，實現了對站外應用服務的統一接口，具備向各子系統提供統一化、標準化、規范化的數據存取訪問以及向調度系統發送信息的功能。在信息一體化平臺的基礎上，配置了設備狀態可視化系統、信息綜合分析系統、智能在線監測系統、無功優化控制系統等高級功能軟件，為實現調控一體化和提高生產精益化管理提供了技術支撐。

(1)設備狀態可視化系統。實時監測變電站內各種設備的運行狀態，具備設備狀態在線可視、自動追蹤和記錄等功能，為“調控一體化”遠程操作設備奠定堅實的基礎。

(2)信息綜合分析系統。對故障錄波、保護裝置、SOE等相關事件信息進行挖掘、整合和綜合分析，為電網運行提供輔助決策。

(3)智能在線監測系統。實時監測站內避雷器全電流、動作次數以及變壓器油的各種數據，并遠傳至集控站的分析系統，以便及時、準確地對設備狀態作出評估，為狀態檢修提供數據支持。

(4)無功優化控制系統。一體化平臺中內嵌電壓無功綜合調節功能模塊，對電網運行狀態進行計算分析，根據預設目標及優化控制策略得出當前無功優化策略，上送調度主站，實現了變電站電壓無功的遠程調節與集控中心的在線協同互動。

4 智能變電站二次系統經濟優勢

4.1 節約成本

智能化變電站采用少量光纜代替大量控制電纜，節約了電纜等耗材；用光纜取代二次電纜，簡化了電纜溝、電纜層和電纜防火等配套設施，降低了建設成本；智能變電站的二次回路和接線大幅簡化，使保護裝置與自動化系統調試、消缺的工作量得以壓縮，減少了運行維護成本。另外，二次等電位地網主要用于防止CT回路2點接地后由2個接地點電位差產生的回路附加電流造成保護誤動，使用ECT后此問題將不復存在，全變電站電纜溝內敷設100mm2銅纜(銅排)二次等電位地網的投資得到節省。

4.2 提高電力系統的效率和效益

智能化變電站實現信息共享，兼容性高，便于新增功能和擴展規模，可減少變電站后期擴建、改造的投資成本。設備使用效率高，提升了電力系統的效率和效益。

4.3 節約土地和土建投資

智能變電站電子式互感器體積小、重量輕；二次系統集成度高，占地面積和占用空間小，節約了土地和土建投資，避免了社會資源的浪費，具有低碳、環保、節能、高效的多重優勢。

5 智能變電站二次系統安全優勢

5.1 消除繼電保護裝置安全隱患

通過近幾年繼電保護技術的改造，110kV及以上系統基本實現微機化，繼電保護正確動作率得到顯著提高；但也很難繼續提升繼電保護正確動作率，除裝置本身的原因外，還有以下幾個主要原因。

(1)變電站直流電源回路故障接地，引發繼電保護誤跳閘。

(2)二次回路設計接線錯誤、電纜長、執行反措不到位、電纜老化接地等，造成保護誤動。(3)定值項多，控制字和跳間矩陣設置錯誤。(4)由于季節性負荷，備自投、低頻低壓減載壓板等核對切換工作量大，易出錯。

(5)—些配電系統無母差保護、備自投等保護裝置，上一級保護難起后備作用，造成事故擴大，供電中斷。

(6)CT特性惡化或特性不一致，引起故障延遲切除和區外故障誤動。

(7)保護通道問題。

智能變電站二次電纜少，且不增加硬件設備、不重復采集交流信息，將相應功能分散到各間隔保護單元中，實現了網絡化母線保護、網絡化備自投和網絡化低頻低壓減載功能，可以基本消除以上限制繼電保護運行水平繼續提高的瓶頸。同時保護定值、控制字的簡化，保護壓板、按鈕和把手大大減少，也可顯著減少運行維護人員的“三誤”事故。對于保護裝置缺陷，由于直接采用數字量，能真實反映系統一次電氣量信息，裝置可采用更先進的原理，使其集成度得到提高，抗干擾能力得到大大增強，再加上在線監測、在線檢修自動化，裝置運行將更加穩定。對于通道及通道設備故障造成高頻保護誤動的問題，可通過采用光纖通道得以解決。

智能變電站通過過程層數字化，取消大量電纜硬連接，具有簡潔的二次接線、更好的保護性能、更高的系統可靠性。智能變電站采用IEC 61850標準，實現不同廠家設備的互操作，取消站內信息孤島。智能變電站優化了功能布局，減少了設備數量，簡化了二次系統，降低了維護工作量，提高了大電網的安全穩定水平和災變防治能力。

5.2 提高變電站可靠性

(1)通信網絡采用統一的通信規約IEC 61850，不需要進行規約轉換，加快了通信速度，降低了系統的復雜度以及設計、調度和維護的難度，提高了通信系統的性能。

(2)數字信號通過光纜傳輸，避免了電纜帶來的電磁干擾，傳輸過程中無信號衰減、失真，提升了計量、保護和測量系統的精度。

(3)電子式互感器無磁飽和，精度高，暫態特性好。保護裝置可針對電子式互感器的這些特點優化相關保護算法，提高保護性能。

(4)按照GB/T14285的要求，“除出口繼電器外，保護裝置內的任一元件損壞時，保護裝置不應誤動作跳閘。”智能變電站中的電子式互感器的二次轉換器(A/D采樣回路)、合并單元(MU)、光纖連接、智能終端、過程層網絡交換機等設備內任一個元件損壞(除出口繼電器外)，不會引起保護誤動。這一要求的實現提升了保護裝置的可靠性。

(5)設備自檢功能強。合并器如收不到數據會判斷通訊故障或互感器故障而發出告警，能對GOOSE網、SV網、MMS網進行實時檢測，既提高了運行的可靠性，又減輕了運行人員的工作量。

5.3 提高變電站安全性

(1)智能變電站采用電子式互感器，其主要特點是電子式互感器不存在二次接地短路和諧振等問題，不存在二次開路及磁飽和問題。與常規互感器相比，電子式互感器具有絕緣簡單、動態范圍寬、數字量輸出等優點。電子式互感器高、低壓部分采用光電隔離，從而使得電流互感器二次開路、電壓互感器二次短路等可能危及人身或設備安全的問題不復存在，大大提高了安全性。此外，ECT不會飽和，二次輸出容量無限制，完全避免了因CT飽和造成保護拒動、誤動的可能性，增強了整個電網的安全性。

(2)光纜代替電纜，避免了傳統電纜接線端子松動、發熱、開路和短路的危險，大大降低了交、直流二次回路短路或接地的可能性，有效避免了因直流接地造成保護裝置誤動或斷路器偷跳的事故，也避免了因為人員誤碰、電纜破損等造成CT回路2點接地而導致保護誤動或拒動的現象，二次回路出現缺陷的概率大大降低，從而提高了變電站及系統的整體安全運行水平。

1 王 強，賀洲強.智能變電站運行維護管理探討[J].電力安全技術，2012(5).