淺談變電站的電氣二次系統

蔡友龍

摘 要：本文首先介紹了變電站電氣二次系統的保護裝置、控制和信號回路、調節回路等基本組成。在結合某220kV數字化變電站的實例，從智能化二次設備的選擇、通信規約的選擇和系統通信網絡的設計等方面，詳細分析和研究了變電站電氣二次系統的設計。

關鍵詞：智能電網；數字化變電站；電氣二次系統

引言：2009年，我國提出建設堅強智能電網的戰略規劃。變電站作為電網運行的重要環節和主要監控點，起到聯系整個系統的重要作用。變電站的電氣二次系統的合理性與可靠性與變電站安全穩定運行有著密切關系，可以視為變電站的神經系統。因此，有必要對變電站二次系統展開研究，以推動整個變電站乃至電網的安全穩定。

一、變電站電氣二次系統概述

變電站電氣二次系統是一個復雜的系統網絡，主要包括變電站內的各類電氣設備及其相應的控制、調節、信號、測量回路，以及電氣二次系統的繼電保護裝置、安全自動裝置、準同期裝置、直流操作電源等。總體來分析，可以將變電站電氣二次系統分為以下幾個部分：

（1）繼電保護和安全自動裝置。繼電保護和安全自動裝置是電氣二次系統的重要組成，主要用來保護變電站的安全穩定運行，一旦出現系統故障，立即動作于告警或跳閘。（2）控制回路。變電站二次控制回路主要用來對變電站內各類設備進行控制，主要是各類開關設備的跳合閘操作，繼電保護發出跳閘信號后，通過控制回路來執行跳合閘。（3）信號回路。變電站電氣二次設備的運行，均依賴于信號回路的運行，通過變電站二次信號回路，準確采集一次設備的工作狀態，包括信號的發送、接收和傳遞網絡，來為運行人員進行運行和維護提供依據。（4）調節回路。除了通過控制回路來控制開關的跳合閘以外，有一些變壓器主設備還需要通過調節回路來調整期工作參數。（5）其他回路。除了上述回路以外，變電站二次系統還包括絕緣檢測回路、系統同期回路、操作電源回路等，是變電站功能實現的輔助回路，隨著電網技術的發展，變電站建設水平不斷提高，電氣二次回路技術水平的高低目前已經成為衡量變電站自動化程度的重要方式。

二、變電站電氣二次系統的設計

隨著我國建設堅強智能電網的進程不斷深入，電氣二次系統也經過了從簡單到復雜、從單一到多元、從手動到自動的發展歷程，從了就地分散、集中控制、單元控制逐步過渡到綜合控制。下文結合某220kV數字化變電站電氣二次的架構和設計，來詳細分析和研究變電站的電氣二次系統。

（一）變電站電氣二次系統的架構。如下圖1所示，為某

220kV數字化變電站的系統架構圖，該變電站采用保護集中布置方案，按無人值班變電站考慮設置綜合保護室，除10kV保護設備外其他所有保護、監控及通信屏柜均集中布置在綜合保護室內。變電站二次系統的架構與設計主要包含了智能化二次設備的選擇、通信規約的選擇和系統通信網絡的設計。

（二）變電站電氣二次系統的實現。（1） 智能二次設備的選擇。與數字化變電站設備智能化、通信網絡化、模型和通信協議統一化等特征相適應，變電站二次設備必須選擇相應的數字化保護。該220kV數字化變電站的所有模擬量交流采樣全部采用光纖點對點，而設備跳合閘采用GOOSE網絡方式來傳送開關量。 GOOSE服務是數字化變電站實現的一種重要手段，也是數字化變電站進一步發展的方向，通過SV和GOOSE組網，實現了開關二次設備的智能化。

（2）通信規約的選擇。根據數字化變電站的架構，其通信網絡主要包括站控層網絡和過程層網絡兩個部分，各個不同的通信網絡可以使用不同的通信規約。其中，站控層網絡規約包括IEC61850和網絡103規約，過程層網絡規約包括IEC61850和IEC60044-8規約。經過對比和分析，站控層網絡中，網絡103規約的互操作性較差，同時實時性要求不高，雖然費用較低，但難以為數字化變電站的通信提供充分的保障。而IEC61850規約是目前國標統一的面向數字化變電站的理想通信平臺，雖然費用相比網絡103較高，但互操作性強，而且實時性好。

基于此，該220kV數字化變電站采用IEC61850規范，構建統一的基于IEC61850規范的快速通信方式，在交流量傳輸中，采用了國際標準規定的IEC61850-9-1點對點方式，且不接入過程層的總線網絡。在開關量傳輸中，借助GOOSE服務的以太網，來實現開關量信息的快速傳遞。此外，該變電站取消了間隔層智能終端，借助交換機實現整個過程層設備之間的信息交互和共享，各個智能終端、保護和測控裝置之間實時交互，開關量與跳合閘之間全數字化。

（3）系統通信網絡的設計。1）間隔層和站控層通信的設計

系統的網絡架構采取了星型以太網絡，在間隔層與站控層的通訊以及站控層內部的通訊共用同一個通信網絡。考慮到該220kV變電站巨大的信息量，為了提升實時通訊的穩定性，該變電站選擇了1000/100M自適應的交換以太網。同時，220kV數字化變電站內的站控層設備相對較多，因此專門設計了獨立的站控層網絡，來為各個站控層設備之間提供信息的交換和傳遞通道。2）過程層通信的設計。在過程層的通信總線設計方面，通過過程層總線技術實現了過程層設備之間的信息交互，而未采用傳統的控制電纜。此外，基于繼電保護裝置對實時性的要求，過程層通信需要借助至少100M的以太網通信，并需要支持報文優先級和組播功能。3）間隔層通信的設計。間隔層的通信采用了間隔交換機，以更好的提高數字化變電站內各間隔的可靠性和實時性，間隔層的每個間隔都設立一個間隔交換機，該間隔內的所有設備均接入到該間隔的間隔交換機，并僅能通過間隔交換機來進行間隔內的信息交互。各個間隔交換機之間又能夠通過級聯匯總到總交換機，包括母線差動保護、變壓器保護、線路保護等在內的需要接入多個間隔信息的保護設備，則統一直接接入中的交換機。

結語：隨著我國智能電網建設的逐步深入，我國電網也朝著特高壓輸電、交直流混聯、暫態特性復雜的方向發展。變電站作為電力系統內部傳遞和輸送電能的重要節點，對電網建設發揮著日益重要的作用，隨著智能變電站的普及和推廣，變電站的電氣二次系統也朝著自動化、智能化的方向不斷發展，積極推進變電站電氣二次技術的發展和進步，對我國智能電網建設具有重要意義。

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