220kV智能變電站二次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備配置

莫阮清

智能變電站的二次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與設(shè)備較常規(guī)變電站發(fā)生了重大的變化。本文分析了220kV智能變電站“三層兩網(wǎng)”的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，闡述了二次系統(tǒng)設(shè)備配置基本原則，結(jié)合目前二次設(shè)計(jì)實(shí)施中遇到的問題，提出了改進(jìn)意見。

【關(guān)鍵詞】智能變電站 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 二次設(shè)備配置

1 概述

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，人們對(duì)供電可靠性和安全性有了更高的要求。而風(fēng)力、太陽(yáng)能等新能源電源的并網(wǎng)運(yùn)行對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成了一定的影響。智能電網(wǎng)能有效利用電力資源，提高供電可靠性，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、高效、環(huán)境友好和使用安全的目標(biāo)。

2011年起，作為智能電網(wǎng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，智能變電站在全國(guó)范圍內(nèi)進(jìn)入全面推廣建設(shè)階段，新建220kV變電站按《國(guó)家電網(wǎng)公司輸變電工程通用設(shè)計(jì)—110（66）～750kV智能變電站部分》（2011年版）中“第五篇 220kV變電站通用設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則”的技術(shù)方案。與傳統(tǒng)變電站相比，智能變電站最大特征體現(xiàn)在一次設(shè)備智能化、設(shè)備檢修狀態(tài)化和二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化，其中二次設(shè)備在采樣方式和組網(wǎng)形式上都發(fā)生了重大的變化，隨著電力技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的新技術(shù)應(yīng)用到二次系統(tǒng)中，因此研究智能變電站的二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)和設(shè)備配置有著重要的意義。

2 220kV智能變電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

以上海地區(qū)某220kV變電站為例，智能變電站系統(tǒng)采用三層兩網(wǎng)結(jié)構(gòu)，三層即站控層、間隔層、過程層，兩網(wǎng)即站控層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò)。

2.1 站控層

負(fù)責(zé)變電站的數(shù)據(jù)處理、集中監(jiān)控和數(shù)據(jù)通信，由主機(jī)、操作員站、遠(yuǎn)動(dòng)通信裝置、保護(hù)故障信息子站和其他各種功能站構(gòu)成，是全站監(jiān)控、管理中心，并與遠(yuǎn)方監(jiān)控/調(diào)度中心通信。站控層網(wǎng)絡(luò)采用百兆星形雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，冗余網(wǎng)絡(luò)采用雙網(wǎng)雙工方式運(yùn)行。站控層網(wǎng)絡(luò)MMS、GOOSE（邏輯閉鎖）、SNTP三網(wǎng)（功能）合一，共網(wǎng)運(yùn)行，全站數(shù)據(jù)傳輸數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、共享化。

2.2 間隔層

間隔層包括保護(hù)、測(cè)控、計(jì)量、錄波、相量測(cè)量等，不依賴于站控層和通信網(wǎng)絡(luò)，可以對(duì)間隔層設(shè)備進(jìn)行就地獨(dú)立監(jiān)控功能。保護(hù)測(cè)控裝置配置如下：

（1）主變保護(hù)雙套配置，高、中、低壓側(cè)及本體測(cè)控裝置單套獨(dú)立配置。

（2）220kV線路、母線、母聯(lián)（分段）保護(hù)雙套配置；

（3）110kV線路、母線、分段保護(hù)單套配置，采用保護(hù)測(cè)控一體化裝置，母線測(cè)控單獨(dú)配置；

（4）35kV 線路、電容器、站用變保護(hù)集成測(cè)控、計(jì)量功能，母差保護(hù)單套配置；

（5）110kV、35kV母線配置低壓減載裝置。

（6）過程層：過程層由互感器、合并單元、智能終端等構(gòu)成，是一次設(shè)備與間隔層設(shè)備的轉(zhuǎn)換接口，完成電流電壓量的采樣、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)的監(jiān)測(cè)和分合閘命令的執(zhí)行等。

3 智能變電站與常規(guī)變電站的二次設(shè)備比較

常規(guī)變電站中電流、電壓等模擬量直接從互感器經(jīng)電纜連接送至保護(hù)、測(cè)控和計(jì)量等二次裝置，保護(hù)采用直采直跳方式，各類信號(hào)量通過硬接點(diǎn)上傳。而智能變電站中電子互感器或者常規(guī)互感器+智能組件的配置使得采樣、命令和信號(hào)傳輸方式和傳輸介質(zhì)的轉(zhuǎn)變，電信號(hào)在就地轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，大大節(jié)省了電纜的用量，具體如下：

3.1 過程層設(shè)備的應(yīng)用

合并單元、智能終端等智能組件的引入實(shí)現(xiàn)了就地采樣信號(hào)和分合閘命令數(shù)字化。合并單元接收常規(guī)互感器輸出的模擬信號(hào)，經(jīng)同步和合并之后對(duì)外提供采樣值數(shù)據(jù)，同時(shí)滿足保護(hù)、測(cè)控、錄波、計(jì)量設(shè)備使用。間隔層保護(hù)測(cè)控設(shè)備的分合閘命令通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)下發(fā)，智能終端掛在過程層網(wǎng)上接收命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器、刀閘、主變等一次設(shè)備的控制、測(cè)量等功能。

220kV及主變各側(cè)為滿足繼電保護(hù)雙重化配置要求，合并單元雙套配置，除220kV母線設(shè)備和主變本體智能終端單套配置外，其余均雙套配置。110kV側(cè)根據(jù)《智能變電站110kV保護(hù)測(cè)控裝置集成技術(shù)要求（試行）》的要求，110kV采用合并單元智能終端合一裝置，除主變間隔和母線設(shè)備外均單套配置，同時(shí)兩個(gè)裝置合一可以把“直采直跳”的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)SV 和GOOSE 通信口進(jìn)行合并，減少間隔層裝置和過程層的通信端口，使間隔層的裝置設(shè)計(jì)更加緊湊。35kV部分不考慮配置智能組件。

3.2 保護(hù)采樣、跳閘方式的轉(zhuǎn)變

為了滿足繼電保護(hù)裝置對(duì)電流電壓量采樣以及保護(hù)出口跳閘的可靠性及實(shí)時(shí)性的要求，同時(shí)出于降低工程造價(jià)的目的，智能變電站保護(hù)采樣和跳閘均采用“直采直跳”。考慮到全站保護(hù)裝置均為就地下放布置，故SV采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式，220kV 及110kV GOOSE為獨(dú)立組雙星形網(wǎng)方式。目前隨著保護(hù)就地化推廣及優(yōu)勢(shì)展現(xiàn)，出現(xiàn)了不少關(guān)于220kV分布式母差保護(hù)的研究，基于FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）的媒體訪問控制（MAC）核仿真技術(shù)，利用新型具有延時(shí)明確和等間隔數(shù)據(jù)交換的過程層數(shù)據(jù)交換裝置，SV采樣由于延時(shí)明確可不依賴外部對(duì)時(shí)，220kV母線保護(hù)實(shí)現(xiàn)“網(wǎng)采網(wǎng)跳”，在滿足保護(hù)可靠性要求的前提下簡(jiǎn)化220kV過程層網(wǎng)絡(luò)。在保證跳閘動(dòng)作可靠性的前提下，網(wǎng)采網(wǎng)跳可以發(fā)揮更大的作用。

3.3 監(jiān)控系統(tǒng)的整合優(yōu)化

智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)組成、分區(qū)方式和設(shè)備配置上都與常規(guī)站有所不同，具體見表1。

4 設(shè)計(jì)中常見問題

目前220kV智能變電站二次設(shè)計(jì)中主要碰到如下問題：

4.1 就地智能控制柜布置及接線需多次溝通

220kV智能變電站保護(hù)裝置均就地下放至戶內(nèi)智能控制柜內(nèi)，有效節(jié)省繼保室屏位、縮減變電站建筑面積，同時(shí)極大減少站內(nèi)通信光電纜長(zhǎng)度及現(xiàn)場(chǎng)敷設(shè)工作量，便于運(yùn)維人員開展巡視和檢修校驗(yàn)工作。

保護(hù)就地化對(duì)智能控制柜的組屏和接線也提出了新的要求。國(guó)家電網(wǎng)企管[2014]909號(hào)文《國(guó)家電網(wǎng)公司關(guān)于印發(fā)<110（66）～750kV智能變電站通用一次設(shè)備技術(shù)要求及接口規(guī)范>等22項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的通知》和新“六統(tǒng)一”保護(hù)裝置的要求，有利于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，縮短供貨周期，提高回路接線正確性和合理性。但實(shí)際工程中智能控制柜由一次設(shè)備廠家提供，智能組件和保護(hù)測(cè)控裝置由其它二次廠家提供，需要對(duì)屏面布置、裝置間接線和端子排進(jìn)行整體設(shè)計(jì)及優(yōu)化，由于一次廠家對(duì)不同廠家的二次設(shè)備原理及圖紙了解程度不同，設(shè)計(jì)需要和廠家之間進(jìn)行多次溝通。

4.2 故障錄波、網(wǎng)絡(luò)報(bào)文分析記錄裝置占用過程層中心交換機(jī)光口數(shù)較多

根據(jù)國(guó)網(wǎng)公司調(diào)自[2013]185號(hào)文的要求，故障錄波裝置和網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析儀在技術(shù)要求、運(yùn)行要求、配置原則等方面有較大差異，不應(yīng)進(jìn)行整合。因此目前220kV智能變電站分別配置故障錄波裝置和網(wǎng)絡(luò)報(bào)文記錄分析裝置。

220kV變電站中雙重化保護(hù)應(yīng)接入兩套獨(dú)立錄波裝置和網(wǎng)絡(luò)分析裝置，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式接受SV 報(bào)文，采用網(wǎng)絡(luò)方式接受GOOSE 報(bào)文。實(shí)際工程中一個(gè)合并單元數(shù)據(jù)量按8M計(jì)算，同時(shí)預(yù)留50%的裕度，故障錄波、網(wǎng)絡(luò)分析裝置每個(gè)百兆LC光口能接入4～6個(gè)合并單元，數(shù)據(jù)通過過程層中心交換機(jī)接入，會(huì)有多個(gè)光口分別用于故障錄波和網(wǎng)絡(luò)分析，而兩者采樣上有很大的重復(fù)性，今后可考慮采樣上的整合，以減少光口數(shù)量、防止光纖接口處過熱。

4.3 現(xiàn)有獨(dú)立五防與集成

220kV智能變電站通過計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的邏輯閉鎖軟件實(shí)現(xiàn)全站的防誤操作閉鎖功能，若已建成分控中心站內(nèi)已設(shè)置防誤閉鎖主站系統(tǒng)，新建受控站受分控中心集控，需支持無縫接入中心站防誤閉鎖主站系統(tǒng)，受控站防誤閉鎖系統(tǒng)必須作為客戶端以RPC 遠(yuǎn)程接口調(diào)用的方式接入至上級(jí)中心站防誤主站系統(tǒng)，且要有完善的安全機(jī)制。防誤閉鎖邏輯以唯一性為原則，防誤閉鎖邏輯在中心站防誤主站系統(tǒng)，受控站不得存有防誤閉鎖邏輯。

5 總結(jié)

數(shù)字化、標(biāo)準(zhǔn)化是智能變電站的重要特點(diǎn)，我國(guó)變電站智能化技術(shù)正在日趨完善和更新發(fā)展中，目前已制定了較完善的技術(shù)原則。智能變電站帶來了二次系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備前所未有的融合，也給二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了新思路。220kV智能變電站采用“三層兩網(wǎng)”的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，較常規(guī)變電站更突出組網(wǎng)的概念。隨著“調(diào)控一體、運(yùn)維一體”要求的提出，對(duì)智能變電站進(jìn)行二次系統(tǒng)進(jìn)行功能整合和新技術(shù)的應(yīng)用將是將來發(fā)展方向之一。

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作者單位

上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院 上海市 200240