220kV彩虹智能變電站過程層組網分析

艾 飛，黃繼榮，胡冬良，張 振，林 楠

(1. 國網杭州供電公司，浙江 杭州 310009；2．國網宜昌供電公司，湖北 宜昌 443000)

220kV彩虹智能變電站過程層組網分析

艾 飛1，黃繼榮1，胡冬良1，張 振2，林 楠1

(1. 國網杭州供電公司，浙江 杭州 310009；2．國網宜昌供電公司，湖北 宜昌 443000)

智能變電站技術仍處于發展階段，但它是變電站建設的必然趨勢。目前，中國智能變電站數量較少，實際運行管理經驗較常規變電站欠缺。由于智能變電站自身的特點，給運行值班人員的學習理解帶來一定困難。過程層網絡是智能變電站的重要基礎，直接關系到全站數據采集和開關控制的可靠性和實時性。以新建220kV彩虹智能變電站為例，介紹了智能變電站保護、測控、智能組件配置，分析了各典型間隔保護、測控、智能組件之間的網絡連接及信息傳遞。對彩虹智能變電站的網絡剖析可以給運行值班人員對智能變電站設備的運行操作提供一定參考。

智能變電站；合并單元；智能終端；GOOSE；SV

0 引 言

智能變電站是變電站自動化技術發展的延伸。它采用先進、可靠、集成、低碳、環保的智能設備，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[1]，其主要特征是一次設備智能化，二次設備網絡化。智能站與常規站主要有以下區別[2]：

1)減少了大量硬接線，所有的開入、模擬量等信息采集均在就地完成，轉換為數字量后通過標準規約從網絡傳輸。

2)所有的開出控制通過網絡通信完成。

3)繼電保護的采樣、出口以及控制等功能均由網絡通信報文完成，取消了傳統的二次繼電器邏輯接線。

4)數據的共享通過網絡交換完成。

具體來講，智能變電站用光纜(網線)取代了電纜，數字信號代替了模擬信號，大大提高了采樣精度和信號傳輸的可靠性；大幅度簡化了二次接線，避免了傳統互感器和電纜連接的固有問題；設備之間的互操作性更強，相當程度地提高了變電站的自動化水平：因此，分析清楚智能變電站的網絡結構，尤其是過程層網絡和信息傳輸對于智能變的運行管理極為重要。

1 彩虹變電站概況

彩虹智能變電站工程位于杭州市濱江區，目前工程規模如下：主變壓器2×240 MVA；220kV系統采用戶內GIS，雙母接線，設專用母聯，出線4回；110kV采用戶內GIS，單母分段接線，設專用母分，出線6回；35kV采用常規戶內開關柜設備，出線5回。主變壓器配置2套電氣量保護和1套非電量保護。220kV母線配置2套母差保護，220kV線路配置2套線路保護，220kV母聯配置2套母聯保護。110kV母線配置1套母差保護，110kV線路配置1套線路保護，110kV母分配置1套母分保護，110kV側還配置備1套自投。35kV線路和母分配置1套保測一體化裝置，均置于各自開關柜二次倉門上。

隨著光纖通訊技術、網絡技術的快速發展及其在變電站自動化系統中的深入應用，用數字通訊手段“傳遞”電量信號，用光纖作為傳輸介質取代傳統的金屬電纜構成網絡通訊的二次系統是智能變電站的必然選擇[3]：因此，通訊傳輸網在智能變電站中地位重要，是變電站的“神經”。為此，本站中網絡交換機工作電源均采用雙電源配置，確保站中信息傳輸的可靠性。彩虹變電站開關設備與互感器均為傳統設備，互感器輸出模擬量通過電纜接入相應合并單元；并在合并單元內進行模數轉換，避免了傳統接線中電壓互感器短路、電流互感器開路的問題，提高了數據精度。SV連接和GOOSE連接采用光纖設備，按照IEC 61850的規范進行通信。設備間的連接除合并單元只有輸出外(采用一股光纖)，其他均為輸入輸出(采用兩股光纖)。

彩虹變電站采用了“三層兩網”的網絡結構。站控層設備主要有監控主機、遠動通訊裝置、對時系統等，實現對全站設備的監視、控制、告警及信息交互功能，完成數據采集與監控，操作閉鎖及同步相量采集、電能量采集、保護信息管理等相關功能。間隔層設備按斷路器間隔劃分，主要有保護裝置、保測一體化裝置、測控裝置，實現使用一個間隔的數據并且作用于該間隔一次設備的功能。過程層是一次設備與二次設備的結合面，即智能化電氣設備的智能化部分。其主要功能為運行電氣量檢測、運行設備狀態檢測、操作控制命令執行[4]。過程層設備主要有合并單元和智能終端，合并單元主要用來接收本間隔或多個間隔電流互感器、電壓互感器輸出的模擬量，并在裝置內部進行模數轉換，以IEC 61850的幀結構將電流、電壓信號合并處理后通過SV光信號傳給保護、測控等間隔層設備。智能終端用來獲取刀閘和斷路器的位置信號等信息，并通過GOOSE規約上傳給間隔層設備，同時接受保護的跳閘命令或測控的控制命令，來驅動斷路器或刀閘，類似操作箱的功能，作為智能開關設備尚未出現情況下的一種過渡設備[5]?！皟删W”指MMS網和GOOSE網。站控層設備間以及站控層與間隔層設備間通訊使用MMS規約通訊，使出自不同制造商的設備之間具有互操作性[6]。過程層與間隔層設備通訊使用GOOSE通訊規約，主要包括傳輸跳合閘信號，具有高傳輸成功率[7]。

2 GOOSE及SV信號傳輸

智能變電站過程層網絡通信主要涉及合并單元和智能終端的使用，對全站的安全穩定運行起極其重要的作用[8]。目前智能變電站過程層的組網方式主要有[9]：1)SV直連和GOOSE直連；2)SV組網和GOOSE直連；3)SV直連和GOOSE組網；4)SV組網和GOOSE組網；5)混合組網。彩虹變電站主要考慮保護裝置安全可靠性的要求，盡量避免因網絡故障導致保護功能失效，采用了混合組網方式：保護采樣和跳閘點對點，其余通過組網方式實現。因此，這些合并單元和智能終端都有多個光纖接口以滿足直連和組網的需求。

2.1 主變壓器配置

主變壓器配置2套電氣量保護(A套、B套)和1套非電量保護，每套電氣量保護包含完整的主、后備保護功能。主變壓器各側配置合并單元2套，智能終端2套。220kV側和110kV側智能終端與合并單元各設于同一智能組件柜中并就地放置于一次設備現場。35kV側2套智能終端與合并單元設于相應母線母設柜二次倉上。主變壓器每側配置1套測控裝置，本體單設1套測控裝置。

圖1 主變壓器A套保護相關信息流向

圖2 主變壓器B套保護相關信號流向

合并單元的信息是單向傳輸的，本站主變壓器各側合并單元采集電壓、電流信號并直接通過光纖送給電量保護，保護動作后直接傳跳閘信號給各側智能終端跳開各側斷路器，即“直采直跳”。

圖3 主變壓器非電量保護相關信號流向

主變壓器本體合并單元2套與非電量保護設于同一柜并置于主變壓器現場。該非電量保護與主變壓器本體智能終端功能合并于同一裝置。

如圖3所示，本站非電量保護采用就地直接電纜跳閘，本體智能終端接受非電量保護動作報文；而且能采集主變壓器中性點接地刀閘分合狀態、主變壓器調檔信息及中性點接地刀閘控制信息。

2.2 220kV線路配置

圖4 220kV線路保護A套相關信息流向

圖5 220kV線路保護B套相關信息流向

220kV線路保護2套(A套、B套)分別設于2個屏柜，包含主、后備功能，配置2套獨立的合并單元、智能終端，各智能終端分別控制1個跳閘線圈。智能終端間通過網絡連接實現2套重合閘之間的配合。

圖6 220kV母線保護A套相關信息流向

220kV線路保護采用線路三相電壓電流實現保護功能，由線路間隔合并單元提供。母線電壓用于同期功能，由母線間隔合并單元送入線路間隔合并單元，并在線路間隔合并單元實現電壓切換。線路保護動作后，經GOOSE光纖直接傳送跳合閘信號、重合閘信號至智能終端。同時智能終端也向線路保護傳送斷路器位置、壓力低閉鎖重合閘、智能終端閉鎖重合閘等信號。

2.3 220kV母線配置

圖7 220kV母線保護B套相關信息流向

220kV母線保護2套(A套、B套)分別設于2個屏柜。母線保護包括母差保護、開關失靈保護功能，母線上各間隔合并單元單向向母差保護提供電流采樣值，母差保護所需的電壓由各段母線母設合并單元提供。保護動作后直接開入相應的智能終端，實現“直跳”。各間隔智能終端向母差保護提供母線刀閘位置、斷路器位置信號，母差保護向線路智能終端傳送閉鎖重合閘及三跳信號，線路開關或主變壓器開關失靈信號通過各網中心交換機GOOSE網絡傳送給母差保護，即“網跳”。

2.4 220kV母聯配置

圖8 220kV母聯保護A套相關信息流向

220kV母聯保護2套(A套、B套)分別設于2個屏柜。母聯測控1套。母聯合并單元單向向母聯保護和母差保護提供所需電流，母聯保護或母差保護動作后開入母聯智能終端，“直跳”母聯開關。母聯智能終端向母差保護提供母線刀閘位置、斷路器位置信號。母聯失靈或死區故障時啟動母差的相關信息通過GOOSE網絡傳送。

圖9 220kV母聯保護B套相關信號流向

2.5 110kV線路配置

圖10 110kV線路保護相關信息流向

110kV線路保護測控一體化1套，單設于一屏柜，原理及信息流向同220kV線路。

2.6 110kV母線保護配置

圖11 110kV母線保護B套相關信息流向

圖12 110kV母分及備自投相關信息流向

110kV母線保護1套，單設一屏柜，原理及信息流向同220kV母線。

2.7 110kV母分及備自投配置

110kV母分保護測控一體化設備1套，設于一屏柜。母分合并單元向母分保護提供電流信息，向母差保護提供電流、電壓信息。母分保護或母差保護動作后“直跳”母分開關。1號、2號主變壓器電量保護直接傳送閉鎖信號到備自投裝置，備自投從1號、2號主變壓器110kV側合并單元取得所需電流、電壓量，并根據運行方式傳送跳合閘信號到相應智能終端。

3 結 語

按照國家電網公司規劃，智能變電站已全面開展建設。過程層組網方案及過程層信息傳送對智能變電站的安全穩定運行起決定性作用。以彩虹智能變電站為例，介紹了智能站的特點，智能站的保護測控、合并單元、智能終端配置設置，然后按各典型間隔詳細分析了過程層設備與間隔層設備之間的光纖連接和信息傳送，具有較強的實踐性，對于變電運行值班人員的運行操作和學習理解有一定的指導意義。

[1] Q/GDW 441-2010，智能變電站繼電保護技術規范[S]．北京：中國電力出版社，2010.

[2] 武登編寫組. 智能變電站1000問[M]. 北京：中國電力出版社，2014.

[3] 國家電力調度控制中心，國網浙江省電力公司. 智能變電站繼電保護技術問答[M]. 北京：中國電力出版社，2014.

[4] Q/GDW 383-2009，智能變電站技術導則[S]．北京：中國電力出版社，2009.

[5] 馮軍. 智能變電站原理及測試技術[M]. 北京：中國電力出版社，2011.

[6] 黃新波. 智能變電站原理與應用[M]. 北京：中國電力出版社，2013.

[7] 邱智勇，陳健民，朱炳銓. 基于IEC 61850的500kV三層結構數字化變電站建設[J]. 電力系統自動化，2009，33(12)：103-107.

[8] 蘇麟，孫純軍，褚農. 智能變電站過程層網絡構建方案研究[J]. 電力系統通信，2010，31(7)：10-13.

[9] 趙永生，桑仲慶，劉海峰，等. 曾家沖智能變電站自動化系統關鍵技術和問題分析[J]. 湖南電力，2011，31(5)：4-7.

艾 飛(1983)，碩士、工程師，主要從事變電運維工作；

黃繼榮(1965)，高級技師，主要從事變電運維工作；

胡冬良(1982)，碩士、工程師，主要從事變電運維工作；

張 振(1982)，碩士、工程師，從事繼電保護整定工作。

The study of smart substation is in progress, but it is an inevitable trend to the further development of substation constructions. The quantity of smart substations is still low at present in China, and it is lack of the experiences in operation and management of smart substations, so operators also face many challenges in study and understanding. Process layer networking is an important base of smart substation. The composition, information transmission and network connections of process layer networking are introduced taking 220kV Caihong smart substation for example. Network analysis of this smart substation provides a reference for operation and manipulation of smart substation.

smart substation; merging unit; smart terminal; GOOSE; SV

TN915

B

1003-6954(2017)02-0075-04

2016-11-08)