特高壓變電站通信屏柜布局優化設計與分析

李 葵，林 航，陳曉娟

（1.國網安徽省電力公司信息通信分公司，安徽合肥230000；2.北京許繼電氣有限公司北京100000）

電力系統中樞紐變電站的建設以及通信系統的改造過程中，均需要考慮通信屏的布局。對通信屏柜的布局需要考慮到變電站整體的規劃建設，同時要按照信號流程最簡化原則進行規劃[1]。該種布局方式不僅實現了通信設備的優化布置，且最大限度地減少了通信線纜的交叉，具有顯著的效果[2]。

實際工程中，高等級輸電線路和大型變電站的建設具有階段性。這意味著，通信設備的建設及相關線路的光纖保護配置建設也同樣具有階段性[3-5]。若在前期工程建設中考慮按照上述原則進行布局，后期工程中由于新設備的建設，設備之間將會發生空間割裂、走線混亂等問題，違背了“終期性原則”以及“信號流程最簡化原則”。同時，也會影響到設備維護的便捷度和應急的效率。

因此，有必要對特高壓變電站通信屏柜的布局設計流程進行優化與分析。充分考慮變電站在不同工期建設中可能出現的問題，對變電站通信屏柜進行合理配置，以達到“一致性和特殊性兼顧原則”。針對上述問題，文中首先提出了變電站通信屏柜布局過程中所需考慮的問題。針對問題以信號設備的分層區分配置為原則，提出了通信屏柜以及相關設備的布置方案，從而為解決工程分期建設引起的變電站通信屏柜布置問題提供了建議。

1 變電站通信屏柜布局

在變電站建設過程中，通信屏柜的布局除了要考慮簡潔、方便之外[6-8]，還應兼顧變電站建設的特點。即大型變電站分期建設過程中應按照終期目標，給相應的設備和布線留下一定的發展余地[9-10]。因此，進行變電站通信屏柜的建設在“信號流程最簡化原則”這一核心原則的基礎上，要考慮到通信屏內二次設備及其走線的特殊性及整體的一致性[11-12]。

1）通信屏柜端子排

一般情況下通信屏柜端子排按照單元分段集中的方法，依次按照交流回路、電源回路、信號回路進行排序。不同屏柜之間通過端子排來轉接，通過轉接排的設計。從而可以有效避免各個裝置之間的相互干擾，同時使得整個屏柜的走線更加緊湊。

2）跳閘回路雙重化

電力系統的安全性是建設變電站必須首先考慮的問題。因此，為了有效避免事故的發生，通信屏柜一般均使用雙重保護的方式。同時，對于保護裝置需要設置UPS電源，防止由于供電中斷而引起的事故。對于電壓等級較高且具有雙重保護的線路，每套保護需單獨引出一個跳閘接點到跳閘線圈。在實現跳閘回路雙重化的基礎上，同時避免了線路的交叉重疊。

3）遠方復歸收發信機

LFP系列的線路保護中，發信機的復位需要手動操作，從而增加了現場運行人員的工作量。為了降低工作量，同時實現線路保護的可靠動作，除了需要在現場安裝信號收發機之外，還需安裝方法收發機。通過近端與遠方收發機，實現現場工作人員和遠方控制室能夠同步接收動作信號，并對保護做出相應的指令。

4）旁路時非全相保護

變電站主變壓器切換為旁路運行時，仍存在一些問題。因此，在優化設計的過程中將對旁路保護柜的保護裝置進行整定。以實現旁路的正常運行，并使其達到非全相保護的條件。

5）和綜合自動化站配合

通信屏柜的布置不僅要考慮其自身在變電站中的作用，同時還要考慮其與現場其他設備的相互配合。由于綜合自動化站的測控柜只能提供手動操作，故需要在通信屏柜中增加雙位置繼電器，從而實現線路保護的遠方操作和接地切換的兼容。

6）報文監視

變電站通信屏柜兼具監視功能，故需要在通信屏柜內配置報文監視工具，實現同時對多個運行通道的實時監視。由于變電站的通信安全級別較高，故報文監視工具還應具有截獲文件、報文分析等功能。

除了上述所需考慮的問題之外，500 kV和1 000 kV變電站中，還有遠動以及通信等調度自動化的問題[13-14]。目前，樞紐變電站已實現和調度計算機、通信屏柜的分離。調度席位的去主機化，能夠從根本上解決由于大量主機的布置而引起的散熱問題以及需要大容量不間斷電源供電問題。對于電力系統的穩定運行具有重要意義[15-16]。

2 變電站通信屏柜優化布置方案

2.1 通信系統主要信號設備配置

特高壓變電站通信系統的安全自動化是整個變電站通信系統中最為重要的部分，因通信自動化系統是確保繼電保護信號有效傳輸的重要基礎。一般情況下，1 000 kV變電站8回，16路信號傳輸通路。所以，遠動通信室需配置4套相應的光傳輸設備和16套遠方接口設備。500 kV輸電線路是12回，24路信號傳輸通路，故需配置4套光傳輸設備和24套遠方接口設備。圖1為特高壓變電站通信信通主要信號設備的配置示意圖。

2.2 通信屏柜布置

圖1 通信系統主要信號設備配置示意圖

特高壓變電站通信設備一般按照分層分區的方式進行配置，同時出于對信號傳輸的可靠性考慮，需要將用于光纖通信的光端機以及線路保護接口設備置于1 000 kV或500 kV保護室內。如圖2所示，為通信屏柜布置示意圖。

首先，線路保護的專用通信設備位于匯聚層。同時，在匯聚層的155/622 M光端機之后需要連接兩個8位系統數字信號配置器、兩個220 V轉48 V的直流電源變換器以及一套光信號配置器。

圖2 通信屏柜布置示意圖

其次，需要具有相應的備用設備。每種型號的信號發生器至少應保持一臺備用設備，或兩臺設備可以互為備用。如圖2中的A-1-1和B-1-1，A-2-1和B-2-1之間即互為備用。只要其中任何一臺出現故障，備用設備便可在5 s之內投入運行，從而防止由于設備故障造成系統信號傳輸的中斷。

AUG和TUG時隙一般按照1:8的形式分配，即如果只有一個AUG時隙，則TUG就需要配置8個時隙。同時，還需滿足向下兼容的8個兩兆數配支路接口。同理，TUG_2也需要配置8個時隙作為TUG_1的冷備用。

3 變電站通信設備優化配置

3.1 配線設備配置方案

為了保證特高壓變電站通信系統的可靠性，1 000 kV輸電線路和500 kV輸電線路的通信光纜應分開接入。同時，考慮到設備的故障率和運行可靠性等因素，每種電壓等級的通信設備均需分別配置一臺備用設備。因此，1 000 kV和500 kV的通信屏柜也應有相應的備用顯示屏。綜上，變電站現場1 000 kV系統和500 kV均需要配置兩臺光配屏和各自的OPGW連接。

現場的通信設備通過模擬電路和匯聚層的光端機相連，數字信號轉換為光信號。然后通過光纖將設備信息傳到遠方通信室，遠方通信室則通過相應的接受光端機接收信號。遠方通信室只是對現場信號進行監控，故只需安裝一臺必要的通信屏即可。因此，配線設備配置方案如圖3所示。

圖3 配線設備配置方案

3.2 通信設備配置方案

特高壓變電站的數據業務主要是通過封裝以太網信息，將其放入SONET/SDH中進行傳輸，即IP over SDH綜合數據網。

IP over SDH實質是在一種光纖信號傳輸系統。其中，SDH 是指“Synchronous Optical Network”，即“同步光網絡”。由于電力系統數據在傳輸過程中，信息量大，可靠性要求高，故需要選擇一種合適的信息傳輸技術進行交換和接入設備的配置。傳統的PHD技術在向更高傳輸速率發展的同時，也暴露出：分支電路復雜、不利用維護、兼容性低等問題。所以，在此基礎上SDH克服了PDH的不足。IP over SDH通信系統有如下特點：

1）SDH有強大靈活的分插功能，能夠隨時滿足設備增加以及通信擴容的需求；

2）SDH有強大的網絡管理能力，能夠實現不同電壓等級和不同保護信號的綜合與分析；

3）SDH有標準的光纖接口規范，能夠實現不同廠家的設備互聯，實現了真正的橫向兼容；

4）SDH系統在設計的過程中，充分考慮到了電力系統通信設備的兼容性問題。因此，SDH具有向后兼容和向前兼容性，即可以兼容上一代線路保護通信系統PDH。同時，又滿足了下一代變電站電力保護通信系統的連接要求。

3.3 網絡管理設備配置方案

特高壓變電站網絡管理設備要求其在復雜的電磁環境下，實現對變電站及電力系統網絡進行規劃、控制和監視的功能。因此，變電站的網絡管理設備又有其特殊的要求：

1）電力系統保護的動作，設備的投切等均會導致系統網絡拓撲結構的改變。因此，網管設備需要隨時監控電力系統網絡拓撲結構的變化。

2）變電站網絡設備復雜，型號眾多。所以，要求網絡管理設備能夠同時管理多種網絡設備，實現管理異構網絡。

3）通信設備的正常運行是變電站實現信號連接的基礎，故網絡管理設備應具有全方位故障監控的能力。

4）電力系統的安全性要求較高，為了防止外來接入設備對系統的干擾，網絡管理設備需要對終端接入情況進行監控和查詢。

5）有線和無線通信業務的統一配置，是實現電力系統通信網絡管理的重要內容。其不僅能夠提升設備的配置效率，同時也能實現保護通信的分組和擴增。變電站網絡管理設備配置的人機交互界面，如圖4所示。

圖4 變電站網絡管理設備人機交互界面

3.4 變電站通信設備電源配置方案

特高壓變電站通信設備的供電電源，不僅要求其滿足電源的穩定、不間斷的供電要求。同時，也要求其能夠在復雜電磁環境的干擾下正常工作。

針對特高壓變電的網絡環境和網絡監控系統的特殊要求，通信設備電源在其配置的過程中應滿足以下要求：

1）不間斷工作，即一旦電網發生解列或供電中斷的情況，UPS也應滿足該變電站通信設備的正常工作；

2）電壓不穩定時，即電壓下陷、欠壓或過壓的情況下，UPS均應輸出穩定的電壓，而不隨外部條件的變化；

3）強抗干擾能力，主要包括電力系統特有的頻率漂移、暫態過電壓以及諧波干擾等情況。

綜合考慮上述情況下，特高壓變電站通信設備電源可參考如下方案配置：輸出功率容量1.2 MW/2.0 MVA，輸出頻率為50 Hz，輸出電壓為380 V，波峰系數為2.5，且THC應小于4.5%，輸出波形為正弦波。輸出電壓THD在線性負載下小于2.5%，非線性負載下小于3.5%；在200%過載條件下持續工作1分鐘，在150%過載條件下持續工作5分鐘，在125%過載條件下持續工作10分鐘。

4 結束語

文中針對目前變電站建設過程中通信屏柜布局存在的“信號流最簡化原則”和“一致性與特殊性兼顧原則”之間的矛盾，分析了特高壓變電站通信屏柜布局考慮的問題，并給出了特高壓變電站通信系統主要信號設備配置建議和通信屏柜布置建議。在此基礎上，進行了特高壓變電站通信設備的優化布置與分析。本文的研究可以為特高壓變電站通信屏柜的布局優化提供參考。

超高壓變電站的建設是一項復雜的工程，在實際工作中需要對各種情況進行綜合考慮，不斷總結經驗、完善改進，以保證電力系統的安全穩定運行。