智能變電站二次系統設計研究

劉 俊，周旖輝，李煜磊，鐘宇文，賀豐婕，李 旭

（國網湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢 430050）

0 引 言

近年來，智能變電站的數量急劇增長。同傳統變電站不同，智能站的二次系統發生了根本性改變。傳統變電站的二次設計方法已不再適用于智能變電站的設計需求。二次系統作為變電站設計中極其重要的一部分，研究其設計方法具有極其重要的現實需求。

1 虛端子

1.1 虛端子定義

伴隨智能變電站研究的深入，站內的一部分信息都以數字信息的形式在光纜內傳遞（例如，保護裝置間的分合閘出口、各類信號的交換和采樣數據的傳遞等）[1]，傳統意義上的端子數量大量減少。但是，端子的減少并不意味著二次回路原理的改變，其只是以另一種形式存在。因此，原有對應開關量輸入、開關量輸出、模擬量輸入的端子，此刻分別對應于GOOSE輸入、GOOSE輸出、SV輸入，這類信號統稱為虛端子[2]。

虛端子的特征如下[3]：

（1）允許一對多，不允許多對一；

（2）虛端子的存在，實現了邏輯上的傳遞方與接收方之間的分隔。

1.2 裝置虛端子的定義

1.2.1 定義SV輸入虛端子

SV輸入采用虛端子，其模型為包含“SVIN”關鍵字前綴的GGIN邏輯節點實例中定義的一類數據對象[4]。圖1為母線保護（SGB-750A-DA-G型）SV虛端子示意圖。其中，每一個虛端子都有其自身的定義與描述。例如，In01口SV虛端子“220 kV母線PT合并單元A套額定延時”為其功能定義“PISV/SVINGGIO1.DelayTRtg1.instMag.i”，這是 In01口傳輸數據的數據屬性。

圖1 SV輸入示意圖

1.2.2 定義GOOSE虛端子

GOOSE虛端子的定義方式與SV有相同點，即需要使用GGIO邏輯節點實例方面的定義DO信號，且需要包含功能的描述和其內部應用地址[5]，如圖2、圖3所示。

圖2 GOOSE輸入示意圖

圖3 GOOSE輸出示意圖

2 基于虛端子的智能變電站二次虛回路的設計

智能變電站中，需要利用全站的虛端子接線表、全站設備SV/GOOSE的數據流向圖及各裝置之間的物理連接圖，設計全站的二次回路[6]。

具體流程如下：

（1）按照變電站各個間隔和設備的電壓等級分成幾個部分，根據訂購設備的型號和初期設計，分電壓等級繪制各個間隔的SV/GOOSE數據流圖；

（2）繪制全職的裝置物理連接圖，制定全站的光纜清單。裝置物理連接圖能完整展示全站各個設備之間的光纜連接情況，也能全面展現全站的光纜清單；

（3）IED生產商能以Excel表格格式提供相關設備的輸入/輸出虛端子的定義[7]。根據廠家提供的定義，設計人員能完成虛端子連接表，完成SCD文件的制作，之后下載進各個裝置。

2.1 設計SV/GOOSE數據流圖

設計中選擇直采直跳方案，各類數據除了部分以點對點的方式傳輸，其余通過交換機以廣播的方式傳輸。合并單元直接采集互感器所獲電流電壓，以數字信號的形式點對點傳輸給保護裝置。傳輸標準選擇IEC61850-9-2，并通過交換機發給需要數據的智能電子設備。交換機的對時標準選擇IRIG-B。SV數據通過交換機將被發送給線路測控、故障錄波、線路電度表和同步相量測量裝置（PMU）。

3)分別求解m個評價指標的條件熵Ej，并對其進行歸一化處理，得到關于各評價指標重要性的熵值e(dj)=(1/lnn)Ej。

在500 kV間隔中，邊斷路器的電流合并單元將采樣數據發送至500 kV線路保護（只與線路相連的有）、500 kV斷路器保護和500 kV母線保護（與該斷路器相連母線），只與主變相連的斷路器的斷路器電流合并，才需要發送至主變保護。而中開關的電流合并單元需要將采樣數據送至主變保護，而不需要送給500 kV母線保護，如圖4所示。

圖4 500 kV間隔電流采樣數據流圖

此外，500 kV間隔中的線路電壓合并單元與主變合并單元的電壓采樣數據流，如圖5、圖6所示。線路合并單元需要將數據發送至與線路相連斷路器的斷路器保護處，好需要送一組單相電壓作為中斷路器的同期電壓。主變電壓合并單元需要送一組單相電壓給邊斷路器和500 kV線路電壓合并單元，作為其同期電壓。

圖5 500 kV線路合并單元電壓采樣數據流圖

圖6 主變合并單元電壓采樣數據流圖

在220 kV間隔中，利用FT3規約，220 kV母線PT合并單元向線路合并單元傳輸級聯電壓。220 kV間隔的采樣數據流圖如圖7所示。

圖7 220 kV線路間隔采樣數據流圖

35 kV間隔的SV數據一般只有電流電壓數據的輸入，故不在此贅述。

以某個220 kV間隔內GOOSE數據流圖為例設計GOOSE數據流圖，如圖8所示。

2.2 裝置物理連接圖

裝置物理連接圖是用來表達站控層、間隔層和過程層交換機的光纜連接方式[8]。通過各個交換機之間的連接，根據設計的SV/GOOSE數據流圖，確定每根光纜所鏈接的兩個設備的光口類型，從而選出與之相符的光纜型號。光纜清單是按照這個方式確定的全站的光纜型號與連接方式的清單[9]。以圖9為例，給出了過程層的交換機光纜連接圖。圖9以過程層交換機為主體，并未畫出各個設備之間的連接。實際上，保護裝置一般為直采直跳，即保護裝置與智能終端間有直接光纜連接。過程層交換機連接中心交換機，其中PMU、故障錄波等設備通過中心交換機獲取相應的電壓值、電流值、斷路器位置及保護動作信息。

圖8 GOOSE數據流圖

圖9 過程層連接示意圖

2.3 全站虛端子連接表

根據數據流圖和裝置物理連接圖，建立Excel格式的全站虛端子表。該虛端子表需要清晰明確表達全站的二次回路數據傳輸和虛二次回路的連接關系。虛端子表需要有詳細的接收方、發送方及其對應的數據描述和數據類型。

3 就地智能控制柜二次回路設計簡化

隨著智能站大量投入運行和新智能站籌建的全面開展，提出了智能化二次設備就地化，充分利用一次設備廠商完成集成的要求[10]。針對這種要求，提出了二次回路的簡化設計方法。

3.1 減少斷路器/刀閘輔助接點數量

將一副常閉、一副常開輔助接點采集，通過開入插件將信息傳遞至CPU，利用GOOSE報文向IED發送位置信息。這樣所有IED只能接受唯一一個信號源的位置信息，且所有IED關于開關位置的信息保持一致。此外，根據裝置的需求完成單雙點信號設置。通過此方法，輔助接點的數量大量減少，能實現一半以上的節約。

3.2 簡化斷路器總位置信號回路

直接利用邏輯判斷，就能完成通過分相跳合閘位置合成斷路器的跳合閘總位置。GOOSE報文的存在避免了對信息的冗余采集，完成了二次接線的精簡。

3.3 跨間隔橫向電氣聯閉鎖回路取消

基于GOOSE報文的廣播機制，能實現多個間隔位置共享，且本間隔測控裝置能完成間隔內的五防邏輯閉鎖。改造時，僅需要修改配置和增加邏輯節點，即可完成二次接線的簡化，提高回路的可靠性。

3.4 取消冗余控制開關

取消控制轉換開關裝置，取消與其相關聯的二次回路，一定程度上完成了二次回路接線的簡易化，降低了誤操作的可能性。

3.5 簡化電壓并列切換回路

以SV信號的形式取母線電壓；以GOOSE信號的形式去開關位置；經由母線電壓合并單元，實現各間隔間的電壓級聯。該方法從源頭上避免了二次反充電現象。

可見，這些設計明顯簡化了智能控制柜的二次回路，具有優點：節約投資成本，降低事故發生的可能性，減少現場調試任務，縮短工程周期，提高設備的集成度，實現更方便、更可靠。

4 結 論

本文以虛端子為基礎提出了二次虛回路的設計方法，利用全站設備間的SV/GOOSE數據流向圖、各裝置間的物理連接圖、全站的虛端子接線表和光纜清單實現全站的二次回路設計，并提出了就地智能控制柜二次回路設計簡化方案，為未來的智能變電站二次系統設計等工作提供了理論依據。