變電站二次設備集成優化設計

劉學進，鄒忱忱

（國網江西省電力有限公司贛州供電分公司，江西贛州 341000）

0 引言

隨著智能變電站技術的快速發展，調控一體化及變電站無人值班管理模式的推進，對變電站二次設備進行合理的集成優化已成為技術發展趨勢，對提高電網運行可靠性、降低變電站投資具有重要意義。

本文結合工程實踐中的經驗和問題，以及目前智能變電站的技術發展現狀，對自動化系統三層結構中各層設備進行集成優化，在保證功能正常實現的基礎上，減少設備數量，降低設備投資，簡化系統結構，提高可靠性。

1 變電站自動化系統設備配置方案

1.1 站控層設備

1）一體化平臺主機

全站配置2臺一體化平臺主機（具備主機、操作員站、繼電保護故障信息系統子站、五防工作站等功能），其中一體化平臺主機1兼數據服務器功能，一體化平臺主機2兼綜合應用服務器功能。站控層數據庫建庫以及主接線圖等按變電站遠期規模設置參數，便于以后擴建工程的實施[1，2]。

2）數據通信網關機

全站配置2臺綜合數據通信網關機、1臺Ⅲ/Ⅳ區數據通信網關機。

3）網絡打印機

在自動化系統站控層設置1臺網絡打印機，取消裝置柜上的打印機，通過自動化系統的監控主機打印全站各裝置的保護告警、事件、波形等。

1.2 間隔層設備

主變間隔、220 kV間隔采用保護與測控分開配置，測控裝置集成非關口計量功能。

110kV間隔采用保護測控一體化裝置，其中110kV線路保護測控裝置集成非關口計量功能。

10 kV間隔采用保護、測量、計量多合一裝置。

變電站采用故障錄波及網絡記錄分析一體化裝置，按電壓等級和網絡進行配置，取消獨立的主變故障錄波裝置。配置1面故障錄波及網絡記錄分析柜，內均含4套暫態錄波及網絡報文分析單元、1臺管理主機。

1.3 過程層設備

1）合并單元智能終端一體化裝置

220 kV間隔合并單元智能終端一體化裝置按雙重化配置。

110 kV線路（分段）合并單元智能終端一體化裝置按單套配置。

10 kV除主變壓器間隔外不配置合并單元智能終端一體化裝置。

主變壓器高、中、低壓側合并單元智能終端一體化裝置按雙重化配置。主變本體智能終端按單套配置，集成非電量保護功能。

220 kV本期雙母線接線，遠期雙母單分段接線。按雙重化配置2臺母線合并單元智能終端一體化裝置，2臺智能終端（其中1臺智能終端布置于遠期220 kV IIA母PT間隔）。

110 kV本期單母分段接線，遠期單母三分段接線。按雙重化配置2臺母線合并單元智能終端一體化裝置，2臺智能終端（其中1臺智能終端布置于遠期110kV III段PT間隔）。

合并單元智能終端一體化裝置分散布置于配電裝置場地。

2）智能控制柜

就地布置的智能控制柜按間隔進行配置。

每個間隔配置1面智能控制柜，每面智能控制柜內包含合并單元智能終端一體化裝置及IED裝置等設備。

3）狀態監測IED

每臺主變配置1臺狀態監測IED，全站220 kV避雷器共配置1臺狀態監測IED。

1.4 網絡設備

1）站控層/間隔層網絡交換機

站控層/間隔層交換機配置情況如表1所示。

表1 站控層/間隔層交換機配置表

2）過程層網絡交換機

按間隔對象配置過程層交換機，每臺交換機的光纖接入數量不超過16對，配備適量的備用端口，備用端口的預留考慮虛擬網的劃分，見表2。

表2 過程層交換機配置表

1.5 站控層集成優化

根據國家電網調自〔2013〕185號《國調中心關于印發變電站二次系統和設備有關技術研討會紀要的通知》中提出的智能變電站站控層設備配置方案，220 kV變電站站控層設備配置如表3：

表3 220 kV變電站站控層設備配置表

從上表可以看出，盡管監控主機集成了操作員站、工程師工作站，但是站控層主機仍有4臺，數據通信網關機有5臺，裝置數量較多，投資較高，占地面積較大。

隨著調控一體化及變電站無人值班管理模式的推進，根據“調控一體、運維一體”的運行要求，綜合考慮設備硬件處理能力。本工程對站控層設備進行優化配置，將監控主機、操作員站、工程師工作站、繼電保護故障信息子站、數據服務器、綜合應用服務器進行整合，使其成為一體化平臺主機，并實現高級應用功能。同時，將Ⅰ、Ⅱ區數據通信網關機整合為綜合數據通信網關機。

監控主機負責站內各類數據的采集、處理，實現站內設備的運行監視、操作與控制、信息綜合分析及智能告警，集成操作員站、工程師站工作站、保護信息子站和防誤閉鎖操作工作站等功能。

數據服務器用于變電站全景數據的集中存儲，為站控層設備和應用提供數據訪問服務。

綜合應用服務器接收站內一次設備在線監測數據、站內輔助應用、設備基礎信息等，進行集中處理、分析和展示。

在安全Ⅰ區中，監控主機采集電網運行和設備工況等實時數據，經過分析和處理后進行統一展示，并將數據存入數據服務器。Ⅰ區數據通信網關機通過直采直送的方式實現與調控中心的實時數據傳輸，并提供運行數據瀏覽服務。

在安全Ⅱ區中，綜合應用服務器與輸變電設備狀態監測和輔助設備進行通信，采集電源、計量、消防、安防、環境監測等信息，經過分析和處理后進行可視化展示，并將數據存入數據服務器。Ⅱ區數據通信網關機通過防火墻從數據服務器獲取Ⅱ區數據和模型等信息，與調控中心進行信息交互，提供信息查詢和遠程瀏覽服務。

綜合應用服務器通過正反向隔離裝置向Ⅲ/Ⅳ區數據通信網關機發布信息，并由Ⅲ/Ⅳ區數據通信網關機傳輸給其他主站系統。

綜上所述，本工程可以考慮將監控主機、數據服務器、綜合應用服務器進行功能整合，由2臺一體化平臺主機來實現其功能，其中一體化平臺主機1兼數據服務器功能，一體化平臺主機2兼綜合應用服務器功能。同時將Ⅰ、Ⅱ區數據通信網關機整合為綜合數據通信網關機。

一體化平臺主機采用多核服務器，其性能滿足整個系統的功能要求，主機的處理能力、存儲容量采用“云計算、云存儲”技術，具有分布式海量數據存儲系統和集成計算引擎系統。變電站各應用子系統通過標準數據總線接口與一體化平臺主機進行互聯互通，實現實時數據和非實時數據存儲與讀取的要求。一體化平臺主機將采集到的數據按照安全分區及二次防護原則，通過內置的防火墻軟件對安全Ⅰ區和Ⅱ區的數據進行隔離存儲，由集成計算引擎系統對各類數據進行分析和處理，實現變電站全景數據監測與可視化展示。通過具備遠動通信、信息安全隔離、信息分類上送等功能的綜合數據通信網關機實現與調控中心進行信息交互，提供信息查詢和遠程瀏覽服務，實現運行監視、操作與控制、綜合信息分析與智能告警、運行管理和輔助應用等高級應用功能。

通過集成優化，本工程站控層設備配置2臺一體化平臺主機，集成監控主機、操作員站、工程師站、保護及故障信息子站、數據服務器、綜合應用服務器以及高級應用功能；配置2臺綜合數據通信網關機，實現與調控中心的信息交互。

站控層設備集成優化前后對比如表4：

表4 站控層設備集成優化前后對比表

從上表可以看出，站控層設備優化集成后，不僅裝置數量和造價明顯減少，而且屏柜數量也減少了。尤其是屏柜數量的減少，為優化二次設備預制艙的屏柜布置提供了條件。

2 間隔層集成優化

間隔層設備主要有保護裝置、測控裝置、故障錄波裝置、網絡記錄分析裝置等。本工程間隔層設備集成優化主要包括220 kV測控裝置集成計量、PMU采集功能；主變測控裝置整合；110 kV線路保護測控計量裝置集成；故障錄波與網絡記錄分析裝置整合等。

2.1 220 kV測控裝置集成計量、PMU采集功能

常規智能變電站中，220 kV測控裝置、220 kV計量裝置及PMU均為獨立裝置，裝置數量多，投資大。

隨著智能變電站技術的快速發展，目前國內已有部分變電站試點采用了多功能測控裝置。多功能測控裝置具有測控、非關口計量、PMU采集功能，而本站也不存在關口計量點，廠家技術亦日趨成熟，國內多個廠家已生產運行，且實際運行情況良好，故本工程將220 kV采用多功能測控裝置，集成測控、計量、PMU采集功能。PMU數據集中器則由綜合數據通信網關機集成。下圖為國內某廠家多功能測控裝置定值設置菜單，如圖1所示：

圖1 某廠家多功能測控裝置定值設置菜單圖

本工程采用多功能測控裝置后，結合國家電網科〔2014〕108號《國家電網公司關于發布電網運行有關技術標準差異化協調統一條款的通知》的文件要求，集成優化將每回220 kV線路的2臺220 kV線路保護裝置、1臺220 kV線路多功能測控裝置、2臺220 kV過程層交換共組1面柜，進一步實現了二次設備預制艙內的屏柜優化。按照變電站遠期規模配置，220 kV線路屏柜集成優化前后對比如表5：

表5 220 kV線路屏柜集成優化前后對比表

從上表可以看出，將220 kV測控裝置集成非關口計量功能后，取消了電能表，結合國網文件要求，最終實現了220 kV線路保護測控裝置按間隔組柜，不僅節約屏柜，還優化了網絡結構。

2.2 主變測控裝置整合集成計量功能

智能變電站的主變測控裝置采用主變各側及本體測控裝置獨立配置，測控裝置需要獨立組柜。如果主變各側及本體測控裝置整合為1臺測控裝置，將能實現每臺主變的2臺主變保護裝置、1臺測控裝置、2臺220 kV過程層交換機、2臺110 kV過程層交換機共同組柜1面，從而使每臺主變的保護測控柜由3面柜優化為1面柜。特別是在模塊化智能變電站中，二次設備的集成對于預制艙內屏柜布置優化具有重要意義。

目前，主變各側及本體測控裝置整合為1臺測控裝置在技術方面已經成熟可行，國內幾大主流廠家均有相應的產品生產。加上現在智能變電站的測控裝置已經非常成熟可靠，故障率極低，故本工程將主變各側及本體測控裝置整合為1臺。按照遠期規模配置，主變屏柜集成優化前后對比如表6：

表6 主變屏柜集成優化前后對比表

從表6可以看出，將主變各側測控裝置整合為1臺測控裝置后，最直接的效果就是實現了每臺主變的保護測控裝置組柜1面，變電站直接減少屏柜6面，尤其適用于屏柜組裝于二次設備預制艙。

2.3 110 kV線路保護測控計量裝置集成

目前35 kV及以下的保護測控計量多合一裝置已得到廣泛應用，國內主流廠家均已有成熟的系列產品，運行狀態良好。保護測控計量集成裝置的出現，大大節省了設備數量、屏位空間和二次光纜，同時可顯著簡化變電站二次設備構架，是今后智能變電站二次配置的主流發展方向。

本工程110 kV不存在關口計量點，故考慮110 kV線路間隔采用保護測控計量集成裝置，不配置獨立的電能表。

隨著計算機技術的飛速發展，微機保護測控裝置的硬件平臺水平不斷提高，CPU的處理能力更強，通信功能更完善。CPU的處理能力和通信能力的提高，使得保護、測控、計量功能整合在裝置制造上成為可能。但為確保裝置的獨立性，國內主流二次設備廠家保護測控一體化裝置保護、測控、計量均分別采用獨立的插件，除輸入輸出采用同一接口，共用電源插件外，其余保護插件、測控插件、計量插件均完全獨立，提高了裝置運行的可靠性。

表7為國內某廠家110 kV線路保護測控計量一體化裝置模塊配置。

表7某廠家110 kV線路保護測控計量一體化裝置模塊配置表

CPU模塊完成采樣，保護的運算以及裝置的管理功能，包括事件記錄、錄波、打印、定值管理等功能。

測控DSP模塊完成測控遙測量的計算、開關和刀閘地刀遙控、同期判斷、GOOSE收發等測量和控制功能。

測控開入模塊提供開關量輸入功能開關量輸入，經由24 V/48 V/110 V/220 V光耦（可配置）。

測控計量模塊提供最大五組計量脈沖輸出信號，每一組包括序量周期、時段投切、有功功率以及無功功率信號。

GOOSE模塊：用于實現GOOSE交互。

裝置可計算正反向有功、正反向無功、組合有功、組合無功，以及四象限無功，可分別計算A、B、C分相功率以及總功率；同時可以計算對應分相以及總的電能和需量。裝置支持計量事件告警功能，包括A、B、C相以及總的失壓、斷相、失流、過流、過載、欠壓、過壓，電壓、電流逆相序，電流不平衡，掉電信號，需量/電量清零以及日凍結、月凍結信號等。

采用110 kV線路保護測控計量集成裝置后，對110 kV線路屏柜布置優化提供了基礎。如果仍按通用設計原則組柜，將造成屏柜較空，空間利用率不大，故本工程按3臺110 kV線路保護測控計量集成裝置、1臺110 kV過程層交換機共組1面柜的原則配置。按照遠期規模配置，110 kV線路屏柜集成優化前后對比如表8：

表8 110 kV線路屏柜集成優化前后對比表

從上表可以看出，在變電站110 kV線路不存在關口計量點的情況下，采用110 kV線路保護測控計量一體化裝置，對于預制艙的屏柜布置優化具有顯著的作用，而且節約的設備投資及光纜數量。

2.4 故障錄波及網絡記錄分析裝置整合

為了提高硬件集成度，本工程采用故障錄波及網絡記錄分析一體化裝置，按照電壓等級和網絡進行配置，不配置獨立的主變故障錄波裝置。

故障錄波裝置與網絡記錄分析裝置都是第三方監視裝置。故障錄波裝置是監視故障時保護動作情況的第三方；網絡記錄分析裝置是正常情況下監視網絡報文通信的第三方。

故障錄波裝置與網絡記錄分析裝置都要采集過程層網絡的SV和GOOSE報文，在數據采集范圍上存在大量交集。

故障錄波裝置及網絡記錄分析裝置都需要配置采集設備和管理設備，采集設備都需要按照雙網相互獨立配置。

綜上所述，對故障錄波裝置和網絡記錄分析裝置進行整合是完全可行的，而且，目前故障錄波及網絡記錄分析一體化裝置在國內智能變電站中已得到廣泛應用，國內主流廠家亦有完備的生產線及售后服務。故本工程配置1面故障錄波及網絡記錄分析柜，內含4臺故障錄波及網絡記錄分析單元、1臺管理主機。不配置獨立的主變故障錄波柜，將主變信息分別接入到220 kV和110 kV電壓等級的故障錄波及網絡記錄分析單元。由此，可減少1面主變故障錄波柜，亦避免了主變故障錄波裝置同時跨接220 kV及110 kV過程層網絡，保證了兩個電壓等級過程層網絡物理上的獨立性。按照遠期規模配置，故障錄波及網絡記錄分析屏柜集成優化前后對比表9：

表9 故障錄波及網絡記錄分析屏柜集成優化前后對比表

從上表可以看出，由于故障錄波與網絡記錄分析裝置的整合，在實現原有功能的基礎上，裝置的工程造價大大降低，方案投資節約了24萬，同時節省了3面屏柜。從全壽命周期來看，整合集成方案具有顯著的經濟效益。

3 過程層設備集成優化

過程層設備主要由合并單元、智能終端、狀態監測IED等智能組件構成。

過程層設備集成優化有兩種方案：

方案一是將合并單元與智能終端的整合。

方案二是將合并單元、智能終端、狀態監測IED三者集成。

方案一目前在國內智能變電站中已普遍應用，且廠家產品成熟可靠。方案二目前國內主流廠家均無相關產品，缺少實際運行經驗。故本工程過程層集成優化內容為將合并單元與智能終端的整合。

合并單元對來自互感器的電流和電壓數據進行時間相關組合并數據轉發的物理單元。合并單元可以是互感器的一個組件，也可以是一個分立單元。兩者均能實現點對點和網絡傳輸方式。智能終端主要完成斷路器、隔離刀閘的位置和狀態信號等數據采集與轉發，并完成保護測控單元經GOOSE網絡下發的分、合閘命令。

目前國內已投運的智能變電站的合并單元和智能終端一般就地布置，以實現一次設備的相關信息的就地數字化。根據保護裝置的需求，220 kV及以上電壓等級按雙重化配置，110 kV及以下電壓等級按單套配置。故本站220 kV電壓等級及主變各側需要放置2套合并單元、2套智能終端、以及相關的狀態監測IED設備等，如此就會使智能控制柜或者開關柜的使用空間較為緊張。如果把雙重化配置的設備安放

在兩個獨立的智能控制柜內，這無疑增加了占地和變電站建設成本，具體見圖2、圖3。

目前國內已有多個廠家生產合并單元智能終端一體化裝置，并且在多個變電站投入運行，運行情況良好。合并單元智能終端一體化裝置一般采用雙CPU方式，通用平臺化的插件和靈活的組合，可以滿足不同電壓等級智能變電站的需求。合并單元和智能終端一體化裝置采用功能獨立的兩塊CPU，CPU選用實時性處理能力強大的PowerPC和FPGA。兩塊CPU中，一塊用于智能終端的處理，一塊用于合并單元的處理，功能獨立的設計可以有效防止當采樣環節CPU故障導致該間隔主保護退出時，跨間隔保護對該間隔的故障切除，保證智能終端的優先可靠性。合并單元和智能終端一體化裝置可靈活適用于的各種組網方案，CPU可以獨立對外進行直采直跳的網絡連接或者組網連接（GOOSE網絡或者SV網絡）。當網口使用數量大于CPU本板網口數量時，可采用CC插件對網口進行擴展。當采用三網合一的組網方案時，雙CPU之間通過高速總線進行通信。該數據總線由FPGA構建而成，速率可達20 Mbps以上，保證跨CPU間通訊實時可靠，接入網絡的CPU板通過網口將SV、GOOSE、對時報文進行分流處理，以減少單CPU的負荷。

圖2 合并單元智能終端整合前后布置圖

圖3合并單元智能終端一體化裝置實物背板圖

采用合并單元智能終端一體化裝置后，將節約智能控制柜和開關柜的寶貴空間和交換機端口，特別是有效減少戶外智能控制柜內設備的散熱量。故本工程采用合并單元智能終端一體化裝置。按照遠期規模配置，合并單元智能終端集成優化前后對比如表10：

表10 合并單元智能終端集成優化前后對比表

從上表可以看出，采用合并單元智能終端一體化裝置后，過程層設備數量幾乎減少了一半，按單臺設備3萬來算，遠期節省投資近192萬。更為重要的是，合并單元智能終端的集成，對于減少戶外智能控制柜的散熱量有著積極作用，而散熱量一直是影響戶外智能控制柜全壽命周期的重要因素。合并單元智能終端的集成對降低變電站全壽命周期運行成本具有重要意義。

4 結語

本工程按照國網集成優化設計的指導思想和意見，結合工程實踐經驗，對各層設備功能進行優化整合，減少裝置數量，降低設備投資。二次設備集成優化方案如下：

站控層一體化平臺主機集成監控主機、操作員站、工程師工作站、保護及故障信息子站、數據服務器、綜合應用服務器及高級應用功能。

220 kV測控裝置集成計量、PMU采集功能。

主變測控裝置整合。

110 kV線路保護測控計量裝置集成。

故障錄波與網絡記錄分析裝置整合。

合并單元與智能終端的整合。

本工程通過對二次設備的集成優化和屏柜布置優化，僅二次設備屏柜就減少24面，二次設備投資直接節約315.4萬元。而裝置數量的減少，還帶來了光口和設備間連接光纜數量的優化；屏柜的減少還減少了預制艙的數量，優化了預制艙的屏柜布置。

二次設備的集成優化，體現了全站信息數字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化的特征，是智能變電站發展的必然結果，提高了二次設備的可靠性、經濟性，為大運行創造了條件。