智能變電站二次系統(tǒng)優(yōu)化方案探討

張 洪 劉慶國 鄂士平 黎恒烜

（1. 國網(wǎng)湖北省電力有限公司，武漢 430077；2. 國網(wǎng)宜昌供電公司，湖北 宜昌 443000；3. 國網(wǎng)湖北電科院，武漢 430077）

0 引言

近年來，隨著智能變電站、智慧變電站建設(shè)的推進(jìn)，形成了以IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)通信平臺為基礎(chǔ)，具備測量監(jiān)視、控制保護(hù)、信息共享等功能特征的二次系統(tǒng)運行架構(gòu)，推動了新技術(shù)、新設(shè)備的系統(tǒng)應(yīng)用，實現(xiàn)了變電站二次系統(tǒng)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化[1-3]。

但是，智能變電站在運行中也暴露出了一些問題：①大量交換機用于實現(xiàn)過程層的信息共享，在中心交換機故障時將會影響多套測控、保護(hù)和安全自動裝置；②二次設(shè)備數(shù)量大幅增加，設(shè)備間耦合程度高、影響范圍廣、故障定位困難；③變電站配置描述文件信息高度耦合，維護(hù)管理困難，往往牽一發(fā)而動全身，且配置文件無法保證文件的唯一性和正確性。

目前，國家電網(wǎng)公司在220kV及以下電壓等級中全面推廣智能變電站建設(shè)，但110kV及以下電壓等級變電站在全部變電站中數(shù)量占比達(dá)到 86.7%，且這類低電壓等級的變電站由于設(shè)備準(zhǔn)入門檻低，質(zhì)量參差不齊，故障率相對較高，消耗了運維人員大量精力。只有解決好智能變電站運行維護(hù)中存在的問題，才能保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。因此，亟需總結(jié)當(dāng)前智能變電站存在的問題，開展新的智能變電站系統(tǒng)架構(gòu)方案研究。通過研究二次系統(tǒng)總體架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)及相應(yīng)二次設(shè)備集成與研制的關(guān)鍵技術(shù)，減少變電站二次設(shè)備數(shù)量，縱向簡化網(wǎng)絡(luò)層次，橫向減少交叉互聯(lián)。研究將全部變電站配置描述文件按業(yè)務(wù)、功能、設(shè)備進(jìn)行分解，單個設(shè)備軟件修改、擴建不影響其他設(shè)備，徹底消除因軟件修改面大而無法停電驗證的隱患。研究針對裝置功能程序、網(wǎng)絡(luò)配置文件、驅(qū)動程序版本的集中在線管控系統(tǒng)，并在工程師工作站通過站控層網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)裝載，確保軟件生產(chǎn)、調(diào)試、運行的全過程管控[4-7]。

1 二次系統(tǒng)優(yōu)化方案

1.1 方案設(shè)計原則

智能變電站二次系統(tǒng)采用三層設(shè)備架構(gòu)，包括站控層、間隔層及過程層，各層之間通過網(wǎng)絡(luò)連接，站控層實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，三層設(shè)備架構(gòu)清晰，符合各自功能特點。

在滿足專業(yè)特點的基礎(chǔ)上對設(shè)備進(jìn)行合理整合，過程層及間隔層設(shè)備按間隔進(jìn)行多功能集成，站控層監(jiān)控系統(tǒng)采用平臺化設(shè)計架構(gòu)，支持應(yīng)用功能的動態(tài)擴展和相互隔離，打造開放的產(chǎn)品生態(tài)。通過設(shè)備整合，減少二次系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量，簡化間隔設(shè)備實現(xiàn)環(huán)節(jié)，提高整體可靠性及保護(hù)速動性。

在不違背國家電網(wǎng)公司各專業(yè)基本原則的基礎(chǔ)上堅持網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化的技術(shù)路線，站控層網(wǎng)絡(luò)采用星形網(wǎng)絡(luò)，過程層SV及GOOSE合并采用點對點方式，同時設(shè)置保護(hù)專網(wǎng)用以進(jìn)行跨間隔保護(hù)聯(lián)閉鎖信息交互。

1.2 二次系統(tǒng)架構(gòu)方案

采用三層兩網(wǎng)結(jié)構(gòu)：站控層、間隔層、過程層、站控層網(wǎng)絡(luò)、保護(hù)專網(wǎng)，如圖1所示。

1）站控層

站控層設(shè)備包含監(jiān)控主機、通信網(wǎng)關(guān)機、時間同步裝置、電能量采集裝置、網(wǎng)絡(luò)打印機、站控層交換機等。

圖1 二次系統(tǒng)總體架構(gòu)

2）間隔層

間隔層設(shè)備包含保護(hù)、測控、安自、智能故障錄波器、相量測量單元（PMU）、計量等。

（1）保護(hù)、測控等裝置SV直采、GOOSE直跳。

（2）智能故障錄波裝置SV、GOOSE直采。

（3）采用常規(guī)模擬式計量表，電纜采樣。

3）過程層

過程層采用采集執(zhí)行單元代替合并單元及智能終端，集成合并單元與智能終端功能，減少設(shè)備數(shù)量。采集執(zhí)行單元與保護(hù)、測控、智能故障錄波器、PMU等裝置基于點對點光纖連接，采用IEC 61850協(xié)議傳輸SV和GOOSE報文，SV和GOOSE信息共光纖傳輸。

為避免單一元件故障影響范圍廣的問題，采集執(zhí)行單元線路保護(hù)和母線保護(hù)的 CT繞組分別接入不同插件，獨立配置交流小CT、采樣及通信插件，實現(xiàn)獨立采集、獨立傳輸。

4）站控層網(wǎng)絡(luò)

站控層網(wǎng)絡(luò)：站控層設(shè)備與間隔層設(shè)備之間的通信網(wǎng)，采用星形網(wǎng)絡(luò)，MMS通信協(xié)議。

5）保護(hù)專網(wǎng)

保護(hù)專網(wǎng)：保護(hù)設(shè)備之間、保護(hù)與智能故障錄波之間的通信網(wǎng)，傳遞的數(shù)據(jù)包括保護(hù)裝置之間的啟失靈等聯(lián)鎖 GOOSE報文、保護(hù)發(fā)送至智能故障錄波的動作GOOSE報文等。

1.3 建模及配置方案

需要對所有接入保護(hù)專網(wǎng)的裝置、測控裝置、及采集執(zhí)行單元進(jìn)行配置。

可以通過設(shè)置固定數(shù)據(jù)集來弱化相關(guān)裝置的配置工作，具體如下：

1）制定標(biāo)準(zhǔn)化的采集執(zhí)行單元信息模型，各廠商在進(jìn)行建模時嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)化模型進(jìn)行建模，采集執(zhí)行單元的通信支路按遠(yuǎn)期最大規(guī)模數(shù)量預(yù)先配置，便于后期擴展。

2）制定標(biāo)準(zhǔn)化的線路保護(hù)設(shè)備模型，各廠商按照標(biāo)準(zhǔn)化、模板化配置通信回路，可以實現(xiàn)線路保護(hù)現(xiàn)場免配置。

3）制定標(biāo)準(zhǔn)化的跨間隔保護(hù)設(shè)備模型，各廠商按遠(yuǎn)期最大規(guī)模預(yù)先配置好所有間隔模型，通過軟壓板來設(shè)定間隔的接入與退出，后期擴建時只需投入相應(yīng)預(yù)留間隔的軟壓板，即可完成該間隔的接入。

通過上述方法，可以實現(xiàn)同一廠商同一類型設(shè)備現(xiàn)場免配置，可以實現(xiàn)不同廠商的同一類型保護(hù)設(shè)備虛回路現(xiàn)場免配置。

同時，通過智能故障錄波裝置可以實現(xiàn)二次系統(tǒng)光纖連接關(guān)系以及虛回路的可視化。

1.4 設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化方案

保護(hù)裝置采用標(biāo)準(zhǔn)九統(tǒng)一裝置，設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用經(jīng)驗成熟，光纖直采直跳，基本無電纜接線（僅保留裝置電源、對時、閉鎖節(jié)點、打印等少量電纜），線路保護(hù)與跨間隔保護(hù)之間保持一定程度的采樣回路獨立性。

測控裝置采用標(biāo)準(zhǔn)四統(tǒng)一裝置，裝置標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用經(jīng)驗成熟、光纖直采直跳，基本無電纜接線（僅保留裝置電源、對時、閉鎖節(jié)點等少量電纜）。

故障錄波裝置交流量和開關(guān)量信息采用光纖直采，設(shè)備應(yīng)用經(jīng)驗成熟。

采集執(zhí)行單元同時與測控和保護(hù)等裝置傳輸SV、GOOSE報文，為避免單一元件故障影響范圍廣，線路保護(hù)和母線保護(hù)的 CT繞組分別接入不同插件，獨立配置交流小CT、采樣及通信插件，實現(xiàn)獨立采集、獨立傳輸。該設(shè)備已經(jīng)在多個國網(wǎng)公司智能變電站試點應(yīng)用，技術(shù)成熟。

1.5 網(wǎng)絡(luò)安全方案

二次系統(tǒng)依照“安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向認(rèn)證”的原則，對各安全分區(qū)進(jìn)行隔離，確保邊界安全。充分考慮二次業(yè)務(wù)特征及安全防護(hù)要求，確保各安全分區(qū)清晰、邊界防護(hù)規(guī)范得力。

根據(jù)設(shè)備在二次系統(tǒng)中的角色，以及設(shè)備硬件平臺、操作系統(tǒng)等基礎(chǔ)支撐設(shè)施特點，對二次系統(tǒng)進(jìn)行不同策略的本體信息安全設(shè)計，確保二次系統(tǒng)內(nèi)部基本安全。

二次系統(tǒng)各設(shè)備實時監(jiān)視并匯集自身的安全監(jiān)測事件，配合安全監(jiān)測裝置，實現(xiàn)二次系統(tǒng)的實時在線網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知。

二次系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備，采用融合二次業(yè)務(wù)特征的高效安全防護(hù)技術(shù)，通過證書認(rèn)證及通信加密等技術(shù)手段，對調(diào)控中心、集控站、變電站操作控制類命令的規(guī)范化身份認(rèn)證流程進(jìn)行規(guī)范，實現(xiàn)順序控制等重要操作的端到端認(rèn)證，提升系統(tǒng)的安全防護(hù)水平。

避免在生產(chǎn)等核心安全區(qū)直接接入具有無線通信功能的設(shè)備。不可采用高風(fēng)險相關(guān)服務(wù)，屏蔽高風(fēng)險相關(guān)網(wǎng)絡(luò)端口，確保系統(tǒng)為最小可信系統(tǒng)，避免業(yè)務(wù)無關(guān)服務(wù)開啟。

1.6 配置管控方案

改進(jìn)原有修改單一軟件需要導(dǎo)入導(dǎo)出全站站變電站配置描述文件的模式，將全站站變電站配置描述文件信息獨立分散存放于每個設(shè)備，使用結(jié)構(gòu)層次清晰的樹形目錄管理，實現(xiàn)站變電站配置描述文件按業(yè)務(wù)、功能、設(shè)備進(jìn)行分解，單個設(shè)備軟件修改、擴建不影響其他設(shè)備。對裝置程序版本進(jìn)行集中在線管控，并在工程師工作站通過站控層網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)裝載，杜絕現(xiàn)場人員擅自使用個人計算機直連設(shè)備修改調(diào)試。規(guī)范了軟件修改、測試、發(fā)布、執(zhí)行的流程管控，實現(xiàn)軟件全壽命周期痕跡管理。

1）配置獨立。站變電站配置描述文件解耦，按裝置獨立配置，站控層通信信息分散存放于各裝置的網(wǎng)絡(luò)配置文件中，監(jiān)控主機、網(wǎng)關(guān)機通過導(dǎo)入各裝置網(wǎng)絡(luò)配置文件獲取全站設(shè)備通信信息。

2）在線管控。智能站完善提升方案通過軟件在線管控系統(tǒng)對全站裝置程序/文件進(jìn)行全壽命周期管控。在線管控功能部署在工程師工作站，主要包括軟件簽入簽出、版本管理、校驗碼在線讀取及校核、操作信息記錄檢索等功能。

3）網(wǎng)絡(luò)裝載。軟件在線管控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全站配置軟件單個或批量網(wǎng)絡(luò)裝載，大幅減少軟件裝載工作量，防止錯裝軟件，避免網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險，軟件在線管控流程如圖2所示。

圖2 軟件在線管控流程

2 應(yīng)用實例

上文所述的智能變電站二次系統(tǒng)架構(gòu)方案，旨在解決目前智能變電站二次設(shè)備數(shù)量多、設(shè)備間耦合程度高、交換機數(shù)量多、故障影響范圍大、站變電站配置描述文件信息高度耦合和管理困難的問題。

以湖北宜昌某110kV變電站為例說明該二次系統(tǒng)優(yōu)化方案。

該站分為110kV、35kV、10kV三個電壓等級，均為單母分段接線方式，共有兩臺主變。其中，110kV出線3回，35kV出線7回，10kV出線11回。

按照傳統(tǒng)智能變電站以及上文所述的二次系統(tǒng)架構(gòu)方案。方案對比見表1。

2.1 經(jīng)濟性提升

上文所述的系統(tǒng)架構(gòu)方案，在典型的110kV智能變電站應(yīng)用，可以減少50%的過程層設(shè)備以及100%的過程層交換機，考慮新增保護(hù)專網(wǎng)帶來的交換機數(shù)量增加，全站總體交換機數(shù)量仍然下降20%～30%，以上述變電站規(guī)模為例，可以減少過程層設(shè)備10臺，減少過程層交換機4臺，增加保護(hù)專網(wǎng)交換機2臺；過程層設(shè)備2萬/臺、過程層交換機3.5萬/臺、保護(hù)專網(wǎng)交換機0.35萬元/臺。該站總計可節(jié)約二次設(shè)備投資33.3萬元。

表1 方案對比

2.2 可靠性提升

采用獨立的保護(hù)專網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)設(shè)備之間、保護(hù)與智能故障錄波之間的通信，傳遞保護(hù)裝置之間的啟動失靈等聯(lián)鎖 GOOSE報文、保護(hù)發(fā)至智能故障錄波的動作 GOOSE報文等。相較于原來采用站控層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，減少了站控層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可能帶來的交換機轉(zhuǎn)發(fā)延時及網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴異常等影響，提升了保護(hù)間聯(lián)閉鎖信息傳遞的可靠性。

2.3 運維便捷性提升

采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備及規(guī)范設(shè)備模型、統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)同一廠商同一類型設(shè)備現(xiàn)場免配置，以及不同廠商的同一類型保護(hù)設(shè)備虛回路現(xiàn)場免配置。通過將站變電站配置描述文件按業(yè)務(wù)、功能、設(shè)備進(jìn)行分解，單個設(shè)備軟件配置修改、擴建設(shè)備不影響其他設(shè)備。通過規(guī)范軟件修改、測試、發(fā)布、執(zhí)行的流程管控，實現(xiàn)軟件全壽命周期痕跡管理。

總體而言，通過新的二次系統(tǒng)架構(gòu)方案設(shè)計，有效降低了設(shè)備數(shù)量，提升了變電站建設(shè)經(jīng)濟性和運行可靠性；同時通過標(biāo)準(zhǔn)化及規(guī)范化技術(shù)手段，減少了現(xiàn)場調(diào)試工作量及安全風(fēng)險，提升了運維安全性和便利性。

3 結(jié)論

本文針對現(xiàn)有智能變電站存在的二次設(shè)備數(shù)量多、設(shè)備間耦合程度高、交換機數(shù)量多、故障影響范圍大、站變電站配置描述文件信息高度耦合和管理困難的問題，提出了二次系統(tǒng)優(yōu)化方案，在不影響保護(hù)與自動化的運行可靠性的同時，進(jìn)行了變電站二次系統(tǒng)架構(gòu)及數(shù)據(jù)流的重構(gòu)設(shè)計，并對設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化、信息建模、信息安全以及站變電站配置描述管控提出了改進(jìn)方案。最后通過實際的工程應(yīng)用案例進(jìn)行分析，驗證了該方案的可靠性與經(jīng)濟性。

本文提出的智能變電站二次系統(tǒng)優(yōu)化方案符合電網(wǎng)未來數(shù)字化、智能化的技術(shù)發(fā)展趨勢，具備架構(gòu)簡單、設(shè)備可靠、運維便利、運行安全的技術(shù)特點。對于110kV及以下等數(shù)量較多、主接線較為簡單的變電站，該架構(gòu)的應(yīng)用有著更為突出的經(jīng)濟效益與管理效益，因此，可在基于110kV及以下智能變電站推廣使用，并在220kV智能變電站借鑒使用，從而將運維人員集中到500kV及以上高電壓等級變電站的精益運維上，具有極大的工程實踐意義。