新一代智能變電站設計

梁 能

（廣州遠望電力工程設計股份有限公司，廣東 廣州 510520）

0 引 言

電網智能化是世界電力發展的趨勢，發展智能電網已在世界范圍內形成共識。變電站智能化是一個逐步深入的過程，從傳統變電站發展到綜合自動化站，然后到數字化變電站，最后為智能變電站。現階段，國家電網公司早已實現數字化變電站的大規模建設，并提出了建設智能變電站的目標和規劃，到2020年已實現新建重要變電站智能化率100%[1]。南方電網于2019年提出全面建設智能變電站的要求。

智能變電站是指采用先進、可靠、集成、低碳以及環保的智能設備，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、計量與監測等基本功能，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，實現與相鄰變電站和電網調度等互動的變電站。

智能變電站是數字化變電站的升級和發展，在數字化變電站的基礎上結合智能電網的需求對變電站自動化技術進行充實以實現變電站智能化功能。與傳統變電站相比，智能變電站具有結構緊湊、系統集成、信息共享、安全可靠以及節能環保的特點，在技術和功能上能更好地滿足智能電網信息化、自動化與互動化的要求，更好地支撐智能電網其他環節的建設，更好地服務于電網資源的整體優化配置，提高資源的使用效率。

1 智能變電站的整體解決方案

IEC 61850標準是目前電力系統自動化領域唯一的全球通用標準，其應用實現了智能變電站的工程運作標準化，使得智能變電站的工程實施變得規范、統一且透明。智能變電站應使用IEC 61850配置工具完成智能站ICD、SSD、SCD、CID以及CCD等文件的配置[2]。不論是哪個系統集成商建立的智能變電站工程都可以通過SCD文件了解整個變電站的結構和布局，對于智能變電站的發展具有不可替代的作用[3]。SCD文件是全站系統配置文件，應全站唯一，描述變電站所有IED設備的實例配置和通信參數、IED設備間的通信配置以及變電站一次系統結構[4]。

智能變電站各業務功能實現涉及數據采集、數據傳輸、數據處理、數據應用、數據管理以及網絡安全等各個環節。通過基于過程層數字化關鍵技術的系統性解決方案，全面提高智能變電站二次系統的可靠性；通過智能站二次設備的檢修隔離安全措施優化，提高智能變電站繼電保護系統的運維水平和運維可靠性；通過智能站統一的全景模型，為智能變電站各個應用提供完善的數據和信息交互方案，切實提高智能變電站數據質量與數據可靠性；通過多維度的三位一體的二次安防措施，實現智能站的結構安全、本體安全以及行為安全，提高監控系統的網絡安全水平[5]。智能變電站的結構及典型配置如圖1所示。

圖1 智能變電站的結構及典型配置

2 過程層設備

過程層設備主要包括列電子式互感器、合并單元、智能終端、在線監測裝置以及選相合閘裝置等。可采用組合式互感器實現對一次電流和電壓的同時檢測。智能終端合并單元可采用二合一的模式，并可集成測控功能，簡化網絡結構。針對GIS開關特性、SF6、局放、避雷器、油色譜等的集成式一次設備在線監測裝置。高壓開關選相分合閘裝置，能實現在全工況下對各類開關的高精度選相分合閘功能。目前，南方電網電流、電壓模擬量采用常規傳統的電纜采集方式，信號、控制以及跳閘等開關量的采集主要采用智能終端來傳輸。智能終端是與一次設備采用電纜連接，與保護和測控等二次設備采用光纖連接，實現對一次設備測量、控制等功能的智能設備[6]。

3 間隔層設備

采用先進的平臺化設計思想，采用硬件、軟件解耦的方式和模塊化設計的思想，保證硬件和軟件的獨立升級，并支持不同功能的快速集成，使裝置能夠很好地適應智能化變電站各種不同的需求。

硬件、軟件模塊化，通用靈活，便于用戶熟悉、使用及維護，方便備件庫存管理，生命周期長。高性能、一體化程度高，可由多個CPU和DSP組合，完成復雜的控制保護功能。安全性和可靠性高，單重系統內采樣雙重化，啟動、保護計算獨立，具有完善的自檢功能。此外，支持直采直跳、網采網跳、常規采樣GOOSE跳閘以及常規采樣常規跳閘等各種采樣跳閘方式。

4 站控層設備

智能變電站一體化監控系統采用平臺即服務架構方案，構建了智能變電站一體化業務平臺，為應用提供標準模型服務，并對系統內應用功能進行了統一封裝，形成通用的服務，滿足各類智能站應用的需求，也為應用間的數據交互與共享提供了途徑。

采用面向對象實時數據庫、高效消息總線、負載均衡以及安全區通信等技術解決了站端業務一體化后帶來的海量數據、資源競爭、安全隔離等問題。一體化業務平臺可以靈活部署在各種硬件平臺上，滿足監控主機及智能網關機間功能和應用的靈活配置。

通過圖模一體化工具完成模型轉換和模型數據映射。在廠站端完成模型、圖形以及數據的統一維護，并統一發布實現變電站和多級主站之間共享。系統完成各專業數據的統一采集、處理、存儲、傳輸以及多專業融合的一體化應用功能，并在此基礎上實現主站和子站間的應用互動。基于主子站統一的數據模型，在主站實現數據的訂閱發布，簡化工程配置和調試過程。

通過基于物理端口建模的二次回路在線檢測及校核技術對二次回路的實時狀況進行監測，并對異常進行告警。通過檢修操作序列預定義及在線可視化技術實現二次設備的檢修安全隔離，集成工具的應用大大提高了智能站的設計水平和運維效率。

5 過程層網絡

5.1 直采直跳解決方案

過程層GOOSE、SV網絡采用星型網絡拓撲結構，各電壓等級的過程層網絡獨立單網配置。通過網絡流控方案保證共網方式下鏈路間的數據互不影響[7]。直采直跳解決方案的典型過程層網絡如圖2所示。

5.2 網采網跳解決方案

應用于智能變電站過程層的以太網交換機具有交換延時累加、自動配置、統一管理、流量控制以及智能告警等功能[8]。過程層GOOSE、SV網絡采用星型網絡拓撲結構，各電壓等級的過程層網絡獨立配置。為簡化過程層網絡配置，提高智能站技術經濟指標，采用SV、GOOSE共網方案，通過網絡流控保證共網方式下鏈路間的數據互不影響。110 kV及以上采用雙網配置，保證任一交換機或光纖鏈路異常的情況下，保護功能不受影響。

220 kV及以上電壓等級，采用SV、GOOSE共網，雙網配置，MMS獨立組網。10 kV、110 kV電壓等級考慮MMS、SV、GOOSE共網，進一步減少交換機的數量，簡化網絡配置。雙重化保護的跳閘回路應分別與兩個智能終端一一對應，兩個智能終端應分別與斷路器的兩個跳閘線圈一一對應[9]。網采網跳解決方案的典型過程層網絡如圖3所示。

6 二次安防

智能變電站二次安防解決方案基于多維度三位一體的網絡安全理念，構建變電站監控系統結構安全、本體安全以及行為安全的技術和產品架構，系統性地提供邊界防護、網絡主機安全加固、網絡設備安全核查、網絡行為安全監測與評估預警等服務，并能提供IEC61850出站，支持遠傳告警事件、原始報文、模型圖形、拓撲關系等，實現安全防護的主子站協同。

多層次的立體安全防線。二次系統的邊界上部署縱向加密認證網關和正反向隔離裝置，防火墻構建第一道安全防線，在二次系統的網絡范圍內建設通信行為的實時監測者和審計者，識別不安全因素，發現異常及時預警，并記錄網絡交換行為的原始痕跡，構建第二道安全防線，網絡主機以及IED設備本身從操作系統、數據訪問、通信協議、端口服務等方面構建第三道安全防線。

多維度的行為安全分析。從事前的風險評估威脅感知、事中的網絡異常實時告警以及事后的網絡安全審計等多個時間維度來監控和管理系統的安全。正向隔離裝置采用雙機+隔離島技術方案，并可以實現對TCP連接的單向控制，支持對數據包的深度過濾檢測，提高對不同安全等級區域的通信隔離防護安全能力。

廠站安全監測裝置用于變電站和電廠等廠站端監控系統的網絡安全狀態數據監測采集分析，并匯總上送，同時支持主站對廠站的安全服務代理以及廠站本地的配置和安全管理[10]。二次安防系統結構如圖4所示。

7 結 論

智能變電站通過以上模式，能夠實現智能變電站的從一次設備到二次設備等各方面的架構，是現階段智能變電站的典型設計，并取得了良好的效果，為全面實現智能電網的發展提供了變電站基礎。