多站合一變電站監控系統融合設計方案

汪逍旻

（中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司 福建福州 350003）

0 引言

為順應能源革命和數字革命的融合發展趨勢，泛在電力互聯網的概念被提出，并與堅強智能電網相輔相成，形成全面感知、全程在線、全要素互聯的物理、能源、商業互聯的新形態，建造1 個以電網為樞紐，數據實時共享的平臺。“多站合一”正是在此背景下應運而生。“多站合一”是利用現有變電站站址、配電及通信資源，實現儲能站、充（換）電站、數據中心站、分布式光伏站、北斗基站和5G 基站等能源信息設施融合建設，實現能源流、信息流、業務流、價值流“四流合一”的變電站全新發展建設模式［1-3］。

多站合一變電站中，傳統變電站、儲能站、數據中心是其中最龐大的3 個組成部分。為了保證各部分的運行穩定，它們均配置了復雜的控制系統［4］。在未建設多站合一變電站時，各組成部分均獨立建設監控系統網絡，并且獨立運行，未能突出多站合一變電站的優勢。

為了進一步提高多站合一變電站的建設效益，提高多站合一變電站的網絡安全性和工作效率，需要對多站合一變電站監控系統的融合設計方案開展研究。

1 組網方案

多站合一變電站監控系統包含傳統變電站監控系統部分、儲能站監控系統部分、數據中心監控系統部分等。其中傳統變電站部分主要接入傳統變電站的測控、保護等二次設備，采用61850 規約通信方式，通過以太網組成二次系統網絡；儲能站監控系統部分主要接入AGC/AVC 主機（能量管理系統主機）、協調控制器、BMS（電池管理系統）、PCS（換流器）等儲能二次設備，采用61850 規約通信方式，通過以太網組成二次系統網絡；數據中心監控系統僅接入環境管理、設備管理等綜合管控平臺二次設備，可采用61850 規約通信方式，通過以太網組成二次系統網絡。

目前傳統變電站監控系統部分、儲能站監控系統、數據中心監控系統之間既有獨立處理的業務，也有相互交換的數據業務。例如傳統變電站需要采集儲能系統的運行數據，而儲能系統也需要采集變電站內的電流、電壓數據，數據中心部分需要上送設備安全運行數據和負荷使用數據等。

為了實現多站合一變電站的集成效益，本文提出3 種一體化監控系統設計方案，分別為獨立組網、共同組網和服務器跨接組網。

1.1 獨立組網

傳統變電站監控系統部分、儲能站監控系統部分、數據中心監控系統部分三者獨立組網，全站分為涉網I 區和非涉網I區，兩者網絡不相互連通，組網拓撲結構如圖1 所示。非涉網I區設備包含儲能站監控系統和數據中心監控系統相關設備，涉網I 區設備包含傳統變電站監控系統相關設備。

圖1 獨立組網拓撲圖

非涉網I 區服務器通過串口方式與涉網I 區網管機連接上傳和下行信息，通信采用MODBUS 規約，非涉網I 區與涉網I 區之間無網絡連接。采用獨立組網的方式，可以最大限度保障電網安全，維持電網目前的運行網架結構和網絡安全性，因此在電廠和省內網外儲能站項目中應用較廣。

由于非涉網I 區與涉網I 區采用串口方式連接，傳輸帶寬較小，一般是9 600 bit（遠小于網絡口的百兆和千兆帶寬），且延時較大一般為1～3 s，無法實現快速控制功能。

1.2 共同組網

與獨立組網方式不同，傳統變電站監控系統部分、儲能站監控系統部分、數據中心監控系統部分三者共同組網，全站不區分涉網I 區和非涉網I 區，組網拓撲結構如圖2 所示。所有設備均采用以太網連接，統一采用61850 規約。

圖2 共同組網拓撲圖

由于全站設備共同組網，因此不需要獨立配置儲能站和數據中心操作員站，全站操作員站統一配置，各子系統僅配置對應的存儲和處理服務器。

采用該模式通信速度可達百兆或者千兆，是串口方式的上萬倍，且無網絡延時，可以滿足儲能站快速控制、電力物聯網、共享儲能等功能控制需求。但是所有設備均接入I 區網絡，且目前國內的PCS 和BMS 設備暫時未進行涉網檢測，因此采用該模式網絡安全性較差。

1.3 服務器跨接組網

與獨立組網方式相同，傳統變電站監控系統部分、儲能站監控系統部分、數據中心監控系統部分三者獨立組網，全站分為涉網I 區和非涉網I 區，兩者網絡不相互連通，組網拓撲結構如圖3 所示。非涉網I 區設備包含儲能站監控系統和數據中心監控系統相關設備，涉網I 區設備包含傳統變電站監控系統相關設備。

圖3 服務器跨接組網拓撲圖

非涉網I 區的前置服務器跨接非涉網I 區和涉網I 區，調度指令和變電站上下行信息通過以太網絡傳輸至非涉網I 區的前置服務器，采用61850 規約通信方式。非涉網I 區前置服務器將調度指令和變電站上下行信息經過規約轉換傳輸給相關服務器和設備。

采用該模式通信速度可達1×108bit，是串口方式的上萬倍，且網絡延時較小僅為毫秒級，可以滿足儲能站快速控制、電力物聯網、共享儲能等功能控制需求。同時由于僅有1 臺服務器接入涉網I 區交換機，可大大減少網絡安全風險。

2 方案比較

獨立組網、共同組網和服務器跨接組網3 種方式對比如表1 所示。

表1 組網方式對比

獨立組網方式雖然可以最大限度保證目前電網的運行網絡的安全性，但是信息傳輸極慢。不同于電廠和外網的儲能站，多站合一變電站需發揮站址融合、設備融合、運維融合等優勢，極慢的傳輸速率無法滿足多站合一的建設和運行需求，因此不推薦作為多站合一變電站的組網方式。

共同組網雖然可以最大程度提升網絡傳輸效率，但是由于所有設備均接入I 區網絡，且目前PCS、BMS 等設備均未通過國網檢測，因此網絡安全難以保障，也不推薦作為多站合一變電站的組網方式。

服務器跨接組網方式，不僅可以保障網絡通信的速率并減少延時，同時可以兼顧網絡安全性能，降低網絡風暴概率，適用于目前多站合一變電站的建設需求，因此推薦作為多站合一變電站的組網方式。

3 設備配置

多站合一變電站推薦的組網方式為服務器跨界組網，該方式下的設備配置數量中等。本文以服務器跨接組網方式展開分析，其監控系統主要設備配置如下：

（1）一體化監控系統傳統變電站部分站控層設備配置。①主機兼操作員站：2 臺，具備主機、操作員站等功能。②五防工作站：2 臺，具備全站防誤閉鎖功能。③數據通信網關機：I 區數據通信網關機2 臺。④網絡安全監測裝置：1 臺，用于網絡信息安全監視。⑤網絡打印機2 臺，針式打印機2 臺。

（2）一體化監控系統儲能站部分站控層設備配置。①儲能主機兼操作員站：2 臺，用于接收上級調度端下達的指令并向調度端上送信息，同時兼具對儲能系統設備的監視控制功能。②AGC/AVC 主機：2 臺，用于接收上級調度端下達的指令，并實現二次調頻、調壓、恒功率輸出等策略控制。③前置服務器：2 臺，用于處理BMS、PCS 的監控數據。④存儲服務器：2 臺，用于儲能系統能量綜合信息存儲。⑤協調控制器：1 套，協調控制器用于一次調頻。

（3）一體化監控系統數據中心部分站控層設備配置。數據中心主機兼操作員站：2 臺，用于監視數據中心服務器設備情況。

相較于服務器跨接組網，獨立組網增配置2 臺保護管理機；共同組網減少配置2 臺儲能主機兼操作員站。

4 結語

多站合一變電站中，傳統變電站、儲能站、數據中心各配置了獨立的監控系統，本文提出獨立組網、共同組網、服務器跨接組網3 種組網方式的拓撲圖，并分析了它們的設備配置、傳輸方式、傳輸速率、網絡安全4 個方面的特性。其中服務器跨接組網方式不僅可以保障網絡通信的速率并減少延時，同時可以兼顧網絡安全性能，降低網絡風暴概率，適用于目前多站合一變電站的建設需求。