智能變電站自動化系統設計方案研究

［關鍵詞］變電站；自動化系統；方案設計

南匯220kV變電站位于上海市浦東新區，變電站周邊區域負荷由南匯、惠南兩座220kV變電站供電，變電容量900MVA，該區域從遠東500kV分區受電。南匯220kV站現有主變容量為2×120MVA，電壓等級為220/110/35kV，2021年夏季高峰時，南匯站負荷為112MW，主變負載率約47%；惠南站主變規模為2×240+180MVA，電壓等級220/110/35kV，2021年夏季高峰時，惠南站負荷為265MW，主變負載率約40%。南匯站及周邊區域未來負荷增長點主要為工業區、商業中心和城鎮社區負荷。根據負荷預測，南匯站及周邊區域現有供電容量已無法滿足負荷供電需要，需對具備改造增容條件的南匯220kV變電站進行改造，以適應負荷發展需要。

1 系統功能設計

基于變電站的運行需求，智能變電站自動化系統具備數據采集、運行監視、操作控制、運行分析與輔助決策、生產管理等功能和各種新業務。系統設計了一套全面的軟件架構，旨在為應用程序開發提供多元化的交互平臺，并集成了一系列關鍵功能來支持數據管理、用戶體驗、公共服務和系統維護。

2 系統軟硬件方案設計

2.1 系統構成

該智能變電站自動化系統包含站控層、間隔層、過程層的各類設備，以及網絡安全設施。

2.1.1 站控層

站控層的核心設備包括監控主機、數據交換網關、數據服務器、多用途應用服務器、操作員界面終端以及工程師工作站。站控層負責構建站內的實時監控與管理平臺，執行對間隔層和過程層設備的操控，形成全面的站點監控和管理中樞，并與遠程監控調度中心保持通訊暢通。

為了保證冗余性和可靠性，系統配備兩套功能集成的監控主機，作為操作員站和工程師站，具備防誤閉鎖操作等功能，可智能負載均衡，單機故障時，另一臺可接管所有任務。此外，硬件和軟件模塊都具備自我監控能力。站控層數據庫的設計考慮長遠擴展需求，以便于未來擴建工程的無縫銜接。

站控層的設備匯總見表1。

2.1.2 間隔層設備

間隔層設備主要包括繼電保護裝置、測控單元、故障記錄儀和網絡記錄分析儀等。該層設備由多個子系統構成，如保護、測控、計量、錄波和網絡分析，即使在站控層和網絡中斷的情況下，也能獨立進行間隔設備的本地監控。

根據國家電網公司企標Q/GDW679—2011《智能變電站一體化監控系統建設技術規范》及《國家電網公司輸變電工程通用設計（110（66）～750kV智能變電站部分2011版）》要求，站控層設備匯總如下。

1面監控主機屏、2臺監控主機、1面Ⅰ區通信網關機柜、2臺Ⅰ區通信網關機、2臺站控層Ⅰ區交換機、2臺防火墻、1面Ⅱ/Ⅲ/Ⅳ區通信網關柜機、2臺Ⅱ區數據通信網關機、1臺Ⅲ/Ⅳ區區數據通信網關機、2臺站控層Ⅱ區交換機、1面綜合應用服務器屏、1臺綜合應用服務器、1臺正向隔離、1臺反向隔離、1臺智能防誤主機（含屏）、1套順控模塊軟件、2臺網絡打印機。

間隔層測控裝置見表1。

2.1.3 過程層設備

過程層設備涵蓋集成單元、智能核心模塊等元件。它們構成的底層組件，致力于實現變電站的基礎功能，例如，實時采集電力運行數據、監控設備動態并執行控制指令。這個層次的網絡設計獨立于站控和區域層的網絡架構。

2.1.4 網絡和安全防護設備

網絡組件方面，配備了多樣化的通信設備，其中包括交換機、光電轉換器、接口裝置以及用于網絡連接的硬件。

（1）對于站控層，部署了4臺冗余配置的24端口中心交換機（20電口，4光口），所有設備均安置在專門的數據通信網關機柜中，確保高可用性。

（2）間隔層網絡交換機的配置策略依據實際需求，可按設備室或者電壓級別進行定制化設置，以優化網絡布局和效率，220kV間隔層6臺24口交換機（20電口，4光口），組屏1面，布置在220kV配電裝置室內；110kV間隔層4臺24口交換機（20電口，4光口），組屏1面，布置在110kV配電裝置室內；35kV開關柜室間隔層6臺24口交換機（20電口，4光口），組屏1面，布置在110kV配電裝置室內。

（3）過程層網絡交換機。SV采樣值網，采樣值SV均采用點對點方式，不獨立組網。GOOSE網每臺主變獨立組網，網絡冗余配置，220kV按間隔獨立組網，110kV僅配置過程層中心交換機，過程層網絡交換機配置見表2。

2.2 系統網絡

整個站點采用單一的站控層MMS通信網絡架構，設計為雙冗余星型拓撲，支持雙線并行操作。

（1）站控層網絡。站控層設備通過此網絡進行內部設備間，以及與間隔層設備的交互，包括MMS和GOOSE信息的傳輸。

站控層交換機配備有1000Mbps電口接口，并通過1000Mbps光口進行級聯連接，連接著數據通信網關機、監控主機、綜合應用服務器和數據服務器等關鍵設備。站控層設備通過兩個獨立的以太網控制器接入這個雙網系統。

（2）間隔層網絡。間隔層的通信同樣基于雙重化星形以太網絡，每個間隔層設備通過各自的獨立以太網控制器接入網絡。間隔層網絡負責本間隔內的設備通信，以及與其他間隔和站控層的交互，支持MMS和GOOSE報文的傳輸。間隔層交換機優選1000Mbps電口，級聯端口則推薦使用1000Mbps光口，其部署策略可依據設備室或電壓等級的不同而變化，通常選擇具備24個端口的交換機。

（3）過程層網絡。過程層網絡負責處理間隔層與過程層設備，以及同類設備之間的數據交換，主要承載SV和GOOSE報文的傳輸，其確保了各層級間的高效通信。

2.3 系統軟件

（1）操作系統。選用先進的Linux/UNIX架構，其模塊化設計確保了高效、穩定的運行性能，具備優異的擴展適應性和可靠性。

（2）歷史數據庫。依托業界成熟的商業解決方案，配備了專用的數據庫管理和軟件開發工具，便于維護、升級和功能拓展。

（3）實時數據庫。憑借其高強度的安全保障和卓越的實時數據處理能力，支持多任務并行訪問和即時數據同步更新，提高了數據傳輸效率。

（4）數據通信模塊。其采用基于事件驅動的消息傳遞模式，借助先進的消息中間件技術，實現了不同應用程序間的信息無縫對接和交互。

監控主機作為系統的核心控制單元，全面監控和管理所有保護裝置及記錄設備狀態。I區域的監控主機用于全站保護系統的實時監控與管理，清晰呈現所有保護設備的運行狀況和故障報告。配備專用的設備狀態監測和診斷裝置，負責從過程層實時采集和解析數據，其診斷結果以統一的方式在站級管理層進行集中展示，提升了整體工作效率。

監控主機能滿足本站（包含遠景）的信息點接入市調的D5000系統，并為本站擴容階段冗余配置CPU板卡，以滿足全站的負荷控制率。

3 智能輔助控制系統

南匯變電站配置1套智能輔助控制系統，輔控系統由生產用視頻監控子系統、環境監測子系統、燈光控制子系統、火災報警子系統、安防用視頻監控系統、安全防衛系統組成，實現對站內各分系統設備的監視與控制。其中火災報警子系統設置獨立主機與輔控后臺系統通信；生產用視頻監控子系統、環境監測子系統、燈光控制子系統不設置獨立主機，由輔控后臺系統集成；安防用視頻監控系統、安全防衛系統分別設置獨立主機，組成安防圖像監視系統。

3.1 視頻監視系統

南匯變電站本期配置1套生產用視頻監視子系統，生產用視頻監控攝像頭直接接入變電站一體化智能輔助控制系統，攝像頭采用網絡方式傳輸圖像，攝像機布置滿足變電站設備遙控操作輔助監視及設備遠程輔助巡視的要求，滿足控制操作到設備冷備用狀態輔助監視的要求。生產用攝像機安裝位置見表3。

3.2 安防用視頻監視系統

安防用視頻監控系統主要用于對電力設施全面部署區域及其周邊環境進行無間斷視頻監控，同時能與技防報警系統進行報警聯動，滿足全站安防要求。安防用視頻監控系統設置獨立視頻主機，并配置安防圖像監視后臺主機用于集成技防報警系統，視頻主機按上海技防辦要求預留視頻上傳接口。攝像頭采用網絡方式傳輸圖像。本期工程南匯站安防用攝像機安裝位置如下：圍墻安裝4臺室外網絡快球、大門安裝2臺網絡固定攝像機、大樓出入口安裝6臺網絡固定攝像機、大樓二層對外通道安裝2臺固定網絡攝像機。

3.3 安全防衛系統

安全防衛體系構建了雙層防護策略：第1層是圍繞變電站設立的外圍防線，第2層是對核心作業區域實施特別關注。

南匯站采用電子圍欄作為變電站周界防范設備，電子圍欄系統相比紅外對射等普通周界報警系統有以下優點：通過在周界圍墻上安裝電子圍欄能達到普通周界報警系統不能達到的功能，具備威懾作用，能更有效地阻止人員攀爬、翻越圍墻。電子圍欄所用的高強度金屬絲具備顯著的抵御力，可以遏制鳥類、小型生物以及微小枝葉引發的意外警報干擾。站內關鍵區域根據環境特點采用紅外雙鑒、紅外幕簾、紅外對射等告警設備，實現重點區域的技術防范。安全防衛系統主機將相關信號接入站內智能輔助控制系統，以滿足值班人員的需要。

3.4 火災報警系統

由于南匯220kV變電站主變容量較大，故考慮采用全站火災報警方式。滅火方式采用水噴霧。

火災預警管理系統由核心處理器、各類感應器、手動警報裝置、聲光警示器、通信線路等構成。當火災警情出現，感應器將火警信息傳輸到核心處理器，該處理器能精確記錄火災發生的時刻和位置，并啟動緊急警報模式。

核心處理器位于變電站的消防安全監控中心，其全面掌控整個站點的消防管理體系，實時顯示變壓器和各個設備區域的火警狀態并發出警報。整個系統可自動、遙控和人工手動起動。

在二次設備室、35kV配電裝置室、走廊及樓梯間采用智能感煙探測器，220kV及110kV配電裝置室、接地變室、站用變室、電容器室及電纜層內安裝空氣采樣感煙探測器；主變、電抗器及其散熱器采用線型定溫探測器。各感應器全面監控，不僅能即時反應各設備區的火警，還具備報警功能。一旦發生火災，感應器迅速將警訊傳送到消防主控系統，確認火警后，會立即觸發聯動機制，開啟雨淋閥。當雨淋閥開啟，其壓力開關會激活并傳遞信號啟動消防水泵進行霧狀噴水滅火，同時，這一動作信號也會同步傳遞至火災預警系統。

3.5 六氟化硫（SF6）監測系統

南匯220kV變電站為新建地上站，本期220kV、110kV及35kV配電裝置采用戶內GIS組合電器，主變室進線采用SF6通管，為保證人身安全，站內配置一套SF6氣體監測系統。

本工程配置SF6主機3套：1套主機布置在220kV配電裝置室二樓走廊入口處，1套主機布置在110kV配電裝置室一樓平臺入口處，1套主機布置在35kV開關室一樓平臺入口處，方便運行和檢修人員及時了解情況。控制主機電源由站用電屏提供，報警信號通過主機送入站內輔助控制系統后臺。

本期工程南匯站SF6氣體監測系統按照SF6監測主機3套、SF6氣體監測傳感器60個配置。對于SF6氣體濃度的監控，各房間內的感應器特別設計，一旦檢測到超標，會立即將警報發送至主控系統。系統接收到信號后，會啟動站內事故通風專用的排風機，并啟動緊急排風程序，并通過鳴笛警示。主機通過硬接點發信號（失電、故障、報警）至站內監控系統，預留RS485/232通訊接口及以太網口。

3.6 環境信息采集系統

為了滿足站內二次設備運行對環境的要求，對繼保室、蓄電池室、220kV/110kVGIS室、35kV開關柜室等，安裝了溫度和濕度傳感器，實時監測環境的關鍵參數。傳感器的選擇和布局依據實際環境測量需求，數據處理部分設在繼保室，而傳感器則直接部署在設備操作區域，確保實時性和準確性。相關信號送入站內輔助控制系統后臺。

3.7 智能輔助控制系統后臺

智能輔助控制系統后臺功能通過綜合應用服務器實現，采集站內智能輔助控制各個子系統數據等各類數據，并作為各種數據收集、存儲、處理、分析的中心，實現各個子系統智能聯動功能。綜合應用服務器經過III/IV區通信網關機與調度（調控）中心的系統主站端進行通信。

4 結束語

文章系統介紹了220kV智能變電站自動化系統的設計，重點探討了總體功能、硬件方案及輔助控制系統。采用完備的設計方案，可有效確保220kV智能變電站的高效、可靠與穩定運行。