智能站二次設(shè)備集成設(shè)計分析

張曉慧（河南省電力勘測設(shè)計院，河南　鄭州　450007）

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智能站二次設(shè)備集成設(shè)計分析

張曉慧（河南省電力勘測設(shè)計院，河南鄭州450007）

圍繞“節(jié)約環(huán)保、功能集成、配置優(yōu)化、工藝一流，突出工業(yè)化設(shè)施定位，優(yōu)化集成”的核心理念在通用設(shè)計相關(guān)原則指導下，深入總結(jié)提煉已投運工程經(jīng)驗，提高智能變電站信息共享程度和功能集成程度。針對“調(diào)控一體、運維一體”，通過整合智能變電站二次系統(tǒng)，實現(xiàn)創(chuàng)新優(yōu)化方案：①基于一體化監(jiān)控的建設(shè)理念，加強站控層設(shè)備的整合。②加強間隔層設(shè)備的整合，220kV電壓等級配置多功能測控裝置，整合測控、計量和PMU功能；主變壓器配置集中式測控裝置，整合各側(cè)及本體測控功能。③采用故障錄波網(wǎng)絡(luò)記錄分析一體化裝置，減少硬件重復投資，實現(xiàn)“信息共享、功能集成”的設(shè)計理念。④采用合并單元、智能終端硬件整合的一體化智能組件，減少裝置數(shù)量，方便就地布置，智能組件的GOOSE和SV信息共口傳輸，節(jié)省光口數(shù)量。

二次設(shè)備；智能化；整合；設(shè)計

1　概述

目前智能變電站已普及，但在智能變電站工程建設(shè)中，投資普遍較常規(guī)變電站高，一般較常規(guī)站增加5.9～11.2%，其中對智能變電站造價影響較大的是設(shè)備購置費。主要是由于智能變電站增加智能終端、合并單元、網(wǎng)絡(luò)交換機、數(shù)字化電能計量表計、網(wǎng)絡(luò)分析儀等二次設(shè)備，導致投資大幅增加。

信息數(shù)字化、功能集成化、結(jié)構(gòu)緊湊化是智能變電站的重要特征；二次系統(tǒng)優(yōu)化整合、合理壓縮二次功能房間面積，符合兩型一化要求。二次系統(tǒng)的重復設(shè)置造成投資浪費，增加運行維護工作量，對二次系統(tǒng)進行相同功能、相同設(shè)備上的整合是必要的，可提高變電站運行管理水平、減少運行維護工作量、降低全壽命周期成本，推進智能電網(wǎng)、智能變電站的建設(shè)。

2　站控層設(shè)備集成整合

基于新一代智能變電站監(jiān)控一體化系統(tǒng)主站的功能需求及實施方案，并對信息進行整合優(yōu)化，實現(xiàn)全景數(shù)據(jù)一體化信息平臺及相關(guān)高級應(yīng)用的擴展，實現(xiàn)站內(nèi)信息的統(tǒng)一接入、統(tǒng)一儲存、統(tǒng)一應(yīng)用、統(tǒng)一展示，滿足各專業(yè)隊站內(nèi)數(shù)據(jù)、模型、和圖形的應(yīng)用需求。站控層設(shè)備具備集成整合的技術(shù)條件的，通過功能集成整合，滿足無人值班變電站站端與調(diào)控端運行要求。

3　間隔層設(shè)備集成整合

智能變電站的間隔層設(shè)備由保護裝置、測控裝置、PMU、電度表、故障錄波、等設(shè)備構(gòu)成，完成對過程層設(shè)備的實時運行電氣量的采集、設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測，并進行處理、分析后，將信息上送至站控層；同時也將站控層的相關(guān)控制命令下發(fā)至過程層設(shè)備進行執(zhí)行。

3.1保護測控計量多合一裝置

智能變電站內(nèi)10kV保護測控計量一體化裝置已經(jīng)被大面積使用，國內(nèi)主流廠家均已有較成熟的系列產(chǎn)品，也在國內(nèi)不少智能變電站工程中得到了應(yīng)用。保護測控計量集成裝置的出現(xiàn)，大大節(jié)省了設(shè)備數(shù)量、屏位空間和二次光纜，同時可顯著簡化變電站二次設(shè)備構(gòu)架。

在配置了合并單元及智能終端后，將一次設(shè)備的模擬量采樣及開關(guān)量實現(xiàn)就地數(shù)字化，保護測控計量裝置僅需進行數(shù)字化后數(shù)據(jù)的接收、計算以及保護邏輯判斷；隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，微機保護和微機測控裝置的硬件平臺水平也不斷更新，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。但為確保護裝置的獨立性，國內(nèi)主流二次設(shè)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及獨立的CPU單元，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。

3.2多功能測控裝置

智能變電站中，間隔層設(shè)備從網(wǎng)絡(luò)中獲取一次設(shè)備的原始數(shù)據(jù)，原來冗繁的模擬量采集插件改由1～2個組網(wǎng)口實現(xiàn)，極大地節(jié)省了空間。與此同時，高速以太網(wǎng)技術(shù)可實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)的實時傳輸，模塊化設(shè)計理念保證同一裝置各功能模塊的相對獨立性，這些均為多功能測控裝置的實現(xiàn)提供了有力技術(shù)支撐。

裝置縱向整合，能夠?qū)崿F(xiàn)本間隔的測控、計量以及同步相量測量功能的多功能測控裝置，在重慶大石220kV智能變電站中多功能測控裝置已經(jīng)投入了運行。

變電站單間隔多功能測控裝置是以變電站內(nèi)一個間隔為監(jiān)控對象的智能監(jiān)控設(shè)備，實現(xiàn)測控、PMU、計量、錄波等裝置的功能整合。它既能夠?qū)崿F(xiàn)本間隔的交流采樣、狀態(tài)信號采集、同期操作、刀閘控制、全站防誤閉鎖功能，又能夠?qū)崿F(xiàn)廣域同步相量的測量、錄波、校核計量、電能質(zhì)量監(jiān)測等功能。

3.3集中式測控裝置

隨著智能變電站的應(yīng)用，測控裝置已經(jīng)由原來點對點控制采集改為網(wǎng)絡(luò)控制采集。大部分遙“測”量以及遙“控”量都是通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)，具備了將主變?nèi)齻?cè)以及本體測控功能集中由一臺測控裝置實現(xiàn)的條件。

集中式測控是基于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的裝置橫向整合；多間隔數(shù)據(jù)集成共享，降低網(wǎng)絡(luò)負載；統(tǒng)一時標，提升SCADA數(shù)據(jù)質(zhì)量；節(jié)省設(shè)備、簡化網(wǎng)絡(luò)、減少占地。

3.4故障錄波器、網(wǎng)絡(luò)報文記錄分析裝置的整合

在智能變電站中，故障錄波和網(wǎng)絡(luò)記錄分析儀的設(shè)置屏位較多，一個220kV變電站中故障錄波柜最多達到4面，網(wǎng)絡(luò)記錄分析儀柜也有2面，不僅屏位浪費、增加小室面積，而且功能相對分散，沒有達到信息共享、綜合分析的效果。

在智能變電站建設(shè)中，故障錄波、網(wǎng)絡(luò)記錄分析儀單獨配置，分別有著各自的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，硬件投資重復，不符合“信息共享、功能集成”的智能變電站設(shè)計理念。彼此功能過于獨立，無法將信息綜合分析，不但運行和維護成本較高，而且有悖未來大電網(wǎng)信息綜合分析決策的發(fā)展。

根據(jù)對故障錄波、網(wǎng)絡(luò)記錄分析儀共性的分析，兩者數(shù)據(jù)源、功能性質(zhì)一致，將故障錄波、網(wǎng)絡(luò)記錄分析儀整合是必要的。整合后可以節(jié)省投資、節(jié)約空間、減少連接線纜和交換機接口、更可以實現(xiàn)以二次系統(tǒng)故障的綜合分析，不僅符合“節(jié)約環(huán)保、功能集成、配置優(yōu)化”設(shè)計理念，而且順應(yīng)大電網(wǎng)大集中的發(fā)展形勢。

4　過程層設(shè)備的集成整合

智能變電站的過程層設(shè)備由合并單元、智能終端等智能組件構(gòu)成，完成與一次設(shè)備相關(guān)的功能，包括實時運行電氣量的采集、設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測、控制命令的執(zhí)行等。

合并單元與智能終端的整合：

目前新一代智能變電站試點工程中有多個廠家已生產(chǎn)出合并單元和智能終端一體化裝置。合并單元和智能終端一體化裝置一般采用雙CPU的實現(xiàn)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(shè)計可以有效防止當采樣環(huán)節(jié)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(yōu)先可靠性。

并且，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(wǎng)方案，CPU可以獨立對外進行直采直跳的網(wǎng)絡(luò)連接或者組網(wǎng)連接（GOOSE網(wǎng)絡(luò)或者SV網(wǎng)絡(luò)）。當網(wǎng)口使用數(shù)量大于CPU本板網(wǎng)口數(shù)量時，可采用CC插件對網(wǎng)口進行擴展。當采用三網(wǎng)合一的組網(wǎng)方案時，雙CPU之間通過高速總線進行通信。該數(shù)據(jù)總線由FPGA構(gòu)建而成，速率可達20Mbps以上，保證跨CPU間通訊實時可靠，接入網(wǎng)絡(luò)的CPU板通過網(wǎng)口將SV、GOOSE、對時報文進行分流處理，以減少單CPU的負荷。

合并單元和智能終端下放在就地智能匯控柜內(nèi)，采用一個裝置，以各自獨立的接口面向互感器和開關(guān)設(shè)備，以單一的對外接口通過過程層網(wǎng)上傳信息。

當采用合并單元和智能終端一體化設(shè)備時，隔刀位置信號可以在裝置內(nèi)與智能終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，合并單元就無需為了獲取位置信號進行電壓切換和上傳裝置告警信號再占用1個GOOSE交換機光接口，節(jié)約了交換機和裝置2個光接口，簡化了網(wǎng)絡(luò)接線。在高電壓等級變電站中，當智能操作箱和合并單元均需和多個保護裝置點對點連接時，節(jié)省的光接口數(shù)量更可觀。

合并單元與智能終端合一裝置，可采用FPGA直接發(fā)送報文，報文延時輸出抖動不大于1μs，以保證插值再采樣同步的精度；采用分時報文發(fā)送技術(shù)，使得SV報文和GOOSE報文在同一光纜傳輸時，SV報文發(fā)送時刻不受GOOSE報文影響，并仍支持間隔層設(shè)備插值再采用同步；采用100M以太網(wǎng)接口和硬件解碼技術(shù)，具備100M線速數(shù)據(jù)處理能力，保證通訊流量滿負荷時GOOSE相應(yīng)的實時性和可靠性。

5　結(jié)論

根據(jù)智能變電站設(shè)備集成化要求，以及國網(wǎng)公司集成優(yōu)化設(shè)計的指導思想和意見，結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，對二次設(shè)備功能進行優(yōu)化整合，減少裝置數(shù)量，降低設(shè)備投資。

變電站二次系統(tǒng)集成優(yōu)化方案包括一體化監(jiān)控平臺的搭建；監(jiān)控主機的功能整合、綜合應(yīng)用服務(wù)器的功能整合；集中測控裝置、多功能測控裝置、保護測控計量一體化裝置的應(yīng)用，故障錄波網(wǎng)絡(luò)分析儀的整合；合并單元智能終端的整合；一次設(shè)備操作回路的簡化等多個方面。整合內(nèi)容涉及變電站自動化系統(tǒng)站控層、間隔層、過程層以及一次設(shè)備的二次回路等各個部分。

智能變電站全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標準化，要求節(jié)能、節(jié)材、接地。二次設(shè)備的整合優(yōu)化體現(xiàn)了上述特征，是智能變電站的內(nèi)在要求，是前一階段智能變電站發(fā)展的必然結(jié)果，也是新一代智能變電站的重要發(fā)展方向。

［1］國家電網(wǎng)公司.智能變電站建設(shè)技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2011.

張曉慧（1983-），女，高級工程師，研究生，主要從事變電站電氣設(shè)計工作。

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2095-2066（2016）13-0033-02

2016-4-10