智能變電站過程層與間隔層的應(yīng)用技術(shù)研究

楊國濤 程先銳 郝雨

【摘要】隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會已經(jīng)向智能化、信息化的時代發(fā)展?？茖W(xué)技術(shù)水平的提高，變電站也向著智能化的方向發(fā)展前進(jìn)。智能變電站的技術(shù)關(guān)鍵點與難點過程層網(wǎng)絡(luò)。在滿足過程層網(wǎng)絡(luò)實時控制需求的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)條件，本文分析了過程層設(shè)備的功能、傳輸及配置原則，并闡述了智能變電站過程層的基本要求，并提出了相關(guān)的方案。

【關(guān)鍵詞】智能變電站；過程層；應(yīng)用技術(shù)；研究

1、變電站過程層的概述

智能變電站是當(dāng)前電力系統(tǒng)發(fā)展的一大產(chǎn)物，它是隨著科技的發(fā)展從而實現(xiàn)變電站的智能化和自動化?？梢杂行У膶崿F(xiàn)信息的數(shù)字化，并且具備一定的采集信息、處理數(shù)據(jù)信息的能力，實現(xiàn)信息共享。智能變電站由站控層、間隔層和過程層三層結(jié)構(gòu)。而過程層位于整個自動化系統(tǒng)的最底層，主要由變壓器、斷路器、隔離開關(guān)以及電流電壓互感器等一次設(shè)備和各種智能組件構(gòu)成的電子裝置。其主要職能是對整個設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，并執(zhí)行相關(guān)的操作命令。過程層是三層中與一次設(shè)備連接最為密切的，因此它的運(yùn)行狀態(tài)也直接影響到整個變電站運(yùn)行的穩(wěn)定性。

過程層是智能變電站區(qū)別于常規(guī)變電站的主要特點，相對于傳統(tǒng)的變電站，智能站的過程層能有效解決變電設(shè)備的抗干擾、對高壓和低壓的相互隔離、信息的不可共享和發(fā)展。同時智能變電站的過程層設(shè)備的發(fā)展采用了較為復(fù)雜的新技術(shù)，從而新增了較多的設(shè)備。對實時性和可靠性的要求提出了新的要求。對于智能變電站的相應(yīng)設(shè)備的運(yùn)行業(yè)績較少并且時間較短，并且相關(guān)的建設(shè)方案未實現(xiàn)完全的共識，設(shè)備過程中的安全性和可靠性過程中的分析和管理過程中的問題也不容忽視。

2、應(yīng)用過程層的基本要求

過程層在整個變電站中的使用當(dāng)中起著重要的作用，因此，要想整個自動化系統(tǒng)合理、安全的運(yùn)行下去，就必須遵循相應(yīng)的原則，這樣才能更好安裝和管理好過程層。

2.1 實時性原則

在通信標(biāo)準(zhǔn)中IEC 61580中規(guī)定的GOOSE是一種面向通用對象的變電站事件，簡言之，其主要工作職能就是保護(hù)交換和傳輸中的信息能夠合理有效。在智能變電站中，GOOSE服務(wù)主要是對那些智能單元、一次設(shè)備等進(jìn)行有效的連接信息傳輸服務(wù)，尤其是對跳合閘信號和命令的傳輸。雖然GOOSE服務(wù)的報文數(shù)據(jù)量不是很大，但是它所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都較為重要，而且傳輸過程極具突發(fā)性，因此在傳輸報文的過程中就必須要遵循實時性原則，有效的將數(shù)據(jù)信息傳送到制定地點。一般對GOOSE服務(wù)傳輸數(shù)據(jù)的時間限定在4 ms以內(nèi)。

2.2 采樣值傳輸數(shù)據(jù)技術(shù)原則

采樣值傳輸主要是過程中與間隔層之間通信的一個重要內(nèi)容，在二者傳輸過程中，其中過程層中最大的一個數(shù)據(jù)流就在互感器的保護(hù)以及測控之間的采樣值傳輸中。因此，采樣值傳輸數(shù)據(jù)也必須要有一定的實效性，其相關(guān)技術(shù)原則也有如下要求：①采樣值的傳輸要與過程網(wǎng)進(jìn)行連接，一般采取光纖連接；②要注意的是，間隔層中的承擔(dān)保護(hù)、檢測的設(shè)備與合并單元進(jìn)行連接時，要通過過程層的交換機(jī)進(jìn)行傳輸，二者不能直接進(jìn)行連接。交換機(jī)獲取采樣值信號然后在通過其二次傳輸實現(xiàn)消息共享；③接入方式選取點對點的接入方式。以便更好的發(fā)揮交換機(jī)的虛擬技術(shù)和優(yōu)先級技術(shù)，這樣就更能保護(hù)網(wǎng)絡(luò)，提高穩(wěn)定性能。

2.3 智能終端設(shè)計基本原則

智能終端是智能變電站的一個重要設(shè)備，它實際上一種智能組件，通過電纜與一次設(shè)備連接，從而起到監(jiān)測和測量的作用。智能終端主要針對通用對象的變電站事件，做到合理有效的監(jiān)測和控制。在安裝智能終端時，應(yīng)多安裝在封閉的空間，如戶內(nèi)柜、戶外柜等，且防護(hù)等級必須要高，要達(dá)到相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。在具體的設(shè)計環(huán)節(jié)也應(yīng)遵循幾點原則：①智能終端主要針對的是通用對象的變電站，其傳播速度要保整合理，因此，設(shè)計時要注重信息傳播的實時性；②應(yīng)具備COOSE命令記錄功能，無論是命令時間還是命令來源以及相關(guān)的措施都要記錄下來，并且還要提供有效的查看方法；③在設(shè)計智能終端時，還要讓其具備通信功能和轉(zhuǎn)換功能，這樣才能有效地執(zhí)行相關(guān)的控制命令。

3、智能化變電站過程層應(yīng)用方案

3.1 常規(guī)互感器方案

在該設(shè)計方案中，以220 kV線路保護(hù)為例，通過常規(guī)互感器從而加裝、采集單元以實現(xiàn)采樣值的數(shù)字化。配置好現(xiàn)場采集單元，處理好互感器輸出的模擬量最終按FT3格式輸出，然后在采用光纖的方式接入合并單元。整個方案系統(tǒng)是基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，從而以達(dá)到不經(jīng)過交換機(jī)而直接采樣的效果，如圖1所示。該種設(shè)計方案可以直接經(jīng)過GOOSE跳斷路器，斷路器的失靈、重合閘也可以通過GOOSE玩了過方式直接啟動。該種方案的最大優(yōu)點就是從長遠(yuǎn)方面考慮，在后期工程中可以直接將常規(guī)互感器改造成為電子式互感器。但同時也存在一定的弊端，結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，且對于常規(guī)電流互感器的飽和問題也沒有得到有效的解決。

3.2 電子式互感器直采直跳方案

該種方案也是以220 kV線路保護(hù)為例，但是與常規(guī)互感器方案不同，該方案采用的是電子式互感器，因此不需要采集單元，可以實現(xiàn)直采直跳的狀態(tài)。即過程層采樣值與GOOSE信息采用實現(xiàn)點對點傳輸。在整個方案中，繼電保護(hù)的采樣值是基于IEC 61850-9標(biāo)準(zhǔn)GOOSE協(xié)議下進(jìn)行的，如圖2所示。

在該種方案下，采取的是雙重化配置保護(hù)裝置，這樣更能保持設(shè)備的穩(wěn)定性和安全性。該種方案最大的優(yōu)點就是簡單方便，省略了交換機(jī)的環(huán)節(jié)，同時也不需要依賴同步對時信號，使得變電站信息傳輸更加方便、快捷，輕松實現(xiàn)信息數(shù)字化、集成化。雖然該種方案可以省略大量的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，使得數(shù)據(jù)信息傳播更加便捷，但是需要保護(hù)和合并單元的網(wǎng)口多，發(fā)熱量過大，就必須要用到更多的光纜和交換機(jī)，雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是配件過于復(fù)雜。

3.3 過程層三網(wǎng)合一的方案

三網(wǎng)合一是指IEC 61850-9-2采樣信息、IEEE 1588對時信息以及GOOSE信息共網(wǎng)傳輸?shù)姆桨?。該方案以變壓器保護(hù)為例，實現(xiàn)三網(wǎng)合一結(jié)構(gòu)，如圖3所示。在該結(jié)構(gòu)中，間隔層和過程層合并單元采用的是IEC 61850-9-2表展，而與過程層智能終端合并單元則是采用的是GOOSE通信協(xié)議，通過配置間隔交換機(jī)以及各主干網(wǎng)交換機(jī)從而實現(xiàn)信息共享。

該方案的最大優(yōu)點就是實現(xiàn)三網(wǎng)合一，信息共享。與其他兩種方案相比，可以最大化地實現(xiàn)信息共享，并且該方案網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、清晰，也不需要大量的光纜和交換機(jī)作為附件去連接。無論是設(shè)計環(huán)節(jié)還是實際安裝環(huán)節(jié)都比較簡便，也方便進(jìn)行后期管理和維護(hù)?？梢哉f，三網(wǎng)合一方案是未來技術(shù)發(fā)展的一大主流趨勢。雖然三網(wǎng)合一的方案簡介、方便，但是其技術(shù)性要求較高，技術(shù)難度較大，可靠性也有待探究，并缺乏有效的冗余手段。因此，在實行該種方案還需要注重冗余技術(shù)的應(yīng)用。

4、智能變電站過程層設(shè)備

4.1 智能變電站過程層構(gòu)成

智能變電站自動化系統(tǒng)之間三層之間用分層、分布、開放式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實現(xiàn)連接。過程層位于最底層，是一次設(shè)備和二次設(shè)備的結(jié)合，主要完成運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)檢測、操作控制命令的執(zhí)行和實時運(yùn)行電氣量的采集功能，實現(xiàn)基本狀態(tài)量和模擬量和數(shù)字化輸入/輸出。

相應(yīng)信息傳輸?shù)竭^程層。直接影響變電站信息的采集方式、準(zhǔn)確性和實時性。是繼電保護(hù)正確動作的前提。

相對于傳統(tǒng)變電站，智能變電站的一、二次設(shè)備發(fā)生了巨大變化，電磁式互感器被電子式互感器取代，傳統(tǒng)開關(guān)被智能化開關(guān)取代，多個智能電子設(shè)備之間通過GOOSE、采樣值傳輸機(jī)制進(jìn)行信息的傳遞。這些特征有利于實現(xiàn)反映變電站電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)、動態(tài)數(shù)據(jù)及變電站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、圖像等數(shù)據(jù)的集合，為電力系統(tǒng)提供全景數(shù)據(jù)。過程層設(shè)備包括變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、電流/電壓互感器等一次設(shè)備及其所屬的智能組件和獨立的智能電子裝置。

4.2 智能變電站過程層設(shè)備功能

合并單元功能：接收ECT、EVT數(shù)字信息，通過光纖實時接收ECT、EVT輸出的采樣值報文。交流模擬量采集。需要接入交流模擬量的MU應(yīng)具備交流模擬量采集的功能，可采集傳統(tǒng)電壓互感器、電流互感器輸出的模擬信號。采樣值輸出，MU宜采用DL/T 860.92規(guī)定的數(shù)據(jù)格式通過光纖以太網(wǎng)向保護(hù)、測控、計量、錄波、PMU等智能電子設(shè)備輸出采樣值。MU應(yīng)輸出電子式互感器整體的采樣響應(yīng)延時。母線PT并列切換功能，可接入硬開入或GOOSE等狀態(tài)量實現(xiàn)母線PT并列及切換功能，方便母線PT檢修。時鐘同步及守時MU應(yīng)接收外部基準(zhǔn)時鐘的同步信號并具有守時功能。提供秒脈沖測試信號，MU應(yīng)具備1個1PPS輸出測試接口，用以測試MU的時間及守時精度。

智能終端功能：支持最大8路直跳接口+2路網(wǎng)絡(luò)接口；支持三相/分相斷路器保護(hù)出口，測控控制出口；支持7路刀閘分、合、邏輯閉鎖控制；支持發(fā)送GOO反饋信號功能；支持多路硬開入接入。

操作回路功能：支持三相/分相斷路器操作回路；支持保護(hù)出口觸點反饋功能。

溫濕度采集功能：提供兩路直流采集功能，用與溫濕度采集；CPU插件提供板上溫濕度采集。

4.3 過程層設(shè)備配置原則

合并單元配置原則：繼電保護(hù)雙重化配置的間隔，合并單元冗余配置，應(yīng)具有冗余的獨立輸出回路；其余間隔合并單元宜單套配置。宜具備多個光纖接口，滿足保護(hù)直接采樣要求。合并單元輸出采樣率可設(shè)置（全站48點/周波，最高需求192點/周波） 宜具備電壓切換或電壓并列功能。需要時可接入常規(guī)互感器或模擬小信號互感器輸出的模擬信號）。

智能終端配置原則：220kV線路、母聯(lián)（分段）智能終端按雙重化配置；擴(kuò)大內(nèi)橋接線內(nèi)橋間隔智能終端按雙重化配置，110kV線路、母聯(lián)（分段）智能終端按單套配置。35kV及以下配電裝置采用戶內(nèi)開關(guān)柜布置時不宜配置智能終端（主變壓器間隔除外）。主變壓器本體智能終端宜單套配置，集成非電量保護(hù)功能。220、110（66kV）每段母線配置1套智能終端。智能終端宜分散布置于配電裝置場地智能控制柜內(nèi)。

過程層交換機(jī)配置原則：一個半斷路器接線、500kV電壓等級過程層GOOSE、SV網(wǎng)交換機(jī)應(yīng)按串配置，每串宜按雙重化共配置2臺GOOSE交換機(jī)。當(dāng)接入設(shè)備較多時，也可按雙重化共配置4臺GOOSE交換機(jī)；當(dāng)設(shè)置SV網(wǎng)絡(luò)時，每串按雙重化共配置2臺交換機(jī)；500kV每串GOOSE、SV交換機(jī)組2面柜。

220kV電壓等級過程層GOOSE、SV交換機(jī)按間隔配置； GOOSE、SV采樣共網(wǎng)設(shè)置，1各間隔按雙重化配置2臺交換機(jī)，交換機(jī)按間隔與保護(hù)測控一體化裝置共同組屏。主變高壓側(cè)相關(guān)設(shè)備接入高壓側(cè)所在串GOOSE、SV網(wǎng)交換機(jī)；主變中壓側(cè)按間隔配置GOOSE、SV網(wǎng)交換機(jī)，交換機(jī)布置在主變保護(hù)柜上；主變低壓側(cè)可采用點對點方式或與220kV側(cè)共用交換機(jī)。

500kV電壓等級應(yīng)根據(jù)規(guī)模按雙重化配置GOOSE和SV中心交換機(jī)，中心交換機(jī)可單獨組柜，也可與間隔交換機(jī)共同組柜。每臺交換機(jī)的光纖接入數(shù)量不宜超過16對，每個虛擬網(wǎng)均應(yīng)預(yù)留1～2個備用端口。任意兩臺智能電子設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸路由不應(yīng)超過4臺交換機(jī)。雙重化配置的保護(hù)裝置分別接入各自的過程層網(wǎng)絡(luò)，單套配置的保護(hù)裝置通過不同的網(wǎng)口接入雙重化網(wǎng)絡(luò)。

5、結(jié)語

綜上所述，智能變電站是未來電力系統(tǒng)發(fā)展的潮流方向，智能化變電站也使得電網(wǎng)的配電管理更加穩(wěn)定、安全。而過程層作為變電站較為重要的環(huán)節(jié)，其相關(guān)技術(shù)的研究尤為重要。本文主要從過程層的概念出發(fā)，闡述了過程層的相關(guān)技術(shù)要求，并提出當(dāng)前的三大技術(shù)方案。其中三網(wǎng)合一方案較為合理，但其技術(shù)性和可靠性還有待探究。智能變電站的建立與使用大大的改變了以往常規(guī)變電站中不能做到的部分，并且隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，電力企業(yè)也應(yīng)該緊緊跟隨時代發(fā)展的步伐，積極改善電力設(shè)備不足的方面。通過對智能變電站過程層的詳細(xì)了解與規(guī)劃，提出三網(wǎng)合一的技術(shù)，并且該技術(shù)還在測驗與測試階段，相信在不僅的將來該技術(shù)將得到極大的應(yīng)用，不僅節(jié)省線路的鋪設(shè)，也使得信息的傳輸速度得到極大的提升。該技術(shù)將隨著不斷的發(fā)展與進(jìn)步逐漸向新一代智能化方向發(fā)展，這需要不斷的努力與嘗試。