智能變電站實現(xiàn)變電站數(shù)字二次回路的設(shè)計方案

0引言

目前，智能變電站在實現(xiàn)變電站數(shù)字化和智能化兩方面都取得了明顯進展：1)與傳統(tǒng)變電站相比，實現(xiàn)了二次回路的數(shù)字化、光纖化。節(jié)省了大量的電纜、金屬資源和敷設(shè)成本，降低了電纜二次回路的故障率，同時實現(xiàn)了回路的狀態(tài)監(jiān)測和智能告警。2)部分變電站自動化系統(tǒng)高級應(yīng)用功能有較大提升，并實現(xiàn)了規(guī)范化，如順序控制等高級應(yīng)用功能可大幅提高開關(guān)、刀閘的運行操作效率。

但是，智能變電站建設(shè)也遇到了不少問題，存在部分二次設(shè)備穩(wěn)定性差、設(shè)備故障率高、檢測與調(diào)試手段不足、變電站運行維護不便、改擴建困難、部分地區(qū)一線運行管理薄弱和現(xiàn)場運維人員不適應(yīng)新技術(shù)發(fā)展等問題。針對這些問題，至今仍無有效的系統(tǒng)性解決方案。分析智能變電站上述問題的主要原因，可歸納為3個方面：

(1)IEC61850標準的復(fù)雜性[3]。該標準體系龐大、卷帙浩繁，對普通技術(shù)人員來說內(nèi)容艱深，較難掌握。按IEC61850標準設(shè)計的智能變電站，全站采用一個SCD文件配置全部二次設(shè)備之間信息的交換，一處變更會影響全站。智能變電站系統(tǒng)運行依賴全站SCD文件和裝置的CID文件，配置方法較難掌握，供調(diào)試運維檢修人員使用的IEC61850工具也很不完善，人機接口不友好，使用不方便。

(2)電子式互感器的可靠性[4-5]。電子式互感器既存在本體器件質(zhì)量、制造安裝工藝、數(shù)據(jù)處理可靠性問題，也存在合并單元的可靠性問題，后者因素不容忽視，且其與就地化安裝方式、智能變電站體系架構(gòu)互相關(guān)聯(lián)。

(3)智能變電站體系架構(gòu)的復(fù)雜性。智能變電站總體是三層(站控層、間隔層、過程層)兩網(wǎng)(站控層網(wǎng)、過程層網(wǎng))結(jié)構(gòu)。監(jiān)控系統(tǒng)及其他設(shè)備采用網(wǎng)絡(luò)采樣、網(wǎng)絡(luò)跳閘。繼電保護為保證快速性、可靠性，采用直采直跳，聯(lián)閉鎖信號傳送仍通過網(wǎng)絡(luò)。最終導(dǎo)致過程層結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，設(shè)備接口數(shù)量多，設(shè)計制造難度大，運行問題多。

上述3個問題實際上互相糾結(jié)，難以分別解決，迫切需要一個系統(tǒng)性的解決方案。

1設(shè)計思路

1.1技術(shù)原則

新型智能變電站二次系統(tǒng)應(yīng)繼承前兩代智能變電站建設(shè)運行維護的寶貴經(jīng)驗，采用經(jīng)實踐檢驗的關(guān)鍵技術(shù)原則。主要原則包括：

(1)堅持采用IEC61850標準。

(2)既支持使用電子式互感器，也支持使用常規(guī)互感器。

(3)繼電保護設(shè)備獨立、分散配置，不依賴于外部對時，并保證系統(tǒng)反應(yīng)的快速性和可靠性。

(4)二次系統(tǒng)運維單元應(yīng)與一次系統(tǒng)間隔相匹配。目前智能變電站堅持了二次設(shè)備按間隔配置，但沒有明確二次回路按間隔配置的原則，這是造成單個間隔一次或二次設(shè)備運行維護和改擴建困難并且一處變動會影響到全站的癥結(jié)所在。實際上，智能變電站二次回路發(fā)展演變?yōu)楣饫w網(wǎng)絡(luò)及相應(yīng)的軟件、配置文件和信息流，二次回路按間隔配置的原則被實現(xiàn)方式的表象掩蓋并被忽略。為此，本文提出，智能變電站二次設(shè)備與二次回路(包括網(wǎng)絡(luò)、軟件、配置文件和信息流)都應(yīng)按間隔配置，不能再擴大，以保證二次系統(tǒng)運維單元與一次系統(tǒng)間隔相匹配。這一原則是下一代智能變電站能夠取得成功的關(guān)鍵。

1.2技術(shù)路線

新型智能變電站總體技術(shù)路線是在現(xiàn)有智能變電站技術(shù)方案基礎(chǔ)上進行的簡化和調(diào)整，以形成清晰簡潔的體系結(jié)構(gòu)，從而提高智能變電站的運維方便性和運行可靠性，達到可大規(guī)模、高效建設(shè)智能變電站的目的，同時方便改造已建智能變電站。

(1)簡化IEC61850標準在智能變電站的應(yīng)用;或制定適用于中國現(xiàn)狀的部分分項標準、條款，或提出中國方案。

(2)將調(diào)試運行維護軟硬件工具作用提升到戰(zhàn)略高度，重點提升用戶體驗。開發(fā)以功能為導(dǎo)向的配置和調(diào)試工具，使IEC61850標準對用戶透明。

(3)研究提出可同時滿足保護、測控等多專業(yè)核心要求，且清晰、簡潔的體系架構(gòu)，可考慮取消過程層網(wǎng)絡(luò)和交換機。

(4)二次回路(包括網(wǎng)絡(luò)、軟件、配置文件和信息流)按間隔配置。將全站SCD文件按間隔解耦，將裝置CID文件按過程層、間隔層、站控層解耦，分別形成獨立的小配置文件(或部分不再使用配置文件)，小配置文件修改互不干擾，并便于修改后局部傳動驗證。

(5)取消或簡化電子式互感器的合并單元，提升互感器運行可靠性。

(6)保持繼電保護裝置就地化安裝方式的優(yōu)點，同時避免就地化安裝方式可能帶來的運維不便等缺點。

(7)提高變電站二次系統(tǒng)集成聯(lián)調(diào)效率。

2基于數(shù)字二次回路裝置的智能變電站過程層改進方案

智能變電站二次回路發(fā)展演變?yōu)楣饫w網(wǎng)絡(luò)及相應(yīng)的軟件、配置文件和信息流，但仍應(yīng)按間隔配置，以保證二次系統(tǒng)運維單元與一次系統(tǒng)間隔相匹配。為此設(shè)計了一種新型的數(shù)字二次回路裝置，該裝置按間隔配置，無需配置文件，只要簡單整定甚至無需整定。

下文將分別介紹單/雙母線接線的線路間隔、母線間隔和全站二次系統(tǒng)總體架構(gòu)。然后以TV間隔、母聯(lián)(分段)間隔、主變間隔為例介紹方案。

2.1單/雙母線接線的線路間隔方案

每個間隔配置一臺數(shù)字二次回路裝置，該裝置完成本間隔內(nèi)所有二次回路連接功能，對下連接本間隔開關(guān)場電流互感器、電壓互感器、斷路器智能終端、TV間隔電壓輸入，對上連接本間隔保護、測控等裝置，并連接母線保護裝置，如圖1所示。

數(shù)字二次回路裝置具備多種類型通信接口，可靈活接入多種裝置的接口。傳輸采樣值時，對每一相電流、電壓都附帶采樣延時。采樣延時可測可知并有可能保持固定。該裝置可完成類似常規(guī)變電站中TA串聯(lián)、TV并聯(lián)、繼電器接點接續(xù)(含跳合閘命令、聯(lián)閉鎖信號、位置狀態(tài))等功能。母線保護所需的電流、電壓、位置信號及跳閘命令皆由此裝置傳遞。母線保護與線路保護之間啟動、閉鎖信號也由該裝置傳送。

過程層取消電子式互感器合并單元，互感器采樣模塊(遠端模塊)直接連接數(shù)字二次回路裝置。采用傳統(tǒng)互感器時，TA采樣模塊與TV采樣模塊分開配置。智能終端采用現(xiàn)有設(shè)計和配置方案，基本保持不變。智能終端通信接口與數(shù)字二次回路裝置連接。

2.2母線間隔方案

母線間隔二次設(shè)備配置及連接與線路間隔有所不同。母線保護所需的各電氣量、開關(guān)量及對各連接元件的跳閘命令，通過各個連接元件間隔的數(shù)字二次回路裝置傳輸，方案如圖2所示。

為進一步提高母線保護的可靠性，也可以為母線保護設(shè)單獨的數(shù)字二次回路裝置。配置與接線和圖2類似，不再展開敘述。

2.3TV間隔方案

TV間隔數(shù)字二次回路裝置采集各母線電壓互感器就地采樣模塊送來的電壓采樣值和TV刀閘位置信號，并完成TV電壓并列功能。TV間隔數(shù)字二次回路裝置具有較多的輸出接口，將電壓信號送給各線路間隔等的數(shù)字二次回路裝置。該裝置功能與現(xiàn)有母線TV合并單元類似，如圖3所示。

備注：各線路間隔的電壓切換功能由保護裝置完成。數(shù)字二次回路裝置只做報文轉(zhuǎn)發(fā)，不做邏輯功能。

2.4母聯(lián)(分段)間隔方案

母聯(lián)(分段)間隔二次設(shè)備配置及連接與線路間隔較為相似，如圖4所示，不再詳述。

2.5主變間隔方案

主變間隔二次設(shè)備配置與連接原則與線路間隔相同，主變各側(cè)分別配置1臺數(shù)字二次回路裝置，方案如圖5所示。

2.6智能變電站二次系統(tǒng)總體架構(gòu)

按照上述設(shè)計思路，智能變電站體系結(jié)構(gòu)中不再有過程層網(wǎng)絡(luò)和交換機，各間隔二次設(shè)備及二次回路分別自治。站控層設(shè)備和站控層網(wǎng)絡(luò)基本保持不變。變電站對時系統(tǒng)與現(xiàn)有方案相同，各互感器就地采樣模塊接入對時信號，采樣值帶采樣標號(時標)，供測控、計量等二次設(shè)備做測量值計算時同步數(shù)據(jù)使用，而保護裝置功能實現(xiàn)不依賴此對時系統(tǒng)。典型的基于數(shù)字二次回路裝置的220kV變電站二次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

由于取消了過程層網(wǎng)絡(luò)和交換機，數(shù)字二次回路裝置也不需要IEC61850配置文件，全站SCD文件大為簡化，基本上僅包含站控層設(shè)備的信息和間隔層設(shè)備與站控層相關(guān)的信息，極大減少了二次系統(tǒng)集成聯(lián)調(diào)的工作量。