張曉慧（河南省電力勘測設(shè)計(jì)院，河南　鄭州　450007）

?

智能站二次設(shè)備集成設(shè)計(jì)分析

張曉慧（河南省電力勘測設(shè)計(jì)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(jì)相關(guān)原則指導(dǎo)下，深入總結(jié)提煉已投運(yùn)工程經(jīng)驗(yàn)，提高智能變電站信息共享程度和功能集成程度。針對(duì)“調(diào)控一體、運(yùn)維一體”，通過整合智能變電站二次系統(tǒng)，實(shí)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(qiáng)站控層設(shè)備的整合。②加強(qiáng)間隔層設(shè)備的整合，220kV電壓等級(jí)配置多功能測控裝置，整合測控、計(jì)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(fù)投資，實(shí)現(xiàn)“信息共享、功能集成”的設(shè)計(jì)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(jì)

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(duì)智能變電站造價(jià)影響較大的是設(shè)備購置費(fèi)。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(jī)、數(shù)字化電能計(jì)量表計(jì)、網(wǎng)絡(luò)分析儀等二次設(shè)備，導(dǎo)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(fù)設(shè)置造成投資浪費(fèi)，增加運(yùn)行維護(hù)工作量，對(duì)二次系統(tǒng)進(jìn)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(yùn)行管理水平、減少運(yùn)行維護(hù)工作量、降低全壽命周期成本，推進(jìn)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(shí)施方案，并對(duì)信息進(jìn)行整合優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)全景數(shù)據(jù)一體化信息平臺(tái)及相關(guān)高級(jí)應(yīng)用的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)信息的統(tǒng)一接入、統(tǒng)一儲(chǔ)存、統(tǒng)一應(yīng)用、統(tǒng)一展示，滿足各專業(yè)隊(duì)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(yùn)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(hù)裝置、測控裝置、PMU、電度表、故障錄波、等設(shè)備構(gòu)成，完成對(duì)過程層設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行電氣量的采集、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測，并進(jìn)行處理、分析后，將信息上送至站控層；同時(shí)也將站控層的相關(guān)控制命令下發(fā)至過程層設(shè)備進(jìn)行執(zhí)行。

3.1保護(hù)測控計(jì)量多合一裝置

智能變電站內(nèi)10kV保護(hù)測控計(jì)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(hù)測控計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)就地?cái)?shù)字化，保護(hù)測控計(jì)量裝置僅需進(jìn)行數(shù)字化后數(shù)據(jù)的接收、計(jì)算以及保護(hù)邏輯判斷；隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，微機(jī)保護(hù)和微機(jī)測控裝置的硬件平臺(tái)水平也不斷更新，CPU的處理能力更強(qiáng)，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(hù)、測控、計(jì)量功能整合在裝置制造上成為可能。但為確保護(hù)裝置的獨(dú)立性，國內(nèi)主流二次設(shè)備廠家保護(hù)測控一體化裝置保護(hù)、測控、計(jì)量均分別采用獨(dú)立的插件及獨(dú)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(hù)插件、測控插件、計(jì)量插件均完全獨(dú)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(gè)組網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)，極大地節(jié)省了空間。與此同時(shí)，高速以太網(wǎng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，模塊化設(shè)計(jì)理念保證同一裝置各功能模塊的相對(duì)獨(dú)立性，這些均為多功能測控裝置的實(shí)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(jì)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(yùn)行。

變電站單間隔多功能測控裝置是以變電站內(nèi)一個(gè)間隔為監(jiān)控對(duì)象的智能監(jiān)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)測控、PMU、計(jì)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(hào)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(jì)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)，具備了將主變?nèi)齻?cè)以及本體測控功能集中由一臺(tái)測控裝置實(shí)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(fù)載；統(tǒng)一時(shí)標(biāo)，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(bào)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(gè)220kV變電站中故障錄波柜最多達(dá)到4面，網(wǎng)絡(luò)記錄分析儀柜也有2面，不僅屏位浪費(fèi)、增加小室面積，而且功能相對(duì)分散，沒有達(dá)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(dú)配置，分別有著各自的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，硬件投資重復(fù)，不符合“信息共享、功能集成”的智能變電站設(shè)計(jì)理念。彼此功能過于獨(dú)立，無法將信息綜合分析，不但運(yùn)行和維護(hù)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(duì)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(jī)接口、更可以實(shí)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(jì)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(shí)時(shí)運(yùn)行電氣量的采集、設(shè)備運(yùn)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(diǎn)工程中有多個(gè)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(shí)現(xiàn)方式，通用平臺(tái)化的插件和靈活的組合，可以滿足不同電壓等級(jí)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(dú)立的兩塊CPU，CPU選用實(shí)時(shí)性處理能力強(qiáng)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(dú)立的設(shè)計(jì)可以有效防止當(dāng)采樣環(huán)節(jié)CPU故障導(dǎo)致該間隔主保護(hù)退出時(shí)，跨間隔保護(hù)對(duì)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(dú)立對(duì)外進(jìn)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(dāng)網(wǎng)口使用數(shù)量大于CPU本板網(wǎng)口數(shù)量時(shí)，可采用CC插件對(duì)網(wǎng)口進(jìn)行擴(kuò)展。當(dāng)采用三網(wǎng)合一的組網(wǎng)方案時(shí)，雙CPU之間通過高速總線進(jìn)行通信。該數(shù)據(jù)總線由FPGA構(gòu)建而成，速率可達(dá)20Mbps以上，保證跨CPU間通訊實(shí)時(shí)可靠，接入網(wǎng)絡(luò)的CPU板通過網(wǎng)口將SV、GOOSE、對(duì)時(shí)報(bào)文進(jìn)行分流處理，以減少單CPU的負(fù)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(gè)裝置，以各自獨(dú)立的接口面向互感器和開關(guān)設(shè)備，以單一的對(duì)外接口通過過程層網(wǎng)上傳信息。

當(dāng)采用合并單元和智能終端一體化設(shè)備時(shí)，隔刀位置信號(hào)可以在裝置內(nèi)與智能終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，合并單元就無需為了獲取位置信號(hào)進(jìn)行電壓切換和上傳裝置告警信號(hào)再占用1個(gè)GOOSE交換機(jī)光接口，節(jié)約了交換機(jī)和裝置2個(gè)光接口，簡化了網(wǎng)絡(luò)接線。在高電壓等級(jí)變電站中，當(dāng)智能操作箱和合并單元均需和多個(gè)保護(hù)裝置點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接時(shí)，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(bào)文，報(bào)文延時(shí)輸出抖動(dòng)不大于1μs，以保證插值再采樣同步的精度；采用分時(shí)報(bào)文發(fā)送技術(shù)，使得SV報(bào)文和GOOSE報(bào)文在同一光纜傳輸時(shí)，SV報(bào)文發(fā)送時(shí)刻不受GOOSE報(bào)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(fù)荷時(shí)GOOSE相應(yīng)的實(shí)時(shí)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(jì)的指導(dǎo)思想和意見，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)二次設(shè)備功能進(jìn)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(tái)的搭建；監(jiān)控主機(jī)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(hù)測控計(jì)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(gè)方面。整合內(nèi)容涉及變電站自動(dòng)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(gè)部分。

智能變電站全站信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)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(jí)工程師，研究生，主要從事變電站電氣設(shè)計(jì)工作。

TM76

A

2095-2066（2016）13-0033-02

2016-4-10