羅振威 劉永欣 余棟斌 李 貞 吳昌盛

?

智能變電站二次系統(tǒng)集成優(yōu)化設計

羅振威1劉永欣2余棟斌1李 貞2吳昌盛1

（1. 廣東電網(wǎng)有限責任公司江門供電局，廣東江門 529000； 2. 許繼集團有限公司，河南許昌 461000）

針對集中式保護存在單一裝置故障影響范圍大、未能充分利用全站信息優(yōu)化保護性能等問題，本文分析了智能變電站縱向集成和橫向集成的技術特點，提出了實現(xiàn)集成保護所需的硬件與軟件實現(xiàn)方案。以典型220kV變電站為例，基于縱向集成提升實時性和橫向集成提升信息共享的原則，提出了兩種集成模式結合的方案，解決單一裝置故障影響范圍大的問題。提出了站域差動后備保護，優(yōu)化了全站保護的性能兩種方案。針對集中式保護的檢修難題提出了單網(wǎng)雙套方案，解決了集中式保護檢修時影響范圍較大、停電時間延長的問題。工程方案分析表明，本文提出的集成方案能提升繼電保護的選擇性、靈敏性、快速性和可靠性，并降低變電站建設成本。

智能變電站；縱向集成；橫向集成；站域差動；二取二

目前，包括智能變電站在內(nèi)的變電站二次系統(tǒng)主要采用分層分布式設計理念[1]，裝置采用面向單間隔設計。這種模式具有裝置故障影響面小，便于改擴建和運行維護等優(yōu)點，但也存在二次設備數(shù)量多、系統(tǒng)構成復雜，運維工作量大、數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)多，保護可靠性和速動性有待提升等問題[2-3]。

計算機硬件技術、數(shù)字化采樣技術的持續(xù)發(fā)展，促進了設備集成技術的關注和研究[4-5]。隨著變電站智能化水平的要求不斷提高，二次設備的一體化設計、集成設計是一個必經(jīng)之路。文獻[6]對過程層中合并單元和智能終端的集成進行了研究，提出了集成方案。文獻[7-9]對間隔層設備中保護測控裝置的集成進行了探討，采用多間隔的采樣傳輸光纖代替網(wǎng)絡采樣的交換機實現(xiàn)了采用“直采直跳”的集中保護裝置。

以上文獻研究了智能變電站的集成問題，但僅在同一層內(nèi)（如過程層合并單元、智能終端集成）集成，未能實現(xiàn)跨不同層間（如過程層與間隔層）的集成，集成程度還可以進一步提高；對于一臺裝置實現(xiàn)全站多個間隔保護控制功能的集中式保護，當本臺裝置故障時會影響多個間隔的保護控制功能，當前的集中式保護僅將不同間隔的模塊簡單的功能疊加，并未充分利用全站信息共享的優(yōu)勢提升全站保護的性能；在運維方面，集中式保護在檢修時影響范圍大、停電時間長的問題也未解決。

本文分析對比了各類集成技術，提出并分析了面向間隔的多功能縱向集成模式和面向多間隔的橫向集成模式的技術特點和適用范圍。在縱向集成提升實時性和橫向集成提升信息共享的原則下，提出了基于全站信息共享的站域差動后備保護，優(yōu)化了全站保護性能。提出了關鍵設備的實現(xiàn)技術、具體工程實施方案和集中式保護檢修方案。優(yōu)化了智能變電站二次系統(tǒng)架構，提升設備集成度和繼電保護的四性，并能降低建設成本。

1 裝置集成模式

IEC 61850提出了設備功能邏輯化思路[10]，一個物理設備可以包括若干個邏輯設備或功能模塊，一個功能模塊也可以由分布于不同設備的邏輯設備共同完成。一臺設備完成多個功能即是集成保護。根據(jù)裝置集成功能類型的不同，可分為縱向集成模式和橫向集成模式。

1.1 縱向集成模式

縱向集成模式，即面向同一保護控制對象，將數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉發(fā)、功能處理、命令執(zhí)行等多種功能集成到一臺裝置。實現(xiàn)原有智能變電站間隔層和過程層設備的物理集成，對現(xiàn)有二次系統(tǒng)架構進行了優(yōu)化整合，可有效解決現(xiàn)有智能站裝置數(shù)量多、數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)過多等問題。

單間隔縱向集成包括保護與合并單元集成模式和保護、合并單元與智能終端集成于保護裝置兩種模式。

1）保護測控與合并單元集成

采用線路保護測控、合并單元一體化設計，由于裝置未包括智能終端功能，所以不需要外接過多的電纜接線，因此宜采用室內(nèi)安裝。其他就地設備由智能終端、互感器等構成，采用室外安裝方案。方案示意圖如圖1所示。

與常規(guī)配置模式相比，本方案減少了數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)，可縮短保護整組動作時間2～3ms，改善了智能變電站中保護整組動作的速動性；每個間隔減少了一臺設備，降低了設備投資成本。不足是，單間隔保護與合并單元的獨立性有所降低，單間隔保護檢修時會影響到合并單元功能，進而影響相應母線保護的正常運行。本方案作為一種過渡方案多用于常規(guī)互感器模式的變電站。

圖1 保護與合并單元集成模式

2）保護測控、合并單元、智能終端集成

將一個間隔內(nèi)保護、合并單元、智能終端功能集成于一體，并就地安裝，通過電纜、光纜與開關、刀閘、互感器等一次設備直連。方案示意圖如圖2所示。

與常規(guī)配置模式相比，本方案實現(xiàn)了間隔功能的全部集成，數(shù)據(jù)采集傳輸環(huán)節(jié)最少，進一步改善了智能變電站保護的整組動作時間；取消了室內(nèi)安裝時相應的保護屏體，降低了變電站建筑面積；大幅降低單間隔設備數(shù)量，降低了設備投資成本。缺點是，裝置被就地安裝，需要解決環(huán)境適應性問題，提升裝置防護等級，由于液晶面板無法適應戶外安裝環(huán)境，所以需要解決無液晶面板的裝置調(diào)試及運維問題。

1.2 橫向集成模式

多間隔集成是面向整個變電站或變電站某一電壓等級，將各類保護測控功能集中配置到一臺（或雙重化為兩臺）裝置，各間隔對應功能模塊可獨立運行，并可以實現(xiàn)不同模塊間的信息共享。該方案極大地提高了全站設備的集成度，并可利用全站信息共享提升保護性能。

多間隔集成保護測控裝置，基于IEC 61850標準，由一臺智能電子設備（intelligent electronic device, IED）實現(xiàn)變電站內(nèi)多臺IED的功能。裝置依賴智能變電站的通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)所需數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。其中電流電壓采樣數(shù)據(jù)由合并單元通過過程層網(wǎng)絡發(fā)送給集成裝置。智能終端通過過程層網(wǎng)絡將開關量信號發(fā)送給集成裝置。集成裝置通過相關模塊處理完成后，跳閘命令通過網(wǎng)絡將變電站通用事件(GOOSE)報文發(fā)給智能終端，從而實現(xiàn)跳閘。數(shù)據(jù)流向示意圖如圖3所示。

橫向集成方案降低了全站裝置的數(shù)量，在裝置可靠性不變的情況下由于裝置數(shù)量降低，系統(tǒng)整體可靠性有所提升；缺點是單臺裝置檢修影響范圍較大，部分問題可通過雙重化方案解決。因此，本方案建議應用于110kV電壓等級變電站的集中式保護測控等。

2 裝置實現(xiàn)技術

集成裝置與常規(guī)保護裝置相比，實現(xiàn)了更多的功能模塊，因此裝置的軟硬件平臺具有不同的技術要求。

2.1 硬件實現(xiàn)技術

集中式保護測控集成多個間隔或多個模塊的功能，對裝置接入數(shù)據(jù)的流量接入、存儲性能、實時性、可靠性等均提出了更高的要求。

對于大數(shù)據(jù)流量接入需求，橫向集成裝置需要接入的數(shù)據(jù)流量超過了100M，在現(xiàn)階段的技術水平下，有多板卡方案和單板卡兩種主流方案。

1）方案1：多板卡方案

受到CPU的處理速度的限制，一種做法是，保護裝置采用多個前置板卡、多個百兆網(wǎng)卡分擔帶寬和多個CPU并行處理。

2）方案2：單板卡方案

集中式保護的CPU處理速度基于千兆以太網(wǎng)，保護裝置可以只用一個千兆網(wǎng)口與交換機連接。

3）對比分析

通過對比分析，在技術先進性、實時性、擴展性等方面方案2都優(yōu)于方案1，只是在設備檢修時方案1更方便，綜合考慮方案2優(yōu)于方案1，圖4所示為單板卡方案的硬件架構。

2.2 軟件實現(xiàn)技術

橫向集成裝置集成了多個間隔裝置功能，不同工程集中式保護需要配置不同的保護程序，尤其在升級某間隔程序時需要重新編輯并測試編譯全部程序，增加了裝置的軟件設計、裝置調(diào)試及運維的難度。為此提出多模塊自動加載技術，實現(xiàn)間隔不同模塊程序的獨立開發(fā)和測試，系統(tǒng)可以自動識別各軟件模塊，降低軟件設計的難度，提高系統(tǒng)的通用性，便于系統(tǒng)運行維護。

多模塊自動加載方案如圖5所示。調(diào)試升級或系統(tǒng)功能變化時，只要對相關功能模塊進行升級、編譯和下載，就將設計、調(diào)試、測試等縮小到一個有限的范圍，既縮短了開發(fā)周期，又降低了軟件開發(fā)的難度和復雜度。

圖5 多模塊自動加載技術示意圖

3 兼容兩種集成模式的工程方案

綜合以上技術，在縱向集成提升實時性和橫向集成提升信息共享的原則下，提出了一種縱向集成和橫向集成相結合的工程方案，并擬在東北某220kV變電站實施。

3.1 提升實時性的隔縱向集成方案

1）線路間隔方案

變電站線路間隔采用縱向集成方案中的保護、合并單元、智能終端集成方案，線路就地設備通過直采方式接收電流及電壓采樣值信息，通過電纜直跳方式與斷路器本體進行連接，以典型220 kV線路間隔為例，實現(xiàn)方案如圖6所示。

2）主變間隔方案

變壓器保護分為電氣量差動、后備保護與非電量保護。其中各側后備保護按與相應的合并單元、智能終端、測控集成設計并就地安裝，并通過直采方式接收各側電流及電壓采樣值信息，通過電纜直跳方式與斷路器本體進行連接；考慮電氣量差動保護需要采集變壓器各側電流量，與高壓側后備保護、合并單元、智能終端、測控集成設計。實現(xiàn)方案如圖7所示。

圖7 主變間隔集成方案

單間隔縱向集成裝置仍保留單間隔的保護測控功能，在集中式保護出現(xiàn)故障時可單獨運行，解決了集中式保護單一裝置故障影響范圍大的問題。

3.2 基于信息共享的橫向集成

橫向集成方案通過站域保護實現(xiàn)，面向全站配置站域差動后備保護，差動保護以開關為單位配置，站域保護采用網(wǎng)采網(wǎng)跳方式與過程層設備連接。以圖8為例，開關DL2配置的站域差動如圖8所示。

站域差動保護分兩個延時。

1）短延時（例如50ms）：跳本開關DL5，做為主保護的后備保護，相當于傳統(tǒng)保護體系中的階段式后備保護，當主保護在特殊原因無法動作的情況下，可由此保護動作切除故障。

2）長延時（例如200ms）：跳所有周邊開關包括DL1、DL3、DL4、DL5，相當于傳統(tǒng)保護體系中的失靈保護、死區(qū)保護。

站域差動后備保護通過差動原理的保護代替了傳統(tǒng)的以定值和時間配合的后備保護，解決了傳統(tǒng)后備保護選擇性和速動性難以同時兼顧的問題。

3.3 運維檢修技術

橫向集成保護提高了設備集成度，由于單臺設備實現(xiàn)多間隔功能，所以運維管理方面與現(xiàn)有的技術規(guī)范發(fā)生了沖突。為解決在設備檢修時存在影響范圍大的問題，本文提出了220kV橫向集成保護單網(wǎng)雙套的冗余配置方案。

220kV電壓等級2臺裝置同時運行，保證在檢修任意一臺保護裝置時所有保護功能不受影響。當兩臺集成保護跳閘GOOSE信息都正常時智能終端為運行態(tài)，即二取二模式（兩套為與的關系）。當一臺集成保護跳閘GOOSE斷鏈或者保護發(fā)送的GOOSE出現(xiàn)檢修狀態(tài)信息時，智能終端切換檢修態(tài)即一取一模式（兩套為或的關系）。切換示意圖如圖9所示。

3.4 本方案經(jīng)濟技術分析

本方案由于變電站內(nèi)整合了間隔層和過程層設備，保護自動化裝置、交換機、保護屏柜數(shù)量均降低。同時由于控制室屏體降低帶來建筑面積下降，整體上降低了變電站建設成本。為了更清晰直觀地體現(xiàn)本文所提的智能變電站集成方案在占地面積、設備規(guī)模和投資成本上的優(yōu)點，將某220kV變電站（2臺220/66kV主變、4回220kV出線、10回66kV出線，4組66kV電容器，1臺66kV所用變）常規(guī)典設方案與本文方案經(jīng)濟性做了對比，具體見表1和表2。在表2中負號表示減少的投資成本。由表1可知，本文所提方案能有效降低設備占地面積和設備規(guī)模；特別是在減少保護測控屏柜和保護測控裝置數(shù)量方面效果顯著，與對比變電站相比分別減少了76.7%和71%。由表2可知，由本文所提方案與對比變電站相比減少設備占地面積和設備規(guī)模所折合的經(jīng)濟效益為473萬元，可有效降低變電站投資成本。

表1 室內(nèi)占地面積和設備規(guī)模對比表

表2 投資對比分析表

本方案保護功能中間的環(huán)節(jié)由以前的“合并單元+保護裝置+智能終端”變?yōu)楝F(xiàn)在的“就地裝置”，裝置之間的光纖或網(wǎng)絡通信環(huán)節(jié)取消，聯(lián)系更直接和可靠，保護的可靠性明顯提升；站域差動后備保護的應用解決了傳統(tǒng)后備保護選擇性和速動性難以同時兼顧的問題；同時，設備數(shù)量的減少導致網(wǎng)絡節(jié)點減少，網(wǎng)絡結構簡單可靠。本方案已經(jīng)完成了方案評審和生產(chǎn)制造，即將投入運行。

4 結論

本文分析對比了各類集成技術，提出并分析了面向間隔的多功能縱向集成模式和面向多間隔的橫向集成模式的技術特點和適用范圍；提出了一種縱向集成和橫向集成相結合的方案，以提升全站系統(tǒng)的可靠性，優(yōu)化提升保護性能；針對集中式保護運維難點提出了單網(wǎng)雙套的冗余配置方案，解決了集成保護檢修時影響范圍較大的問題。經(jīng)濟性分析表明，本方案有效減少了變電站的設備規(guī)模和占地面積，降低了變電站的建設成本。

[1] 嵇建飛, 袁宇波, 龐福濱. 智能變電站就地智能設備電磁兼容抗擾度實驗分析[J]. 電工技術學報, 2014, 29(1): 2-10.

[2] 郝長端, 劉鈺, 陳樹果, 等. 智能變電站網(wǎng)絡通信異常的分析[J]. 電氣技術, 2016, 17(9): 135-138.

[3] 劉世民, 袁野, 范秉旭, 等. 智能變電站在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與應用[J]. 電氣技術, 2015, 16(2): 132- 134.

[4] 陳力, 孫嘉, 牛強, 等. 智能變電站集成一體化方案的應用研究[J]. 電氣技術, 2010, 11(8): 89-92.

[5] Kanabar M G, Sidhu T S. Performance of IEC 61850-9-2 process bus and corrective measure for digital relaying[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2011, 26(2): 725-735.

[6] 倪益民, 楊松, 樊陳, 等. 智能變電站合并單元智能終端集成技術探討[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2014, 38(12): 95-99, 130.

[7] 余高旺. 新一代智能變電站中多功能測控裝置的研制與應用[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2015, 43(6): 127-132.

[8] 何志勤, 張哲, 尹項根, 等. 集中決策式廣域后備保護的分區(qū)模型與優(yōu)化算法[J]. 電工技術學報, 2014, 29(4): 212-219.

[9] 王賓, 董新洲, 許飛, 等. 智能配電變電站集成保護控制信息共享分析[J]. 中國電機工程學報, 2011, 31: 1-6.

[10] 陳軍, 崔大林, 曹偉, 等. 基于業(yè)務建模的智能變電站配置文件管控方法[J]. 電氣技術, 2015, 16(12): 169-171.

Optimal Integration Design of the Smart Substation Secondary System

Luo Zhenwei1Liu Yongxin2Yu Dongbin1Li Zhen2Wu Changsheng1

(1. Guangdong Power Supply Co., Ltd, Jiangmen, Power Supply Bureau, Guangdong, Jiangmen 529000; 2. Xuji Group Corporation, Xuchang, He’nan 461000)

Nowadays smart substations are confronted with problems such as the large number of devices, large number of stages of data transmission, operation and maintenance. Then the implementation scheme of the solution is presented. The smart substation integration is divided into vertical integration and horizontal integration. Solution is proposed for the key hardware and software technology used to achieve integrated protection. Taking the 220kV substation as an example, the engineering implementation scheme is analyzed. Besides, the scheme of a single grid with two integrated protection devices is proposed, which can solve the maintenance problem of centralized protection, the wide-ranging effect and the long power outage time during the period of the centralized protection fault or maintenance. Engineering practice results demonstrate that these integration methods can enhance the selectivity, sensitivity, rapidity and reliability of relay protection; can also realize the intelligentization of onsite primary equipment and reduce the construction cost of substations.

smart substations; vertical integration; horizontal integration; substation differential; two out of two

劉永欣（1980-），男，碩士研究生，高級工程師，研究方向為智能變電站繼電保護。