宋正華

（山東博聞信通電力工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

0 引 言

在電氣二次設(shè)備的自動(dòng)化設(shè)計(jì)中，不僅應(yīng)當(dāng)充分考慮變電站一次設(shè)備的構(gòu)成情況，合理搭建電氣二次設(shè)備自動(dòng)化控制的整體架構(gòu)，還要設(shè)計(jì)豐富的自動(dòng)化功能，充分滿足電氣二次設(shè)備的靈活運(yùn)行需求，實(shí)現(xiàn)電氣二次設(shè)備運(yùn)行信息的實(shí)時(shí)采集與共享、電氣二次設(shè)備運(yùn)行故障的控制與自動(dòng)化調(diào)控[1]。

1 變電站電氣二次設(shè)備自動(dòng)化的特性

電氣二次設(shè)備的設(shè)計(jì)是在變電站一次設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上展開的，主要目的是保護(hù)一次設(shè)備，后臺(tái)監(jiān)控整個(gè)二次設(shè)備系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)二次設(shè)備運(yùn)行故障并預(yù)防。變電站內(nèi)電氣二次設(shè)備的自動(dòng)化設(shè)計(jì)，主要是發(fā)揮通信技術(shù)和信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，確保二次設(shè)備始終穩(wěn)定地保護(hù)一次設(shè)備，提升整體穩(wěn)定性[2]。與變電站整體自動(dòng)化相比，電氣二次設(shè)備的自動(dòng)化設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)綜合性，可以通過(guò)自動(dòng)化系統(tǒng)確保電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性，也可以加強(qiáng)電力分配的監(jiān)控與運(yùn)輸協(xié)調(diào)，更有助于減少由于設(shè)備故障檢修維護(hù)所產(chǎn)生的費(fèi)用。

2 變電站電氣二次設(shè)備自動(dòng)化設(shè)計(jì)的必要性

大量先進(jìn)技術(shù)被運(yùn)用到變電站管理中，形成了智能的變電站運(yùn)行調(diào)控、運(yùn)維管理系統(tǒng)，為二次系統(tǒng)建設(shè)指明方向。現(xiàn)階段，各個(gè)地區(qū)的電力系統(tǒng)中每個(gè)專業(yè)均配置了相應(yīng)的部門，但是各部門會(huì)根據(jù)自己的需求提出二次設(shè)備的配置需求，開展二次設(shè)備的自動(dòng)化管理。如果各部門之間缺乏有效溝通，則很容易造成二次設(shè)備整體配置冗余、整體協(xié)調(diào)性不足的情況。因此，必須要開展二次設(shè)備的自動(dòng)化設(shè)計(jì)，根據(jù)現(xiàn)代化變電站的實(shí)際情況，利用信息技術(shù)與通信技術(shù)搭建具備信息共享、協(xié)調(diào)控制以及終端控制等多項(xiàng)功能的系統(tǒng)[3]。

除此之外，現(xiàn)階段的變電站內(nèi)二次設(shè)備普遍具備以下問(wèn)題：一是與以往變電站相比，二次設(shè)備需要更多的屏位數(shù)量；二是站控層內(nèi)各區(qū)域的設(shè)備數(shù)量較多，實(shí)際運(yùn)行時(shí)并不能夠全部發(fā)揮作用，大量二次設(shè)備狀態(tài)為“備用”，這種情況沒(méi)有得到有效調(diào)控；三是變電站內(nèi)安裝了大量的二次設(shè)備計(jì)量表，信息采集接口為RS-485，負(fù)責(zé)全部二次設(shè)備運(yùn)行時(shí)電能量信息的動(dòng)態(tài)獲取與整理。變電站現(xiàn)代化建設(shè)后，二次設(shè)備重復(fù)配置情況增加，站內(nèi)人員的二次設(shè)備運(yùn)行管理工作量增加?，F(xiàn)代化、智能化發(fā)展目標(biāo)的落實(shí)，就必須要對(duì)現(xiàn)有二次設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，開展自動(dòng)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電氣二次設(shè)備運(yùn)行的數(shù)字化、二次設(shè)備功能的集成化以及二次設(shè)備裝配的結(jié)構(gòu)化[4]。

3 變電站電氣二次設(shè)備自動(dòng)化的設(shè)計(jì)

某220 kV變電站，終期設(shè)計(jì)3臺(tái)180 MVA變壓器，采用10 kV、110 kV、220 kV 線路，雙母線接線，變電站分兩期建設(shè)。初期建設(shè)220 kV 出線2 回，110 kV出線6 回，10 kV 出線12 回。

3.1 電氣二次設(shè)備自動(dòng)化整體架構(gòu)

某220 kV 變電站內(nèi)，電氣二次設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1 所示。設(shè)計(jì)人員采用三層兩網(wǎng)的結(jié)構(gòu)搭建整體架構(gòu)，其中三層分別為站控層（系統(tǒng)服務(wù)器、通信監(jiān)控終端、運(yùn)行工作站、保護(hù)及故障信息管理等）、間隔層（站域保護(hù)裝置、故障濾波裝置等設(shè)備）以及過(guò)程層（合并單元與智能單元）；兩網(wǎng)包括過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)如會(huì)員管理系統(tǒng)（Membership Management System，MMS）網(wǎng)絡(luò)、站控層網(wǎng)絡(luò)如采樣值（Sampled Value，SV）網(wǎng)與面向通用對(duì)象的變電站事件（Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE）網(wǎng)。

圖1 電氣二次設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)整體架構(gòu)

3.2 自動(dòng)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)人員根據(jù)自動(dòng)化系統(tǒng)的整體架構(gòu)，進(jìn)一步對(duì)站控層、過(guò)程層進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。站控層的主要構(gòu)成包含監(jiān)控主機(jī)、保護(hù)裝置、故障信息管理子站系統(tǒng)、遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備、綜合應(yīng)用服務(wù)器、通信監(jiān)控系統(tǒng)以及防誤閉鎖系統(tǒng)等。自動(dòng)化框架內(nèi)的站控層，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站運(yùn)行信息的實(shí)時(shí)采集，對(duì)變電站進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)獲取變電站內(nèi)部的電能數(shù)量等數(shù)據(jù)信息，以此為依據(jù)自動(dòng)化啟動(dòng)保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備對(duì)一次設(shè)備的保護(hù)[5]。站控層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以有效避免產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，確保變電站二次設(shè)備自動(dòng)化的有效運(yùn)行。站控層中的中心交換機(jī)與間隔層的交換機(jī)應(yīng)當(dāng)以光纖連接，且讓站控層內(nèi)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)、綜合應(yīng)用服務(wù)器等與中心交換機(jī)相連。過(guò)程層的主要構(gòu)成包含變壓裝置、斷路裝置、互感器、隔離開關(guān)、合并單元以及智能終端等裝置，負(fù)責(zé)一次設(shè)備與二次設(shè)備的有效銜接。開展過(guò)程層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，利用GOOSE 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)不同間隔之間控制信息的交換，利用SV 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)采樣信息的傳遞。建議采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式，連接保護(hù)設(shè)備。

3.3 電氣二次設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

某220 kV 變電站內(nèi)的電氣二次設(shè)備自動(dòng)化設(shè)計(jì)中，采用IEC 61850 作為技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，其中包含了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)配置描述、變電站內(nèi)自動(dòng)化系統(tǒng)的概念和總體要求、變電站內(nèi)自動(dòng)化系統(tǒng)的公用數(shù)據(jù)類、抽象信息服務(wù)原理模型、一致性測(cè)試要求等。設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)要求，作為電氣二次設(shè)備自動(dòng)化設(shè)計(jì)的依據(jù)，調(diào)整自動(dòng)化調(diào)度中心的通信網(wǎng)絡(luò)，支持針對(duì)性、精細(xì)化的繼電保護(hù)管理，保證電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性[6]。

3.4 合并單元設(shè)計(jì)

合并單元采集變電站內(nèi)的互感器運(yùn)行信息，同步處理多路信息，并且以IEC 61850 標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)合并信息形成報(bào)告，將報(bào)告?zhèn)魉徒o間隔層、站控層設(shè)備。在某220 kV 變電站內(nèi)，利用單個(gè)合并單元與各電氣設(shè)備互感器聯(lián)動(dòng)，依托合并單元，采集電氣設(shè)備的運(yùn)行信息，確保自動(dòng)化系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整電流和電壓。

設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)合并單元時(shí)，規(guī)避了處理采集器，直接利用插值法采集互感器信息。在系統(tǒng)內(nèi)同步更新信息內(nèi)容，以滿足二次設(shè)備系統(tǒng)的運(yùn)行需要，具體合并單元的運(yùn)行結(jié)構(gòu)如圖2 所示。之后，針對(duì)合并單元內(nèi)的關(guān)鍵模塊，首先創(chuàng)建信息同步采集處理模塊，負(fù)責(zé)對(duì)采集的信息進(jìn)行同步處理，測(cè)試秒脈沖輸出信號(hào)，形成脈沖輸出信號(hào)報(bào)告；其次創(chuàng)建多路信息采集功能模塊，負(fù)責(zé)接收多個(gè)互感器的運(yùn)行信息，依次完成信息校驗(yàn)、信息排序、排序傳輸；最后創(chuàng)建串口模塊，負(fù)責(zé)傳輸處理之后的信息。

圖2 合并單元的運(yùn)行結(jié)構(gòu)

3.5 自動(dòng)化終端設(shè)計(jì)

現(xiàn)如今，變電站內(nèi)設(shè)有智能終端，起到接口作用，負(fù)責(zé)連接一次設(shè)備與電氣二次設(shè)備。在變電站電氣二次設(shè)備運(yùn)行，對(duì)一次設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控與保護(hù)時(shí)，相關(guān)控制指令會(huì)先發(fā)送到智能終端上，由智能終端將指令信息傳輸給過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)，聯(lián)動(dòng)各二次設(shè)備。設(shè)計(jì)人員要根據(jù)變電站內(nèi)的智能終端設(shè)計(jì)自動(dòng)化終端，不僅起到接口作用，還具備實(shí)時(shí)監(jiān)控功能，可以對(duì)站內(nèi)一次設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)時(shí)獲取站內(nèi)一次設(shè)備的運(yùn)行信息，完成信息報(bào)文轉(zhuǎn)換、信息反饋，將信息傳遞到保護(hù)設(shè)備與控制設(shè)備上[7]。

在自動(dòng)化終端設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)實(shí)際情況分別從2 個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。一方面是斷路器終端設(shè)計(jì)，這一終端主要負(fù)責(zé)獲取與斷路器有關(guān)的位置信息，自動(dòng)化控制斷路器合閘、分閘等動(dòng)作；負(fù)責(zé)獲取與斷路器相關(guān)的隔離開關(guān)刀閘位置信息，自動(dòng)化控制隔離開關(guān)的合閘、分閘等動(dòng)作；負(fù)責(zé)獲取保護(hù)設(shè)備、測(cè)控設(shè)備等控制指令，獲取多路直流信息，完成對(duì)時(shí)操作。另一方面是變壓器本體自動(dòng)化終端設(shè)計(jì)，主要負(fù)責(zé)獲取變壓器本身的信息，包括有載調(diào)壓分接頭位置信息、變壓器報(bào)警信息、非電量保護(hù)動(dòng)作信息等。能夠?qū)⑿畔鬟f到調(diào)度端，接收調(diào)度端控制指令，完成相關(guān)操作。自動(dòng)化終端作為電氣二次設(shè)備自動(dòng)化設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，合理的設(shè)計(jì)可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)斷路器間隔的完全控制，大幅度提高電氣二次設(shè)備系統(tǒng)的整體運(yùn)行安全性，實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備之間的信息共享。同時(shí)，本次設(shè)計(jì)中采用的連接方式為光纖連接，依托光纖傳輸信號(hào)，可以有效提升自動(dòng)化系統(tǒng)的抗電磁干擾性能。

一體化監(jiān)控是電氣二次設(shè)備自動(dòng)化終端應(yīng)當(dāng)具備的重要功能，也是變電站中的關(guān)鍵部分。在一體化監(jiān)控裝置內(nèi)，應(yīng)當(dāng)分別設(shè)置監(jiān)控主機(jī)、綜合服務(wù)器、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)等，并且將電氣二次設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)的一體化監(jiān)控與變電站整體監(jiān)控相連接。設(shè)計(jì)一體化監(jiān)控裝置，一是可以實(shí)現(xiàn)變電站與主站之間的有效聯(lián)系，二是可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)電氣二次設(shè)備之間的聯(lián)系，三是可以接收系統(tǒng)上級(jí)指令，將其下發(fā)到各個(gè)設(shè)備上，輔助實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站內(nèi)一次設(shè)備的監(jiān)控、自動(dòng)化調(diào)度與控制等操作。

4 結(jié) 論

電氣二次設(shè)備的自動(dòng)化設(shè)計(jì)大大提高了變電站一次設(shè)備的防護(hù)與控制水平，充分滿足了變電站運(yùn)行安全性與穩(wěn)定性需求。在變電站中，電氣二次設(shè)備自動(dòng)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，在于利用信息技術(shù)、通信技術(shù)提升變電站電力輸送控制能力，促使電力輸送系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。今后，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)始終立足于變電站的實(shí)際情況，把握一次設(shè)備的構(gòu)成與配置情況，在明確二次設(shè)備運(yùn)行需求的基礎(chǔ)上，開展自動(dòng)化系統(tǒng)的架構(gòu)、功能等設(shè)計(jì)。