110kV智能變電站組網(wǎng)方案的探討

劉海濤 張健

【摘要】智能變電站一體化監(jiān)控系統(tǒng)的體系架構(gòu)、系統(tǒng)配置、數(shù)據(jù)采集與信息傳輸是智能變電站建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到數(shù)據(jù)采集和控制的可靠性，分析了智能變電站110kV的組網(wǎng)方案的技術(shù)特征，對(duì)不同組網(wǎng)方案進(jìn)行了分析對(duì)比。

【關(guān)鍵詞】智能變電站;IEC61850 ;網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

引言

按照國(guó)家電網(wǎng)公司《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》的定義， 智能變電站自動(dòng)化由一體化監(jiān)控系統(tǒng)和輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、輔助設(shè)備、時(shí)鐘同步、計(jì)量等共同構(gòu)成。一體化監(jiān)控系統(tǒng)縱向貫通調(diào)度、生產(chǎn)等主站系統(tǒng)，橫向聯(lián)通變電站內(nèi)各自動(dòng)化設(shè)備，是智能變電站自動(dòng)化的核心部分;建設(shè)好安全可靠的智能變電站對(duì)智能電網(wǎng)發(fā)展至關(guān)重要，變電站組網(wǎng)涉及變電站一次設(shè)備傳輸和設(shè)備的實(shí)時(shí)控制，如數(shù)據(jù)采集、保護(hù)跳閘和數(shù)據(jù)應(yīng)用等，組網(wǎng)結(jié)構(gòu)的合理性在很大程度上決定變電站全站運(yùn)行的的穩(wěn)定性和可靠性，意義重大。本文重點(diǎn)就組網(wǎng)方案進(jìn)行討論。

1.智能變電站對(duì)傳統(tǒng)變電站的改變

1.1 信息傳輸方面

智能變電站保護(hù)功能相關(guān)信息傳輸：光纖代替電纜，自動(dòng)化信息傳輸：網(wǎng)絡(luò)代替電纜，信息共享。

1.2 通信標(biāo)準(zhǔn)

早期國(guó)內(nèi)基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的變電站稱為數(shù)字化變電站，智能變電站站內(nèi)通信規(guī)約采用IEC 61850，替代了傳統(tǒng)綜自站站內(nèi)通信規(guī)約IEC60870-5-103，IEC 61850通信協(xié)議和信息模型，支持傳統(tǒng)采樣值，和實(shí)時(shí)開(kāi)關(guān)量，具有高度互操作性，支持高級(jí)應(yīng)用。它規(guī)范了變電站內(nèi)智能電子設(shè)備之間的通信行為和相關(guān)的系統(tǒng)要求，IEC 61850系列是一種新的變電站自動(dòng)化方法，一種影響工程、維護(hù)、運(yùn)行和電力行業(yè)組織的新方法，它采用面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，面向未來(lái)通訊的可擴(kuò)展架構(gòu)，來(lái)實(shí)現(xiàn)“一個(gè)世界，一種技術(shù)、一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)”的目標(biāo)。

1.3 端子連接

智能變電站的一次設(shè)備和二次設(shè)備間采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，虛端子代替常規(guī)變電站物理端子，邏輯連接代替常規(guī)變電站物理連接，大幅度減少了二次接線的數(shù)量和復(fù)雜度。

2.智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)的站控層組網(wǎng)架構(gòu)

2.1 智能變電站系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全區(qū)劃分

智能變電站系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備架構(gòu)采用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：站控層、間隔層、過(guò)程層。根據(jù)《電力系統(tǒng)二次安全防護(hù)》的管理規(guī)定，站控層設(shè)備分為四個(gè)安全區(qū)：

在安全Ⅰ區(qū)中，監(jiān)控主機(jī)采集電網(wǎng)運(yùn)行和設(shè)備工況等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)分析和處理后進(jìn)行統(tǒng)一展示，并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)服務(wù)器。Ⅰ區(qū)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)通過(guò)直采直送的方式實(shí)現(xiàn)與調(diào)度（調(diào)控）中心的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，并提供運(yùn)行數(shù)據(jù)瀏覽服務(wù);

在安全Ⅱ區(qū)中，綜合應(yīng)用服務(wù)器與輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)和輔助設(shè)備進(jìn)行通信，采集電源、計(jì)量、消防、安防、環(huán)境監(jiān)測(cè)等信息，經(jīng)過(guò)分析和處理后進(jìn)行可視化展示，并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)服務(wù)器。Ⅱ區(qū)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)通過(guò)防火墻從數(shù)據(jù)服務(wù)器獲?、騾^(qū)數(shù)據(jù)和模型等信息，與調(diào)度（調(diào)控）中心進(jìn)行信息交互，提供信息查詢和遠(yuǎn)程瀏覽服務(wù);

綜合應(yīng)用服務(wù)器通過(guò)正反向隔離裝置向Ⅲ/Ⅳ區(qū)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)發(fā)布信息，并由Ⅲ/Ⅳ區(qū)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)傳輸給其他主站系統(tǒng);

數(shù)據(jù)服務(wù)器存儲(chǔ)變電站模型、圖形和操作記錄、告警信息、在線監(jiān)測(cè)、故障波形等歷史數(shù)據(jù)，為各類應(yīng)用提供數(shù)據(jù)查詢和訪問(wèn)服務(wù)。

2.2 監(jiān)控系統(tǒng)的站控層組網(wǎng)架構(gòu)

采用主-子交換機(jī)級(jí)聯(lián)方式，任兩臺(tái)智能電子設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸路由不應(yīng)超過(guò)4個(gè)交換機(jī);根據(jù)間隔數(shù)量合理配置交換機(jī)，每臺(tái)交換機(jī)配備適量的備用端口。

圖1 交換機(jī)配置示意圖

當(dāng)間隔較少時(shí)，可取消繼電器室主交換機(jī)，繼電器室子交換機(jī)直接接入主控室主交換機(jī)，如圖1所示。

圖2 交換機(jī)配置示意圖

3.智能變電站組網(wǎng)方案分析

3.1 方案一：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖+過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)+站控層網(wǎng)絡(luò)

技術(shù)特點(diǎn)：保護(hù)直采直跳，可用插值再采樣同步，保護(hù)設(shè)備不依賴交換機(jī)和對(duì)時(shí)，可靠性高。SV＼GOOSE和MMS分網(wǎng)傳輸，交換機(jī)負(fù)載性對(duì)較輕。經(jīng)濟(jì)性：交換機(jī)數(shù)量多，投資較大;復(fù)雜性：交換機(jī)和光纖多，系統(tǒng)最復(fù)雜;靈活性：保護(hù)功能較低，自動(dòng)化功能較高。

組網(wǎng)方案優(yōu)化：過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)SV和GOOSE共網(wǎng)，保護(hù)功能不依賴網(wǎng)絡(luò)，SV和GOOSE共網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)小，可減少約35%的過(guò)程層交換機(jī)，減少投資和降低變電站復(fù)雜性，電壓采樣值由過(guò)程層傳輸?shù)礁鏖g隔 取消PT合并單元到壓采樣值由過(guò)程層傳輸?shù)礁鏖g隔，消T并單元到各間隔的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖，合并單元和智能終端一體化，SV和GOOSE共光纖并單元和智能終端化光纖減少約50%過(guò)程層智能設(shè)備和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖，減少投資和降低變電站復(fù)雜性，需采用SV和GOOSE分時(shí)傳輸技術(shù)，避免GOOSE報(bào)文影響SV發(fā)，需采用SV和GOOSE分時(shí)傳輸技術(shù)，避免GOOSE報(bào)文影響SV發(fā)送時(shí)間，造成插值再采樣同步誤差，此種方案不適用于采用激光供電互感器的變電站合并單元需配置激光供能模塊 難以和智能終端集成·并單元需配置激光供能模塊，以和智能終端集成

3.2 方案二：無(wú)過(guò)程網(wǎng)方案

過(guò)程層設(shè)備和間隔層設(shè)備間用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖傳輸信息息，間隔層設(shè)備間通過(guò)站控層網(wǎng)絡(luò)交換信息，控層網(wǎng)絡(luò)和過(guò)程設(shè)備間的報(bào)文傳輸，由間隔層設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)，優(yōu)點(diǎn)，無(wú)過(guò)程層交換機(jī) 不增加站控層網(wǎng)絡(luò)規(guī)模 網(wǎng)過(guò)程層交換機(jī)，增加站控層網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，網(wǎng)絡(luò)最簡(jiǎn)化，投資最低

4.工程實(shí)例介紹

4.1 變電站主接線（見(jiàn)表1）

表1

電壓等級(jí) 主接線形式 間隔名稱 遠(yuǎn)景

110kV 內(nèi)橋 線路 2

橋 1

10kV 單母分段 線路 30

分段 1

電容器 4

接地變 2

4.2 通信規(guī)約

站控層網(wǎng)絡(luò)通訊采用IEC61850，過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)通訊、GOOSE通訊規(guī)約采用IEC61850-8-1， SV通訊規(guī)約采用IEC61850-9-2，合并單元與互感器之間：私有協(xié)議。

4.3 過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

組網(wǎng)總原則：采用星型結(jié)構(gòu);SV、GOOSE網(wǎng)絡(luò)完全獨(dú)立配置;變壓器保護(hù)應(yīng)采用相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)接口控制器接入過(guò)程層SV網(wǎng)、GOOSE網(wǎng)，設(shè)備采用雙重化配置時(shí)，對(duì)應(yīng)的過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)亦應(yīng)雙重化配置，第一套接入A網(wǎng)，第二套接入B網(wǎng);保護(hù)與智能終端、合并單元之間采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖連接，不經(jīng)過(guò)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī);GOOSE網(wǎng)絡(luò)用于傳遞設(shè)備之間的聯(lián)閉鎖信息、測(cè)控、故障錄波、報(bào)文監(jiān)視等;SV網(wǎng)絡(luò)用于故障錄波、報(bào)文監(jiān)視、測(cè)量、PMU等。

當(dāng)故障錄波、報(bào)文監(jiān)視、測(cè)量、PMU等要求采用SV點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方案時(shí)，可取消SV網(wǎng)絡(luò)。存在的問(wèn)題是：（1）故障錄波、報(bào)文監(jiān)視設(shè)備、測(cè)控、PMU、合并單元、智能單元應(yīng)具有足夠SV接口。（2）變壓器測(cè)控必須分側(cè)配置。

參考文獻(xiàn)

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