35 kV數(shù)字化變電站設(shè)計方案探討

?目前，變電站綜合自動化技術(shù)已經(jīng)在我國得到廣泛的應(yīng)用，但是，目前的變電站綜合自動化技術(shù)的運用還存在一些技術(shù)上的局限性，另外，隨著電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，電壓等級越來越高，對系統(tǒng)運行管理也提出了更高的要求。隨著數(shù)字式互感器技術(shù)和智能一次電氣設(shè)備技術(shù)的日臻成熟并開始實用化，以及計算機高速網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)實時網(wǎng)絡(luò)中的開發(fā)應(yīng)用，數(shù)字化變電站技術(shù)開始在我國逐步得到應(yīng)用。數(shù)字化變電技術(shù)代表著變電站自動化技術(shù)的發(fā)展方向。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)為數(shù)字化變電站技術(shù)奠定了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字化一次設(shè)備以及數(shù)字化通信技術(shù)的發(fā)展及實用化，也使得按IEC61850建設(shè)數(shù)字化變電站成為可能。

1 數(shù)字化變電站的關(guān)鍵技術(shù)
??? 就目前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀而言，數(shù)字化變電站是建立于IEC61850通信規(guī)范基礎(chǔ)上，由電子式互感器(ECT，EVT)、智能化開關(guān)等智能化一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備按變電站層、間隔層、過程層分層構(gòu)建而成，能夠?qū)崿F(xiàn)變電站內(nèi)智能電氣設(shè)備間信息共享和互操作的現(xiàn)代化變電站。它的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾個方面。
1．1 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)
??? 就概念而言，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)主要圍繞以下四個方面展開：
??? (1)功能建模。從變電站自動化通信系統(tǒng)的通信性能(PICOM)要求出發(fā)，定義了變電站自動化系統(tǒng)的功能模型(Part5)。
??? (2)數(shù)據(jù)建模。采用面向?qū)ο蟮姆椒ǎx了基于客戶機／服務(wù)器結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模(Part7-3／4)。
??? (3)通信協(xié)議。定義了數(shù)據(jù)訪問機制(通信服務(wù))和向通信協(xié)議棧的映射，如在變電站層和間隔層之間的網(wǎng)絡(luò)采用抽象通信服務(wù)接口映射到MMS(IEC61850-8-1)，在間隔層和過程層之間的網(wǎng)絡(luò)映射成串行單向多點或點對點傳輸網(wǎng)絡(luò)(IEC61850-9-1)或映射成基于IEEE802．3標(biāo)準(zhǔn)的過程總線(IEC61850-9-2)(Part 7-2，Part8／9)。
??? (4)變電站自動化系統(tǒng)工程和一致性測試。定義了基于XML(Extensible Make up Language)的結(jié)構(gòu)化語言(Part 6)，描述變電站和自動化系統(tǒng)的拓撲以及IED結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。為了驗證互操性，Part 10描述了IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)一致性測試。
1．2 電子式互感器
??? 電子式互感器分為兩大類：有源電子式互感器和無源電子式互感器。有源電子式互感器利用Rogowski空芯線圈或低功率鐵芯線圈感應(yīng)被測電流，利用電容(電阻、電感)分壓器感應(yīng)被測電壓。遠端模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后經(jīng)通信光纖傳送。無源電子式互感器利用Faraday磁光效應(yīng)感應(yīng)被測電流信號，利用Pockels電光效應(yīng)感應(yīng)被測電壓信號，通過光纖傳輸傳感信號。
1．3 智能化一次設(shè)備
??? 根據(jù)IEC 62063：1999的定義，智能開關(guān)設(shè)備是指具有較高性能的開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備，配有電子設(shè)備、傳感器和執(zhí)行器，不僅具有開關(guān)設(shè)備的基本功能，還具有附加功能，尤其在監(jiān)測和診斷方面。
1．4 網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備
??? 將IEC 61850應(yīng)用于變電站內(nèi)的通信，以充分利用網(wǎng)絡(luò)通信的最新技術(shù)，實現(xiàn)二次設(shè)備的信息共享、互操作和功能的靈活配置。

2 系統(tǒng)設(shè)計原則
??? 按照數(shù)字化變電站的要求和各層所需要達到的功能，針對一個典型接線的35 kV變電站，建立數(shù)字化變電站模型，并給出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及配置方案。設(shè)計方案應(yīng)具有先進性，同時作為一種實際應(yīng)用，還應(yīng)充分考慮目前國內(nèi)外高壓電氣設(shè)備和二次設(shè)備(IED)的發(fā)展情況和運行經(jīng)驗。
??? 設(shè)計過程分以下幾個步驟實現(xiàn)：
??? (1)建立35 kV變電站模型，給出電氣主接線和IED配置。
??? (2)分析數(shù)字化變電站的分層網(wǎng)絡(luò)特點，建立全數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。
??? (3)針對已建立全數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，選擇數(shù)字化變電站高壓電氣設(shè)備和二次設(shè)備。

3 系統(tǒng)設(shè)計方案
3．1 變電站主接線及IED配置
??? 以下設(shè)計中按照常規(guī)的35 kV變電站考慮：配備有載調(diào)壓變壓器2臺；35 kV單母線分段，兩路進線一主一備；#1進線所帶35 kV直配變一臺，作為所用備用電源；10 kV單母線分段，每段母線各六路出線；集中無功補償分兩臺，分別接于10 kV I，Ⅱ母線。電氣接線如圖1所示。

??? 本方案中，35 kV變電站采用保護及測控一體化設(shè)計，#1，#2主變壓器各配置一臺主變差動保護測控裝置，提供雙斜率雙拐點差動制動特性的比率式電流差動保護和差流速斷保護功能。此外，這兩臺保護還可為變壓器高、低壓側(cè)提供過流后備保護功能。測控方面的功能包括差動和制動電流、二次和五次諧波、電流等測量值，以及事件及故障錄波、數(shù)據(jù)記錄等功能。35 kV#1，#2進線、母聯(lián)配置一臺線路保護裝置，主要提供完整的過流，速斷和線路差動保護。兩臺主變保護各組一個屏，兩條進線和母聯(lián)的保護組一個屏。

對于10 kV饋線系統(tǒng)(含進線、變壓器、電動機、母聯(lián)等)，有兩種配置方式，第一種是分散安裝模式，在每條10 kV饋線上配置一臺綜合饋線保護裝置，提供過流和速斷保護，其他保護功能包括電壓和頻率保護、斷路器失靈保護等。測控方面的功能包括重合閘、故障測距、斷路器操作次數(shù)及開斷電流統(tǒng)計、同期檢測、事件及故障錄波、各種電量及需量的測量功能，10 kV饋線保護安裝在相應(yīng)的饋線開關(guān)柜上。第二種方式是組屏方式安裝模式，在10 kV每段母線處各配置一臺多饋線保護裝置，一臺這樣的保護可同時為5條10 kV饋線提供監(jiān)控保護功能，并為母聯(lián)提供保護，這里選用后一種安裝方式，多饋線保護通過組屏安裝在35 kV主控室或10 kV配電室，10 kV I，Ⅱ兩段母線只需兩臺多饋線保護裝置即可為各饋線，變壓器及母聯(lián)提供保護，這兩套保護各組一個屏。
??? 變電站層配置主備兩個遠動主機和主備兩個后臺監(jiān)控主機以及工程師站、人機工作站等設(shè)備，整個系統(tǒng)共組五個屏放在主控室。
??? 為了使得變電站可以兼容部分不支持IEC61850的智能設(shè)備(如UPS、直流屏、消弧系統(tǒng)，電度表等)，所以方案中設(shè)置了單獨的IEC61850通信管理機、對時設(shè)備等輔助設(shè)備，其功能是將這些智能設(shè)備轉(zhuǎn)換成符合IEC61850規(guī)范，同時實現(xiàn)統(tǒng)一對時。
3．2 變電站網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)
3．2．1 過程層網(wǎng)絡(luò)
??? 過程層上最大的數(shù)據(jù)流出現(xiàn)在電子式互感器和保護、測控之間的采樣值傳輸過程中，采樣值傳輸有很高的實時性要求。此外，保護、測控裝置之間的互鎖、保護和智能開關(guān)之間的跳合閘命令也有很高的實時性和可靠性要求。因此，過程層通信的實時性和可靠性是最為關(guān)鍵的問題。
??? 過程層組網(wǎng)有四種方案，分別為面向間隔原則，面向位置原則，單一總線原則和面向功能原則。其中面向間隔組網(wǎng)方案結(jié)構(gòu)清晰，易于維護，互操作性甚至互換性既可在IED層面獲得，也可在間隔層面獲得。在IEC61850實施初期，由于缺乏足夠的互操作性實踐經(jīng)驗，該方案使間隔層的互操作性更容易得到保證，所以在本設(shè)計中采用此方案組網(wǎng)，并采用100MB光纖冗余的過程總線環(huán)網(wǎng)，保證采樣值報文和跳閘GOOSE報文傳輸?shù)膶崟r性、可靠性，具體構(gòu)建如下：
??? 35 kV部分和10 kV部分各為一間隔進行組網(wǎng)，這兩部分的ECT／EVT從一次側(cè)采集到電流／電壓信號后，分別接入本間隔內(nèi)設(shè)置的合并單元中，合并單元采用IEC61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)對采樣值進行處理，處理后的采樣信息經(jīng)過本間隔內(nèi)的一臺工業(yè)以太網(wǎng)交換機接入過程層環(huán)網(wǎng)中，這樣，采樣值信息就可以在過程層環(huán)網(wǎng)上被共享，傳至保護和測控設(shè)備里。智能開關(guān)設(shè)備如同合并單元一樣，經(jīng)本間隔內(nèi)的一臺工業(yè)以太網(wǎng)交換機接入過程層環(huán)網(wǎng)中，傳至保護和測控設(shè)備中，合并單元及智能開關(guān)設(shè)備分別接入這兩臺交換機中，這樣的話，同一間隔內(nèi)的兩臺交換機可達到網(wǎng)絡(luò)冗余功能，如果有其中一臺交換機故障也不會影響過程層重要數(shù)據(jù)的傳輸安全。
3．2．2 變電站層網(wǎng)絡(luò)
??? 變電站站級網(wǎng)絡(luò)主要處理間隔層之間IED的通信，同時要與后臺人機工作站、工程師站進行信息交換，并通過遠動裝置與各級調(diào)度進行雙向信息交換，變電站網(wǎng)絡(luò)也可以通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備直接接入電力數(shù)據(jù)網(wǎng)。
??? 由于間隔層設(shè)備之間以及間隔層和變電站層之間需要共享電壓、電流值及狀態(tài)信號，而且間隔層IED數(shù)量較多，數(shù)據(jù)傳輸量大，為避免出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)堵塞，保證通信可靠性，變電站層網(wǎng)絡(luò)采用1 000 MB雙光纖交換式以太環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，來保證帶寬和可靠性。間隔層為支持IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字式智能電子設(shè)備保護、控制、測量，集中組屏安裝。分別有#1主變屏，#2主變屏，35 kV兩條進線、母聯(lián)屏，兩面10 kV饋線保護屏，每一單元為一獨立網(wǎng)絡(luò)單位，相互之間可以交換信息，基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與環(huán)網(wǎng)總線相連，與其他各單元、主站和調(diào)度系統(tǒng)進行交換信息。后臺控制室通過變電站網(wǎng)絡(luò)向保護和測控裝置下達控制命令，GPS裝置也通過變電站網(wǎng)絡(luò)向全站統(tǒng)一授時，另外，遠動系統(tǒng)也由變電站層網(wǎng)絡(luò)經(jīng)路由器與外部電力調(diào)度網(wǎng)絡(luò)相連。根據(jù)以上對35 kV數(shù)字化變電站過程層和變電站層的組網(wǎng)分析，具體網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建如圖2所示。

4 電氣設(shè)備設(shè)備配置
4．1 電流／電壓互感器及合并單元
??? 如前文所講，電子式電流／電壓互感器分為有源和無源兩種，由于有源互感器簡單可靠，穩(wěn)定性較好，國內(nèi)外已經(jīng)進入商業(yè)運行的以有源互感器居多，光學(xué)互感器在超高壓系統(tǒng)中優(yōu)勢較大，但還處在不斷改進過程中。因此在目前的技術(shù)條件下，35 kV變電站各電壓等級的互感器選用有源互感器。具體選擇配置方案如下：
??? 在35 kV#1，#2進線部分各選擇一對帶有一個保護級和一個測量級輸出的電子式電流互感器；在35 kVI，Ⅱ段饋線部分各選擇一對帶有一個保護級和一個測量級輸出的電子式電流互感器；在35 kV I，Ⅱ段母線處設(shè)置帶有一個保護級(測量)和一個用于零序電壓的電子式電壓互感器；35 kV母聯(lián)部分選擇一個帶有一個保護級和一個測量級輸出的電子式電流互感器。
??? 在10 kV I，Ⅱ段母線進線部分各選擇有一個保護級和一個測量級的電子式電流互感器；在10 kV I，Ⅱ段母線的每條饋線部分同樣選擇有一個保護級和一個測量級的電子式電流互感器；在10 kV I，Ⅱ段母線部分各選擇一個有一個保護級(測量)和一個用于零序電壓的電子式電壓互感器；10 kV母聯(lián)部分選擇一個帶有一個保護級和一個測量級輸出的電子式電流互感器。
??? 合并單元負責(zé)將有源互感器采集的35 kV和10 kV線路上電流，電壓信號經(jīng)IEC61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)光纖以太網(wǎng)傳輸至過程總線所需保護，具體配置方案如下：
??? 在35 kV I，Ⅱ段母線處各設(shè)備一臺合并單元，采集35 kV#1，#2進線和出線部分的三相線路保護和測量電流值，同時采集35 kV I，Ⅱ段母線的單相線路電壓值和零序電壓值，其中35 kVⅡ段母線處的合并單元也負責(zé)采集35 kV母聯(lián)部分電流值。

在10 kVI，Ⅱ段母線處各設(shè)備一臺合并單元，采集10 kV I，Ⅱ段母線的進線和10條饋線部分的三相線路保護和測量電流值，同時采集10 kV I，Ⅱ段母線的單相線路電壓值和零序電壓值，其中10 kVⅡ段母線處的合并單元也負責(zé)采集10 kV母聯(lián)部分電流值。
4．2 智能斷路器
??? 在數(shù)字化變電站中，智能開關(guān)設(shè)備的研究和現(xiàn)場應(yīng)用相對滯后一步。因此在目前的技術(shù)條件下，可供選擇的智能開關(guān)設(shè)備不是很多，目前主要的還是一些國外廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品，國內(nèi)的廠家也已經(jīng)在開發(fā)適用于各種電壓等級的智能開關(guān)設(shè)備，其中35 kV和10 kV的智能開關(guān)柜已經(jīng)開始試用。
??? 本方案中，35 kV和10 kV智能開關(guān)設(shè)備選用智能化的成套開關(guān)柜，配備智能保護(控制)裝置，這種裝置應(yīng)具有自動采集交流量和監(jiān)視斷路器狀態(tài)等功能，并以IEC61850標(biāo)準(zhǔn)與站內(nèi)其他IED進行通信。另一種方案是采用常規(guī)的開關(guān)柜，再在開關(guān)柜上加裝基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的保護、測控一體化裝置及智能操作箱來實現(xiàn)智能開關(guān)柜的功能。
4．3 交換機
??? 以太網(wǎng)交換機在過程層通信的主要網(wǎng)絡(luò)部件，由于過程層通信所處的惡劣電磁環(huán)境，以及采樣值和GOOSE信息對實時性的要求，方案中選擇工業(yè)以太網(wǎng)交換機。
??? 這種工業(yè)以太網(wǎng)交換機應(yīng)滿足IEC61850-3中變電站環(huán)境對設(shè)備的要求，較普通交換機更加堅固，可安裝在標(biāo)準(zhǔn)DIN導(dǎo)軌上，并有冗余電源供電，接插件采用牢固的DB-9結(jié)構(gòu)或者更加堅固的具有IP67防護等級的M-12接口，用以滿足苛刻的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，可以抵抗震動，腐蝕和電磁干擾，大大提高了設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的可靠性。交換機采用雙全工交換模式，支持IEEE802．1q(虛擬局域網(wǎng))和IEEE802．1p(優(yōu)先級標(biāo)簽)這兩個與網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)質(zhì)量密切相關(guān)的協(xié)議。其中，IEEE802．1q定義了基于端口的虛擬局域網(wǎng)(VLAN)，IEEE802．1p定義了報文傳輸優(yōu)先級，后者對于過程總線上采樣值報文和跳閘GOOSE報文的實時傳輸十分重要，因為當(dāng)過程總線上數(shù)據(jù)通信負荷較大時，通過給采樣值報文和跳閘GOOSE報文置上高優(yōu)先級標(biāo)簽，可以保證這兩類報文會在交換機內(nèi)優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)出去。
??? 在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上，工業(yè)以太網(wǎng)交換機利用光纖雙環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和環(huán)網(wǎng)冗余協(xié)議，光纖網(wǎng)絡(luò)具有很高的抗干擾性，環(huán)網(wǎng)冗余協(xié)議相對于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的STP(生成樹協(xié)議)及RSTP(快速生成樹協(xié)議)的斷路恢復(fù)時間有了明顯提高，如業(yè)界領(lǐng)先的工業(yè)交換機制造商MOXA公司的專有環(huán)網(wǎng)冗余協(xié)議MOXA Turbo Ring協(xié)議，能夠在環(huán)網(wǎng)線路出現(xiàn)故障時在20 ms內(nèi)切換到備份路徑，保持通訊的不間斷運行，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的可恢復(fù)性。并可根據(jù)需要靈活選配光端口和電端口的數(shù)目。
??? 此外，由于合并單元、保護設(shè)備和開關(guān)控制器所傳輸信息的重要性，它們均應(yīng)直接和交換機端口相連，即保證各自享有獨立的帶寬。

5 數(shù)字化變電站建設(shè)過渡方案
??? 目前，國內(nèi)數(shù)字化變電站系統(tǒng)的應(yīng)用和實施尚處于起步階段，尤其是非常規(guī)互感器還需攻克一些技術(shù)難題，國內(nèi)滿足要求、可推廣應(yīng)用的智能一次設(shè)備太少；就交換機和嵌入式智能裝置而言，在過程層應(yīng)用1 000 MB以太網(wǎng)的技術(shù)還不成熟；諸如此類問題決定了數(shù)字化變電站的推廣不可能一步到位，必須根據(jù)各地實際情況分階段按不同的工程方案實施。
??? 第一階段：變電站自動化系統(tǒng)在變電站層和間隔層真正實現(xiàn)IEC 61850，實現(xiàn)不同廠家IED之間的互聯(lián)和互操作；而過程層設(shè)備采用常規(guī)設(shè)備，間隔層設(shè)備采用傳統(tǒng)的點對點硬接線聯(lián)結(jié)方式接入常規(guī)互感器和斷路器；目前很多已投運的數(shù)字化變電站采用的都是這種方案。
??? 第二階段：在不改變現(xiàn)有常規(guī)一次設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過在一次設(shè)備本體或附近加裝模擬式輸入合并單元和智能控制單元完成過程層設(shè)備的智能化；間隔層設(shè)備全部取消了模擬輸入、開入和開出，僅通過通信按照IEC61850-9-1／2與合并單元、按照GOOSE與智能控制單元連接；間隔層、過程層間完全通過數(shù)字化連接，取消了大量點對點硬接線連接。這種方案是比較主流的。
??? 第三階段：變電站層和間隔層、過程層全部實現(xiàn)數(shù)字化。過程層設(shè)備采用非常規(guī)互感器和智能一次設(shè)備，過程層的測量、監(jiān)視和控制全部實現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化，采用1 000 MB雙環(huán)型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，變電站總線和過程總線合二為一，最大限度地實現(xiàn)了信息共享和系統(tǒng)集成，是今后數(shù)字化變電站的最終發(fā)展方向。但由于非常規(guī)互感器、智能斷路器及其他智能一次設(shè)備目前仍有大量的技術(shù)問題未解決，因此這種方案在目前的實際工程應(yīng)用中基本處于示范性探索階段。

6 結(jié) 語
??? 數(shù)字化變電站是未來變電站自動化發(fā)展的方向，本文首先介紹了數(shù)字化變電站的關(guān)鍵技術(shù)，并基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計了35 kV數(shù)字化變電站模型，內(nèi)容包括系統(tǒng)主接線，變電站網(wǎng)絡(luò)，IED及電氣設(shè)備的配置等。從目前國內(nèi)外高壓電氣設(shè)備和二次設(shè)備(IED)的發(fā)展情況和運行經(jīng)驗來看，數(shù)字化變電站的建設(shè)還需要一個比較長久的過程，可以走先改造，再建新站，先部分數(shù)字化，再完全數(shù)字化的道路，對此，本文最后提出了建設(shè)基于IEC61850數(shù)字化變電站的過渡方案。