390-淺談智能變電站二次系統(tǒng)優(yōu)化設計

1、淺談智能變電站二次系統(tǒng)優(yōu)化設計崔洋1,于吉壘2（ 徐州供電公司，國網(wǎng)經(jīng)研院徐州中心，江蘇省徐州市，221005）摘要：針對智能變電站自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構、交換機配置、二次設備功能整合與配置、狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、智能輔助系統(tǒng)等進行分析討論，并結(jié)合實際工程并提出了優(yōu)化設計方案。關鍵詞：智能變電站，二次系統(tǒng)，優(yōu)化設計。前言：圍繞“節(jié)約環(huán)保、功能集成、配置優(yōu)化、工藝一流”的核心理念，深入學習總結(jié)提煉已投運試點工程經(jīng)驗，在智能變電站設計上進一步優(yōu)化集成，逐步提高智能變電站設備集成度、成熟度及經(jīng)濟合理性。結(jié)合結(jié)合近期完成的220kv南蔡變、九墩變等智能化變電站工程實踐經(jīng)驗，介紹二次系統(tǒng)集成優(yōu)化設計方案，供大家參考

2、。secondary system on intelligent substation optimization designcui-yang 1, yu- ji lei 2(state grid beijing economic and technical research institute xuzhou survey design center, jiangsu xuzhou, 221005)abstract: based on the substation automation system of intelligent network structure, switch config

3、uration and secondary equipment functional integration and configuration, the state monitoring system, intelligent auxiliary system was analyzed, and actual engineering and puts forward optimum design.keywords: intelligent substations, electrical secondary system optimize the design.1、變電站自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡優(yōu)化從數(shù)

4、字化變電站試點到當前的智能化變電站，自動化系統(tǒng)的核心都是iec 61850標準體系。iec 61850描述的變電站自動化系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構，從邏輯上分為三層：站控層、間隔層和過程層，各地各電壓等級的試點智能變電站還沒有形成一個相對標準的組網(wǎng)方案，現(xiàn)階段國內(nèi)試點站的組網(wǎng)方案基本上是三種方式：站控層/間隔層以太網(wǎng)+ sv 總線+goose總線+b碼對時；站控層/間隔層以太網(wǎng)+ sv點對點+goose總線+b碼對時；站控層/間隔層以太網(wǎng)+ sv與goose共網(wǎng)+ ieee1588對時，加上“保護直采直跳”。在“試點先行”階段，各地各電壓等級的智能變電站也沒有形成一個相對標準的組網(wǎng)方案，較為普遍的

5、“點對點直采直跳+sv網(wǎng)+goose網(wǎng)”的方案，sv與goose總線統(tǒng)一組網(wǎng)未能達到二次設備優(yōu)化集成和網(wǎng)絡化的最終目的，光纜接線多而復雜，數(shù)量與常規(guī)站電纜相當，加上odf及熔接費用，電纜投資較大。sv+goose共網(wǎng)在技術上是可行的。保測一體化、合并單元及智能終端一體化整合后，直采用直跳報文共用一對端口傳輸，既滿足直采直跳的要求，又達到與網(wǎng)絡跳閘一樣簡化網(wǎng)絡、減少光纜的目的。sv與goose共網(wǎng)已是大勢所趨。從技術經(jīng)濟角度分析，有以下幾個原因可以說明物理共網(wǎng)傳輸方式是行的，也是必要的。分析如下：“保護直采直跳”的大前提不變，站內(nèi)過程層網(wǎng)絡對繼電保護的影響已降到最小，僅余下“保護啟動母差、失靈”

6、及“保護跨間隔跳母聯(lián)、母分”兩項goose信息在網(wǎng)絡上傳輸。goose信息采用了特有的發(fā)布/訂閱機有完善的超時重傳機制，goose數(shù)據(jù)量和占用帶寬的比例都是很小的，共網(wǎng)傳輸后的通信性能和單獨組網(wǎng)方式，無論sv值和goose信息都不會有明顯差別。過程層傳輸?shù)男畔⒊藄v采樣值和goose信息外，還有少量輔助信息，如對時信息、網(wǎng)絡設備管理信息等，這些信用各自獨立的物理通道后，技術實現(xiàn)和運行維不方便。采用共網(wǎng)傳輸方案后，可以在保證性能的前提下，省掉大量的網(wǎng)絡通信設備，如工業(yè)交換機，對于變電站降低投資成本，加快推廣應用重要意義。采用共網(wǎng)傳輸方案后，網(wǎng)絡化保護及控制電壓切換、pt并列等輔助功能實現(xiàn)起來更

7、加便捷。網(wǎng)絡通信技術的飛速發(fā)展也揭示著千兆網(wǎng)絡通信速率、更低成本的應用方案的實用化，多種信息共網(wǎng)綜合傳輸是大勢所趨。采用合并單元與智能終端合一裝置使sv與goose信息一起物理共網(wǎng)傳輸成為必然選擇。當合并單元與智能終端分開配置時，所需的過程層交換機端口數(shù)量翻倍，交換機和光纜的成本增加，因此必需考慮組sv網(wǎng)的經(jīng)濟性。合并單元與智能終端合一裝置采用同一光接口接入過程層網(wǎng)絡，sv與goose從硬件源頭上已經(jīng)徹底共網(wǎng)。網(wǎng)絡結(jié)構優(yōu)化方案：采用“三層兩網(wǎng)”模式，站控層/間隔層mms網(wǎng)采用雙星形結(jié)構，goose網(wǎng)和sv網(wǎng)合并，與iec 61588信息共網(wǎng)傳輸；220kv配置雙套星形網(wǎng)絡；110kv除主變進線

8、外配置星形單網(wǎng)；單套配置的測控裝置跨接雙網(wǎng)。交換機配置：220kv交換機按單間隔配置，110kv交換機按雙間隔配置，和組屏方式保持一致，并優(yōu)化間隔交換機光口數(shù)量；主變不設獨立交換機，通過主變保護連接不同電壓等級網(wǎng)段；母聯(lián)交換機、中心交換機配置優(yōu)化。采用vlan方式進行流量控制，保證網(wǎng)絡快速性和可靠性；針對工程實踐中網(wǎng)絡運行狀況難以監(jiān)視的問題，結(jié)合硬接點和基于管理vlan的交換機狀態(tài)監(jiān)視，在不增加投資的情況下，實現(xiàn)交換機設備運行狀態(tài)的可視化。單測控跨雙網(wǎng)并不會同時對雙網(wǎng)造成影響，相反通過雙網(wǎng)冗余技術，反而會提高可靠性。多間隔配一臺16口交換機，采用冗余雙網(wǎng)，可靠性可以滿足要求，相比于每面保護柜配

9、置一臺交換機，可大量減少交換機臺數(shù)，節(jié)省大量投資。2、二次設備功能整合與配置優(yōu)化通過整合系統(tǒng)功能，加強專業(yè)間融合，利用數(shù)據(jù)采集數(shù)字化和信息共享，提高裝置集成度。隨著調(diào)控一體化管理模式試點的深入及二次安全防護措施的完善，一體化信息平臺應為變電站內(nèi)統(tǒng)一的、唯一的信息平臺。逐步整合變電站自動化系統(tǒng)、一次設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)及智能輔助系統(tǒng)的獨立后臺主機，將其功能融入一體化信息平臺，實現(xiàn)全景數(shù)據(jù)監(jiān)測與高級應用功能。保護裝置、測控裝置除檢修壓板外，其余壓板均應采用軟壓板；智能終端應設置相應的斷路器出口硬壓板。二次裝置失電告警信號通過硬接點方式發(fā)送測控裝置，其余告警信號可通過網(wǎng)絡報文方式上送，每面柜內(nèi)各裝置失電

10、告警信號并接后發(fā)送測控裝置。實現(xiàn)站控層信息一體化，順控操作、源端維護、設備狀態(tài)可視化、智能告警、故障信息綜合分析決策、經(jīng)濟運行及優(yōu)化控制、狀態(tài)檢修、輔助系統(tǒng)綜合運行與監(jiān)視。一體化信息應包括站端的scada實時數(shù)據(jù)，保護信息、安穩(wěn)、狀態(tài)監(jiān)測、計量系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)結(jié)果信息等準實時與非實時數(shù)據(jù)。在信息一體化的基礎上，實現(xiàn)運行管理、調(diào)度控制、運行監(jiān)視、輔助系統(tǒng)應用和信息綜合分析與智能告警五大應用功能，各項功能通過標準數(shù)據(jù)總線和接口，實現(xiàn)信息的交換和流轉(zhuǎn)。(1)站控層監(jiān)控主機集成操作員站、工程師站、保護及故障信息子站功能，高級應用功能等。不再配置專用的微機五防系統(tǒng)，不再設置保護及故障信息子站，不設置低頻低

11、壓減負荷裝置、不設置備用電源自動投入裝置，其功能均由變電站自動化系統(tǒng)實現(xiàn)。(2)220kv及110kv線路、母聯(lián)采用保護、測控功能一體化裝置。經(jīng)過整合，節(jié)省裝置投資、組柜數(shù)量、交換機數(shù)量，而且簡化網(wǎng)絡結(jié)構，減少運行維護工作量和建筑面積。(3)主變測控配置優(yōu)化：將主變?nèi)齻?cè)測控和本體測控按網(wǎng)絡結(jié)構優(yōu)化成兩套，其中一套測控裝置實現(xiàn)主變高壓側(cè)測控及主變本體測控功能，另一套測控裝置實現(xiàn)主變中壓側(cè)測控及主變低壓測控功能。既充分利用了現(xiàn)有測控裝置可處理多間隔數(shù)據(jù)的能力，又保持了220kv、110kv過程層網(wǎng)絡在物理上的獨立。(4)合并單元與智能終端一體化裝置：減少裝置和網(wǎng)絡交換機的數(shù)量，為簡化網(wǎng)絡結(jié)構和進一

12、步提高二次設備集成度創(chuàng)造條件；同時在不增加網(wǎng)絡的復雜性的情況下，可實現(xiàn)“直采直跳”，提高可靠性。(5)站用一體化電源優(yōu)化：優(yōu)化自動切換配置，對交流供電可靠性要求較高的設備在電源末端設置ats實現(xiàn)自動切換，取消站用變低壓側(cè)的自動切換裝置，回路簡單可靠，同時避免多重ats時限失配造成重復動作，節(jié)省設備投資。簡化一體化電源系統(tǒng)開關狀態(tài)采集，取消交直流饋線采集模塊，僅需實現(xiàn)脫扣報警。(6)故障錄波與網(wǎng)絡分析儀整合：故根據(jù)對故障錄波、網(wǎng)絡分析儀共性的分析，兩者數(shù)據(jù)源、功能性質(zhì)一致，將故障錄波、網(wǎng)絡分析儀整合。減少相關軟、硬件的配置和二次屏柜的數(shù)量，節(jié)約運行維護費用。(7)優(yōu)化電流互感器二次繞組配置，實際

13、應用中及少有互感器的二次繞組故障，二次繞組數(shù)量多可靠性不一定就高。兩套主保護應分別接入電流互感器的不同二次繞組，后備保護與主保護共用二次繞組；故障錄波器與保護共用一個二次繞組；故障測距裝置與合并單元串接共用保護用二次繞組；測量、計量宜共用二次繞組。(8)推薦220kv和110kv部分獨立配置數(shù)字電能表，與保護測控裝置集成布置；10kv部分采用多功能合一裝置，取消了常規(guī)電能表，如計量關口時，可增加常規(guī)電能表。減少了電表屏位數(shù)量，光纜連接更簡潔，具有明顯的經(jīng)濟技術效益，可作為今后智能變電站數(shù)字計量系統(tǒng)的參考依據(jù)。二次設備的集成整合，體現(xiàn)了全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡化、信息共享標準化的特征，是智能

14、變電站發(fā)展的必然結(jié)果。3、狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)配置優(yōu)化本著“安全可靠、技術先進、合理造價、性能價格比最優(yōu)和適宜推廣”的原則，在廣泛調(diào)研和工程實踐的基礎上，提出了一次設備在線監(jiān)測的優(yōu)化方案。(1)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)后臺與輔助系統(tǒng)主機整合成綜合應用服務器，通過安全隔離裝置與站內(nèi)自動化系統(tǒng)相連，實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測與可見光視頻、紅色熱成像數(shù)據(jù)的綜合應用，實現(xiàn)設備的狀態(tài)檢修。(2)主變壓器狀態(tài)監(jiān)測主要配置油溫、微水、鐵芯接地電流和油中氣體監(jiān)測。對dga各種監(jiān)測原理對比論證后選擇了基于燃料電池法的油中溶解氣體監(jiān)測dga監(jiān)測。變壓器油溫反映了主變過熱、絕緣老化等異常工況，一直都是重要的監(jiān)測對象，采用pt電阻作為測溫傳感器，技術

15、成熟可靠，工程應用經(jīng)驗豐富。推薦配置頂層、底層油溫監(jiān)測。油中溶解氣體分析(dga)是一項光譜診斷技術，對大部分缺陷或故障都能反映，且可實現(xiàn)在線監(jiān)測，無需設備停電，具有很高的技術經(jīng)濟價值，大約40%的缺陷或故障都是通過dga發(fā)現(xiàn)的。同時，近年來國內(nèi)在數(shù)字化智能化變電站建設之前也已大量的應用了dga在線監(jiān)測技術，積累了大量的應用經(jīng)驗，相關技術和產(chǎn)品也較為成熟，對變壓器設備運行管理發(fā)揮了積極的作用。因此dga是變壓器狀態(tài)監(jiān)測的首先監(jiān)測項目。鐵心接地電流監(jiān)測可以方便可靠的實現(xiàn)，采用一穿心式結(jié)構的電流互感器即可，接地線穿過該互感器，既保證接地回路通流的一致連續(xù)性，也可有效實現(xiàn)鐵心接地電流的檢測，推薦配置

16、鐵心接地電流監(jiān)測。套管狀態(tài)監(jiān)測一般采用高性能單匝穿心式微小電流傳感器技術測量高壓套管的介質(zhì)損耗、等效電容或泄漏電流等參量。但由于需要改變套管末屏原有的接地方式，存在因接觸電阻增加而導致接地回路阻值升高的可能性；當雷電波侵入時，引起套管末屏電壓升高而有可能造成套管爆炸。據(jù)調(diào)研，由于主變出線套管因安裝介損監(jiān)測系統(tǒng)而導致套管爆炸的事故已經(jīng)發(fā)生多例。本著保障一次設備運行安全的原則，不推薦配置主變套管監(jiān)測。(3)220/110kv gis配置氣體密度監(jiān)測。結(jié)合國產(chǎn)gis和狀態(tài)監(jiān)測技術發(fā)展水平現(xiàn)狀，推薦所有氣室配置帶硬節(jié)點輸出的電子式密度傳感器，并取代原有機械式密度計，實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測和閉鎖雙重需求。sf6氣

17、體是gis設備的最主要絕緣組分部分，sf6氣體狀態(tài)監(jiān)測主要有密度和微水兩個指標。建議所有氣室取消常規(guī)機械式密度繼電器，采用電子式密度傳感器，要求可同時輸出420ma和報警節(jié)點信號；考慮到微水導致的gis設備故障的幾率并不是很高，不推薦對微水進行在線監(jiān)測。(4)220kv避雷器配置全電流和放電次數(shù)監(jiān)測，通過技術經(jīng)濟比較，取消阻性電流監(jiān)測。避雷器的狀態(tài)監(jiān)測主要有全電流和阻性電流監(jiān)測，全電流與避雷器的絕緣狀態(tài)間的關聯(lián)度不如阻性電流。全電流監(jiān)測實現(xiàn)十分簡單，在常規(guī)的在線監(jiān)測儀上加裝通信接口，實現(xiàn)420ma輸出即可，裝置費用與常規(guī)相比每臺價格增加0.6萬元。阻性電流監(jiān)測裝置相對復雜，阻性電流的檢測有賴于

18、母線電壓、系統(tǒng)頻率、諧波電壓和環(huán)境溫濕度的參量檢測，裝置復雜，但可直觀反映避雷器絕緣狀況；如配置阻性電流在線監(jiān)測，每套裝置約12萬元。目前，220kv避雷器招標價格僅3萬元左右，110kv避雷器招標價格僅1.5萬元左右，阻性電流監(jiān)測裝置與設備自身費用相比占比較高，經(jīng)濟性較差。此外根據(jù)中電聯(lián)發(fā)布的高壓設備可靠性指標，近十年來避雷器可用系數(shù)大多在99.8%左右，設備自身可靠性較高，配置阻性電流監(jiān)測裝置的技術必要性較低。綜合價格因素以及避雷器自身的可靠性水平，推薦220kv避雷器僅配置全電流和放電次數(shù)狀態(tài)監(jiān)測裝置。(5)全面整合狀態(tài)監(jiān)測ied，按電壓等級和監(jiān)測參量設置ied，以220kv南蔡變?yōu)槔?/p>

19、全站本期僅設置5套狀態(tài)監(jiān)測ied，減少了ied數(shù)量。ied均布置于就地智能組件柜，不再設置ied柜。(6)不推薦配置主變壓器與gis局部放電狀態(tài)監(jiān)測裝置。分析如下：常規(guī)的主變壓器局部放電監(jiān)測有脈沖電流法、dga法、超聲波法、riv法、光測法、射頻監(jiān)測法和化學方法等，目前常見的是脈沖電流法和超聲波法。脈沖電流法通常被用于變壓器出廠時的型式試驗以及其他離線測試中，離線測量靈敏度高，但抗干擾能力差，無法實現(xiàn)在線狀態(tài)監(jiān)測。超聲波法采用天線接收技術，超聲波法傳感器靈敏度很低，投資太高（每臺變壓器局放狀態(tài)在線監(jiān)測裝置約5080萬元）。變壓器的剩余壽命與局部放電行為之間的相關性不存在一般的規(guī)則。由于局部放電

20、發(fā)生時一般都伴隨著絕緣油質(zhì)的劣化，因此通過dga分析同樣能對絕緣性能進行診斷，準確度上也要高于局放監(jiān)測。安裝局放傳感器得不償失。局放在線型監(jiān)測裝置一個220kvgis每間隔約68個測點，價格約20萬元，成本太高，預制傳感器到gis設備內(nèi)部反而降低設備可靠性，影響一次設備本體安全。根據(jù)運行經(jīng)驗，斷路器局放故障一般發(fā)生在進行現(xiàn)場驗收試驗時或在投運12年內(nèi)，這一期間多發(fā)生在質(zhì)保期內(nèi)，此時的設備損壞由廠家負責維修，不會產(chǎn)生維修費用，而系統(tǒng)一般具備n-1能力，損失負荷可忽略不計。設備就進入了穩(wěn)定期，發(fā)生故障的概率大幅降低，裝設局放監(jiān)測的必要性并不明顯，且性能價格比太低。不建議推廣。4、智能輔助系統(tǒng)功能優(yōu)

21、化智能輔助控制系統(tǒng)是從智能變電站建設之初就提出的概念，其目的是將變電站內(nèi)分散的圖像監(jiān)視及安全警衛(wèi)系統(tǒng)、火災報警系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、采暖通風系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等各個子系統(tǒng)整合在一起，使其由一個個獨立的小型自動裝置變?yōu)榫邆鋵υ捁δ艿闹悄茉O備，實現(xiàn)內(nèi)部信息交互，在此基礎上實現(xiàn)部分聯(lián)動功能，減輕運行人員工作量，提高輔助設施的自動化程度。從試點工程實施情況來看，操作時的視頻跟隨功能實施難度較大。從生產(chǎn)需求分析，現(xiàn)階段輔助系統(tǒng)宜實現(xiàn)兩項功能：變電站事件發(fā)生時實現(xiàn)goose聯(lián)動并錄像，為事后分析提供第一手材料；實現(xiàn)視頻技術與紅外熱像診斷相結(jié)合，輔助狀態(tài)檢修。站內(nèi)設置綜合應用服務器，整合狀態(tài)監(jiān)測與智能

22、輔助系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高級處理功能。視頻與goose聯(lián)動采用串口單向連線來實現(xiàn)物理隔離，確保安全防護的可靠性。將變電站的輔助系統(tǒng)分為視頻子系統(tǒng)、安防子系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)沒有實際意義，實際操作時就等同于視頻系統(tǒng)，將其做為一個系統(tǒng)來論述更為合理，即只有一套智能輔助系統(tǒng)集成了視頻、安防、環(huán)境監(jiān)測的功能。火災報警做為一個獨立的消防系統(tǒng)，宜列在視頻系統(tǒng)之外，采購時應符合當?shù)叵啦块T的規(guī)定，火災報警系統(tǒng)實現(xiàn)與輔助系統(tǒng)的聯(lián)動。嵌入式服務器實現(xiàn)與綜合應用服務器的數(shù)據(jù)交互，并與自動化系統(tǒng)經(jīng)串口相連實現(xiàn)聯(lián)動。優(yōu)化措施主要包括集成視頻服務器、環(huán)境監(jiān)測單元和后臺服務器，采用一臺站端處理單元接入所有輔助設施；用網(wǎng)絡

23、高清攝像機取代傳統(tǒng)的模擬攝像機；通過對空調(diào)、風機的控制策略進行優(yōu)化，減少了溫濕度傳感器的數(shù)量，優(yōu)化智能模塊配置數(shù)量；這些措施的采用優(yōu)化了系統(tǒng)的設備和功能配置，在滿足規(guī)范和運行需求的前提下，減少設備投資。5、總結(jié)：國家電網(wǎng)將在“十二五”期間建成智能變電站6000座，已經(jīng)引起業(yè)界矚目。顯示了國家電網(wǎng)推動智能電網(wǎng)發(fā)展的決心。計算機技術、信息技術、光電技術、網(wǎng)絡技術的發(fā)展使電力系統(tǒng)自動化、繼電保護及自動控制技術產(chǎn)生了新的變革，從而使得保護、監(jiān)控、測量、遠動、通信、計量等專業(yè)學科間的界限越來越模糊，智能化變電站的建設使得傳統(tǒng)意義的電氣一次、二次、三次專業(yè)的界限無法劃分。在國家電網(wǎng)的引領與推進下，智能變電

24、站建設正如火如荼。設計是工程建設的龍頭，并貫穿整個過程，影響工程的造價、質(zhì)量、技術的先進性實用性等。優(yōu)化設計尤為重要，應引起各級領導重視。國網(wǎng)公司2011年539號文智能變電站優(yōu)化集成設計建設指導意見的提出，為建設兩型一化的智能化變電站指明方向，進一步強調(diào)了智能變電站的優(yōu)化整合的設計思想。隨著高壓電氣設備可靠性不斷提高，保護及自動化功能更完善和強大，智能組件和高壓設備進一步融合。一座座新型的智能化變電站將應運而生，為扎實推進智能電網(wǎng)建設打下堅實基礎。參考文獻1 劉振亞，110（66）750kv智能變電站通用設計，北京：中國電力出版社，2011； liu zhen-ya, the 110 (66

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