35 kV數字化變電站設計方案探討

?目前，變電站綜合自動化技術已經在我國得到廣泛的應用，但是，目前的變電站綜合自動化技術的運用還存在一些技術上的局限性，另外，隨著電力系統的結構越來越復雜，電壓等級越來越高，對系統運行管理也提出了更高的要求。隨著數字式互感器技術和智能一次電氣設備技術的日臻成熟并開始實用化，以及計算機高速網絡在電力系統實時網絡中的開發應用，數字化變電站技術開始在我國逐步得到應用。數字化變電技術代表著變電站自動化技術的發展方向。IEC61850標準為數字化變電站技術奠定了技術標準。數字化一次設備以及數字化通信技術的發展及實用化，也使得按IEC61850建設數字化變電站成為可能。

1 數字化變電站的關鍵技術
??? 就目前技術發展現狀而言，數字化變電站是建立于IEC61850通信規范基礎上，由電子式互感器(ECT，EVT)、智能化開關等智能化一次設備、網絡化二次設備按變電站層、間隔層、過程層分層構建而成，能夠實現變電站內智能電氣設備間信息共享和互操作的現代化變電站。它的關鍵技術主要包括以下幾個方面。
1．1 IEC61850標準
??? 就概念而言，IEC61850標準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的通信性能(PICOM)要求出發，定義了變電站自動化系統的功能模型(Part5)。
??? (2)數據建模。采用面向對象的方法，定義了基于客戶機／服務器結構的數據模(Part7-3／4)。
??? (3)通信協議。定義了數據訪問機制(通信服務)和向通信協議棧的映射，如在變電站層和間隔層之間的網絡采用抽象通信服務接口映射到MMS(IEC61850-8-1)，在間隔層和過程層之間的網絡映射成串行單向多點或點對點傳輸網絡(IEC61850-9-1)或映射成基于IEEE802．3標準的過程總線(IEC61850-9-2)(Part 7-2，Part8／9)。
??? (4)變電站自動化系統工程和一致性測試。定義了基于XML(Extensible Make up Language)的結構化語言(Part 6)，描述變電站和自動化系統的拓撲以及IED結構化數據。為了驗證互操性，Part 10描述了IEC 61850標準一致性測試。
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被測電流，利用電容(電阻、電感)分壓器感應被測電壓。遠端模塊將模擬信號轉換為數字信號后經通信光纖傳送。無源電子式互感器利用Faraday磁光效應感應被測電流信號，利用Pockels電光效應感應被測電壓信號，通過光纖傳輸傳感信號。
1．3 智能化一次設備
??? 根據IEC 62063：1999的定義，智能開關設備是指具有較高性能的開關設備和控制設備，配有電子設備、傳感器和執行器，不僅具有開關設備的基本功能，還具有附加功能，尤其在監測和診斷方面。
1．4 網絡化二次設備
??? 將IEC 61850應用于變電站內的通信，以充分利用網絡通信的最新技術，實現二次設備的信息共享、互操作和功能的靈活配置。

2 系統設計原則
??? 按照數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，建立數字化變電站模型，并給出系統結構及配置方案。設計方案應具有先進性，同時作為一種實際應用，還應充分考慮目前國內外高壓電氣設備和二次設備(IED)的發展情況和運行經驗。
??? 設計過程分以下幾個步驟實現：
??? (1)建立35 kV變電站模型，給出電氣主接線和IED配置。
??? (2)分析數字化變電站的分層網絡特點，建立全數字化變電站自動化系統網絡。
??? (3)針對已建立全數字化變電站自動化系統網絡，選擇數字化變電站高壓電氣設備和二次設備。

3 系統設計方案
3．1 變電站主接線及IED配置
??? 以下設計中按照常規的35 kV變電站考慮：配備有載調壓變壓器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、數據記錄等功能。35 kV#1，#2進線、母聯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，兩條進線和母聯的保護組一個屏。

對于10 kV饋線系統(含進線、變壓器、電動機、母聯等)，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、斷路器操作次數及開斷電流統計、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的饋線開關柜上。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饋線提供監控保護功能，并為母聯提供保護，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控主機以及工程師站、人機工作站等設備，整個系統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的智能設備(如UPS、直流屏、消弧系統，電度表等)，所以方案中設置了單獨的IEC61850通信管理機、對時設備等輔助設備，其功能是將這些智能設備轉換成符合IEC61850規范，同時實現統一對時。
3．2 變電站網絡組網
3．2．1 過程層網絡
??? 過程層上最大的數據流出現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鍵的問題。
??? 過程層組網有四種方案，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。其中面向間隔組網方案結構清晰，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，所以在本設計中采用此方案組網，并采用100MB光纖冗余的過程總線環網，保證采樣值報文和跳閘GOOSE報文傳輸的實時性、可靠性，具體構建如下：
??? 35 kV部分和10 kV部分各為一間隔進行組網，這兩部分的ECT／EVT從一次側采集到電流／電壓信號后，分別接入本間隔內設置的合并單元中，合并單元采用IEC61850-9-2標準對采樣值進行處理，處理后的采樣信息經過本間隔內的一臺工業以太網交換機接入過程層環網中，這樣，采樣值信息就可以在過程層環網上被共享，傳至保護和測控設備里。智能開關設備如同合并單元一樣，經本間隔內的一臺工業以太網交換機接入過程層環網中，傳至保護和測控設備中，合并單元及智能開關設備分別接入這兩臺交換機中，這樣的話，同一間隔內的兩臺交換機可達到網絡冗余功能，如果有其中一臺交換機故障也不會影響過程層重要數據的傳輸安全。
3．2．2 變電站層網絡
??? 變電站站級網絡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度進行雙向信息交換，變電站網絡也可以通過網絡設備直接接入電力數據網。
??? 由于間隔層設備之間以及間隔層和變電站層之間需要共享電壓、電流值及狀態信號，而且間隔層IED數量較多，數據傳輸量大，為避免出現網絡堵塞，保證通信可靠性，變電站層網絡采用1 000 MB雙光纖交換式以太環網結構，來保證帶寬和可靠性。間隔層為支持IEC61850標準的數字式智能電子設備保護、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、母聯屏，兩面10 kV饋線保護屏，每一單元為一獨立網絡單位，相互之間可以交換信息，基于IEC61850標準規范與環網總線相連，與其他各單元、主站和調度系統進行交換信息。后臺控制室通過變電站網絡向保護和測控裝置下達控制命令，GPS裝置也通過變電站網絡向全站統一授時，另外，遠動系統也由變電站層網絡經路由器與外部電力調度網絡相連。根據以上對35 kV數字化變電站過程層和變電站層的組網分析，具體網絡構建如圖2所示。

4 電氣設備設備配置
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，穩定性較好，國內外已經進入商業運行的以有源互感器居多，光學互感器在超高壓系統中優勢較大，但還處在不斷改進過程中。因此在目前的技術條件下，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。
??? 合并單元負責將有源互感器采集的35 kV和10 kV線路上電流，電壓信號經IEC61850-9-2標準經光纖以太網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采集35 kV母聯部分電流值。

在10 kVI，Ⅱ段母線處各設備一臺合并單元，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采集10 kV母聯部分電流值。
4．2 智能斷路器
??? 在數字化變電站中，智能開關設備的研究和現場應用相對滯后一步。因此在目前的技術條件下，可供選擇的智能開關設備不是很多，目前主要的還是一些國外廠家生產的產品，國內的廠家也已經在開發適用于各種電壓等級的智能開關設備，其中35 kV和10 kV的智能開關柜已經開始試用。
??? 本方案中，35 kV和10 kV智能開關設備選用智能化的成套開關柜，配備智能保護(控制)裝置，這種裝置應具有自動采集交流量和監視斷路器狀態等功能，并以IEC61850標準與站內其他IED進行通信。另一種方案是采用常規的開關柜，再在開關柜上加裝基于IEC61850標準的保護、測控一體化裝置及智能操作箱來實現智能開關柜的功能。
4．3 交換機
??? 以太網交換機在過程層通信的主要網絡部件，由于過程層通信所處的惡劣電磁環境，以及采樣值和GOOSE信息對實時性的要求，方案中選擇工業以太網交換機。
??? 這種工業以太網交換機應滿足IEC61850-3中變電站環境對設備的要求，較普通交換機更加堅固，可安裝在標準DIN導軌上，并有冗余電源供電，接插件采用牢固的DB-9結構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現場環境，可以抵抗震動，腐蝕和電磁干擾，大大提高了設備和網絡的可靠性。交換機采用雙全工交換模式，支持IEEE802．1q(虛擬局域網)和IEEE802．1p(優先級標簽)這兩個與網絡通信服務質量密切相關的協議。其中，IEEE802．1q定義了基于端口的虛擬局域網(VLAN)，IEEE802．1p定義了報文傳輸優先級，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，因為當過程總線上數據通信負荷較大時，通過給采樣值報文和跳閘GOOSE報文置上高優先級標簽，可以保證這兩類報文會在交換機內優先轉發出去。
??? 在網絡結構上，工業以太網交換機利用光纖雙環網的網絡架構和環網冗余協議，光纖網絡具有很高的抗干擾性，環網冗余協議相對于標準以太網的STP(生成樹協議)及RSTP(快速生成樹協議)的斷路恢復時間有了明顯提高，如業界領先的工業交換機制造商MOXA公司的專有環網冗余協議MOXA Turbo Ring協議，能夠在環網線路出現故障時在20 ms內切換到備份路徑，保持通訊的不間斷運行，大大提高了網絡的可恢復性。并可根據需要靈活選配光端口和電端口的數目。
??? 此外，由于合并單元、保護設備和開關控制器所傳輸信息的重要性，它們均應直接和交換機端口相連，即保證各自享有獨立的帶寬。

5 數字化變電站建設過渡方案
??? 目前，國內數字化變電站系統的應用和實施尚處于起步階段，尤其是非常規互感器還需攻克一些技術難題，國內滿足要求、可推廣應用的智能一次設備太少；就交換機和嵌入式智能裝置而言，在過程層應用1 000 MB以太網的技術還不成熟；諸如此類問題決定了數字化變電站的推廣不可能一步到位，必須根據各地實際情況分階段按不同的工程方案實施。
??? 第一階段：變電站自動化系統在變電站層和間隔層真正實現IEC 61850，實現不同廠家IED之間的互聯和互操作；而過程層設備采用常規設備，間隔層設備采用傳統的點對點硬接線聯結方式接入常規互感器和斷路器；目前很多已投運的數字化變電站采用的都是這種方案。
??? 第二階段：在不改變現有常規一次設備的基礎上，通過在一次設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備的智能化；間隔層設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、過程層全部實現數字化。過程層設備采用非常規互感器和智能一次設備，過程層的測量、監視和控制全部實現數字化、網絡化，采用1 000 MB雙環型網絡架構，變電站總線和過程總線合二為一，最大限度地實現了信息共享和系統集成，是今后數字化變電站的最終發展方向。但由于非常規互感器、智能斷路器及其他智能一次設備目前仍有大量的技術問題未解決，因此這種方案在目前的實際工程應用中基本處于示范性探索階段。

6 結 語
??? 數字化變電站是未來變電站自動化發展的方向，本文首先介紹了數字化變電站的關鍵技術，并基于IEC61850標準，設計了35 kV數字化變電站模型，內容包括系統主接線，變電站網絡，IED及電氣設備的配置等。從目前國內外高壓電氣設備和二次設備(IED)的發展情況和運行經驗來看，數字化變電站的建設還需要一個比較長久的過程，可以走先改造，再建新站，先部分數字化，再完全數字化的道路，對此，本文最后提出了建設基于IEC61850數字化變電站的過渡方案。