数字化变电站二次系统接线对比研究

严支斌 周绍奎

摘 要：本文对传统变电站与数字化变电站的二次接线的特点分别进行了介绍，并对进行了比分析，对传统变电站二次系统的缺陷和数字化变电站的优点进行了阐述，并对现阶段数字化变电站二次系统设计需要考虑的风险问题进行了探讨。

关键词：数字化变电站；二次系统；对比研究；GOOSE报文

中图分类号：TM63 文献标识码：A

1引言

随着计算机技术和互联网技术不断发展，变电站自动化系统也不断向微机化、网络化发展。近年来，基于IEC61850规范的数字化变电站已投入实际运行，大有逐步取代传统变电站的趋势。

数字化变电站的特点是应用电子式互感器，实现一次设备智能化，二次设备网络化。传统变电站中的大量电缆连接的二次系统联络，在数字化变电站中被光纤GOOSE网络取代， 这带来的变化是革命性的。对数字化变电站与常规变电站的二次系统接线进行对比研究，对推动数字化变电站发展及成熟应用具有重要现实意义。

2传统变电站二次系统特点

传统的变电站二次系统采用站控层和间隔层二层设计的分层、分布的架构体系，并按测控、计量、录波和保护等功能进行组屏，其二次系统如图1所示。

站控层的监控主机通过局域网络与各功能单元进行数据传输，并遵循IEC60870系列标准；间隔层设备若为不同厂家设备或者不同通讯接口（如串口）设备，想要接入网络，必须先接入通讯管理机，由管理机转发报文与站控层通讯。互感器通过采集电压、电流模拟信号连接电缆传递到保护测控装置内部的交流输入组件，再通过A/D转换模块转换成数字信号；开关设备的分/合闸、闭锁、开关位置等重要信息的传递通过设备装置内部的开入开出组件完成。模拟量采集及对一次设备的控制均由二次设备自身完成，同时采集到的数据信息仅供自身设备使用。由于各功能单元相对独立，导致各功能单元信息不能共享，也不能达到互操作。

3数字化变电站二次系统特点

数字化的变电站二次系统架构体系采用3层2网的分层分布式，分别由站控层设备、间隔层设备、过程层设备、站控层网络及过程层网络组建成，增多了合并单元和智能终端设备，如图2所示。

此外，数字化变电站采用统一的61850规约，各个设备厂商的设备可不通过规约转换器无缝接入网络进行通讯，与网络上其他设备具有良好的互操作性。

4传统变电站与数字化变电站二次接线对比

在传统变电站中，使用传统互感器时需要大量的二次电缆组成完整的变电站二次系统。主要有来自开关场的交流电缆传输的交流电气量信号，控制和信号电缆连接不同设备的端子排。

传统变电站二次系统存以下问题：①在互感器饱和时，引起电流畸变，从而导致保护误动。②电流互感器二次开路和电压互感器二次短路，可能造成设备和人身安全问题。③采用油绝缘和SF6气体绝缘，存在爆炸和气体泄漏危险。④互感器输出的模拟量会因电缆长距离传输而衰减。⑤电缆用量大，由此导致造价成本高。

在数字化变电站中，电子互感器转换后的数字采样信号通过合并单元，经光纤通讯直接传递给变电站二次系统。变电站二次系统不再需要引入交流二次电缆。变电站中的开关量信号经由GOOSE光纤网以GOOSE报文传送，不再有经由控制电缆和信号电缆的硬接点信号。

带来好处是显而易见的：①不存在常规变电站中由二次电缆引起的传导性电磁干扰现象，二次系统的影响在外界干扰对情况下会得到有效控制。②利用光纤作为传输介质，实现了高低压侧的完全隔离，消除了电流互感器二次开路或者电压互感器二次短路带来的潜在危险。③通过光纤传输的数字采样信号，测量精度与负载无关。避免了负载大小对测量精度的影响。④光纤传输回路是完全绝缘的，无接地要求，减少了现场检查接地的工作量。⑤大量使用光纤和网线作为信息交换的介质，电缆用量明显减少，反映出良好经济效益。

5虚端子与GOOSE服务配置

传统变电站二次系统的功能逻辑和信号的输入输出都一一对应于具体的端子，通过从端子到端子的电缆连接实现二次设备之间的配合以及保护对一次设备的控制。一般在二次系统施工图中，通过电流和电压回路图来控制信号回路图等表达二次设备原理、功能及电气一、二次设备连接关系；通过端子排图和安装接线图与电缆清册等反映设备电缆接线情况。

在数字化变电站中，实现智能各装置之间的逻辑和信号交互的原有传统的端子概念消逝了，取代的过程层网络相当于常规变电站的二次电缆回路，各智能设备之间的信息通过光缆以GOOSE和SV报文通信的方式来交换，取代传统的电缆传输。由于没有电缆连接，所有信息全部隐含在光缆中而无法表达，科技人员提出了“虚端子”和“虚回路”概念，利用虚端子代替物理端子，逻辑连接替代物理连接，解决了智能变电站SV/GOOSE信息无接点、无端子、无接线带来的SV/GOOSE配置难以体现等问题。传统的根据二次系统原理图进行端子图、接线图的设计转变为信息模型的配置文件参数配置以及输入输出接口的GOOSE通信配置，就是利用软信号来实现数字化变电站二次系统的连接和运行设置，通过定义GOOSE配置发送的数据集和控制模块，从而来对发送的数据进行进一步的定义和获取，实现GOOSE服务配置系统运行过程中信息的传输。

6数字化变电站二次接线带来的新问题

数字化变电站相比传统变电站二次系统，简化了交流输入回路和控制回路设计，增加了运行可靠性和安全性，降低了运行维护难度和成本，其优点有目共睹，但其基于电子互感器、数字化、网络化的特点也带来的新的问题。

（1）数字化变电站的间隔层，完全由网络连接实现数据共享，不再是独立体系。这增大了对过程层设备以及相关的网络设备的依赖程度，而且很大程度上依赖于光纤网络通信的可靠性。网络如果出现故障，变电站全部的保护和控制的相关功能会失效，引起严重后果。要求网络设备要具备极高的可靠性，含有间隔层保护、检测和控制等装置设备。

（2）数字化变电站跳闸出口命令及其它开关量的传输，完全依赖GOOSE网络通讯。网络必定会存在非法入侵时的信息安全问题。同时IEC61850协议的开放性和标准性，也对电力系统的安全带来隐患。这些问题对变电站二次系统安全防护及信息安全防护提出了更高要求。信息的安全性和可靠性的重要之处就凸现出来。

（3）数字化变电站使用的电子式互感器，其重要核心部件由电子线路组成，因此电子互感器的寿命严重依赖于电子元器件的寿命。同时SMV网中采样数据的同步至关重要，任何一个互感器的同步丢失必将带来采样数据的失效，这对保护等带来的危害是巨大的。

结语

本文首先对传统变电站和数字化变电站二次系统接线的特点分别进行了阐述，传统变电站由大量二次电缆连接而成，数字化变电站中过程层光纤网络取代了电缆连接。在数字化变电站中，SV网通讯实现采样值传输，GOOSE网通讯实现了各种开关型逻辑量传输。二次系统网络化有许多优点，解决了传统变电站许多一直以来困扰的问题，但同时也带来了新的问题和挑战，这些问题给数字化变电站研究提出了新的课题，需要我们在实践中不断总结并解决，最终实现数字化变电站不断发展和进步。

参考文献

[1]王克祥、王秀莲、李响等.智能变电站网络通信引起的二次系统设计变化[J].电力勘测设计.2013（05）：61-65.

[2]杨雪婷，李畅，刘林，吴明.电子式互感器对变电站二次系统的影响[J].陕西电力，2013（05）：46-48.

[3]徐成斌，孙一民.数字化变电站过程层GOOSE通信方案[J].电力系统自动化，2007（19）：91-94.

[4]王玮.数字化变电站与传统变电站的比较[J].硅谷，2012 （21）：176-177.

[5]白晓燕.数字化变电站的二次设计[J].企业科技与发展，2012（07）： 126-128.