智能变电站二次系统安全性探讨

郭积才，曹金元

(国网甘肃省电力公司金昌供电公司，甘肃 金昌 737100)

1 智能变电站二次系统通信方式

智能变电站即数字化变电站，是由智能化一次设备和网络化二次设备分层构建，建立在IEC 61850通信规约基础上，能够实现变电站内智能电气设备间信息共享和交互操作的现代化变电站。智能化一次设备包括电子式互感器、智能终端，以及今后逐步发展的智能变压器、智能断路器等。

智能变电站二次系统基于DL/T 860(IEC61850)通信标准构建，采用开放式分层、分布式网络结构，由站控层、间隔层和过程层3部分组成。站控层和间隔层通信方式均使用双以太网连接，简称“三层两网”结构。间隔层和过程层之间，采样系统采用点对点方式，GOOSE系统采用网络通讯方式。

1.1 站控层

站控层主要包括变电站监控系统、远动系统、防误闭锁系统、保护信息管理系统、通讯监控系统、打印机等。站控层通过两级高速网络汇总全站的实时数据信息，不断刷新实时数据库，按既定规约将有关数据信息送向调度或控制中心。接收调度或控制中心有关控制命令并转间隔层、过程层执行。

1.2 间隔层

间隔层主要包括保护装置、测控装置以及其他智能设备。间隔层设备直接下放至各间隔智能控制柜及开关柜上，各间隔设备相对独立，仅通过通讯网互联，和站控层间采用以太网通信方式。间隔层主要用于汇总本间隔过程层的实时数据信息；实施对一次设备的保护控制功能和本间隔操作闭锁、操作同期及其他控制功能；承上启下的通信功能，即同时高速完成与过程层及站控层的网络通信功能。

1.3 过程层

过程层主要包括电子互感器(含合并单元)、智能开关设备及过程层网络设备等，是一次设备与二次设备的结合面，或者说过程层是指智能化电气设备的智能化部分。过程层使用100M光纤以太网，传输介质选用光纤。过程层的主要功能分为2类：一是电力运行的实时电气量检测；一是操作控制的执行与驱动，包括变压器分接头调节控制，电容投切控制，断路器、隔离开关合分控制等。

2 智能变电站与常规变电站二次系统的区别

2.1 硬件区别

智能变电站的微机保护主要包括模拟量输入接口单元、开关量输入输出接口、数据处理单元、人机接口、通信接口等。

智能变电站数字化保护的数据直接来自电子式电流互感器/电子式电压互感器(ECT/EVT)的数字信号。它主要包括光接口单元、中央处理单元、开入单元、开出单元、人机接口和通信接口。

2.2 信号传输方式不同

常规综自站一次设备采集到模拟量后，通过电缆将模拟信号传输到保护装置，在保护装置经模数转换后进行数据处理，再通过网线将数字量传至后台监控系统。同时，监控系统和测控保护装置对一次设备的控制也是通过电缆传输模拟信号实现的。

在IEC 61850规约中，智能变电站的光电互感器将采样值经过内部转换后通过光纤传输至合并单元， 合并单元将各路光电互感器传送来的二次侧数据汇总后打上时间标签送至过程总线，保护等智能电子装置从过程总线获取采样和控制信息。跳闸信号则由光纤以太网取代电缆硬接线方式进行传输。

基于IEC 61850规约的数字化保护设备之间的信息传递全部网络化，传统电缆接线的测试方法已经不再使用。因此有必要开发新的测试系统，以便能够对变电站继电保护装置的基本功能进行闭环测试。这样可以反映电力系统的真实情况，对网络负荷情况和装置接口是否正常工作、保护动作时延等相关因素进行分析。

3 智能变电站二次系统技术优势

3.1 技术含量高

智能变电站技术含量高，是采用先进、可靠、集成的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站。

3.2 构建了信息一体化平台

智能变电站二次系统构建了信息一体化平台，作为变电站全景数据收集、处理、存储的中心。通过三网(GOOSE，SV，MMS)将全站自动化、状态监测、辅助系统等信息进行了融合，实现了对站外应用服务的统一接口，具备向各子系统提供统一化、标准化、规范化的数据存取访问以及向调度系统发送信息的功能。在信息一体化平台的基础上，配置了设备状态可视化系统、信息综合分析系统、智能在线监测系统、无功优化控制系统等高级功能软件，为实现调控一体化和提高生产精益化管理提供了技术支撑。

(1)设备状态可视化系统。实时监测变电站内各种设备的运行状态，具备设备状态在线可视、自动追踪和记录等功能，为“调控一体化”远程操作设备奠定坚实的基础。

(2)信息综合分析系统。对故障录波、保护装置、SOE等相关事件信息进行挖掘、整合和综合分析，为电网运行提供辅助决策。

(3)智能在线监测系统。实时监测站内避雷器全电流、动作次数以及变压器油的各种数据，并远传至集控站的分析系统，以便及时、准确地对设备状态作出评估，为状态检修提供数据支持。

(4)无功优化控制系统。一体化平台中内嵌电压无功综合调节功能模块，对电网运行状态进行计算分析，根据预设目标及优化控制策略得出当前无功优化策略，上送调度主站，实现了变电站电压无功的远程调节与集控中心的在线协同互动。

4 智能变电站二次系统经济优势

4.1 节约成本

智能化变电站采用少量光缆代替大量控制电缆，节约了电缆等耗材；用光缆取代二次电缆，简化了电缆沟、电缆层和电缆防火等配套设施，降低了建设成本；智能变电站的二次回路和接线大幅简化，使保护装置与自动化系统调试、消缺的工作量得以压缩，减少了运行维护成本。另外，二次等电位地网主要用于防止CT回路2点接地后由2个接地点电位差产生的回路附加电流造成保护误动，使用ECT后此问题将不复存在，全变电站电缆沟内敷设100mm2铜缆(铜排)二次等电位地网的投资得到节省。

4.2 提高电力系统的效率和效益

智能化变电站实现信息共享，兼容性高，便于新增功能和扩展规模，可减少变电站后期扩建、改造的投资成本。设备使用效率高，提升了电力系统的效率和效益。

4.3 节约土地和土建投资

智能变电站电子式互感器体积小、重量轻；二次系统集成度高，占地面积和占用空间小，节约了土地和土建投资，避免了社会资源的浪费，具有低碳、环保、节能、高效的多重优势。

5 智能变电站二次系统安全优势

5.1 消除继电保护装置安全隐患

通过近几年继电保护技术的改造，110kV及以上系统基本实现微机化，继电保护正确动作率得到显著提高；但也很难继续提升继电保护正确动作率，除装置本身的原因外，还有以下几个主要原因。

(1)变电站直流电源回路故障接地，引发继电保护误跳闸。

(2)二次回路设计接线错误、电缆长、执行反措不到位、电缆老化接地等，造成保护误动。(3)定值项多，控制字和跳间矩阵设置错误。(4)由于季节性负荷，备自投、低频低压减载压板等核对切换工作量大，易出错。

(5)—些配电系统无母差保护、备自投等保护装置，上一级保护难起后备作用，造成事故扩大，供电中断。

(6)CT特性恶化或特性不一致，引起故障延迟切除和区外故障误动。

(7)保护通道问题。

智能变电站二次电缆少，且不增加硬件设备、不重复采集交流信息，将相应功能分散到各间隔保护单元中，实现了网络化母线保护、网络化备自投和网络化低频低压减载功能，可以基本消除以上限制继电保护运行水平继续提高的瓶颈。同时保护定值、控制字的简化，保护压板、按钮和把手大大减少，也可显著减少运行维护人员的“三误”事故。对于保护装置缺陷，由于直接采用数字量，能真实反映系统一次电气量信息，装置可采用更先进的原理，使其集成度得到提高，抗干扰能力得到大大增强，再加上在线监测、在线检修自动化，装置运行将更加稳定。对于通道及通道设备故障造成高频保护误动的问题，可通过采用光纤通道得以解决。

智能变电站通过过程层数字化，取消大量电缆硬连接，具有简洁的二次接线、更好的保护性能、更高的系统可靠性。智能变电站采用IEC 61850标准，实现不同厂家设备的互操作，取消站内信息孤岛。智能变电站优化了功能布局，减少了设备数量，简化了二次系统，降低了维护工作量，提高了大电网的安全稳定水平和灾变防治能力。

5.2 提高变电站可靠性

(1)通信网络采用统一的通信规约IEC 61850，不需要进行规约转换，加快了通信速度，降低了系统的复杂度以及设计、调度和维护的难度，提高了通信系统的性能。

(2)数字信号通过光缆传输，避免了电缆带来的电磁干扰，传输过程中无信号衰减、失真，提升了计量、保护和测量系统的精度。

(3)电子式互感器无磁饱和，精度高，暂态特性好。保护装置可针对电子式互感器的这些特点优化相关保护算法，提高保护性能。

(4)按照GB/T14285的要求，“除出口继电器外，保护装置内的任一元件损坏时，保护装置不应误动作跳闸。”智能变电站中的电子式互感器的二次转换器(A/D采样回路)、合并单元(MU)、光纤连接、智能终端、过程层网络交换机等设备内任一个元件损坏(除出口继电器外)，不会引起保护误动。这一要求的实现提升了保护装置的可靠性。

(5)设备自检功能强。合并器如收不到数据会判断通讯故障或互感器故障而发出告警，能对GOOSE网、SV网、MMS网进行实时检测，既提高了运行的可靠性，又减轻了运行人员的工作量。

5.3 提高变电站安全性

(1)智能变电站采用电子式互感器，其主要特点是电子式互感器不存在二次接地短路和谐振等问题，不存在二次开路及磁饱和问题。与常规互感器相比，电子式互感器具有绝缘简单、动态范围宽、数字量输出等优点。电子式互感器高、低压部分采用光电隔离，从而使得电流互感器二次开路、电压互感器二次短路等可能危及人身或设备安全的问题不复存在，大大提高了安全性。此外，ECT不会饱和，二次输出容量无限制，完全避免了因CT饱和造成保护拒动、误动的可能性，增强了整个电网的安全性。

(2)光缆代替电缆，避免了传统电缆接线端子松动、发热、开路和短路的危险，大大降低了交、直流二次回路短路或接地的可能性，有效避免了因直流接地造成保护装置误动或断路器偷跳的事故，也避免了因为人员误碰、电缆破损等造成CT回路2点接地而导致保护误动或拒动的现象，二次回路出现缺陷的概率大大降低，从而提高了变电站及系统的整体安全运行水平。

1 王 强，贺洲强.智能变电站运行维护管理探讨[J].电力安全技术，2012(5).