110kV智能变电站组网方案的探讨

刘海涛 张健

【摘要】智能变电站一体化监控系统的体系架构、系统配置、数据采集与信息传输是智能变电站建设的重要环节，网络结构直接关系到数据采集和控制的可靠性，分析了智能变电站110kV的组网方案的技术特征，对不同组网方案进行了分析对比。

【关键词】智能变电站;IEC61850 ;网络结构

引言

按照国家电网公司《智能变电站技术导则》的定义， 智能变电站自动化由一体化监控系统和输变电设备状态监测、辅助设备、时钟同步、计量等共同构成。一体化监控系统纵向贯通调度、生产等主站系统，横向联通变电站内各自动化设备，是智能变电站自动化的核心部分;建设好安全可靠的智能变电站对智能电网发展至关重要，变电站组网涉及变电站一次设备传输和设备的实时控制，如数据采集、保护跳闸和数据应用等，组网结构的合理性在很大程度上决定变电站全站运行的的稳定性和可靠性，意义重大。本文重点就组网方案进行讨论。

1.智能变电站对传统变电站的改变

1.1 信息传输方面

智能变电站保护功能相关信息传输：光纤代替电缆，自动化信息传输：网络代替电缆，信息共享。

1.2 通信标准

早期国内基于IEC61850标准建设的变电站称为数字化变电站，智能变电站站内通信规约采用IEC 61850，替代了传统综自站站内通信规约IEC60870-5-103，IEC 61850通信协议和信息模型，支持传统采样值，和实时开关量，具有高度互操作性，支持高级应用。它规范了变电站内智能电子设备之间的通信行为和相关的系统要求，IEC 61850系列是一种新的变电站自动化方法，一种影响工程、维护、运行和电力行业组织的新方法，它采用面向对象的建模技术，面向未来通讯的可扩展架构，来实现“一个世界，一种技术、一个标准”的目标。

1.3 端子连接

智能变电站的一次设备和二次设备间采用计算机网络通信技术，虚端子代替常规变电站物理端子，逻辑连接代替常规变电站物理连接，大幅度减少了二次接线的数量和复杂度。

2.智能变电站监控系统的站控层组网架构

2.1 智能变电站系统网络安全区划分

智能变电站系统网络化的二次设备架构采用三层网络结构：站控层、间隔层、过程层。根据《电力系统二次安全防护》的管理规定，站控层设备分为四个安全区：

在安全Ⅰ区中，监控主机采集电网运行和设备工况等实时数据，经过分析和处理后进行统一展示，并将数据存入数据服务器。Ⅰ区数据通信网关机通过直采直送的方式实现与调度（调控）中心的实时数据传输，并提供运行数据浏览服务;

在安全Ⅱ区中，综合应用服务器与输变电设备状态监测和辅助设备进行通信，采集电源、计量、消防、安防、环境监测等信息，经过分析和处理后进行可视化展示，并将数据存入数据服务器。Ⅱ区数据通信网关机通过防火墙从数据服务器获取Ⅱ区数据和模型等信息，与调度（调控）中心进行信息交互，提供信息查询和远程浏览服务;

综合应用服务器通过正反向隔离装置向Ⅲ/Ⅳ区数据通信网关机发布信息，并由Ⅲ/Ⅳ区数据通信网关机传输给其他主站系统;

数据服务器存储变电站模型、图形和操作记录、告警信息、在线监测、故障波形等历史数据，为各类应用提供数据查询和访问服务。

2.2 监控系统的站控层组网架构

采用主-子交换机级联方式，任两台智能电子设备之间的数据传输路由不应超过4个交换机;根据间隔数量合理配置交换机，每台交换机配备适量的备用端口。

图1 交换机配置示意图

当间隔较少时，可取消继电器室主交换机，继电器室子交换机直接接入主控室主交换机，如图1所示。

图2 交换机配置示意图

3.智能变电站组网方案分析

3.1 方案一：点对点光纤+过程层网络+站控层网络

技术特点：保护直采直跳，可用插值再采样同步，保护设备不依赖交换机和对时，可靠性高。SV＼GOOSE和MMS分网传输，交换机负载性对较轻。经济性：交换机数量多，投资较大;复杂性：交换机和光纤多，系统最复杂;灵活性：保护功能较低，自动化功能较高。

组网方案优化：过程层网络SV和GOOSE共网，保护功能不依赖网络，SV和GOOSE共网风险小，可减少约35%的过程层交换机，减少投资和降低变电站复杂性，电压采样值由过程层传输到各间隔 取消PT合并单元到压采样值由过程层传输到各间隔，消T并单元到各间隔的点对点光纤，合并单元和智能终端一体化，SV和GOOSE共光纤并单元和智能终端化光纤减少约50%过程层智能设备和点对点光纤，减少投资和降低变电站复杂性，需采用SV和GOOSE分时传输技术，避免GOOSE报文影响SV发，需采用SV和GOOSE分时传输技术，避免GOOSE报文影响SV发送时间，造成插值再采样同步误差，此种方案不适用于采用激光供电互感器的变电站合并单元需配置激光供能模块 难以和智能终端集成·并单元需配置激光供能模块，以和智能终端集成

3.2 方案二：无过程网方案

过程层设备和间隔层设备间用点对点光纤传输信息息，间隔层设备间通过站控层网络交换信息，控层网络和过程设备间的报文传输，由间隔层设备转发，优点，无过程层交换机 不增加站控层网络规模 网过程层交换机，增加站控层网络规模，网络最简化，投资最低

4.工程实例介绍

4.1 变电站主接线（见表1）

表1

电压等级 主接线形式 间隔名称 远景

110kV 内桥 线路 2

桥 1

10kV 单母分段 线路 30

分段 1

电容器 4

接地变 2

4.2 通信规约

站控层网络通讯采用IEC61850，过程层网络通讯、GOOSE通讯规约采用IEC61850-8-1， SV通讯规约采用IEC61850-9-2，合并单元与互感器之间：私有协议。

4.3 过程层网络结构

组网总原则：采用星型结构;SV、GOOSE网络完全独立配置;变压器保护应采用相互独立的数据接口控制器接入过程层SV网、GOOSE网，设备采用双重化配置时，对应的过程层网络亦应双重化配置，第一套接入A网，第二套接入B网;保护与智能终端、合并单元之间采用点对点光纤连接，不经过过程层网络交换机;GOOSE网络用于传递设备之间的联闭锁信息、测控、故障录波、报文监视等;SV网络用于故障录波、报文监视、测量、PMU等。

当故障录波、报文监视、测量、PMU等要求采用SV点对点方案时，可取消SV网络。存在的问题是：（1）故障录波、报文监视设备、测控、PMU、合并单元、智能单元应具有足够SV接口。（2）变压器测控必须分侧配置。

参考文献

[1]Q/GDW 679-2011智能变电站一体化监控系统建设技术规范.

[2]谭文恕.变电站通信网络和系统协议IEC 61850介绍[J].电网技术.