浅谈变电站的电气二次系统

蔡友龙

摘 要：本文首先介绍了变电站电气二次系统的保护装置、控制和信号回路、调节回路等基本组成。在结合某220kV数字化变电站的实例，从智能化二次设备的选择、通信规约的选择和系统通信网络的设计等方面，详细分析和研究了变电站电气二次系统的设计。

关键词：智能电网；数字化变电站；电气二次系统

引言：2009年，我国提出建设坚强智能电网的战略规划。变电站作为电网运行的重要环节和主要监控点，起到联系整个系统的重要作用。变电站的电气二次系统的合理性与可靠性与变电站安全稳定运行有着密切关系，可以视为变电站的神经系统。因此，有必要对变电站二次系统展开研究，以推动整个变电站乃至电网的安全稳定。

一、变电站电气二次系统概述

变电站电气二次系统是一个复杂的系统网络，主要包括变电站内的各类电气设备及其相应的控制、调节、信号、测量回路，以及电气二次系统的继电保护装置、安全自动装置、准同期装置、直流操作电源等。总体来分析，可以将变电站电气二次系统分为以下几个部分：

（1）继电保护和安全自动装置。继电保护和安全自动装置是电气二次系统的重要组成，主要用来保护变电站的安全稳定运行，一旦出现系统故障，立即动作于告警或跳闸。（2）控制回路。变电站二次控制回路主要用来对变电站内各类设备进行控制，主要是各类开关设备的跳合闸操作，继电保护发出跳闸信号后，通过控制回路来执行跳合闸。（3）信号回路。变电站电气二次设备的运行，均依赖于信号回路的运行，通过变电站二次信号回路，准确采集一次设备的工作状态，包括信号的发送、接收和传递网络，来为运行人员进行运行和维护提供依据。（4）调节回路。除了通过控制回路来控制开关的跳合闸以外，有一些变压器主设备还需要通过调节回路来调整期工作参数。（5）其他回路。除了上述回路以外，变电站二次系统还包括绝缘检测回路、系统同期回路、操作电源回路等，是变电站功能实现的辅助回路，随着电网技术的发展，变电站建设水平不断提高，电气二次回路技术水平的高低目前已经成为衡量变电站自动化程度的重要方式。

二、变电站电气二次系统的设计

随着我国建设坚强智能电网的进程不断深入，电气二次系统也经过了从简单到复杂、从单一到多元、从手动到自动的发展历程，从了就地分散、集中控制、单元控制逐步过渡到综合控制。下文结合某220kV数字化变电站电气二次的架构和设计，来详细分析和研究变电站的电气二次系统。

（一）变电站电气二次系统的架构。如下图1所示，为某

220kV数字化变电站的系统架构图，该变电站采用保护集中布置方案，按无人值班变电站考虑设置综合保护室，除10kV保护设备外其他所有保护、监控及通信屏柜均集中布置在综合保护室内。变电站二次系统的架构与设计主要包含了智能化二次设备的选择、通信规约的选择和系统通信网络的设计。

（二）变电站电气二次系统的实现。（1） 智能二次设备的选择。与数字化变电站设备智能化、通信网络化、模型和通信协议统一化等特征相适应，变电站二次设备必须选择相应的数字化保护。该220kV数字化变电站的所有模拟量交流采样全部采用光纤点对点，而设备跳合闸采用GOOSE网络方式来传送开关量。 GOOSE服务是数字化变电站实现的一种重要手段，也是数字化变电站进一步发展的方向，通过SV和GOOSE组网，实现了开关二次设备的智能化。

（2）通信规约的选择。根据数字化变电站的架构，其通信网络主要包括站控层网络和过程层网络两个部分，各个不同的通信网络可以使用不同的通信规约。其中，站控层网络规约包括IEC61850和网络103规约，过程层网络规约包括IEC61850和IEC60044-8规约。经过对比和分析，站控层网络中，网络103规约的互操作性较差，同时实时性要求不高，虽然费用较低，但难以为数字化变电站的通信提供充分的保障。而IEC61850规约是目前国标统一的面向数字化变电站的理想通信平台，虽然费用相比网络103较高，但互操作性强，而且实时性好。

基于此，该220kV数字化变电站采用IEC61850规范，构建统一的基于IEC61850规范的快速通信方式，在交流量传输中，采用了国际标准规定的IEC61850-9-1点对点方式，且不接入过程层的总线网络。在开关量传输中，借助GOOSE服务的以太网，来实现开关量信息的快速传递。此外，该变电站取消了间隔层智能终端，借助交换机实现整个过程层设备之间的信息交互和共享，各个智能终端、保护和测控装置之间实时交互，开关量与跳合闸之间全数字化。

（3）系统通信网络的设计。1）间隔层和站控层通信的设计

系统的网络架构采取了星型以太网络，在间隔层与站控层的通讯以及站控层内部的通讯共用同一個通信网络。考虑到该220kV变电站巨大的信息量，为了提升实时通讯的稳定性，该变电站选择了1000/100M自适应的交换以太网。同时，220kV数字化变电站内的站控层设备相对较多，因此专门设计了独立的站控层网络，来为各个站控层设备之间提供信息的交换和传递通道。2）过程层通信的设计。在过程层的通信总线设计方面，通过过程层总线技术实现了过程层设备之间的信息交互，而未采用传统的控制电缆。此外，基于继电保护装置对实时性的要求，过程层通信需要借助至少100M的以太网通信，并需要支持报文优先级和组播功能。3）间隔层通信的设计。间隔层的通信采用了间隔交换机，以更好的提高数字化变电站内各间隔的可靠性和实时性，间隔层的每个间隔都设立一个间隔交换机，该间隔内的所有设备均接入到该间隔的间隔交换机，并仅能通过间隔交换机来进行间隔内的信息交互。各个间隔交换机之间又能够通过级联汇总到总交换机，包括母线差动保护、变压器保护、线路保护等在内的需要接入多个间隔信息的保护设备，则统一直接接入中的交换机。

结语：随着我国智能电网建设的逐步深入，我国电网也朝着特高压输电、交直流混联、暂态特性复杂的方向发展。变电站作为电力系统内部传递和输送电能的重要节点，对电网建设发挥着日益重要的作用，随着智能变电站的普及和推广，变电站的电气二次系统也朝着自动化、智能化的方向不断发展，积极推进变电站电气二次技术的发展和进步，对我国智能电网建设具有重要意义。

参考文献：

[1] 李九虎，郑玉平，古世东，须雷.电子式互感器在数字化变电站的应用[J].电力系统自动化， 2011（7）： 94-98.

[2] 杨奇逊.变电站综合自动化技术发展趋势[J].电力系统自动化， 2010，（10）： 7-9.