智能站二次设备集成设计分析

张晓慧（河南省电力勘测设计院，河南　郑州　450007）



智能站二次设备集成设计分析

张晓慧（河南省电力勘测设计院，河南郑州450007）

围绕“节约环保、功能集成、配置优化、工艺一流，突出工业化设施定位，优化集成”的核心理念在通用设计相关原则指导下，深入总结提炼已投运工程经验，提高智能变电站信息共享程度和功能集成程度。针对“调控一体、运维一体”，通过整合智能变电站二次系统，实现创新优化方案：①基于一体化监控的建设理念，加强站控层设备的整合。②加强间隔层设备的整合，220kV电压等级配置多功能测控装置，整合测控、计量和PMU功能；主变压器配置集中式测控装置，整合各侧及本体测控功能。③采用故障录波网络记录分析一体化装置，减少硬件重复投资，实现“信息共享、功能集成”的设计理念。④采用合并单元、智能终端硬件整合的一体化智能组件，减少装置数量，方便就地布置，智能组件的GOOSE和SV信息共口传输，节省光口数量。

二次设备；智能化；整合；设计

1　概述

目前智能变电站已普及，但在智能变电站工程建设中，投资普遍较常规变电站高，一般较常规站增加5.9～11.2%，其中对智能变电站造价影响较大的是设备购置费。主要是由于智能变电站增加智能终端、合并单元、网络交换机、数字化电能计量表计、网络分析仪等二次设备，导致投资大幅增加。

信息数字化、功能集成化、结构紧凑化是智能变电站的重要特征；二次系统优化整合、合理压缩二次功能房间面积，符合两型一化要求。二次系统的重复设置造成投资浪费，增加运行维护工作量，对二次系统进行相同功能、相同设备上的整合是必要的，可提高变电站运行管理水平、减少运行维护工作量、降低全寿命周期成本，推进智能电网、智能变电站的建设。

2　站控层设备集成整合

基于新一代智能变电站监控一体化系统主站的功能需求及实施方案，并对信息进行整合优化，实现全景数据一体化信息平台及相关高级应用的扩展，实现站内信息的统一接入、统一储存、统一应用、统一展示，满足各专业队站内数据、模型、和图形的应用需求。站控层设备具备集成整合的技术条件的，通过功能集成整合，满足无人值班变电站站端与调控端运行要求。

3　间隔层设备集成整合

智能变电站的间隔层设备由保护装置、测控装置、PMU、电度表、故障录波、等设备构成，完成对过程层设备的实时运行电气量的采集、设备运行状态的监测，并进行处理、分析后，将信息上送至站控层；同时也将站控层的相关控制命令下发至过程层设备进行执行。

3.1保护测控计量多合一装置

智能变电站内10kV保护测控计量一体化装置已经被大面积使用，国内主流厂家均已有较成熟的系列产品，也在国内不少智能变电站工程中得到了应用。保护测控计量集成装置的出现，大大节省了设备数量、屏位空间和二次光缆，同时可显著简化变电站二次设备构架。

在配置了合并单元及智能终端后，将一次设备的模拟量采样及开关量实现就地数字化，保护测控计量装置仅需进行数字化后数据的接收、计算以及保护逻辑判断；随着计算机技术的飞速发展，微机保护和微机测控装置的硬件平台水平也不断更新，CPU的处理能力更强，通信功能更完善。CPU的处理能力和通信能力的提高，使得保护、测控、计量功能整合在装置制造上成为可能。但为确保护装置的独立性，国内主流二次设备厂家保护测控一体化装置保护、测控、计量均分别采用独立的插件及独立的CPU单元，除输入输出采用同一接口，共用电源插件外，其余保护插件、测控插件、计量插件均完全独立。

3.2多功能测控装置

智能变电站中，间隔层设备从网络中获取一次设备的原始数据，原来冗繁的模拟量采集插件改由1～2个组网口实现，极大地节省了空间。与此同时，高速以太网技术可实现大容量数据的实时传输，模块化设计理念保证同一装置各功能模块的相对独立性，这些均为多功能测控装置的实现提供了有力技术支撑。

装置纵向整合，能够实现本间隔的测控、计量以及同步相量测量功能的多功能测控装置，在重庆大石220kV智能变电站中多功能测控装置已经投入了运行。

变电站单间隔多功能测控装置是以变电站内一个间隔为监控对象的智能监控设备，实现测控、PMU、计量、录波等装置的功能整合。它既能够实现本间隔的交流采样、状态信号采集、同期操作、刀闸控制、全站防误闭锁功能，又能够实现广域同步相量的测量、录波、校核计量、电能质量监测等功能。

3.3集中式测控装置

随着智能变电站的应用，测控装置已经由原来点对点控制采集改为网络控制采集。大部分遥“测”量以及遥“控”量都是通过网络实现，具备了将主变三侧以及本体测控功能集中由一台测控装置实现的条件。

集中式测控是基于数据业务的装置横向整合；多间隔数据集成共享，降低网络负载；统一时标，提升SCADA数据质量；节省设备、简化网络、减少占地。

3.4故障录波器、网络报文记录分析装置的整合

在智能变电站中，故障录波和网络记录分析仪的设置屏位较多，一个220kV变电站中故障录波柜最多达到4面，网络记录分析仪柜也有2面，不仅屏位浪费、增加小室面积，而且功能相对分散，没有达到信息共享、综合分析的效果。

在智能变电站建设中，故障录波、网络记录分析仪单独配置，分别有着各自的数据采集设备，硬件投资重复，不符合“信息共享、功能集成”的智能变电站设计理念。彼此功能过于独立，无法将信息综合分析，不但运行和维护成本较高，而且有悖未来大电网信息综合分析决策的发展。

根据对故障录波、网络记录分析仪共性的分析，两者数据源、功能性质一致，将故障录波、网络记录分析仪整合是必要的。整合后可以节省投资、节约空间、减少连接线缆和交换机接口、更可以实现以二次系统故障的综合分析，不仅符合“节约环保、功能集成、配置优化”设计理念，而且顺应大电网大集中的发展形势。

4　过程层设备的集成整合

智能变电站的过程层设备由合并单元、智能终端等智能组件构成，完成与一次设备相关的功能，包括实时运行电气量的采集、设备运行状态的监测、控制命令的执行等。

合并单元与智能终端的整合：

目前新一代智能变电站试点工程中有多个厂家已生产出合并单元和智能终端一体化装置。合并单元和智能终端一体化装置一般采用双CPU的实现方式，通用平台化的插件和灵活的组合，可以满足不同电压等级智能变电站的需求。合并单元和智能终端一体化装置采用功能独立的两块CPU，CPU选用实时性处理能力强大的PowerPC和FPGA。两块CPU中，一块用于智能终端的处理，一块用于合并单元的处理，功能独立的设计可以有效防止当采样环节CPU故障导致该间隔主保护退出时，跨间隔保护对该间隔的故障切除，保证智能终端的优先可靠性。

并且，合并单元和智能终端一体化装置可灵活适用于的各种组网方案，CPU可以独立对外进行直采直跳的网络连接或者组网连接（GOOSE网络或者SV网络）。当网口使用数量大于CPU本板网口数量时，可采用CC插件对网口进行扩展。当采用三网合一的组网方案时，双CPU之间通过高速总线进行通信。该数据总线由FPGA构建而成，速率可达20Mbps以上，保证跨CPU间通讯实时可靠，接入网络的CPU板通过网口将SV、GOOSE、对时报文进行分流处理，以减少单CPU的负荷。

合并单元和智能终端下放在就地智能汇控柜内，采用一个装置，以各自独立的接口面向互感器和开关设备，以单一的对外接口通过过程层网上传信息。

当采用合并单元和智能终端一体化设备时，隔刀位置信号可以在装置内与智能终端实现数据共享，合并单元就无需为了获取位置信号进行电压切换和上传装置告警信号再占用1个GOOSE交换机光接口，节约了交换机和装置2个光接口，简化了网络接线。在高电压等级变电站中，当智能操作箱和合并单元均需和多个保护装置点对点连接时，节省的光接口数量更可观。

合并单元与智能终端合一装置，可采用FPGA直接发送报文，报文延时输出抖动不大于1μs，以保证插值再采样同步的精度；采用分时报文发送技术，使得SV报文和GOOSE报文在同一光缆传输时，SV报文发送时刻不受GOOSE报文影响，并仍支持间隔层设备插值再采用同步；采用100M以太网接口和硬件解码技术，具备100M线速数据处理能力，保证通讯流量满负荷时GOOSE相应的实时性和可靠性。

5　结论

根据智能变电站设备集成化要求，以及国网公司集成优化设计的指导思想和意见，结合工程实践经验，对二次设备功能进行优化整合，减少装置数量，降低设备投资。

变电站二次系统集成优化方案包括一体化监控平台的搭建；监控主机的功能整合、综合应用服务器的功能整合；集中测控装置、多功能测控装置、保护测控计量一体化装置的应用，故障录波网络分析仪的整合；合并单元智能终端的整合；一次设备操作回路的简化等多个方面。整合内容涉及变电站自动化系统站控层、间隔层、过程层以及一次设备的二次回路等各个部分。

智能变电站全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化，要求节能、节材、接地。二次设备的整合优化体现了上述特征，是智能变电站的内在要求，是前一阶段智能变电站发展的必然结果，也是新一代智能变电站的重要发展方向。

［1］国家电网公司.智能变电站建设技术［M］.北京：中国电力出版社，2011.

张晓慧（1983-），女，高级工程师，研究生，主要从事变电站电气设计工作。

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2095-2066（2016）13-0033-02

2016-4-10