面向功能的新型智能变电站通用IED设计及其应用

宋小舟，刘怀宇，陈昊，李树峰，张海华，何嘉弘

(1.北京四方继保工程技术有限公司，北京 100085；2.国网江苏省电力有限公司超高压分公司，江苏 南京 211102；3.东南大学 电气工程学院，江苏 南京 210096)

继电保护是保障电力系统安全稳定运行的关键措施。借助半导体及通信技术的发展，微机保护的选择性、速动性、灵敏性和可靠性得到更进一步的提升[1-4]。随着计算机技术、通信技术的快速发展，继电保护装置的信号采集、跳闸控制、功能算法、寿命预测[5-7]等技术也在深刻变化，未来趋向于设备模型化、数据网络化、功能配置化、逻辑节点化的方向发展[2，8]。

继电保护技术的发展推动着变电站技术的不断更迭，使得智能变电站逐渐成为智能电网的重要组成部分[9-11]。目前智能变电站标准化设计采用“三层两网”结构，在功能逻辑上由站控层、间隔层、过程层以及网络设备构成，存在二次设备众多、信息共享率较低等问题[12-13]。智能变电站的建设迫切需要新的二次设备技术方案，从而简化变电站设计，降低变电站造价，提高设备的可维护性，对智能变电站的推广应用提供有力的技术支撑。文献[13-16]围绕新型智能电子设备(intelligent electronic device，IED)装置讨论新型IED在智能变电站的应用，文献[17-19]从变电站二次设计维度讨论智能变电站的发展方向，但均未涉及优化二次设备数量、提高设备的信息共享率等问题的研究。

本文提出一种IED通用设计方法：硬件完全互换，保护面向功能，功能群(function group，FG)面向一次设备，FG冗余设置，即通用IED(generic IED，GIED)。GIED的保护设计可以实现保护功能之间数据共享和CPU资源共享，从而减少交换机数量及简化变电站接线。同时GIED可以实现保护硬件的完全替代式更换，大大降低备品备件数量，显著降低设备的后期维护性成本。未来随着处理器性能的提高，GIED的数量随之减少，从而促使变电站保护整体成本进一步下降以及可靠性进一步提高。通过挖掘变电站的整体信息，从而优化各种保护功能之间的配合关系，提升变电站继电保护的综合性能。最后以500 kV 3/2接线方式变电站为例的工程实例验证本文所提方法的有效性和可行性。

1 GIED设计

IED是作为变电站自动化系统的重要设备之一，基于逻辑节点实现变电站的保护、控制、监视及测量等功能，借助通信系统与站内其他IED进行通信。IEC 61850标准解决传统IED设备之间通信规约不统一、装置互换性困难等问题，数据共享等问题未来将在IEC TC95、TC57、TC38相应工作组制订的标准中解决。

传统IED设备面向一次设备配置，不同类型IED的开入、开出和模拟量采集不同，机箱结构、尺寸、CPU设计都有很大差异，IED注重本身保护功能的实现，CPU资源过剩、不足问题时有发生，相互间资源共享率低。同时，其硬件备品备件之间存在不可替代性，从而降低保护设备的维护成本。

由此本文提出GIED设计，基于不同类型IED装置的共同特点，抽象出通用基本功能配置于GIED，消除IED间差异性，实现其互换性。如图1所示为GIED的设计示意图，主要有4个模块：①开关量输入/开关量输出(binary input/binary output，BI/BO)模块；②采样模块；③电源模块；④管理模块。BI/BO模块实现包括一次设备断路器位置、刀闸位置、低气压闭锁等开关量的输入，以及跳闸、信号等开关量输出；采样模块实现电压量、电流量等模拟量的交流变换、低通滤波、AD转换等功能，同时借助传感器采集温、湿度等模拟量；电源模块通过直流逆变电源插件，实现直流220 V或110 V至GIED装置所需开入、开出电源+24 V、模拟量用电源±12 V以及CPU逻辑用电源+5 V的变换；管理模块实现与监控后台、工程师站、远动、信息子站等的通信，同时实现对时同步功能。管理模块中的数据采集处理通过高速共享数据总线〔例如周边设备高速连接(peripheral component interconnect express，PCIe)总线〕处理共享数据、采样值(sampled value，SV)以及通用面向对象的变电站事件(generic object oriented substation event，GOOSE)数据，其光口A—E主要用来传输过程层、站控层网络的GOOSE及SV相关数据。

图1 GIED设计示意图

基于上述的IED通用设计，实现GIED间硬件完全互换，降低备品备件数量，从而降低设备后期的维护性成本。

2 变电站FG配置

基于GIED的3/2接线方式变电站保护框架如图2所示，本文以图2甲站为例进行阐述。由图2可知，每个断路器配置1个GIED，此GIED采集对应断路器电流，间隔电压接入边断路器GIED(GIED1)，通过边断路器GIED共享至中断路器GIED(GIED2)。同时GIED能够实现对应断路器的跳合闸、断路器间隔刀闸等的操作。对于变压器T1，高、中、低侧配置GIED，同时在公共绕组一侧独立配置GIED(GIED6)，用于采集公共绕组电流量，以及发布相关指令。图中变压器的套管电流互感器(current transformer，CT)并未标注，其电流采集由对应侧的GIED完成，对于3/2接线侧由边断路器GIED(GIED3)完成。

由图2可知数据采集由GIED完成，采集的信息量在FG内共享，并分配到各GIED，形成多个虚拟的综合保护装置，其架构如图3所示。由图3可知，GIED通过过程层网络相互间共享数据信息，并通过不同的GIED组合形成虚拟的综合保护装置，其通过相应GIED程序实现，并无实际装置，这与拥有实际装置的全站集中式保护有着很大的区别，因而图中用虚线框加以区分。

图2 基于GIED的变电站保护框架

图3 变电站FG配置

图2中甲站侧的L1线路保护功能由GIED1、GIED2协同完成；I母母线保护功能由GIED1、GIED8、GIED9协同完成；主变保护功能由GIED2、GIED3、GIED4、GIED5、GIED6协同完成；高抗保护由GIED7完成。由此构成变电站保护FG，所有保护功能均由不同的GIED协同完成，虚拟综合继电保护装置内部GIED设备之间实现数据采集及CPU资源共享，如图4所示。

图4 FG内部通信示意图

基于GIED面向功能的新型智能变电站保护框架方案实现保护功能之间采集的数据及CPU资源共享，从而减少交换机的用量，简化二次接线，降低二次设备数量。同时GIED可以实现保护硬件的完全替代式更换，通过变电站的整体信息挖掘，可以优化保护功能之间的配合关系，提升变电站继电保护的综合性能。由此可见本文所提方案符合IEC 61850的设计思想，软件面向服务，数据面向模型，软硬件完全分离设计，通过功能配置实现具体的保护功能。

3 基于GIED的智能变电站应用研究

3.1 面向一次设备的变电站保护框架

目前运行的变电站通常以其内的断路器为分界面划分为多个间隔，从而形成面向一次设备的保护范围，配置面向一次设备的保护装置。

图5所示为500 kV 3/2接线常规变电站保护框架，以甲站为例，其有3个完整串，第3串为线-变串，其CT按照7-9-7方式配置，即边断路器CT为7个次级、中断路器CT为9个次级，线路保护为分电流接入。常规变电站除站控层使用网线或者光纤，其他回路基本使用硬电缆接线。通过常规变电站线路保护端子排图可以看出其接线均为硬接线，可见电缆芯线数量庞大。随着电缆数量的增多，变电站发生回路故障隐患的可能性也随之提升[20-23]。

图5 常规变电站保护框架

图6所示为500 kV 3/2接线智能变电站保护框架，图中每串CT按照8-10-8方式配置，相比7-9-7方式，这主要是为断路器保护双重化配置。常规采样智能站的一次开关场地、主变本体等有智能终端；数字采样智能站的一次开关场地有合并单元(merging unit, MU)，由于文中叙述不涉及，故图6中并未绘出。对比常规站线路保护端子排图与智能变电站中线路保护端子排图，可见智能站中线路保护装置硬电缆接线只剩直流、交流电压电流，特殊信号，对时等回路。二次回路均通过光纤链路实现GOOSE信号传递，电缆芯线数量较常规站已大大减少，但是二次回路复杂问题依然存在。

由图5、图6可知，现有变电站均根据CT次级接入方式划分保护装置的保护范围。虽然智能站在常规站的基础上已有非常大的改进，但属于面向一次设备的变电站保护框架。变电站保护功能由对应的保护IED完成，跨间隔协同实现需要借助屏间的光纤链路实现，信息共享率低，相互间CPU资源利用率低。可见当前面向一次设备的变电站保护框架二次系统结构复杂，常规站二次电缆数量庞大、智能站光纤链路及交换机数量巨大、中间环节较多所引起的日常运维成本较高、运维难度较大等问题凸显。随着智能站的发展，这些问题将会日渐严重。

图6 智能变电站保护框架

3.2 面向功能的智能变电站保护框架

面向功能的智能变电站保护框架方案是在GIED的基础上，将原本面向一次设备的独立保护装置功能由与此一次设备相关的GIED协同完成，构成变电站FG，通过图4中的高速共享总线实现设备间的数据共享。传统的面向一次设备的保护装置功能将由此一次设备涉及的1个或多个GIED协同完成，构成变电站虚拟综合继电保护装置，从而大幅度降低二次设备数量，实现站内数据采集、CPU资源的共享。具体的保护框架如图2所示，这里电压、电流互感器依然采用电磁式互感器，如果配置的是电子式互感器，本文方案依然适用，仅GIED采样模块接入存在差异。

3.3 方案对比研究

前面对比了常规变电站与智能变电站二者之间的差异；智能变电站简化二次回路，大大减少芯线数量，利用光纤链路，通过GOOSE信号传递二次回路信息。同为面向一次对象的变电站保护框架方案，智能变电站的方案有着很大程度进步，但依然存在诸多问题。现有方案以面向一次设备的智能变电站为例，与本文提出方案进行对比，分析2种方案的优缺点。

基于3/2接线方式以线-变串统计数据见表1，主要包括2类数据：IED数量、过程层GOOSE光纤数量，2种方案均基于GOOSE双网独立冗余、且无合并单元。其中本文方案IED专指GIED；现有方案IED包含一次设备智能终端及保护装置，其跳闸、位置等信号通过直跳光纤实现，失灵、联跳等信号通过网络光纤实现。光纤数量按照收发计1根考虑，由于站控层每套IED设备的制造报文规范(manufacturing message specification，MMS)信号光纤数量均为2根，已隐含于IED数量中，因而未统计，故只对比过程层GOOSE信号光纤数量，并且统计只涉及本间隔内部信息，高压侧母线、中压侧母线等未统计入内。

表1 线-变串数据统计

由表1可知本文方案相比现有方案需要设备数量更少，IED数量下降50%左右，GOOSE信号光纤数量下降70%左右，这在很大程度上简化了二次回路。这些均能降低整体的投入成本以及设备后期的维护检修成本。其中表1是按照线-变串的保护IED以及过程层GOOSE光纤链路统计，若以变电站为单位统计，本文方案的IED数量将下降至40%甚至更低，GOOSE信号光纤数量也将进一步下降。此外，本文方案基于高速共享总线构成的过程层网络进一步提高了IED间资源利用率。

本文方案采用的数据共享总线为PCIe总线，通信速率为4 Gbit/s，不影响IED可靠性。GIED和现有IED的总体设计方案没有发生大的变化，GIED通用结构采用折中方案，既不考虑母线保护这种大型且复杂的IED设计，也不考虑断路器保护这种简单的IED设计，其硬件性能在现有IED平均性能之上；并且保护功能软件未变化，其可靠性不会发生变化；因此，从软件和硬件上均未降低GIED的可靠性。

基于IEC 61850标准，单个MU数据流量约8 Mbit/s，1个变电站若按20个间隔且单个MU数据流量按照10 Mbit/s考虑，最大数据汇集流量为200 Mbit/s。相比于采用PCIe总线高速数据通信口的4 Gbit/s，数据共享裕度很大，因而不影响GIED数据采集和跳闸性能。由于判别逻辑不发生变化，GIED速动性不会受到影响。同时由于GIED实现变电站的整体保护功能信息共享、挖掘，可以优化保护功能之间的配合关系，从而进一步提升变电站继电保护的综合性能。

基于GIED的保护能够根据全站信息以及运行方式，智能划分母线、变压器等差动保护区域，实现变电站内部故障精确定位，经短延时跳开故障断路器，解决后备保护因动作时间长而容易烧毁变压器等一次设备的问题。同时通过站内开关量信息和电流电压信息实现故障定位的信息冗余，可避免个别错误数据引起保护误动的连锁反应，提高保护整体系统的安全可靠性。

综上所述，本文方案相比现有面向一次设备的智能变电站方案优势明显，保护性能有所提升。

4 结论

本文基于GIED对面向功能的智能变电站保护框架方案进行研究，并以现有面向一次设备的智能变电站为例，在变电站为3/2接线方式下对比分析，得出结论如下：

a)GIED设计能够实现IED之间硬件完全互换，降低备品备件数量。相比面向一次设备的变电站保护框架方案，基于GIED的面向功能的智能变电站保护框架方案需要设备数量更少，光纤回路更简化，从而降低设备投入以及后期的运维检修成本。

b)基于GIED的变电站保护FG实现保护功能由不同GIED协同完成的虚拟综合继电保护装置，使得虚拟综合继电保护装置内GIED设备之间实现采集的数据及CPU资源共享。

此外，GIED设备在变电站的应用导致间隔设备检修、缺陷处理等运维问题复杂性提高，将在未来结合500 kV 3/2接线变电站设备检修、缺陷处理等具体的运检工作进一步展开研究。