集约化智能变电站组网模式探讨

胡保林

(深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000)

0 引言

随着技术的不断成熟，智能变电站的组网模式呈现出多元化态势，由最初的网采网跳演变成直采网跳、直采直跳、模采网跳的多样化组网模式。

网采网跳的组网模式会影响继电保护的可靠性、速动性、选择性和灵敏性，主要表现为：合并单元输出的采样值(sampled value，SV)信息经交换机至保护接收会产生延迟；保护装置跳闸至生成并发出面向通用对象的变电站事件(generic object oriented substation event，GOOSE)报文与智能终端解析出跳闸信息之间存在延迟。交换机的存储转发机制决定了交换机所造成的延时不固定，因此，网采网跳站点对于对时系统的依赖性极强，随着北斗时钟系统的大面积推广，倘若北斗对时系统在应用时出现异常，网采网跳智能站均会面临大面积误动以及拒动风险，甚至造成系统崩溃。

直采或直跳虽然能解决SV或GOOSE传输延时的问题，但对各装置光口的数量有较高要求，尤其是母差等公用装置往往难以满足要求。同时，该方式会大大增加光缆用量且接线复杂，对于后期扩建难度较大，需增加新的光口用于传输与新间隔之间的GOOSE信息，并重新修改本间隔的光口定义及配置信息，从而影响运行间隔保护的正常工作。

此外，当前变电站还存在着一些共性问题。

1) 大部分变电站无论直采还是网采只沿用了三层两网的组网模式，与传统变电站相比只是用光缆代替了电缆，虽节省了电缆，但增加了大量交换机，无论运维还是配置都更为复杂，特别是交换机故障后会影响多个运行间隔，维护风险较高。

2) 变电站配置文件(substation configuration document, SCD)的配置依赖于设备厂商；各设备厂商的智能电子设备(intelligent electronic device, IED)模型各不相同，版本较多；设计院提供的虚端子表篇幅较长，不直观且核查困难，更多依赖于现场调试来发现问题，其中漏拉或错拉虚端子可以通过传动验收等方式发现，而额外多拉的部分只能通过人工去识别；业内规范并未明确规定虚端子的标准，站内设备改造涉及全站配置文件的更改，调试时间和停电范围较大，现场检修难度增加。

3) 目前，智能变电站只是简单将二次设备网络化分层，增加了智能终端、合并单元等中间环节，导致继电保护的整组动作时间延长了5～10 ms，降低了主保护的速动性与可靠性，使得电网运行于稳定极限的边界，因此，一次设备的智能化是智能电网建设的关键环节。

4) 当前的智能变电站由于增加了大量过程层交换机、智能终端柜等设备，相比传统变电站反而增加了占地面积，因而仍无法解决传统变电站屏位紧张问题。

5) 多套保护共用合并单元、智能终端，单一元件可能引起多套保护误动作，与快速保护独立性原则相悖，且安全自动装置与保护装置共用智能终端跳闸，也与电力系统三道防线相互独立原则相悖。

因此，提出一种集约化变电站组网模式，既能减小设备占地面积、减少光缆电缆数量，又能实现保护的就地化配置，提高保护的快速性和可靠性。

1 集约化变电站组网配置

1.1 常规变电站组网模式

常规变电站组网模式如图1所示，一次设备通过电缆直接与保护测控装置连接，中间经过两处端子排转接后接入装置。

图1 常规变电站组网模式

1.2 智能变电站组网模式

1.2.1 网采网跳

部分网采网跳智能变电站组网模式如图2所示。该模式独立配置合并单元和智能终端，一次设备经两处端子排转接后进入合并单元及智能终端，然后经光纤转接到交换机，再由光纤转接到保护及测控装置。信息传输过程增加了两处光纤转接、合并单元、智能终端、过程层交换机等中间装置。

图2 网采网跳组网模式

1.2.2 直采网跳

部分变电站采用直采网跳组网模式，即SV+GOOSE共网，其思路是与一次设备汇控柜构成一体化设计，取消了智能终端柜内端子排转接，减少了交换机数量，如图3所示。但是，该模式仅仅是减少了物理转接，中间环节依旧很多，交换机的不固定延时对跳闸命令传输的影响仍无法消除。

图3 SV+GOOSE共网模式组网示意

1.2.3 直采直跳

直采直跳组网模式虽然取消了交换机使得跳闸命令传输的延时可控，但仅仅是用光缆替代原有电缆，大量光缆的使用使得各装置光接口数量更多且装置发热现象更为严重，相比传统变电站并无明显优势，反而因此增加了智能终端等中间环节，影响动作可靠性。

1.2.4 合并单元与智能终端应用

合并单元与智能终端的应用则是将传统变电站中保护装置的采样板、操作板、开入/开出板剥离出来单独组网，并将过程层设备全部放置在一次GIS室内，如图4所示。

图4 过程层设备演化示意

这种配置方式不仅违背了集约化配置的原则，增加了许多中间环节，从概率学的角度来说，每一个中间环节的故障都会影响到保护功能，同时新增加的装置会占用更多空间。新一代智能变电站的设计和建设应做到 “占地少、造价省、效率高”，结构布局合理、系统高度集成、技术装备先进、经济节能、环保、支持调控一体。

1.3 集约化变电站组网模式

在上述分析基础上，提出将合并单元与智能终端功能回归保护装置，将保护装置就地安装在汇控柜内，取消智能终端柜，打破一、二次设备的界限，统一设计、统一布线，减少中间转接环节，组网方案如图5所示。

图5 集约化变电站组网方案

集约化组网模式取消了合并单元、智能终端、交换机等中间环节，且就地配置取消了主控室—GIS电缆，主控室内只放置站控层设备，可大大缩减占地面积、降低成本、提升可靠性及速动性、减少转接环节、维护检修更简便、回路布置更清晰。

2 方案对比

从选择性、速动性、灵敏性、可靠性、经济性五个方面评价几种组网方案的优劣。

以传统变电站为参照，选择性与灵敏性主要考虑CPU性能、交流采样准确性等方面，其中CPU性能此处认为各装置一致；网采由于依赖GPS时钟，稳定性和准确性相对较差；集约化变电站由于就地配置CT二次负载相较传统站更小，CT更不易饱和，因此采样准确度更高。速动性则是指故障发生到开关跳开时间，网跳相对电缆跳闸更慢，集约化站由于更靠近一次设备，跳闸时间更短。可靠性主要从保护运行故障率考虑，网采或网跳智能变电站由于增加了合并单元、智能终端、交换机等中间环节，每一个中间环节的故障都会引起保护无法正常运行，相比传统变电站故障率会成倍增加。

综合分析可知，相较传统变电站及其他智能站，集约化变电站组网模式的结构配置更简洁，可靠性、速动性更高，经济性更好。

3 结束语

集约化组网模式的提出打破了一、二次设备的界限，大大精简了二次回路，减少了设备故障率，提高保护的可靠性与速动性，同时解决了设备占地面积大的问题，节约了投资成本。