嚴(yán)支斌 周紹奎

摘 要：本文對(duì)傳統(tǒng)變電站與數(shù)字化變電站的二次接線的特點(diǎn)分別進(jìn)行了介紹，并對(duì)進(jìn)行了比分析，對(duì)傳統(tǒng)變電站二次系統(tǒng)的缺陷和數(shù)字化變電站的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了闡述，并對(duì)現(xiàn)階段數(shù)字化變電站二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮的風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化變電站；二次系統(tǒng)；對(duì)比研究；GOOSE報(bào)文

中圖分類號(hào)：TM63 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)也不斷向微機(jī)化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展。近年來(lái)，基于IEC61850規(guī)范的數(shù)字化變電站已投入實(shí)際運(yùn)行，大有逐步取代傳統(tǒng)變電站的趨勢(shì)。

數(shù)字化變電站的特點(diǎn)是應(yīng)用電子式互感器，實(shí)現(xiàn)一次設(shè)備智能化，二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化。傳統(tǒng)變電站中的大量電纜連接的二次系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)，在數(shù)字化變電站中被光纖GOOSE網(wǎng)絡(luò)取代， 這帶來(lái)的變化是革命性的。對(duì)數(shù)字化變電站與常規(guī)變電站的二次系統(tǒng)接線進(jìn)行對(duì)比研究，對(duì)推動(dòng)數(shù)字化變電站發(fā)展及成熟應(yīng)用具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

2傳統(tǒng)變電站二次系統(tǒng)特點(diǎn)

傳統(tǒng)的變電站二次系統(tǒng)采用站控層和間隔層二層設(shè)計(jì)的分層、分布的架構(gòu)體系，并按測(cè)控、計(jì)量、錄波和保護(hù)等功能進(jìn)行組屏，其二次系統(tǒng)如圖1所示。

站控層的監(jiān)控主機(jī)通過(guò)局域網(wǎng)絡(luò)與各功能單元進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并遵循IEC60870系列標(biāo)準(zhǔn)；間隔層設(shè)備若為不同廠家設(shè)備或者不同通訊接口（如串口）設(shè)備，想要接入網(wǎng)絡(luò)，必須先接入通訊管理機(jī)，由管理機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)文與站控層通訊?；ジ衅魍ㄟ^(guò)采集電壓、電流模擬信號(hào)連接電纜傳遞到保護(hù)測(cè)控裝置內(nèi)部的交流輸入組件，再通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；開(kāi)關(guān)設(shè)備的分/合閘、閉鎖、開(kāi)關(guān)位置等重要信息的傳遞通過(guò)設(shè)備裝置內(nèi)部的開(kāi)入開(kāi)出組件完成。模擬量采集及對(duì)一次設(shè)備的控制均由二次設(shè)備自身完成，同時(shí)采集到的數(shù)據(jù)信息僅供自身設(shè)備使用。由于各功能單元相對(duì)獨(dú)立，導(dǎo)致各功能單元信息不能共享，也不能達(dá)到互操作。

3數(shù)字化變電站二次系統(tǒng)特點(diǎn)

數(shù)字化的變電站二次系統(tǒng)架構(gòu)體系采用3層2網(wǎng)的分層分布式，分別由站控層設(shè)備、間隔層設(shè)備、過(guò)程層設(shè)備、站控層網(wǎng)絡(luò)及過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)組建成，增多了合并單元和智能終端設(shè)備，如圖2所示。

此外，數(shù)字化變電站采用統(tǒng)一的61850規(guī)約，各個(gè)設(shè)備廠商的設(shè)備可不通過(guò)規(guī)約轉(zhuǎn)換器無(wú)縫接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，與網(wǎng)絡(luò)上其他設(shè)備具有良好的互操作性。

4傳統(tǒng)變電站與數(shù)字化變電站二次接線對(duì)比

在傳統(tǒng)變電站中，使用傳統(tǒng)互感器時(shí)需要大量的二次電纜組成完整的變電站二次系統(tǒng)。主要有來(lái)自開(kāi)關(guān)場(chǎng)的交流電纜傳輸?shù)慕涣麟姎饬啃盘?hào)，控制和信號(hào)電纜連接不同設(shè)備的端子排。

傳統(tǒng)變電站二次系統(tǒng)存以下問(wèn)題：①在互感器飽和時(shí)，引起電流畸變，從而導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)。②電流互感器二次開(kāi)路和電壓互感器二次短路，可能造成設(shè)備和人身安全問(wèn)題。③采用油絕緣和SF6氣體絕緣，存在爆炸和氣體泄漏危險(xiǎn)。④互感器輸出的模擬量會(huì)因電纜長(zhǎng)距離傳輸而衰減。⑤電纜用量大，由此導(dǎo)致造價(jià)成本高。

在數(shù)字化變電站中，電子互感器轉(zhuǎn)換后的數(shù)字采樣信號(hào)通過(guò)合并單元，經(jīng)光纖通訊直接傳遞給變電站二次系統(tǒng)。變電站二次系統(tǒng)不再需要引入交流二次電纜。變電站中的開(kāi)關(guān)量信號(hào)經(jīng)由GOOSE光纖網(wǎng)以GOOSE報(bào)文傳送，不再有經(jīng)由控制電纜和信號(hào)電纜的硬接點(diǎn)信號(hào)。

帶來(lái)好處是顯而易見(jiàn)的：①不存在常規(guī)變電站中由二次電纜引起的傳導(dǎo)性電磁干擾現(xiàn)象，二次系統(tǒng)的影響在外界干擾對(duì)情況下會(huì)得到有效控制。②利用光纖作為傳輸介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了高低壓側(cè)的完全隔離，消除了電流互感器二次開(kāi)路或者電壓互感器二次短路帶來(lái)的潛在危險(xiǎn)。③通過(guò)光纖傳輸?shù)臄?shù)字采樣信號(hào)，測(cè)量精度與負(fù)載無(wú)關(guān)。避免了負(fù)載大小對(duì)測(cè)量精度的影響。④光纖傳輸回路是完全絕緣的，無(wú)接地要求，減少了現(xiàn)場(chǎng)檢查接地的工作量。⑤大量使用光纖和網(wǎng)線作為信息交換的介質(zhì)，電纜用量明顯減少，反映出良好經(jīng)濟(jì)效益。

5虛端子與GOOSE服務(wù)配置

傳統(tǒng)變電站二次系統(tǒng)的功能邏輯和信號(hào)的輸入輸出都一一對(duì)應(yīng)于具體的端子，通過(guò)從端子到端子的電纜連接實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備之間的配合以及保護(hù)對(duì)一次設(shè)備的控制。一般在二次系統(tǒng)施工圖中，通過(guò)電流和電壓回路圖來(lái)控制信號(hào)回路圖等表達(dá)二次設(shè)備原理、功能及電氣一、二次設(shè)備連接關(guān)系；通過(guò)端子排圖和安裝接線圖與電纜清冊(cè)等反映設(shè)備電纜接線情況。

在數(shù)字化變電站中，實(shí)現(xiàn)智能各裝置之間的邏輯和信號(hào)交互的原有傳統(tǒng)的端子概念消逝了，取代的過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于常規(guī)變電站的二次電纜回路，各智能設(shè)備之間的信息通過(guò)光纜以GOOSE和SV報(bào)文通信的方式來(lái)交換，取代傳統(tǒng)的電纜傳輸。由于沒(méi)有電纜連接，所有信息全部隱含在光纜中而無(wú)法表達(dá)，科技人員提出了“虛端子”和“虛回路”概念，利用虛端子代替物理端子，邏輯連接替代物理連接，解決了智能變電站SV/GOOSE信息無(wú)接點(diǎn)、無(wú)端子、無(wú)接線帶來(lái)的SV/GOOSE配置難以體現(xiàn)等問(wèn)題。傳統(tǒng)的根據(jù)二次系統(tǒng)原理圖進(jìn)行端子圖、接線圖的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒛Ｐ偷呐渲梦募?shù)配置以及輸入輸出接口的GOOSE通信配置，就是利用軟信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化變電站二次系統(tǒng)的連接和運(yùn)行設(shè)置，通過(guò)定義GOOSE配置發(fā)送的數(shù)據(jù)集和控制模塊，從而來(lái)對(duì)發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的定義和獲取，實(shí)現(xiàn)GOOSE服務(wù)配置系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中信息的傳輸。

6數(shù)字化變電站二次接線帶來(lái)的新問(wèn)題

數(shù)字化變電站相比傳統(tǒng)變電站二次系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了交流輸入回路和控制回路設(shè)計(jì)，增加了運(yùn)行可靠性和安全性，降低了運(yùn)行維護(hù)難度和成本，其優(yōu)點(diǎn)有目共睹，但其基于電子互感器、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn)也帶來(lái)的新的問(wèn)題。

（1）數(shù)字化變電站的間隔層，完全由網(wǎng)絡(luò)連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，不再是獨(dú)立體系。這增大了對(duì)過(guò)程層設(shè)備以及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的依賴程度，而且很大程度上依賴于光纖網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。網(wǎng)絡(luò)如果出現(xiàn)故障，變電站全部的保護(hù)和控制的相關(guān)功能會(huì)失效，引起嚴(yán)重后果。要求網(wǎng)絡(luò)設(shè)備要具備極高的可靠性，含有間隔層保護(hù)、檢測(cè)和控制等裝置設(shè)備。

（2）數(shù)字化變電站跳閘出口命令及其它開(kāi)關(guān)量的傳輸，完全依賴GOOSE網(wǎng)絡(luò)通訊。網(wǎng)絡(luò)必定會(huì)存在非法入侵時(shí)的信息安全問(wèn)題。同時(shí)IEC61850協(xié)議的開(kāi)放性和標(biāo)準(zhǔn)性，也對(duì)電力系統(tǒng)的安全帶來(lái)隱患。這些問(wèn)題對(duì)變電站二次系統(tǒng)安全防護(hù)及信息安全防護(hù)提出了更高要求。信息的安全性和可靠性的重要之處就凸現(xiàn)出來(lái)。

（3）數(shù)字化變電站使用的電子式互感器，其重要核心部件由電子線路組成，因此電子互感器的壽命嚴(yán)重依賴于電子元器件的壽命。同時(shí)SMV網(wǎng)中采樣數(shù)據(jù)的同步至關(guān)重要，任何一個(gè)互感器的同步丟失必將帶來(lái)采樣數(shù)據(jù)的失效，這對(duì)保護(hù)等帶來(lái)的危害是巨大的。

結(jié)語(yǔ)

本文首先對(duì)傳統(tǒng)變電站和數(shù)字化變電站二次系統(tǒng)接線的特點(diǎn)分別進(jìn)行了闡述，傳統(tǒng)變電站由大量二次電纜連接而成，數(shù)字化變電站中過(guò)程層光纖網(wǎng)絡(luò)取代了電纜連接。在數(shù)字化變電站中，SV網(wǎng)通訊實(shí)現(xiàn)采樣值傳輸，GOOSE網(wǎng)通訊實(shí)現(xiàn)了各種開(kāi)關(guān)型邏輯量傳輸。二次系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化有許多優(yōu)點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)變電站許多一直以來(lái)困擾的問(wèn)題，但同時(shí)也帶來(lái)了新的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，這些問(wèn)題給數(shù)字化變電站研究提出了新的課題，需要我們?cè)趯?shí)踐中不斷總結(jié)并解決，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)字化變電站不斷發(fā)展和進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)

[1]王克祥、王秀蓮、李響等.智能變電站網(wǎng)絡(luò)通信引起的二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)變化[J].電力勘測(cè)設(shè)計(jì).2013（05）：61-65.

[2]楊雪婷，李暢，劉林，吳明.電子式互感器對(duì)變電站二次系統(tǒng)的影響[J].陜西電力，2013（05）：46-48.

[3]徐成斌，孫一民.數(shù)字化變電站過(guò)程層GOOSE通信方案[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007（19）：91-94.

[4]王瑋.數(shù)字化變電站與傳統(tǒng)變電站的比較[J].硅谷，2012 （21）：176-177.

[5]白曉燕.數(shù)字化變電站的二次設(shè)計(jì)[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2012（07）： 126-128.