数字化变电站二次设备配置方式探讨

高苏州，高金锁

(宿迁供电公司，江苏 宿迁 223800)

1 引言

随着大规模集成电路的集成度进一步提高及成本的快速降低，实时嵌入式系统开始应用于电力系统一二次设备，使这些设备具备了强大的网络数据处理能力，为巨量数据传输及处理提供基础。指导变电站建设的国际规范IEC61850标准的正式发布，为变电站一二次设备的互连互通及互操作提供了保证，使一二次设备通过快速以太网交换数据成为可能。从国际国内的情况看，数字化PT/CT及智能化一次设备开始大量应用于各个电压等级的变电站，使变电站的二次布线有了革命性的变化。采用电磁型PT/CT的传统变电站，一次系统的信号采用电缆以模拟量的方式传送到控制室，控制室的二次设备必须具备自己的采样回路才能获取需要的数据;而采用数字化的PT/CT及智能化一次设备的数字化变电站，其一次系统的信号通过光缆以数字量的方式送到控制室［1］，控制室的二次设备只需要具备通信功能即可获取需要的数据，节省了电缆投资，提高了采样性能，增强了二次系统的可靠性［2］。变电站一次设备的数字化为重新布局二次设备提供了可能。在数字化变电站建设过程中，改变传统的二次设备配置方式，以更可靠、更经济、更简洁的方式布局二次设备，将成为今后一段时间变电站数字化改造的重要研究方向。本文将在传统的二次设备配置的基础上，提出几种新的二次设备配置的方法，并探讨各种配置方法的优点和缺点。

2 变电站二次设备的传统配置方式

在传统的变电站中，一次系统的电流电压量必须通过电磁型PT/CT进行变换后，通过电缆传送到控制室，同时其他一次设备如断路器等的位置信号也必须通过电缆传送到控制室。因二次设备的采样数据不能共享，故所有二次设备都有自己的采样回路，获得的采样数据只能自己使用，导致一二次设备之间有大量的电缆连线，为设备的调试及施工带来了大量的查线工作，同时二次系统的配置形成了目前的各个二次系统之间互不联系的局面。在传统变电站中，一般的配置情况为:

(1)高压部分(110kV及以上电压等级)采用每个对象分别配置一套保护装置及一套测控装置的模式。保护装置具有该间隔需要的所有保护功能，如距离、零序、差动、过流等。测控装置测量该间隔的电压、电流、相角、功率、频率等，同时具有控制功能。

(2)低压部分采用保护测控一体化的方式，即每个对象配置一台装置，该装置具有测量、控制和保护的功能。

(3)各个电压等级的母线分别配置母线差动保护装置，有几种电压等级就需要几台母线差动保护装置，高压断路器需配置断路器保护装置。有一些母联还需配置母联保护装置。

(4)变压器需配置单独的变压器保护装置和测控装置。

(5)对于重要的高电压等级变电站一般还需配置稳控系统。

(6)另外还需配置录波器，规模较大的变电站需配置多台录波器。

(7)其他辅助装置，如小电流接地选线装置需单独配置。

这种配置方案主要基于采样数据不共享，各种装置不能同时采样太多数据，故只能完成很少的和本间隔相关的功能。对于传统变电站，这种配置方案是合适的。

3 数字化变电站过程层组网方式

国内目前在建的数字化变电站中，虽然已经实现一次设备的数字化，但二次设备依然按照传统变电站的方式配置，没有充分发挥数字化变电站经济、简洁及可靠的优势，主要原因是目前的数字化变电站中一次设备的数据传输用的最多的还是点对点传输方式，造成数据共享还只能在有限的范围内，无法做到全站共享的方式［3］。很多数字化变电站中的过程层网络结构还相对保守，主要采用PT/CT的远端模块将数据传送给控制室中的合并单元，由合并单元分成多路光纤点对点传给保护、测控以及其他设备［3］，该模式如图1所示。

图1 点对点方式的过程层数据传输

该模式符合目前国内对保护测控设计的基本思路，即采用最安全的点对点传输模式，最大限度减少数据传输延时，同时避免了采用以太网传输时数据过分依赖以太网设备的问题。

但随着技术的进步，以太网设备可靠性稳定性大幅度提高，可采用以太网共享数据的模式，如图2。

图2 以太网数据共享的过程层数据传输

该模式为一次设备的数据直接上网，各个间隔单独组网，每个间隔的网络通过路由器互连。这种组网方式下，只需单个间隔数据的保护测控设备，可通过间隔层交换机获取数据，对于需要多个间隔数据的保护测控设备(如母差保护)，则可通过路由器获取全站的数据。这种模式组网简单，数据隔离方便，较好平衡网络负荷能，可有效分散网络设备不稳定造成数据丢失的风险。

4 变电站二次设备配置方式革新的条件

随着一次设备的数字化及以太网技术的发展，使一次设备将其信号通过以太网传送到控制室成为可能。一次设备的数据通过以太网为二次设备共享，可大大简化二次设备的设计及二次系统的布线。IEC61850的全面推广，为不同设备之间的数据共享提供了依据及可行的方法。断路器及开关刀闸能通过网络接收命令并执行，并通过网络将自己的状态及执行结果送给控制方，这些智能化的一次设备使二次设备可以摆脱传统思维模式的束缚而重新设计及配置。这些条件的具备，为二次系统重新设计提供了可靠的保障。同时也需要在电力系统管理模式上进行革新，以适用全新的数字化变电站的建设及运行管理。

5 几种数字化变电站二次设备配置方案

在数字化变电站中，二次设备不需要采样回路，只需要配置网卡就可获得所需的数据，使二次设备向小型化、智能化及高集成化方向发展。多种传统二次设备的功能集成在单台二次设备中成为可能，将大大减少设备投入成本。根据数字化变电站的特点，本文总结了以下4种数字化变电站二次设备配置方式。

(1)按传统方式配置二次设备

这种配置方式在上文已经叙述，这里不再赘述。传统配置方式是在传统变电站模式下发展起来的，目前各项运行管理方法也是基于该模式发展起来的。因此在数字化变电站中采用这种配置方式后，目前运行管理方法不用做任何改变即可适用。这种配置方式没有充分利用数字化变电站数据共享的优势，配置显得复杂且经济性不好。

(2)按对象配置方式

该模式采用保护测控一体化的方式，每个对象不再分别配置保护和测控，而只需配置一套装置，该装置完成该对象的所有保护及测控功能。这样在装置内部可以共享一些计算数据，简化了二次系统的复杂度，提高了系统的经济性。这种配置方式将自动化专业和保护专业合二为一，故必须改变目前运行管理过程中存在的按专业设置部门的方式，否则在运行管理上将出现盲点。

(3)按功能配置的方式

该配置方式采用弱化具体对象的方法，从全站二次设备需要实现的功能出发，采用以功能为单位配置二次设备，如距离保护装置负责全站所有线路的距离保护的计算及出口，差动保护负责全站所有对象差动保护功能的计算。测控装置负责全站所有对象的测控功能。稳控装置完成全站的稳控功能。该方案进一步简化了二次系统的复杂性，同时也带来了其他问题，首先全站过程层数据必须在同一个局域网上，巨大的数据流量对网络设备形及二次设备的网卡成了较大的冲击;其次二次设备必须面对大量的数值计算，对单片机的性能要求很高;第三在大量数据的冲击下，能否保证GOOSE数据的时效性是一个值得继续研究的问题。

(4)集中式配置的方式

该方式采用变电站为对象的方法，采用一台服务器完成所有的保护、测控、稳控、录波及其他功能。这样可以极大简化变电站二次设备的网络结构，但将风险集中到了一台设备上，在目前的运行管理方式下肯定是不能被接收的。

以上4种二次设备配置方案没有叙述双重化的问题，如需要双重化配置方法，可以按照传统的双重化配置方案配置，本文不再赘述。

6 结语

目前国内的数字化变电站建设中，绝大多数采用传统方式配置二次设备，避免了管理方式的改变。但采用传统方式配置数字化变电站的二次设备，不能充分发挥数字还变电站简化二次设计及节约成本的优势。集中式配置方式因风险过于集中，在目前的技术及环境下很难执行。采用按对象配置和按功能配置的方式能极大的简化变电站二次系统，且较好的分散设备风险。但采用新的配置方式缺乏运行管理经验。为改变二次设备配置方式，必须对目前的运行管理方式进行创新，否则很难适用新的数字化变电站二次设备。希望本文能起到抛砖引玉的作用，使科研、设计、生产、运行管理等部门能一起探讨数字化变电站二次设备的配置思路，集思广益，把数字化变电站的建设推向更高的水平。

［1］李萌，李红斌，冯凯，等.基于嵌入式以太网的电子式互感器数字输出口［J］.电力系统自动化，2004，28(13):93 －96.

［2］李九虎，郑玉平，等.电子式互感器在数字化变电站的应用［J］.电力系统自动化，2007，31(7):94 －98.

［3］徐大可，赵建宁，张爱祥，等.电子式互感器在数字化变电站的应用［J］.高电压技术，2007，33(1):78 －82.