智能变电站过程层与间隔层的应用技术研究

杨国涛 程先锐 郝雨

【摘要】随着经济的发展，社会已经向智能化、信息化的时代发展。科学技术水平的提高，变电站也向着智能化的方向发展前进。智能变电站的技术关键点与难点过程层网络。在满足过程层网络实时控制需求的基础上，结合现有技术条件，本文分析了过程层设备的功能、传输及配置原则，并阐述了智能变电站过程层的基本要求，并提出了相关的方案。

【关键词】智能变电站；过程层；应用技术；研究

1、变电站过程层的概述

智能变电站是当前电力系统发展的一大产物，它是随着科技的发展从而实现变电站的智能化和自動化。可以有效的实现信息的数字化，并且具备一定的采集信息、处理数据信息的能力，实现信息共享。智能变电站由站控层、间隔层和过程层三层结构。而过程层位于整个自动化系统的最底层，主要由变压器、断路器、隔离开关以及电流电压互感器等一次设备和各种智能组件构成的电子装置。其主要职能是对整个设备进行监测，并执行相关的操作命令。过程层是三层中与一次设备连接最为密切的，因此它的运行状态也直接影响到整个变电站运行的稳定性。

过程层是智能变电站区别于常规变电站的主要特点，相对于传统的变电站，智能站的过程层能有效解决变电设备的抗干扰、对高压和低压的相互隔离、信息的不可共享和发展。同时智能变电站的过程层设备的发展采用了较为复杂的新技术，从而新增了较多的设备。对实时性和可靠性的要求提出了新的要求。对于智能变电站的相应设备的运行业绩较少并且时间较短，并且相关的建设方案未实现完全的共识，设备过程中的安全性和可靠性过程中的分析和管理过程中的问题也不容忽视。

2、应用过程层的基本要求

过程层在整个变电站中的使用当中起着重要的作用，因此，要想整个自动化系统合理、安全的运行下去，就必须遵循相应的原则，这样才能更好安装和管理好过程层。

2.1 实时性原则

在通信标准中IEC 61580中规定的GOOSE是一种面向通用对象的变电站事件，简言之，其主要工作职能就是保护交换和传输中的信息能够合理有效。在智能变电站中，GOOSE服务主要是对那些智能单元、一次设备等进行有效的连接信息传输服务，尤其是对跳合闸信号和命令的传输。虽然GOOSE服务的报文数据量不是很大，但是它所传输的数据都较为重要，而且传输过程极具突发性，因此在传输报文的过程中就必须要遵循实时性原则，有效的将数据信息传送到制定地点。一般对GOOSE服务传输数据的时间限定在4 ms以内。

2.2 采样值传输数据技术原则

采样值传输主要是过程中与间隔层之间通信的一个重要内容，在二者传输过程中，其中过程层中最大的一个数据流就在互感器的保护以及测控之间的采样值传输中。因此，采样值传输数据也必须要有一定的实效性，其相关技术原则也有如下要求：①采样值的传输要与过程网进行连接，一般采取光纤连接；②要注意的是，间隔层中的承担保护、检测的设备与合并单元进行连接时，要通过过程层的交换机进行传输，二者不能直接进行连接。交换机获取采样值信号然后在通过其二次传输实现消息共享；③接入方式选取点对点的接入方式。以便更好的发挥交换机的虚拟技术和优先级技术，这样就更能保护网络，提高稳定性能。

2.3 智能终端设计基本原则

智能终端是智能变电站的一个重要设备，它实际上一种智能组件，通过电缆与一次设备连接，从而起到监测和测量的作用。智能终端主要针对通用对象的变电站事件，做到合理有效的监测和控制。在安装智能终端时，应多安装在封闭的空间，如户内柜、户外柜等，且防护等级必须要高，要达到相关的标准。在具体的设计环节也应遵循几点原则：①智能终端主要针对的是通用对象的变电站，其传播速度要保整合理，因此，设计时要注重信息传播的实时性；②应具备COOSE命令记录功能，无论是命令时间还是命令来源以及相关的措施都要记录下来，并且还要提供有效的查看方法；③在设计智能终端时，还要让其具备通信功能和转换功能，这样才能有效地执行相关的控制命令。

3、智能化变电站过程层应用方案

3.1 常规互感器方案

在该设计方案中，以220 kV线路保护为例，通过常规互感器从而加装、采集单元以实现采样值的数字化。配置好现场采集单元，处理好互感器输出的模拟量最终按FT3格式输出，然后在采用光纤的方式接入合并单元。整个方案系统是基于IEC 61850标准，从而以达到不经过交换机而直接采样的效果，如图1所示。该种设计方案可以直接经过GOOSE跳断路器，断路器的失灵、重合闸也可以通过GOOSE玩了过方式直接启动。该种方案的最大优点就是从长远方面考虑，在后期工程中可以直接将常规互感器改造成为电子式互感器。但同时也存在一定的弊端，结构过于复杂，且对于常规电流互感器的饱和问题也没有得到有效的解决。

3.2 电子式互感器直采直跳方案

该种方案也是以220 kV线路保护为例，但是与常规互感器方案不同，该方案采用的是电子式互感器，因此不需要采集单元，可以实现直采直跳的状态。即过程层采样值与GOOSE信息采用实现点对点传输。在整个方案中，继电保护的采样值是基于IEC 61850-9标准GOOSE协议下进行的，如图2所示。

在该种方案下，采取的是双重化配置保护装置，这样更能保持设备的稳定性和安全性。该种方案最大的优点就是简单方便，省略了交换机的环节，同时也不需要依赖同步对时信号，使得变电站信息传输更加方便、快捷，轻松实现信息数字化、集成化。虽然该种方案可以省略大量的复杂结构，使得数据信息传播更加便捷，但是需要保护和合并单元的网口多，发热量过大，就必须要用到更多的光缆和交换机，虽然结构简单，但是配件过于复杂。

3.3 过程层三网合一的方案

三网合一是指IEC 61850-9-2采样信息、IEEE 1588对时信息以及GOOSE信息共网传输的方案。该方案以变压器保护为例，实现三网合一结构，如图3所示。在该结构中，间隔层和过程层合并单元采用的是IEC 61850-9-2表展，而与过程层智能终端合并单元则是采用的是GOOSE通信协议，通过配置间隔交换机以及各主干网交换机从而实现信息共享。

该方案的最大优点就是实现三网合一，信息共享。与其他两种方案相比，可以最大化地实现信息共享，并且该方案网络结构简单、清晰，也不需要大量的光缆和交换机作为附件去连接。无论是设计环节还是实际安装环节都比较简便，也方便进行后期管理和维护。可以说，三网合一方案是未来技术发展的一大主流趋势。虽然三网合一的方案简介、方便，但是其技术性要求较高，技术难度较大，可靠性也有待探究，并缺乏有效的冗余手段。因此，在实行该种方案还需要注重冗余技术的应用。

4、智能变电站过程层设备

4.1 智能变电站过程层构成

智能变电站自动化系统之间三层之间用分层、分布、开放式网络系统实现连接。过程层位于最底层，是一次设备和二次设备的结合，主要完成运行设备的状态检测、操作控制命令的执行和实时运行电气量的采集功能，实现基本状态量和模拟量和数字化输入/输出。

相应信息传输到过程层。直接影响变电站信息的采集方式、准确性和实时性。是继电保护正确动作的前提。

相对于传统变电站，智能变电站的一、二次设备发生了巨大变化，电磁式互感器被电子式互感器取代，传统开关被智能化开关取代，多个智能电子设备之间通过GOOSE、采样值传输机制进行信息的传递。这些特征有利于实现反映变电站电力系统运行的稳态、暂态、动态数据及变电站设备运行状态、图像等数据的集合，为电力系统提供全景数据。过程层设备包括变压器、断路器、隔离开关、电流/电压互感器等一次设备及其所属的智能组件和獨立的智能电子装置。

4.2 智能变电站过程层设备功能

合并单元功能：接收ECT、EVT数字信息，通过光纤实时接收ECT、EVT输出的采样值报文。交流模拟量采集。需要接入交流模拟量的MU应具备交流模拟量采集的功能，可采集传统电压互感器、电流互感器输出的模拟信号。采样值输出，MU宜采用DL/T 860.92规定的数据格式通过光纤以太网向保护、测控、计量、录波、PMU等智能电子设备输出采样值。MU应输出电子式互感器整体的采样响应延时。母线PT并列切换功能，可接入硬开入或GOOSE等状态量实现母线PT并列及切换功能，方便母线PT检修。时钟同步及守时MU应接收外部基准时钟的同步信号并具有守时功能。提供秒脉冲测试信号，MU应具备1个1PPS输出测试接口，用以测试MU的时间及守时精度。

智能终端功能：支持最大8路直跳接口+2路网络接口；支持三相/分相断路器保护出口，测控控制出口；支持7路刀闸分、合、逻辑闭锁控制；支持发送GOO反馈信号功能；支持多路硬开入接入。

操作回路功能：支持三相/分相断路器操作回路；支持保护出口触点反馈功能。

温湿度采集功能：提供两路直流采集功能，用与温湿度采集；CPU插件提供板上温湿度采集。

4.3 过程层设备配置原则

合并单元配置原则：继电保护双重化配置的间隔，合并单元冗余配置，应具有冗余的独立输出回路；其余间隔合并单元宜单套配置。宜具备多个光纤接口，满足保护直接采样要求。合并单元输出采样率可设置（全站48点/周波，最高需求192点/周波） 宜具备电压切换或电压并列功能。需要时可接入常规互感器或模拟小信号互感器输出的模拟信号）。

智能终端配置原则：220kV线路、母联（分段）智能终端按双重化配置；扩大内桥接线内桥间隔智能终端按双重化配置，110kV线路、母联（分段）智能终端按单套配置。35kV及以下配电装置采用户内开关柜布置时不宜配置智能终端（主变压器间隔除外）。主变压器本体智能终端宜单套配置，集成非电量保护功能。220、110（66kV）每段母线配置1套智能终端。智能终端宜分散布置于配电装置场地智能控制柜内。

过程层交换机配置原则：一个半断路器接线、500kV电压等级过程层GOOSE、SV网交换机应按串配置，每串宜按双重化共配置2台GOOSE交换机。当接入设备较多时，也可按双重化共配置4台GOOSE交换机；当设置SV网络时，每串按双重化共配置2台交换机；500kV每串GOOSE、SV交换机组2面柜。

220kV电压等级过程层GOOSE、SV交换机按间隔配置； GOOSE、SV采样共网设置，1各间隔按双重化配置2台交换机，交换机按间隔与保护测控一体化装置共同组屏。主变高压侧相关设备接入高压侧所在串GOOSE、SV网交换机；主变中压侧按间隔配置GOOSE、SV网交换机，交换机布置在主变保护柜上；主变低压侧可采用点对点方式或与220kV侧共用交换机。

500kV电压等级应根据规模按双重化配置GOOSE和SV中心交换机，中心交换机可单独组柜，也可与间隔交换机共同组柜。每台交换机的光纤接入数量不宜超过16对，每个虚拟网均应预留1～2个备用端口。任意两台智能电子设备之间的数据传输路由不应超过4台交换机。双重化配置的保护装置分别接入各自的过程层网络，单套配置的保护装置通过不同的网口接入双重化网络。

5、结语

综上所述，智能变电站是未来电力系统发展的潮流方向，智能化变电站也使得电网的配电管理更加稳定、安全。而过程层作为变电站较为重要的环节，其相关技术的研究尤为重要。本文主要从过程层的概念出发，阐述了过程层的相关技术要求，并提出当前的三大技术方案。其中三网合一方案较为合理，但其技术性和可靠性还有待探究。智能变电站的建立与使用大大的改变了以往常规变电站中不能做到的部分，并且随着信息技术的快速发展，电力企业也应该紧紧跟随时代发展的步伐，积极改善电力设备不足的方面。通过对智能变电站过程层的详细了解与规划，提出三网合一的技术，并且该技术还在测验与测试阶段，相信在不仅的将来该技术将得到极大的应用，不仅节省线路的铺设，也使得信息的传输速度得到极大的提升。该技术将随着不断的发展与进步逐渐向新一代智能化方向发展，这需要不断的努力与尝试。