上海智能变电站的思考

朱俊杰，蔡颖聪，邵剑峰，陈铁敏

(1.国网上海电力公司检修公司，上海 200235；2.上海电力高压实业有限公司，上海 200442)

研究与探索

上海智能变电站的思考

朱俊杰1，蔡颖聪1，邵剑峰2，陈铁敏1

(1.国网上海电力公司检修公司，上海 200235；2.上海电力高压实业有限公司，上海 200442)

对比了智能变电站和传统综合自动化变电站的结构，分析了智能变电站给电网带来的变革，阐述了运行人员和继电保护检修维护人员在智能变电站这个全新模式下的工作要点及与以往工作的不同之处。

智能变电站；传统综合自动化变电站；继电保护

随着电力智能化技术的不断进步和发展，国内的电网设备也随之不断发展和更新，从最原始的RTU远动模式，过渡到分层分布面向间隔的综合自动化变电站(以下简称综自变电站)，再到如今新兴的智能变电站。上海电网目前已投运了智能变电站。面对这样一个全新的变电站模式，运维人员、继电保护检修调试人员，都面临了全新的挑战。

1 智能变电站的基本情况

智能变电站采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站[1]。

IEC 61850规约作为一个越来越广泛应用的通信标准，解决了变电站内各IED设备之间的网络通信问题，实现了变电站内信息共享和互操作性，简化了变电站集成和工程实施等问题，不同厂家设备可实现无缝连接，实现即插即用的终极目标。

智能变电站的实现模式，大致有如下几种总体方案：

(1)仅采用IEC 61850规约的过渡型变电站；

(2)采用IEC 61850规约与数字化CT/PT的实用型变电站；

(3)采用IEC 61850规约、数字化CT/PT、智能一次设备的完全型变电站。

1 智能变电站与传统综自变电站的区别

1.1 传统综自变电站的结构

传统的综自变电站，主要构架可概括为两层化的结构，也就是间隔层和站控层，见图1[2]。

传统的综自变电站的最大特点就是，设备之间以直观的物理连接进行交互，以一个一个的回路间隔为单元，一次设备使用的是传统断路器、隔离开关、电压互感器和电流互感器，通过二次电缆硬接线与保护和操作箱相连接。

综自变电站具有直观可视化、可触及的特点，作为成熟运行多年的结构，已经深入到运行和检修维护人员的心中。当然其缺点也显而易见，多而繁杂的二次交直流电缆的存在，设备与设备之间大多是点对点的硬连接，几乎没有互操作性。而且当电流回路或者电压回路发生故障时，可能引发比较大的危害，危及设备和现场作业人员的安全。

图1 传统综自变电站的两层化结构[2]

1.2 智能变电站的结构

相对传统综自变电站，智能变电站采用的是三层两网的结构：过程层、间隔层、站控层三层；过程层网络和站控层网络[2]，见图2。

通过智能一次设备，光电流互感器、电子式电压互感器，以及智能终端和合并单元的使用，将原来的模拟量转变成数字量，通过更为可靠的光纤传输，解决了以往因为电缆接线故障而可能引发的对设备的危害，提高了设备运行安全性。通过过程层GOOSE和SV网将遥信、遥测、遥控信息在保护和一次设备之间进行传递。通过站控层MMS网络，来实现运维人员对于站内各个设备之间的信息交互。

图2 智能变电站三层结构

1.3 智能变电站相对综自变电站带来的改变

智能变电站和传统综自变电站的结构区别如表1所示。智能变电站将传统综自变电站的电缆物理接线升级成了光纤和网络化接线，其传递的不再是模拟量而是带有时标的数字量；而且相对于传统综自变电站中为大家所熟知的硬压板都已经被自动化后台上的软压板所替代，保留了检修压板作为硬压板，仅为设备检修维护、故障隔离时所使用。

表1 智能变电站和传统综自变电站的结构区别

随着智能变电站的深入应用，对于继电保护人员而言也带来了一个非常大的变化，以往直观的模拟量、点电位判断方式，将被报文分析所替代。

智能变电站带来的变化主要有如下几点[3]。

(1)智能终端就地化，减少二次电缆使用量，取而代之为光缆；

(2)压板模式发生了变化，保护装置出口采用软压板方式进行投退，检修压板作用发生重大变化；

(3)程序化操作成为了可能：IEC 61850 的应用使保护等二次设备具备远方操作的技术条件；

(4)二次设备网络化，安全措施发生较大变化。自动化、保护、通信等专业逐渐向大二次系统专业融合，运行的操作流程、检修维护规范发生改变；

(5)调试方法发生根本性的转变：不仅仅局限于以往的现场调试，而是提前介入集成测试，在整齐、标准的测试环境中，完成对智能化设备的调试。现场只需进行相应的整组试验就能完成整站的调试。

2 智能化变电站对于运行和继电保护维护人员工作的思考

2.1 对于运行人员日常操作和巡视的思考

智能变电站的投运，彻底改变了运行人员日常的操作和巡视习惯。取代而之的是更为人性化的显示，更为友好的人机见面，更简洁的操作界面以及更为坚强的电网设备。

(1)日常操作。智能变电站带来最显著的变化就是：以往二次保护装置屏前数量众多、标色鲜明的硬压板极大程度的减少，取代而之的是对自动化后台界面上的虚拟软压板的投退。相对于以往直观的硬压板，软压板种类繁多。在日常操作中，哪些压板需要投退，哪些压板不该操作，对于运行人员来说是需要仔细分辨清楚的。

当然，相对于以往那些硬压板的逐一投退，在后台上投退软压板，显著降低了运行人员的工作强度，但是对于操作时的仔细和严谨程度，要求更高了。

为数不多的硬压板主要有：保护屏上的检修压板，以及智能终端上的出口硬压板。检修压板的重要性相对于以往变电站中检修压板的作用，已经完全不同。

传统变电站保护中的检修压板在最后操作,作用是用于屏蔽装置的故障、动作信息，不上传给站控层[4]，从而减少设备检修校验时，校验引发的动作告警等信号对正常监盘的影响；而现在的检修压板一旦投入，则相关的GOOSE和SV报文中相关检修压板的标志位会发生变化，这些变化将会直接影响相关接口IED设备的动作行为。因此，在设备运行的情况下，在日常的运行、检修中，运行人员严格执行对检修压板的投退，严禁擅自操作检修压板[5]。

设备的虚拟化、数字化在降低工作量的同时，也带来了一定的不安全因素。为了防止误投入或者退出一些重要的软压板，自动化后台中是否需要考虑设置一些防范措施来更好地保证操作的可靠性，也是需要进一步考虑的。

(2)日常监盘和巡视。智能变电站增加了合并单元和智能终端。这些设备装设在就地，因此一般工作工况会相对恶劣。但是它们作为过程层中最前沿交互断路器、隔离开关，以及电压、电流互感器信息的设备，其运行的正常与否，意义重大。因此在日常的巡视过程中，对于它们要重点关注。

智能变电站的网络化特点，也使得设备间隔的单元化概念被模糊化了，公共设备的概念有所扩大，不同间隔的设备之间，有可能会共享一些数据信息，比如母线电压等，而这些设备如果发生故障，将会影响到一连串设备的正常运行。因此，对于设备的巡视要求也更高了。

此外，由于智能变电站内部传输数字量的特点，对时的可靠性要求大幅度提升，数字信息需要打上时标才能有其特定的意义，特别是对于差动保护而言，不同时刻的电流参与运算会导致差动量出现不平衡，所有只有同一时刻的电流和电压的数字量才能组合起来，才能正确代表这一时刻电网潮流的实际运行情况。因此，日常巡视中对于对时系统的检查也至关重要。

2.2 对于检修人员日常校验以及改扩建工程中的思考

智能变电站对于继保人员而言，带来的变化是翻天覆地的。原先直观的二次电缆变成了一根根光纤，原来遇到问题一般采取的万用表点电位分析法，在智能变电站中将无从下手。在智能变电站的环境下，继保人员需通过对报文的解析分析，来判断相关保护的动作情况，以及一些问题的症结所在。这对于继保人员而言，还需要对IEC 61850规约有所了解，对报文解析也需要一定程度上的掌握。

(1)日常校验安全措施。智能变电站设备的网络化特点，使得二次设备之间共享信息量大幅度提高。信息交互便捷性，对于检修时做好安全隔离带来一定的限制和难度。设备与设备之间的联系越发紧密，当一条线路二次设备进行检修时，如何做好足够的安全措施，确保其能够比较彻底地与运行设备隔离开，从而保障对检修设备的操作不会影响到运行设备。这是继保人员面临的一个问题。

智能变电站保护设备的特点是接线数字化、虚拟化。压板基本以软压板为主，很少有硬压板。其带来的问题就是没有明显、直观的断开点，而且不能简单的通过拔出光纤来作为隔离手段。

此时检修压板的功能为智能变电站检修设备和运行设备之间隔离，起到了一个非常重要的作用。检修压板投入后，GOOSE报文的test位会置1，只有接收装置自身的检修压板也投上之后，才会对这一帧报文进行处理，否则不进入逻辑运算。即接收报文的test位和自身的检修压板的状态相匹配时，报文会被处理，否则不处理[3-6]。而对应合并单元的SV报文，则是test位为TRUE或者FALSE，为TRUE时，接收装置自身的检修压板投入，那么该SV报文数据被接收进入逻辑运算。否则只显示数据而不参与计算。这与GOOSE报文的test位判决相类似。总结而言，就是必须接收报文和装置自身的检修状态一致，则接收报文并进行逻辑运算，否则不会进行运作。

充分利用检修压板以及报文的test位的一一对应的特性，就可以较好地将运行设备的正常报文数据，与检修设备之间发送的测试报文区别开，运行状态设备不会接受检修状态设备的报文，不会误动作。

但是，对于像母差保护这样的公共设备却有所不同。由于检修压板的特殊功能，其投入必须两者匹配，如果发生不匹配，则报文就无法正常起作用。母差保护上接有多个回路，如果单独校验母差保护，将母差保护自身的检修压板打上，那么其发出的报文的test位会置1，则不会影响线路保护的运行，不会误跳闸。但是，如果反过来一条线路检修，那么就只能打上与该线路相关的部分的检修压板，且母差内接受此线路的SV软压板退出，GOOSE跳闸出口压板退出，从而将这条线路脱离出运行的母差保护。否则由于线路为检修状态，母差中该回路并未退出，采样数据不参与运算将导致母差装置被闭锁。所以在检修单条线路时，应做好相应的安全措施和设置后，必要时可以在确定的情况下通过拔除光纤将检修设备与运行设备进行物理隔离。

此外，智能变电站相比传统回路间隔多出了智能终端和合并单元，而且合并单元之间可能还有级联关系，此时就要充分考虑级联设备之间如果一个设备置检修之后，对其他设备之间的影响。因此，智能变电站回路的安全措施相对于传统回路而言，涉及面广，而且要进行多方面仔细考量。

(2)光纤设备可靠性。按照国网要求，为了确保采样及跳合闸的正确性，保护及测控采取直采直跳组网模式。 即合并单元采样后，SV报文直接上传给保护及测控装置，保护装置及测控装置跳、合闸直接下传给智能终端，中途数据不经过交换机转发。因此过程层网络中SV不再单独组网，只包括GOOSE A 网、GOOSE B 网。由于光纤对电磁辐射具有天然的免疫，它成为了过程层网络传输的首选介质[6-7]。而这直采直跳对于光纤的可靠性要求尤为重要，如果光纤发生问题，或者通信板卡发生故障，势必会影响相关设备的运行，严重时可能造成拒动。在日常检修维护过程中，对于光纤设备功率、衰耗的监测，成为一个比较重要的内容。

(3)改扩建工程中的变化和需要注意的问题。智能变电站的调试阶段，由于不仅仅局限于现场调试，而是在集成测试阶段就开始介入，在整齐、标准的测试环境中，完成对智能化设备的调试。此时就需要在前期做好充分的准备，在厂家的测试环境中，尽可能模拟现场实际的运行情况将设备组装好，做好各种测试，来验证各种设备逻辑动作的正确性。现场只需进行相应的整组试验就能完成整站的调试。

以往常规变电站是土建之后才开始介入调试，调试的主要部分都是在现场完成。智能变电站大部分调试工作都是在厂家就完成了，现场主要是进行整组试验。因此，智能变电站前期投入的精力远比常规变电站改扩建时投入的要多。

智能变电站有一个全站唯一的SCD文件，其是通过将变电站内二次设备厂家提供的ICD文件导入配置为工具，再进行配置形成的。其包含了变电站一次系统配置、二次系统配置，以及一二次关联信息，还有通信网络和参数配置，并提供给自动化后台的远动作为依据。

SCD文件作为全站配置的唯一核心文件，需要对其版本做严格的管理。在后期改扩建时，必须在原有运行SCD的基础上进行增加，但绝对不能对原有SCD进行任何的改动。任何一次SCD的改变，必须在配置工具中进行相应的记录，并通过比对软件确定修改部分，无添加或减少。这一点直接关系到是否会影响现有的运行设备，是改扩建过程中特别需要密切注意的。

3 展望

目前上海已投运了一座220 kV电压等级的智能变电站，不过还在起步阶段，对于该变电站的日常维护的流程和相关的安全措施也处在不断的完善过程中。现阶段该变电站正在实施扩建工作，如何保证新扩建设备和原来的运行设备进行衔接的过程中不会影响原来运行设备的安全运行，这是重中之重。

据了解，今后新投运的变电站220 kV及以上电压等级的变电站设计可能都将使用智能变电站的模式进行设计。这样对于运行和继保维护人员来说势必要更新自身的专业知识，充实自身。

智能变电站应用的不断推广也为电网设备带来一个全新的阶段，有了智能变电站，通过设备之间的数据交互，实现交流设备的程序化操作将成为可能，这样能真正实现变电站内设备的自我管理。随着二次设备的智能化、数字化的推进，二次设备自身状态的自检测也更加易于实现。这样将进一步推进状态检修的进程，能够更好地降低检修维护人员的工作量，提高供电设备的可靠性。

[1]智能变电站继电保护技术规范：Q/GDW441—2010[S].

[2]周家旭,孙俊杰,陈得丰,等. 智能变电站与综自变电站区别综述[J]. 东北电力技术， 2016，37(2)：54-57.

ZHOU Jia-xu, SUN Jun-jie, CHEN De-feng, et al. Research review of the difference between smart substation and comprehensive automation substation[J]．Northeast Electric Power Technology．2016，37(2)：54-57.

[3]李莎. 220 kV智能变电站与常规变电站继电保护调试研究与分析[J]. 电子技术与软件工程， 2014(23)：159.

[4]岳颜. 从运维人员的角度浅析智能变电站与常规变电站的关键区别[J]. 科技创新与应用， 2015(33)：168-169.

[5]邓子良. 浅析智能变电站与常规变电站运行维护的差异[J]. 科技与创新， 2014(23)：25-26.

DENG Zi-liang. On the smart substation and substation operation and maintenance of conventional difference[J]．Science and Technology & Innovation, 2014(23)：25-26.

[6]肖志强,吴文斌,范运珍. 智能变电站与常规变电站运行维护的几点关键区别[J]. 华中电力， 2012，25(3)：63-66.

XIAO Zhi-qiang, WU Wen-bin, FAN Yun-zhen. Key differences of operation maintenance between intelligent substation and conventional substation[J]. Central China Electric Power,2012,25(3):63-66.

[7]胡波. 智能变电站中继电保护配置现状及研究[J]. 通信电源技术， 2015，32(6)：292-293.

HU Bo. Current status and research of relay protection in smart substation[J]．Telecom Power Technologies, 2015，32(6)：292-293.

(本文编辑：杨林青)

Thougths on Intelligent Substations in Shanghai

ZHU Jun-jie1, CAI Ying-cong1, SHAO Jian-feng2, CHEN Tie-min1

(1. Inspection & Maintenance Company, SMEPC, Shanghai 200063, China；2. Shanghai High Voltage Industrial Power Co., Ltd., Shanghai 200442, China)

This paper compares the differences in the structure between the comprehensive automation substation and the intelligent substation, and analyzes the changes of power grid brought by intelligent substations. Furthermore, it expounds the major tasks and different work of operation personnel and the relay protection maintenance staff working in this new mode of intelligent substations.

intelligent substation; comprehensive automation substation; relay protection

10.11973/dlyny201701010

朱俊杰(1984-)，男，工程师，从事继电保护、生产调度工作。

TM76；TM63

A

2095-1256(2017)01-0039-05

2016-11-15