特高压变电站通信屏柜布局优化设计与分析

李 葵，林 航，陈晓娟

（1.国网安徽省电力公司信息通信分公司，安徽合肥230000；2.北京许继电气有限公司北京100000）

电力系统中枢纽变电站的建设以及通信系统的改造过程中，均需要考虑通信屏的布局。对通信屏柜的布局需要考虑到变电站整体的规划建设，同时要按照信号流程最简化原则进行规划[1]。该种布局方式不仅实现了通信设备的优化布置，且最大限度地减少了通信线缆的交叉，具有显著的效果[2]。

实际工程中，高等级输电线路和大型变电站的建设具有阶段性。这意味着，通信设备的建设及相关线路的光纤保护配置建设也同样具有阶段性[3-5]。若在前期工程建设中考虑按照上述原则进行布局，后期工程中由于新设备的建设，设备之间将会发生空间割裂、走线混乱等问题，违背了“终期性原则”以及“信号流程最简化原则”。同时，也会影响到设备维护的便捷度和应急的效率。

因此，有必要对特高压变电站通信屏柜的布局设计流程进行优化与分析。充分考虑变电站在不同工期建设中可能出现的问题，对变电站通信屏柜进行合理配置，以达到“一致性和特殊性兼顾原则”。针对上述问题，文中首先提出了变电站通信屏柜布局过程中所需考虑的问题。针对问题以信号设备的分层区分配置为原则，提出了通信屏柜以及相关设备的布置方案，从而为解决工程分期建设引起的变电站通信屏柜布置问题提供了建议。

1 变电站通信屏柜布局

在变电站建设过程中，通信屏柜的布局除了要考虑简洁、方便之外[6-8]，还应兼顾变电站建设的特点。即大型变电站分期建设过程中应按照终期目标，给相应的设备和布线留下一定的发展余地[9-10]。因此，进行变电站通信屏柜的建设在“信号流程最简化原则”这一核心原则的基础上，要考虑到通信屏内二次设备及其走线的特殊性及整体的一致性[11-12]。

1）通信屏柜端子排

一般情况下通信屏柜端子排按照单元分段集中的方法，依次按照交流回路、电源回路、信号回路进行排序。不同屏柜之间通过端子排来转接，通过转接排的设计。从而可以有效避免各个装置之间的相互干扰，同时使得整个屏柜的走线更加紧凑。

2）跳闸回路双重化

电力系统的安全性是建设变电站必须首先考虑的问题。因此，为了有效避免事故的发生，通信屏柜一般均使用双重保护的方式。同时，对于保护装置需要设置UPS电源，防止由于供电中断而引起的事故。对于电压等级较高且具有双重保护的线路，每套保护需单独引出一个跳闸接点到跳闸线圈。在实现跳闸回路双重化的基础上，同时避免了线路的交叉重叠。

3）远方复归收发信机

LFP系列的线路保护中，发信机的复位需要手动操作，从而增加了现场运行人员的工作量。为了降低工作量，同时实现线路保护的可靠动作，除了需要在现场安装信号收发机之外，还需安装方法收发机。通过近端与远方收发机，实现现场工作人员和远方控制室能够同步接收动作信号，并对保护做出相应的指令。

4）旁路时非全相保护

变电站主变压器切换为旁路运行时，仍存在一些问题。因此，在优化设计的过程中将对旁路保护柜的保护装置进行整定。以实现旁路的正常运行，并使其达到非全相保护的条件。

5）和综合自动化站配合

通信屏柜的布置不仅要考虑其自身在变电站中的作用，同时还要考虑其与现场其他设备的相互配合。由于综合自动化站的测控柜只能提供手动操作，故需要在通信屏柜中增加双位置继电器，从而实现线路保护的远方操作和接地切换的兼容。

6）报文监视

变电站通信屏柜兼具监视功能，故需要在通信屏柜内配置报文监视工具，实现同时对多个运行通道的实时监视。由于变电站的通信安全级别较高，故报文监视工具还应具有截获文件、报文分析等功能。

除了上述所需考虑的问题之外，500 kV和1 000 kV变电站中，还有远动以及通信等调度自动化的问题[13-14]。目前，枢纽变电站已实现和调度计算机、通信屏柜的分离。调度席位的去主机化，能够从根本上解决由于大量主机的布置而引起的散热问题以及需要大容量不间断电源供电问题。对于电力系统的稳定运行具有重要意义[15-16]。

2 变电站通信屏柜优化布置方案

2.1 通信系统主要信号设备配置

特高压变电站通信系统的安全自动化是整个变电站通信系统中最为重要的部分，因通信自动化系统是确保继电保护信号有效传输的重要基础。一般情况下，1 000 kV变电站8回，16路信号传输通路。所以，远动通信室需配置4套相应的光传输设备和16套远方接口设备。500 kV输电线路是12回，24路信号传输通路，故需配置4套光传输设备和24套远方接口设备。图1为特高压变电站通信信通主要信号设备的配置示意图。

2.2 通信屏柜布置

图1 通信系统主要信号设备配置示意图

特高压变电站通信设备一般按照分层分区的方式进行配置，同时出于对信号传输的可靠性考虑，需要将用于光纤通信的光端机以及线路保护接口设备置于1 000 kV或500 kV保护室内。如图2所示，为通信屏柜布置示意图。

首先，线路保护的专用通信设备位于汇聚层。同时，在汇聚层的155/622 M光端机之后需要连接两个8位系统数字信号配置器、两个220 V转48 V的直流电源变换器以及一套光信号配置器。

图2 通信屏柜布置示意图

其次，需要具有相应的备用设备。每种型号的信号发生器至少应保持一台备用设备，或两台设备可以互为备用。如图2中的A-1-1和B-1-1，A-2-1和B-2-1之间即互为备用。只要其中任何一台出现故障，备用设备便可在5 s之内投入运行，从而防止由于设备故障造成系统信号传输的中断。

AUG和TUG时隙一般按照1:8的形式分配，即如果只有一个AUG时隙，则TUG就需要配置8个时隙。同时，还需满足向下兼容的8个两兆数配支路接口。同理，TUG_2也需要配置8个时隙作为TUG_1的冷备用。

3 变电站通信设备优化配置

3.1 配线设备配置方案

为了保证特高压变电站通信系统的可靠性，1 000 kV输电线路和500 kV输电线路的通信光缆应分开接入。同时，考虑到设备的故障率和运行可靠性等因素，每种电压等级的通信设备均需分别配置一台备用设备。因此，1 000 kV和500 kV的通信屏柜也应有相应的备用显示屏。综上，变电站现场1 000 kV系统和500 kV均需要配置两台光配屏和各自的OPGW连接。

现场的通信设备通过模拟电路和汇聚层的光端机相连，数字信号转换为光信号。然后通过光纤将设备信息传到远方通信室，远方通信室则通过相应的接受光端机接收信号。远方通信室只是对现场信号进行监控，故只需安装一台必要的通信屏即可。因此，配线设备配置方案如图3所示。

图3 配线设备配置方案

3.2 通信设备配置方案

特高压变电站的数据业务主要是通过封装以太网信息，将其放入SONET/SDH中进行传输，即IP over SDH综合数据网。

IP over SDH实质是在一种光纤信号传输系统。其中，SDH 是指“Synchronous Optical Network”，即“同步光网络”。由于电力系统数据在传输过程中，信息量大，可靠性要求高，故需要选择一种合适的信息传输技术进行交换和接入设备的配置。传统的PHD技术在向更高传输速率发展的同时，也暴露出：分支电路复杂、不利用维护、兼容性低等问题。所以，在此基础上SDH克服了PDH的不足。IP over SDH通信系统有如下特点：

1）SDH有强大灵活的分插功能，能够随时满足设备增加以及通信扩容的需求；

2）SDH有强大的网络管理能力，能够实现不同电压等级和不同保护信号的综合与分析；

3）SDH有标准的光纤接口规范，能够实现不同厂家的设备互联，实现了真正的横向兼容；

4）SDH系统在设计的过程中，充分考虑到了电力系统通信设备的兼容性问题。因此，SDH具有向后兼容和向前兼容性，即可以兼容上一代线路保护通信系统PDH。同时，又满足了下一代变电站电力保护通信系统的连接要求。

3.3 网络管理设备配置方案

特高压变电站网络管理设备要求其在复杂的电磁环境下，实现对变电站及电力系统网络进行规划、控制和监视的功能。因此，变电站的网络管理设备又有其特殊的要求：

1）电力系统保护的动作，设备的投切等均会导致系统网络拓扑结构的改变。因此，网管设备需要随时监控电力系统网络拓扑结构的变化。

2）变电站网络设备复杂，型号众多。所以，要求网络管理设备能够同时管理多种网络设备，实现管理异构网络。

3）通信设备的正常运行是变电站实现信号连接的基础，故网络管理设备应具有全方位故障监控的能力。

4）电力系统的安全性要求较高，为了防止外来接入设备对系统的干扰，网络管理设备需要对终端接入情况进行监控和查询。

5）有线和无线通信业务的统一配置，是实现电力系统通信网络管理的重要内容。其不仅能够提升设备的配置效率，同时也能实现保护通信的分组和扩增。变电站网络管理设备配置的人机交互界面，如图4所示。

图4 变电站网络管理设备人机交互界面

3.4 变电站通信设备电源配置方案

特高压变电站通信设备的供电电源，不仅要求其满足电源的稳定、不间断的供电要求。同时，也要求其能够在复杂电磁环境的干扰下正常工作。

针对特高压变电的网络环境和网络监控系统的特殊要求，通信设备电源在其配置的过程中应满足以下要求：

1）不间断工作，即一旦电网发生解列或供电中断的情况，UPS也应满足该变电站通信设备的正常工作；

2）电压不稳定时，即电压下陷、欠压或过压的情况下，UPS均应输出稳定的电压，而不随外部条件的变化；

3）强抗干扰能力，主要包括电力系统特有的频率漂移、暂态过电压以及谐波干扰等情况。

综合考虑上述情况下，特高压变电站通信设备电源可参考如下方案配置：输出功率容量1.2 MW/2.0 MVA，输出频率为50 Hz，输出电压为380 V，波峰系数为2.5，且THC应小于4.5%，输出波形为正弦波。输出电压THD在线性负载下小于2.5%，非线性负载下小于3.5%；在200%过载条件下持续工作1分钟，在150%过载条件下持续工作5分钟，在125%过载条件下持续工作10分钟。

4 结束语

文中针对目前变电站建设过程中通信屏柜布局存在的“信号流最简化原则”和“一致性与特殊性兼顾原则”之间的矛盾，分析了特高压变电站通信屏柜布局考虑的问题，并给出了特高压变电站通信系统主要信号设备配置建议和通信屏柜布置建议。在此基础上，进行了特高压变电站通信设备的优化布置与分析。本文的研究可以为特高压变电站通信屏柜的布局优化提供参考。

超高压变电站的建设是一项复杂的工程，在实际工作中需要对各种情况进行综合考虑，不断总结经验、完善改进，以保证电力系统的安全稳定运行。