智能变电站二次功能集成约束条件探究

梁运华，喻水琼，张颖，李寻

(1.国网湖南省电力有限公司检修公司，湖南长沙，410004；2.长沙理工大学，湖南长沙，410114)

智能变电站是智能电网传感与控制的枢纽，采用分层分布式体系架构，设备按层级纵向划分、按间隔分布，间隔内的功能由过程层、间隔层和站控层设备联合实现，条理清晰，层次分明[1]；同时，测控、保护等设备预留了与其他间隔信息横向交互的接口，以实现跨间隔的功能，如逻辑闭锁、同期等。但从另一角度看，智能变电站将一个间隔的某个功能由多个装置实现，设备数量倍增，功能实现过程被拉长，客观上导致了整个间隔功能的可靠性下降，运行维护困难，具体表现在:

1)二次设备失效点增加。智能变电站应用IEC 61850标准后，保护、测量和控制功能实现的过程中含有更多的潜在失效点，失效率增加。

2)二次设备运维困难。智能变电站设备采用网络通信，引入了虚端子的概念，设备之间的连接关系需应用相关工具才能可视化，增加了运行维护的难度。同时功能实现的中间环节被暴露出来，而没有将技术实现的细节封装起来，这对传统变电站的运维人员是一个极大的挑战。

智能变电站设备硬件配置较丰富，在内存、CPU处理能力、网络接口流量等方面都留有较大的冗余，硬件资源未得到充分的利用。集成装置可将成熟的功能进行整合，使用较少数量的装置完成较多功能，充分利用装置的软硬件资源[2-4]。本文通过研究智能变电站二次功能集成的机理，分析总结二次功能的集成整合经验，探讨制约二次设备集成的关键因素。

1 二次设备功能整合形式

二次设备功能整合有横向整合和纵向整合两种方式。横向整合是指将不同间隔的同类功能整合在一起，又称跨间隔整合，如集中式测控装置；纵向整合是指将同间隔内的不同功能整合，如保护测控一体装置。

二次设备功能整合又有三种形式，即 “简单合一”“功能插件独立，输入输出合一”和 “完全合一”[5-6]。

1.1 简单合一

“简单合一”是指将实现两种功能的装置简单地合在一起，两种功能具有独立的电源 (或共用电源)、功能CPU、输入和输出插件，任一功能的硬件发生变化对另一功能不会产生影响。两种功能的物理、逻辑部分完全独立。

这种集成方式仅仅是将两种功能的插件简单地合在一起，最大程度保持了两者的独立性，但从功能整合的角度分析这种集成意义不大。此类集成主要应用于输入输出独立、且对可靠性要求高的场合，如合并单元智能终端一体装置。

1.2 功能插件独立，输入输出合一

此种集成方式多个功能的电源、输入输出以及公共插件合一，其中功能 CPU插件独立，SV、GOOSE和MMS接口可共用。各功能的逻辑计算分CPU独立处理，例如标准要求保护测控一体装置的保护、测控功能有独立的硬件模块和程序版本[7]，以保证功能的灵敏性和数据的实时性。

1.3 完全合一

此类集成装置电源与功能处理器共用，各功能的SV、GOOSE和MMS输入输出接口共用，所有功能的逻辑计算在同一块CPU上完成。 “完全合一”集成方式使得二次设备的功能完全融合，主要应用在低电压等级或对实时性要求不高的场合，如故障录波网络报文分析一体装置。

“完全合一”方式是功能融合程度最高的模式，但不一定是最优模式。高电压等级二次设备的功能整合会受到硬件、通信、抗电磁干扰能力、运维管理等多个因素的制约。

2 二次功能集成约束条件

2.1 硬件资源

二次设备硬件的短板主要集中在电源板、CPU和光纤接口等模块，由于这些元器件固有物理寿命较短，易受局部短路等因素的影响，经常造成设备的损坏。因此，二次功能整合除需考虑元器件的性能外，还需考虑元器件的可靠性。

1)CPU处理能力。CPU资源是衡量硬件装置能否集成多种功能的重要指标，CPU处理速度决定集成设备的整体性能。目前高性能CPU、多核CPU应用广泛，CPU资源并不是制约功能整合的关键因素，即使多个业务功能在单CPU中处理，也能够保证在极端情况下不会出现CPU资源不足的问题。若采用多核处理器，并行处理多线程，CPU资源更加富余。

若集成设备 “功能插件独立，输入输出合一”，不同功能的数据处理和逻辑计算由不同CPU来完成，CPU资源能够得到保证。

在 “完全合一”方案中，高性能的单CPU一般情况下能够在一个中断内处理完该点保护、测控功能，因此不会影响保护的速度性和测控的实时性。若在某些极限的情况下，如接入间隔较多、通信传输存在加密认证机制时，CPU性能达不到，则有可能影响实时报文的接收和处理。

2)电源寿命。设备电源是故障高发元器件。电源寿命与装置功耗有一定关系，而电源的短板是电解电容，因此电源功耗与其寿命之间的关系可以认为是电源电容与寿命的关系。某型号电解电容的寿命与使用环境温度、工作时的纹波电流大小、工作时承受的电压等因素有以下关系:

式中 Lx为电容寿命期望值；LR为电容加速寿命(如在最高温度105℃、施加最大允许纹波电流时的寿命为5 000 h)；T0为电容的最高工作温度(85℃或105℃)；Tx为实际工作环境温度；Tm是施加最大允许纹波电流引起的电容内部温升 (通常是5℃～8℃)；Ti是实际施加纹波电流引起的电容内部温升；KV是工作电压影响系数 (通常低于额定电压的80%时取1)。

电容寿命与电容内部温升呈指数衰减关系，设备功耗愈大，电容内部温升愈高。二次功耗整合后，集成装置的功耗可达55 W。试验表明，当工作环境温度取25℃、36℃、40℃、55℃时，装置内部温升分别约为44℃、43℃、40℃、38℃，即电容的使用环境温度约为 69℃、79℃、80℃、93℃。假设此电容最高运行温度为105℃，工作电压影响系数KV取1，施加最大允许纹波电流后引起的电容内部温升为8℃，实际工作纹波电流引起的温升为5℃。

根据计算，工作环境温度为25℃时，电容寿命约为14年；工作环境温度为36℃时，电容寿命下降为7.34年；工作环境温度为40℃时，电容寿命为6.85年；工作环境温度为55℃时，电容寿命则只有2.78年。由此可见，工作环境温度愈高，电容寿命愈短。因此，受电源插件寿命的制约，二次功能不能过多集成，尤其是就地化设备，否则会导致电源插件过热，电容寿命快速衰减，影响集成装置的正常运行。

3)光模块。光模块故障也是引起装置通信异常的常见因素之一。光接口易受温度的影响，引发光链路损耗变大，导致光链路不通。

二次功能集成后，即便采用网络化采样与传输、SV与GOOSE接口共用，某些装置对外接口也会倍增。以110 kV多功能测控装置为例，多功能测控装置集成了测控、保护和计量功能，输入输出插件部署的LC端口数可达8个以上。LC端口插接方便，但端口面积小，端口发热量大。在运行过程中，发现某些光模块发热量大，光模块工作温度可达60℃，而LC光模块正常工作温度上限为70℃，势必会影响光模块的寿命，最终影响二次设备的可用性。因此，光模块并非可无限集成。

2.2 抗电磁干扰能力

抗电磁干扰能力也是制约二次功能整合的主要因素。二次设备的电磁干扰主要来自于装置外部，部分来自插件之间的干扰。变电站在拉合断路器或隔离开关等暂态过程中，会产生暂态操作过电压，一次回路暂态过程会通过不同的耦合路径传导至二次回路，对二次设备产生电磁干扰。二次设备这种微电子设备敏感、脆弱，极易受到外界的影响，严重情况会导致元器件被烧坏或出现错误。二次功能集成设备将不同功能封装在一个设备中，减少了电磁耦合路径，在一定程度上减少了电磁干扰，但由于插件分布密集，抗干扰能力还需要加强，特别是仍保留电缆通信的装置，如合并单元智能终端集成装置。

根据国家电网公司基建部58号补充文件规定，新建智能变电站须采用常规互感器加模拟量合并单元实现数字化采样，因此现阶段合并单元智能终端集成装置均实现的是模拟量合并单元的功能。模拟量合并单元采用电缆与互感器连接，同智能终端控制线缆缠绕在一起，在二次回路操作时容易相互耦合。

为保持功能的独立性，某些集成设备不同功能的CPU部署在不同的插件上，插件间通过背板总线实现内部通信，容易受到电快速瞬变脉冲群的干扰。应从改变箱体结构、改善箱体整体的导电性能着手，增强集成设备的抗干扰能力。

2.3 通信资源

智能变电站过程层网络报文为采样值SV报文和传输状态量的GOOSE报文，站控层网络数据主要为间隔层设备与站控层网络通信的MMS报文和数据同步报文。为明确网络流量对集成装置的影响，对过程层网络和站控层网络流量进行了估算。

1)过程层网络流量。SV报文帧格式遵循IEC 61850-9-2标准，按每帧一个ASDU(12个通道，即4个保护级电流、4个测量级电流及4个测量级电压)计算，根据不同的配置和编码格式，则每帧报文的长度在169～226字节范围内。智能变电站每周波采样80点，即采样频率为4 000点/s，则SV报文所占带宽最大为226byte/APDU×8bits/byte×40 000APDU/s ＝7 232 000bits/s ＝7.32 Mb/s。

在正常情况下，过程层网络GOOSE报文只用于维持心跳，流量很小，可忽略不计。当发生开关量变位时，GOOSE报文才会快速收发。考虑最大数据吞吐量发生在极端情况下，即母线保护、线路保护、测控装置均向与智能终端连接的端口上发送GOOSE报文，共3个GOOSE报文，发送间隔按2 ms计算，端口流量约为400 kb/ms，则瞬间会占用交换机2.4 Mb/s的带宽。若考虑级联端口的极端情况，即线路保护起动失灵时，刚好智能终端有开关量变位，有2个GOOSE报文发出，则会占用交换机大约1.6 Mb/s的带宽。

从以上计算可以看出，智能变电站各间隔的SV报文流量较小，稳定在7.5 Mb/s以下，GOOSE报文即使在极端情况下也不会出现大于3 Mb/s的报文流量。变电站过程层交换机多采用百兆交换机，因此对于大多数装置来说，网络流量不是制约功能集成的因素。但在某些情况下，二次功能集成装置需考虑网络流量或SV网的组网方式，如集中式测控装置。如图1所示，集中式测控共整合n个线路间隔的测控功能，若所有间隔合并单元SV输出均接入一台交换机，则这台过程层SV网交换机流量将长期维持7.25×nMb/s。根据国家电网公司《变电站一体化监控系统测试及验收规范》要求，变电站 “网络正常负荷率≤20%，事故下网络负荷率≤40%”，因此SV网百兆交换机只可接入3或4个间隔合并单元的数据，间隔数较多的情况下，多余的合并单元可接入其他交换机。

图1 集中式测控应用示意图

2)站控层网络流量。站控层网络MMS报文流量较小，每台装置与后台或远动机的通信流量在20 kb/s左右，以站内250台间隔层设备计算，所占带宽不超过10 Mb/s，远可满足通信需求。在某些重要或超高电压等级变电站，会采用进一步的冗余设计，MMS网与数据同步网独立组网。

从GOOSE、SV和MMS三种数据的流量分析可以看出:SV报文负荷最重，MMS报文流量最小，在纵向整合的情况下百兆交换机可满足过程层网络带宽的要求。在某些横向跨间隔的整合，需考虑带宽的因素。

2.4 运维管理

二次功能整合后，现有运维模式无法适应部分集成装置的运维要求，目前检修规程涉及集成装置的较少，或现场检修无据可依，给运维人员带来极大不便。以保护测控集成装置为例，分析运维管理因素对集成装置应用的影响。在工程实际应用中，保护测控集成装置主要会遇到以下运维和管理问题:

1)监控系统和远动装置测控功能可能会存在双数据源。目前，保护测控集成装置主要用于110 kV电压等级，除安全要素外，运维问题也是制约保护测控集成装置在220 kV及以上电压等级应用的原因之一。若使用集成装置，220 kV及以上保护需双重化配置，测控也将随之双重化配置，会导致监控系统和远动拥有两套数据源。双数据源必然会带来数据不一致的问题，监控系统和远动应采用何套集成装置会成为困扰设计、调试和运维人员的难题。

2)保护、测控分属两个专业。在现场维护过程中，保护测控分开运维可能会造成两个专业职责不清。检修公司二次运维班成立后，这类问题可在一线班组内得到解决。

3)保护、测控功能相互影响。虽然保护与测控功能的插件独立配置，但仍会相互影响。集成装置的保护、测控功能人机界面、通信参数、定值等信息是共用的。检修时，软压板和控制字的投切有可能导致整个装置接收数据和发送数据异常。另一方面，当保护重整定值、一方功能插件异常或公共部分异常时，集成装置均会自动闭锁，影响另一方功能的正常运行。

以上仅仅是对保护测控集成装置的分析，对于跨间隔横向整合的装置，运维管理的问题将会更加复杂。由于可能会出现扩大故障影响范围的情况，用户对此持谨慎态度。以集中式测控装置为例，在某一间隔检修的情况下，有可能影响到其他间隔，若使其他间隔不受影响，则需要冗余配置，当一台装置故障或检修时，即投入另一台装置。即便如此，集中式测控的应用案例也很少。

3 集成案例探讨

保护测控集成装置是典型的二次设备间隔内功能整合设备，装置保护和测控功能共用电源、SV/GOOSE接口、人机界面和公共插件，而保护、测控功能的CPU插件和开入插件单独配置。现阶段，各主流厂家均已开发了110 kV和220 kV保护测控一体集成装置，并应用于多个变电站。2013年110 kV新一代智能变电站应用了保护测控一体集成装置，并整合了本间隔的计量功能。集成装置保护与测控功能共用数据收发和ICD(IED Capability Description，ICD)文件，如果任意硬件出现了故障，将同时影响保护和测控的功能。同时，在检修某一专业的故障时，将会影响另一专业。在运行检修过程中，需要测控与保护两个专业的配合。

在网络架构方面，装置集成后保护采用直采直跳模式，指定SV直采和GOOSE直跳接口，测控则沿用网采网跳的模式。

110 kV及以下电压等级保护测控一体装置单套配置，不存在双测控数据源的问题，当一个功能出现故障或检修时，影响范围小，配置调试简单，运维便捷，因此得到广泛应用；而对于220 kV保护测控一体装置，需要双套配置，监控系统与远动会存在双数据源的问题。

4 结语

综上所述，CPU处理能力、电源寿命、光模块寿命、设备的抗电磁干扰能力、过程层网络通信资源、检修运维等因素是制约二次设备功能集成的重要因素。特别是集成设备的检修运维，容易出现专业责任归属不清、功能相互影响、检修全停等问题。

另外，随着计算机技术、电子元器件制造材料和工艺的不断进步，二次设备的硬件资源将不再是制约二次功能集成的关键因素，检修运维和管理将成为制约二次功能整合的主要原因。设备供应商应多考虑集成设备运行维护过程中遇到的实际问题，提出减小故障与检修影响范围的解决方案。用户也应厘清不同专业人员的职责，积极拓展现场运维人员的业务范围，提升运维人员的专业素养，制定集成装置的操作规程，共同推进集成装置的应用。