新一代智能变电站设计

梁 能

（广州远望电力工程设计股份有限公司，广东 广州 510520）

0 引 言

电网智能化是世界电力发展的趋势，发展智能电网已在世界范围内形成共识。变电站智能化是一个逐步深入的过程，从传统变电站发展到综合自动化站，然后到数字化变电站，最后为智能变电站。现阶段，国家电网公司早已实现数字化变电站的大规模建设，并提出了建设智能变电站的目标和规划，到2020年已实现新建重要变电站智能化率100%[1]。南方电网于2019年提出全面建设智能变电站的要求。

智能变电站是指采用先进、可靠、集成、低碳以及环保的智能设备，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、计量与监测等基本功能，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，实现与相邻变电站和电网调度等互动的变电站。

智能变电站是数字化变电站的升级和发展，在数字化变电站的基础上结合智能电网的需求对变电站自动化技术进行充实以实现变电站智能化功能。与传统变电站相比，智能变电站具有结构紧凑、系统集成、信息共享、安全可靠以及节能环保的特点，在技术和功能上能更好地满足智能电网信息化、自动化与互动化的要求，更好地支撑智能电网其他环节的建设，更好地服务于电网资源的整体优化配置，提高资源的使用效率。

1 智能变电站的整体解决方案

IEC 61850标准是目前电力系统自动化领域唯一的全球通用标准，其应用实现了智能变电站的工程运作标准化，使得智能变电站的工程实施变得规范、统一且透明。智能变电站应使用IEC 61850配置工具完成智能站ICD、SSD、SCD、CID以及CCD等文件的配置[2]。不论是哪个系统集成商建立的智能变电站工程都可以通过SCD文件了解整个变电站的结构和布局，对于智能变电站的发展具有不可替代的作用[3]。SCD文件是全站系统配置文件，应全站唯一，描述变电站所有IED设备的实例配置和通信参数、IED设备间的通信配置以及变电站一次系统结构[4]。

智能变电站各业务功能实现涉及数据采集、数据传输、数据处理、数据应用、数据管理以及网络安全等各个环节。通过基于过程层数字化关键技术的系统性解决方案，全面提高智能变电站二次系统的可靠性；通过智能站二次设备的检修隔离安全措施优化，提高智能变电站继电保护系统的运维水平和运维可靠性；通过智能站统一的全景模型，为智能变电站各个应用提供完善的数据和信息交互方案，切实提高智能变电站数据质量与数据可靠性；通过多维度的三位一体的二次安防措施，实现智能站的结构安全、本体安全以及行为安全，提高监控系统的网络安全水平[5]。智能变电站的结构及典型配置如图1所示。

图1 智能变电站的结构及典型配置

2 过程层设备

过程层设备主要包括列电子式互感器、合并单元、智能终端、在线监测装置以及选相合闸装置等。可采用组合式互感器实现对一次电流和电压的同时检测。智能终端合并单元可采用二合一的模式，并可集成测控功能，简化网络结构。针对GIS开关特性、SF6、局放、避雷器、油色谱等的集成式一次设备在线监测装置。高压开关选相分合闸装置，能实现在全工况下对各类开关的高精度选相分合闸功能。目前，南方电网电流、电压模拟量采用常规传统的电缆采集方式，信号、控制以及跳闸等开关量的采集主要采用智能终端来传输。智能终端是与一次设备采用电缆连接，与保护和测控等二次设备采用光纤连接，实现对一次设备测量、控制等功能的智能设备[6]。

3 间隔层设备

采用先进的平台化设计思想，采用硬件、软件解耦的方式和模块化设计的思想，保证硬件和软件的独立升级，并支持不同功能的快速集成，使装置能够很好地适应智能化变电站各种不同的需求。

硬件、软件模块化，通用灵活，便于用户熟悉、使用及维护，方便备件库存管理，生命周期长。高性能、一体化程度高，可由多个CPU和DSP组合，完成复杂的控制保护功能。安全性和可靠性高，单重系统内采样双重化，启动、保护计算独立，具有完善的自检功能。此外，支持直采直跳、网采网跳、常规采样GOOSE跳闸以及常规采样常规跳闸等各种采样跳闸方式。

4 站控层设备

智能变电站一体化监控系统采用平台即服务架构方案，构建了智能变电站一体化业务平台，为应用提供标准模型服务，并对系统内应用功能进行了统一封装，形成通用的服务，满足各类智能站应用的需求，也为应用间的数据交互与共享提供了途径。

采用面向对象实时数据库、高效消息总线、负载均衡以及安全区通信等技术解决了站端业务一体化后带来的海量数据、资源竞争、安全隔离等问题。一体化业务平台可以灵活部署在各种硬件平台上，满足监控主机及智能网关机间功能和应用的灵活配置。

通过图模一体化工具完成模型转换和模型数据映射。在厂站端完成模型、图形以及数据的统一维护，并统一发布实现变电站和多级主站之间共享。系统完成各专业数据的统一采集、处理、存储、传输以及多专业融合的一体化应用功能，并在此基础上实现主站和子站间的应用互动。基于主子站统一的数据模型，在主站实现数据的订阅发布，简化工程配置和调试过程。

通过基于物理端口建模的二次回路在线检测及校核技术对二次回路的实时状况进行监测，并对异常进行告警。通过检修操作序列预定义及在线可视化技术实现二次设备的检修安全隔离，集成工具的应用大大提高了智能站的设计水平和运维效率。

5 过程层网络

5.1 直采直跳解决方案

过程层GOOSE、SV网络采用星型网络拓扑结构，各电压等级的过程层网络独立单网配置。通过网络流控方案保证共网方式下链路间的数据互不影响[7]。直采直跳解决方案的典型过程层网络如图2所示。

5.2 网采网跳解决方案

应用于智能变电站过程层的以太网交换机具有交换延时累加、自动配置、统一管理、流量控制以及智能告警等功能[8]。过程层GOOSE、SV网络采用星型网络拓扑结构，各电压等级的过程层网络独立配置。为简化过程层网络配置，提高智能站技术经济指标，采用SV、GOOSE共网方案，通过网络流控保证共网方式下链路间的数据互不影响。110 kV及以上采用双网配置，保证任一交换机或光纤链路异常的情况下，保护功能不受影响。

220 kV及以上电压等级，采用SV、GOOSE共网，双网配置，MMS独立组网。10 kV、110 kV电压等级考虑MMS、SV、GOOSE共网，进一步减少交换机的数量，简化网络配置。双重化保护的跳闸回路应分别与两个智能终端一一对应，两个智能终端应分别与断路器的两个跳闸线圈一一对应[9]。网采网跳解决方案的典型过程层网络如图3所示。

6 二次安防

智能变电站二次安防解决方案基于多维度三位一体的网络安全理念，构建变电站监控系统结构安全、本体安全以及行为安全的技术和产品架构，系统性地提供边界防护、网络主机安全加固、网络设备安全核查、网络行为安全监测与评估预警等服务，并能提供IEC61850出站，支持远传告警事件、原始报文、模型图形、拓扑关系等，实现安全防护的主子站协同。

多层次的立体安全防线。二次系统的边界上部署纵向加密认证网关和正反向隔离装置，防火墙构建第一道安全防线，在二次系统的网络范围内建设通信行为的实时监测者和审计者，识别不安全因素，发现异常及时预警，并记录网络交换行为的原始痕迹，构建第二道安全防线，网络主机以及IED设备本身从操作系统、数据访问、通信协议、端口服务等方面构建第三道安全防线。

多维度的行为安全分析。从事前的风险评估威胁感知、事中的网络异常实时告警以及事后的网络安全审计等多个时间维度来监控和管理系统的安全。正向隔离装置采用双机+隔离岛技术方案，并可以实现对TCP连接的单向控制，支持对数据包的深度过滤检测，提高对不同安全等级区域的通信隔离防护安全能力。

厂站安全监测装置用于变电站和电厂等厂站端监控系统的网络安全状态数据监测采集分析，并汇总上送，同时支持主站对厂站的安全服务代理以及厂站本地的配置和安全管理[10]。二次安防系统结构如图4所示。

7 结 论

智能变电站通过以上模式，能够实现智能变电站的从一次设备到二次设备等各方面的架构，是现阶段智能变电站的典型设计，并取得了良好的效果，为全面实现智能电网的发展提供了变电站基础。