变电站电气二次设备的自动化设计

宋正华

（山东博闻信通电力工程设计有限公司，山东 济南 250000）

0 引 言

在电气二次设备的自动化设计中，不仅应当充分考虑变电站一次设备的构成情况，合理搭建电气二次设备自动化控制的整体架构，还要设计丰富的自动化功能，充分满足电气二次设备的灵活运行需求，实现电气二次设备运行信息的实时采集与共享、电气二次设备运行故障的控制与自动化调控[1]。

1 变电站电气二次设备自动化的特性

电气二次设备的设计是在变电站一次设计基础上展开的，主要目的是保护一次设备，后台监控整个二次设备系统，及时发现二次设备运行故障并预防。变电站内电气二次设备的自动化设计，主要是发挥通信技术和信息技术的优势，确保二次设备始终稳定地保护一次设备，提升整体稳定性[2]。与变电站整体自动化相比，电气二次设备的自动化设计具有较强综合性，可以通过自动化系统确保电力系统运行的稳定性与安全性，也可以加强电力分配的监控与运输协调，更有助于减少由于设备故障检修维护所产生的费用。

2 变电站电气二次设备自动化设计的必要性

大量先进技术被运用到变电站管理中，形成了智能的变电站运行调控、运维管理系统，为二次系统建设指明方向。现阶段，各个地区的电力系统中每个专业均配置了相应的部门，但是各部门会根据自己的需求提出二次设备的配置需求，开展二次设备的自动化管理。如果各部门之间缺乏有效沟通，则很容易造成二次设备整体配置冗余、整体协调性不足的情况。因此，必须要开展二次设备的自动化设计，根据现代化变电站的实际情况，利用信息技术与通信技术搭建具备信息共享、协调控制以及终端控制等多项功能的系统[3]。

除此之外，现阶段的变电站内二次设备普遍具备以下问题：一是与以往变电站相比，二次设备需要更多的屏位数量；二是站控层内各区域的设备数量较多，实际运行时并不能够全部发挥作用，大量二次设备状态为“备用”，这种情况没有得到有效调控；三是变电站内安装了大量的二次设备计量表，信息采集接口为RS-485，负责全部二次设备运行时电能量信息的动态获取与整理。变电站现代化建设后，二次设备重复配置情况增加，站内人员的二次设备运行管理工作量增加。现代化、智能化发展目标的落实，就必须要对现有二次设备系统进行优化设计，开展自动化设计，实现电气二次设备运行的数字化、二次设备功能的集成化以及二次设备装配的结构化[4]。

3 变电站电气二次设备自动化的设计

某220 kV变电站，终期设计3台180 MVA变压器，采用10 kV、110 kV、220 kV 线路，双母线接线，变电站分两期建设。初期建设220 kV 出线2 回，110 kV出线6 回，10 kV 出线12 回。

3.1 电气二次设备自动化整体架构

某220 kV 变电站内，电气二次设备自动化系统的整体架构如图1 所示。设计人员采用三层两网的结构搭建整体架构，其中三层分别为站控层（系统服务器、通信监控终端、运行工作站、保护及故障信息管理等）、间隔层（站域保护装置、故障滤波装置等设备）以及过程层（合并单元与智能单元）；两网包括过程层网络如会员管理系统（Membership Management System，MMS）网络、站控层网络如采样值（Sampled Value，SV）网与面向通用对象的变电站事件（Generic Object Oriented Substation Event，GOOSE）网。

图1 电气二次设备自动化系统整体架构

3.2 自动化结构设计

设计人员根据自动化系统的整体架构，进一步对站控层、过程层进行结构设计。站控层的主要构成包含监控主机、保护装置、故障信息管理子站系统、远动设备、综合应用服务器、通信监控系统以及防误闭锁系统等。自动化框架内的站控层，可以实现对变电站运行信息的实时采集，对变电站进行实时监控，同时获取变电站内部的电能数量等数据信息，以此为依据自动化启动保护功能，实现二次设备对一次设备的保护[5]。站控层网络结构设计应当采用星型网络结构，这种结构可以有效避免产生网络风暴，确保变电站二次设备自动化的有效运行。站控层中的中心交换机与间隔层的交换机应当以光纤连接，且让站控层内的数据通信网关、综合应用服务器等与中心交换机相连。过程层的主要构成包含变压装置、断路装置、互感器、隔离开关、合并单元以及智能终端等装置，负责一次设备与二次设备的有效衔接。开展过程层的网络结构设计，采用星形网络结构，利用GOOSE 网络实现不同间隔之间控制信息的交换，利用SV 网络实现采样信息的传递。建议采用点对点的方式，连接保护设备。

3.3 电气二次设备自动化技术标准

某220 kV 变电站内的电气二次设备自动化设计中，采用IEC 61850 作为技术标准依据，其中包含了变电站自动化系统配置描述、变电站内自动化系统的概念和总体要求、变电站内自动化系统的公用数据类、抽象信息服务原理模型、一致性测试要求等。设计人员可以根据这些标准要求，作为电气二次设备自动化设计的依据，调整自动化调度中心的通信网络，支持针对性、精细化的继电保护管理，保证电网运行的稳定性与安全性[6]。

3.4 合并单元设计

合并单元采集变电站内的互感器运行信息，同步处理多路信息，并且以IEC 61850 标准为依据合并信息形成报告，将报告传送给间隔层、站控层设备。在某220 kV 变电站内，利用单个合并单元与各电气设备互感器联动，依托合并单元，采集电气设备的运行信息，确保自动化系统根据实际情况调整电流和电压。

设计人员设计合并单元时，规避了处理采集器，直接利用插值法采集互感器信息。在系统内同步更新信息内容，以满足二次设备系统的运行需要，具体合并单元的运行结构如图2 所示。之后，针对合并单元内的关键模块，首先创建信息同步采集处理模块，负责对采集的信息进行同步处理，测试秒脉冲输出信号，形成脉冲输出信号报告；其次创建多路信息采集功能模块，负责接收多个互感器的运行信息，依次完成信息校验、信息排序、排序传输；最后创建串口模块，负责传输处理之后的信息。

图2 合并单元的运行结构

3.5 自动化终端设计

现如今，变电站内设有智能终端，起到接口作用，负责连接一次设备与电气二次设备。在变电站电气二次设备运行，对一次设备进行监控与保护时，相关控制指令会先发送到智能终端上，由智能终端将指令信息传输给过程层网络，联动各二次设备。设计人员要根据变电站内的智能终端设计自动化终端，不仅起到接口作用，还具备实时监控功能，可以对站内一次设备的运行状态进行监控，实时获取站内一次设备的运行信息，完成信息报文转换、信息反馈，将信息传递到保护设备与控制设备上[7]。

在自动化终端设计时，设计人员可以根据实际情况分别从2 个方面进行设计。一方面是断路器终端设计，这一终端主要负责获取与断路器有关的位置信息，自动化控制断路器合闸、分闸等动作；负责获取与断路器相关的隔离开关刀闸位置信息，自动化控制隔离开关的合闸、分闸等动作；负责获取保护设备、测控设备等控制指令，获取多路直流信息，完成对时操作。另一方面是变压器本体自动化终端设计，主要负责获取变压器本身的信息，包括有载调压分接头位置信息、变压器报警信息、非电量保护动作信息等。能够将信息传递到调度端，接收调度端控制指令，完成相关操作。自动化终端作为电气二次设备自动化设计的重要内容，合理的设计可以有效实现对断路器间隔的完全控制，大幅度提高电气二次设备系统的整体运行安全性，实现二次设备之间的信息共享。同时，本次设计中采用的连接方式为光纤连接，依托光纤传输信号，可以有效提升自动化系统的抗电磁干扰性能。

一体化监控是电气二次设备自动化终端应当具备的重要功能，也是变电站中的关键部分。在一体化监控装置内，应当分别设置监控主机、综合服务器、数据通信网关等，并且将电气二次设备自动化系统内的一体化监控与变电站整体监控相连接。设计一体化监控装置，一是可以实现变电站与主站之间的有效联系，二是可以实现各个电气二次设备之间的联系，三是可以接收系统上级指令，将其下发到各个设备上，辅助实现对变电站内一次设备的监控、自动化调度与控制等操作。

4 结 论

电气二次设备的自动化设计大大提高了变电站一次设备的防护与控制水平，充分满足了变电站运行安全性与稳定性需求。在变电站中，电气二次设备自动化设计的关键，在于利用信息技术、通信技术提升变电站电力输送控制能力，促使电力输送系统稳定运行。今后，设计人员应当始终立足于变电站的实际情况，把握一次设备的构成与配置情况，在明确二次设备运行需求的基础上，开展自动化系统的架构、功能等设计。