智能变电站二次设备集成方案讨论

　　2014年2月10日电力系统自动化智能变电站次设备集成方案讨论倪益民杨宇2，樊陈郭艳霞窦仁晖黄国方21.中国电力科学研究院南京，江苏省南京市210003；2.南瑞集团公司国网电力科学研究院，江苏省南京市2106；3.国家电网公司，北京市131后智能变电站的发展趋势。对智能变电站过程层间隔层和站控层设备的集成方案进行了讨论，重点针对过程层合并单元和智能终端集成方案进行了分析；对间隔层保护装置集中式测控装置多功能测控装置智能组件故障录波和网络分析仪集成等方案进行了详细论述；对站控层体化监控系统的集成进行了讨论。结合当前工程实际应用情况，提出在，1及以下电压等级智能变电站试点应用合并单元智能终端集成装置保护测控集成装置较为可行，为今后智能变电站的发展建设提供参考。

　　61850；体化监控系统；0引言目前，变电站次设备的配置主要采用分层分布式结构，面向间隔，功能独立，这种模式可靠性较高，任装置故障不会影响其他设备的正常运行，系统的可扩展性和可维护性较好，但硬件配置重复，全站接线复杂，信息共享不充分，缺乏全站系统层的协调和功能优化，整体投资成本较大运行维护成本较61850标准的推广应用，网络采样的应用使得全站信息共享成为可能，并推动了集中式保护等次设备集成装置的出现。随着智能电网发展规划的提出，智能变电站成为今后发展的重点，而61850在数字化变电站建设阶段所取得的成果和积累的经验为智能变电站的发展建设提供了坚实长时间的验证，因此国家电网公司在2010年发布智能变电站继电保护技术规范，提出了保护直采直跳的要求，这在定程度上减缓了集中式保护等次设备集成技术的研究进程。

　　随着智能变电站试点工程的建设投运以及智能变电站的推广建设，现有典型次设备的整体性能不断得到提升和完善，在定程度上促生了对相国家电网公司科技项目新代智能变电站关键设备检测调试技术研究面向主厂站体化的变电站监控系统深化研究与应用。

　　合并单元；智能组件；智能变电站关装置进行集成设计的思路，尤其是随着变电站智能化水平的要求不断提高，将全站次设备进行集成已成为今后次设备发展的趋势。2012年初，随着占地少造价省效率高的新代智能变电站的提出，建设安全可靠运行灵活运维简便节约坏保的新代智能变电站成为今后发展的目标，而设备的集成恰好是减少占地面积节约建设成本的重要途径，因此，在保障电网安全运行可靠的前提下，将现有成熟应用的功能设备进行集成或整合符合技术和产业发展需求。

　　次设备的各类集成方案进行讨论和分析，为今后智能变电站的发展建设提供参考。

　　1过程层设备集成61850标准中主要指次设备，如互感器断路器等，由于次设备测量数据及，关状态信息的采集需要通过数字化传输，因此，合并单元和智能终端就成为次设备的数字化接口设备，分别承担电压电流数据采样以及遥信和开关控制操作等功能。从间隔层设备的角度看，合并单元和智能终端分别是数据的输入和输出设备。

　　在网络采样和网络跳闸方式简称网采网跳下，各自分别对应过程层的采样值3，网和通用面向对象变电站事件，003跳闸网，也有将两者共网的模式，即3+0003共网，当采用圯1588网络对时并将其融入共网模式下即成为行业中所说的网合3，0003瓦，1直跳模式下，合并单元和智能终端仍然是数据的输入和输出设备，其区别就是取消了交换机，网采网跳模式下的通信链路变成了光纤连接。

　　随着合并单元和智能终端设备的大量应用，设备的整体性能逐渐稳定，同时也考虑到在同间隔内，合并单元和智能终端均针对同设备，将两者集成不仅能够为次设备提供更好的数据输入输出服务，同时还能够减少设备数量减少屏柜数量节省屏柜空间减少占地面积节约设备成本降低全站投资。合并单元智能终端集成方案1.

　　保护装置保护装拧保护装辩合并单元智能终端合并中儿智能终传送；10接收合并中元智能终端集成装置2针对合并单元和智能终端的集成，目前较为典型的方案有两种。种是两者简单的集成如备的改动较少，可以节省屏柜空间，设备硬件上仅节约块电源板，经济效益较为有限。另种是两者从功能上进行深入整合对新的集成装置进行重新设计和开发，将两者共性功能如电源人机接口网络通信口进行集成，将两者的对时功能遥信采集功能进行整合，将合并单元承担的电压并列和切换功能进行改进，同时从系统的角度对合并单元模块和智能终端模块的，资源进行统筹规划，更好地实现设备内部资源的共享，提高装置网口传输可将直采直跳模式下光口数量减少半，不仅可有效降低设备的硬件成本，也可降低全站设计的复杂程度，经济效益显着。

　　2间隔层设备集成间隔层设备主要包含常的保护装置测控装置，同时也包含相量测量单元汗江电能质量监测设备和稳定控制设备等，由于间隔层设备应用最为广泛，相关经验也最为丰富，因此，针对间隔层设备的集成方案也最多。

　　2.1保护测控集成装置0kV及以下电压等级，主要基于安全可靠的原则，同时也考虑了现有运行管理方式。从传统变电站数字化变电站到智能变电站，保护测控集成装置已有较为成熟的应用，各网省公司也具有成熟的运行维护经验。尤其是10kV35kV电压等级的线路间隔，由于广泛采用开关柜的方式，因此保护装置通常都安装于开关柜上，由于开关柜面板的空间有限，若保护测控装置同时安装将变得困难，同时也增加了调试安装难度，因此，为进步减少设备数量，在10让和35让，线路间隔通常采用保护测控集成装置。在传统变电站中，通常在保护采样板件中增加组测量用电流互感器实现测量数据的采集，同时增加块控制输出板件提供组遥控操作节点以实现测控装置的控制功能。即使是采用了电子式互感器，保护测控集成装置同样能满足要求。

　　而在0让，线路间隔中，虽然采用户外空气绝缘的敞开式开关设备13方式，但也可采用保护测控集成装置，方面因为0kV线路保护装置配置的保护功能并不太多，其实现原理也相对简单，另方面也由于其电压等级不高，在该电压等级集成能够更好地体现其经济效益。目前0kV及以下电压等级的保护测控集成装置也有广泛应用的基础。

　　220kV及以上电压等级的线路间隔，由于电压等级较高，保护的功能配置也较为复杂，在其基础上实现集成不仅面临技术上的风险，同时也面临运行检修的压力。因此，目前在220让及以上电压等级应用保护测控体化装置的变电站并不多，目前主流的方式仍然是保护测控各自双重化配置。

　　2.2集中式保护装置61850标准的应用推动了网络采样技术发展，可以实现全站信息共享，这给母线保护带来了重大改变，由此将其扩展，文献34提出了集中式保护装置也可称为集成装置，通过网络采样实现全站信息的共享，并通过网络跳闸实现对多间隔的保护功能。文献5针对35kV变电站设计开发了集中式保护装置，通过多块板件线路保护插件主变保护插件等实现集中式保护，并对其实时性进行了验证，满足工程应用的需求，现已在变电站运行。

　　由于对网络采样和网络跳闸带来的延时不确定性，国家电网公司对继电保护提出了直采直跳的要求，这在定程度上给集中式保护装置带来了影响。

　　但文献6针对直采直跳方式也开发出了集中式保护装置并将其应用于220kV变电站，其差异就是将网络采样的交换机替换成多间隔的采样传输光纤。通过目前集中式保护试点应用的情况来看，网伙采网跳或者直采直跳都不影响集中式保护装置数量，减少屏柜电缆数量和占地面积节约变电站建设成本。而且随着装置，性能的不断提升，多间隔的数据处理对保护动作影响较小且逐渐降低，采用集中式保护装置冗余配置的方式能有效提高变电站运行的安全性和稳定性。但由于集中式保护涉及的运行维护较分布式模式复杂，而且装置内部参数配置模型文件等管理方式也与目前有较大差异，此种集成装置对当前运行管理模式冲击较大。

　　因此，笔者认为集中式保护的发展有待于现有运行管理方式的改进和提升。同时考虑到安全可靠的基本原则，建议仍先在，及以下电压等级试点应用，待设备稳定可靠，同时也积累了成熟的运行管理经验后再逐步推广应用。

　　2.3集成测控装置集成测控装置与集成保护装置集中式保护装置类似，主要针对现有变电站保护和测控分开配置存在设备数量大的现状而提出。现有220及以上电压等级的变电站保护和测控分别配置，且多采用冗余的方式。由于测控装置对实时性要求较继电保护装置低，因此就考虑以分段母线为间隔，将接入同母线间隔的所有测控装置进行集成，形成套集成测控装置来实现多间隔稳态数据的测量和控制功能，同样，为提高集成测控装置的可靠性，也可采用冗余配置的方式来实现，使设备总体数量大幅减少，经济效益十分显着。采用集成测控装置个突出的优势就是当测控装置实现防联闭锁功能时，之前需要通过网络获取其他间隔的测量或者状态信息变成了装置的内部信息，因而实现更为容易。但本方式给后续的运行维护带来的挑战和影响较大，尤其是参数配置配置文件管理等，目前尚未有相关产品试点应用。集成测控仅是设备集成的种方将两者再次集成形成集成式保护测控装置。总体上看该方式仅是针对多个测控而进行了简单集成，若从变电站整个结构体系来看，即考虑次次设备，笔者认为以间隔为对象的集成是变电站真正的发展趋势。

　　2.4多功能测控装置目前变电站稳态数据主要由数据采集与监控301系统采集，动态数据主要由广域测量系统界笕3采集，暂态数据主要由继电保护故障录波系统采集，各系统相互独立，时标不统，数据不能共享，不利于事故分析及调度系统的状态估计等高级应用，增加了变电站数据采集的反复投资和设计的复杂程度。上述态数据稳态动态和暂态都是源自于同间隔，但因为不同的应用需求被分成了路不同的采集通道，能否以测控同源技术为基础，将其采样通道进行整合，进而实现同间隔内态数据的统采集数据时标的统标识和信息现有测控PMU和故障录波的功能进行了整合，形成了个多功能的测控装置，不仅有效减少了设备数量，节约了屏柜空间，简化了全站的设计，而且从301监控系统的数据源头对数据时标进行了统和同步，能够有效保障数据质量，为变电站和主站随着态测控的应用，些网省公司提出，既然态测控实现了采集通道的共用，现有计量和电能质量检测的功能是否也可与之整合，进步提高态测控的集成度。从技术角度上来看，非关口的计量数据和电能质量监测数据的采集是可以与之集成并将其功能加入态测控装置，于是多功能测控装置就出现了。定程度上，多功能测控将变电站间隔层内非保护功能的相关设备进行了有效集成，其经济效益十分明显，但设备集成的同时给运行维护带来了挑战。由于测控装置运行维护的风险相对继电保护装置要低，因此多功能的测控虽然增加了运行维护的复杂程度，但对运行的安全稳定性影响有限，现有的计量电能质量分析等功能也较为成熟，将其与态测控进行集成形成的多功能测控在功能应用上较易实现，但对新装置硬件的稳定性和可靠性提出了更高的要求，这是多功能测控装置推广应用存在的关键问。笔者认为，相对于继电保护，将监控领域的相关测量功能进行整合符合今后技术发展趋势。而多功能测控的发展将为智能组件的发展创造条件。

　　2.5智能组件智能组件是智能高压设备的组成部分，由测量控制监测保护计量等全部或部分智能电子设备10集合而成，通过电缆或光缆与高压设备本体连接成个有机整体，实现或支持对高压设备本体或部件的智能控制，并对其运行可靠性控制可靠性及负载能力进行实时评估，支持电网的优化运行，通常运行于高压设备本体近旁。智能组件涉及次设备智能化，从次设备今后的发展趋势来看，笔者认为将次设备进行整合并将其功能模块融入次设备将是未来的发展趋势。但当前及今后段时间内，限于国内次次产业长期分离的现状以及次设备融入次设备涉及的绝缘电磁干扰等问，次设备功能以智能组件的形式运行于高压次设备本体附近将是切实可行的方案，且目前已有智能变电站工程试点应用。智能变电站变压器智能组件。智能开关组件等先后在新建或改造变电站试点运行，推动了智能组件的发展。但考虑到继电保护装置的特殊性。目前的智能组件均未包含保护功能。具体的监测功能只有简单的部分，次设备的状态监测仍然由独立的状态监测装置或者主来实现=由于智能组件涉及当前次设备所有功能，因此行业内也有人提出大功能测量控制监测保护计量是否都具备才是智能组件，从现有智能组件的定义来看，实现部分功能也是智能组件。可以认为当前保护装置测控装置等都是智能组件=智能组件的集成度远大于上述几种间隔层设备集成方案，随着技术的发展，笔者认为智能组件最终要融入次设备，因此其集成将涉及过程层间隔层的集成，如此未来的变电站将只有设备层过程层和间隔层合和站控层但从目前来看，先从过程层间隔层进行设备集成是智能组件发展的重要过程，且前述多功能测控装置就是间隔层设备保护除外深度集成的个典型，笔者认为。在，1可实现保护测控集成的前提下，开发出含测量。控制。监测。

　　保护。计量在内的智能组件将是今后切实可行的发展方向，相对于保护测控集成集成测控装置和集中性更能代今后的发展趋势。

　　2.6故障录波与网络分析仪集成装置故障录波装置的功能在智能变电站环境下并未有大的变化。但其数据接入方式却发生较大改变。主要因为当前数字化采样的出现网络分析仪主要是用来接入通信网络，便于变电站运行监测或者事故追踪分析，并不是变电站的标准配置设备。目前在实际工程招标中属于选配。提出故障录波和网络分析仪集成装置的出发点是因为采样数据的网络化传输。即当采用网络采样时，两个设备具有相同的接入数据源，两者集成可减少设备和屏柜数量此种集成方案从设计角度看是合理的。但涉及装置的具体性能和专业管理方面就显得不太合适两种设备数据存储的频率不同，故障录波装置主要关注于故障前后，其磁盘读写操作较少；网络分析仪则是随着运行装置不停地采集数据并频繁读写装置的磁盘，因此从长期运行的角度看，网络分析仪集成会给故障录波装置带来隐患。

　　从专业管理的角度看。故障录波装置的重要性远大于网络分析仪。即使在变电站内部同时配置了这两套装置，其数据的管理归口部门也不同。故障录波归于保护，网络分析仪归于自动化。将两者集成会给后续的运行维护管理带来混乱。

　　另外，从数据采集角度看，故障录波关注的是保护装置采集的故障暂态数据，而网络分析仪更多关注的是稳态运行数据，尤其是在当前保护采用直采直跳模式下，网络分析仪监视的都是上送数据给测控装置的过程层8网或者0003网以及站控层制造报文规范13网。两者在数据采集源头上丝毫没有共性或者可共享的应用需求。因此此种集成方式笔者暂不建议采用。但可试点应用并积累相关3站控层设备集成站控层设备主要包括监控主机数据通信网关机数据服务器综合应用服务器操作员工作站工程师工作站1数据集中器和计划管理终端等设备，这些设备是组成体化监控系统的重要组成部分。在站控层，设备的集成并不明显。反而是体化监控系统对全站的数据流向应用功能进行了梳理和整合，方面减少了站控层设备的数量。优化了全站的数据流向，提升了全站的智能化监视和管理水平。另方面着眼于未来技术的发展趋势，具有较好的可开发性和维护便利性，同时也能够为当前大运行大检修堤供有效的支撑，能够更好地为调度主站提供支撑，通过与主站紧密的信息交互和功能的协同互动，全面提升变电站的整体智能化水平。

　　提高变电站运行的安全性和可靠性从系统集成的角度看，体化监控系统将传统监控系统内保信子站系统。防闭锁系统等进行了集成。将其全部融入了体化监控系统的监控主机，监控系统实现保信子站的功能其优势比较明显。不仅可以节省套独立的子站系统。降低建设成本，最为关键的是有利于为智能告警和事故综合分析等高级应用功能的实现堤供更加完善的数据，防闭锁由监控系统实现，不仅可以节省传统防闭锁系统电站防误系统和监控系统之间的通信，防闭锁功能能够直接从监控系统数据库获取数据和形，节省了工作量。

　　4工程应用分析与总结变电站次设备的集成在当前智能变电站工程中也有较多应用；过程层合并单元和智能终端装置集成目前在lo，5ook智能变电站都有应用。尤其是在2vk，及以上电压等级变电站，通过两者间都大幅降低，经济效益十分显着。从个别已经投运的变电站来看，设备整体运行状况良好，但由于运行时间较短，后续还需要继续观察。

　　间隔层众多集成方案中，应用最为广泛和成熟下电压等级的变电站。在61850标准还未在国内推广应用时各网省公司都大量采用了此种方式，经过多年的运行，积累了成熟的运行管理经验，保护测控体化装置的整体性能也不断得到提升和改善，已成为当前，及以下电压等级的主流方行了试点，总体应用较少。集中式测控装置目前并未相关应用的报告，还停留在研发设计阶段。多功能测控装置目前主要是态测控，仅将测控和尸以及故障录波的功能进行了集成，目前在延安75kV等第批第批智能变电站试点站项目以及当前新建智能变电站中得到广泛应用。而在此基础上集成非关口计量电能质量监测的多功能测控装置则在新代智能变电站试点功能中得到了应用。智能组件涉及的变压器智能组件智能开关组件当前也有较多的试点运行，国内次设备主流厂家分别与次设备厂家成立合资公司开发智能组件，比较典型的是特变电工与方西开与南瑞继保等，相关组件产品已通过检测，后续将会批量应用。

　　故障录波和网络分析仪集成装置目前也有工程进行了试点应用，但总体应用较少。

　　站控层涉及系统层面的集成，主要是体化监控系统的出现，目前各主流厂家均已开发出体化监控系统并通过检测，今后的智能变电站要求统采用体化监控系统。

　　因此，从当前工程应用实际来看，在安全可靠的基本原则下，笔者认为过程层的合并单元智能终端集成保护测控的集成是当前阶段较为切实可行的方案，但两种集成方式均应限定电压等级，建议在0 1及以下电压等级集成，待总结了相关运行经验以后再逐步向更高电压等级推广。目前，该方案已在新代智能变电站试点工程中得以推广应用。

　　智能组件设备可根据实际情况，在上述两种集成方式成熟应用的基础上再进行集成，即实现01及以下电压等级过程层设备间隔层设备的集成，实现以间隔为对象的综合智能组件，笔者认为这将会是智能变电站今后的发展方向。而对于220，及以上电压等级，智能组件可在间隔层逐步集成但保护功能建议暂不要涉及，笔者认为在多功能测控的基础上融入状态监测的功能将会是2201及以上电压等级间隔层次设备集成的个方向，如此将形成保护自动化专业监控相对应再行考虑。而对于站控层，推广体化监控系统不仅切实可行，也能兼顾今后的发展趋势。

　　5结语困难，但各类集成装置给变电站的运行管理和维护带来巨大影响，现有的管理模式并不能适应这改变，而这也恰恰是影响电网安全运行的重要因素。

　　技术的发展总是超前于管理经验的发展，因为高效可靠的运行管理模式需要经过长时间的考验和标准化的流程才能固化并最终提高电网运行的安全可靠水平。本文所讨论的次设备集成方案虽然较多，然而限于目前的运行管理水平实际可行的还较少，但可为今后的技术发展和设备开发提供参考。

　　同时，也希望运行管理人员能够结合新技术新设备积极探索新的运行管理方式，共同推动变电站智能化的建设发展。相信随着智能变电站次设备功能不断改进完善以及在工程应用中运行管理经验的积累，变电站内部的次设备的逐步集成将是今后的发展趋势。

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　　编辑蔡静雯