集約化智能變電站組網模式探討

胡保林

(深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引言

隨著技術的不斷成熟，智能變電站的組網模式呈現出多元化態勢，由最初的網采網跳演變成直采網跳、直采直跳、模采網跳的多樣化組網模式。

網采網跳的組網模式會影響繼電保護的可靠性、速動性、選擇性和靈敏性，主要表現為：合并單元輸出的采樣值(sampled value，SV)信息經交換機至保護接收會產生延遲；保護裝置跳閘至生成并發出面向通用對象的變電站事件(generic object oriented substation event，GOOSE)報文與智能終端解析出跳閘信息之間存在延遲。交換機的存儲轉發機制決定了交換機所造成的延時不固定，因此，網采網跳站點對于對時系統的依賴性極強，隨著北斗時鐘系統的大面積推廣，倘若北斗對時系統在應用時出現異常，網采網跳智能站均會面臨大面積誤動以及拒動風險，甚至造成系統崩潰。

直采或直跳雖然能解決SV或GOOSE傳輸延時的問題，但對各裝置光口的數量有較高要求，尤其是母差等公用裝置往往難以滿足要求。同時，該方式會大大增加光纜用量且接線復雜，對于后期擴建難度較大，需增加新的光口用于傳輸與新間隔之間的GOOSE信息，并重新修改本間隔的光口定義及配置信息，從而影響運行間隔保護的正常工作。

此外，當前變電站還存在著一些共性問題。

1) 大部分變電站無論直采還是網采只沿用了三層兩網的組網模式，與傳統變電站相比只是用光纜代替了電纜，雖節省了電纜，但增加了大量交換機，無論運維還是配置都更為復雜，特別是交換機故障后會影響多個運行間隔，維護風險較高。

2) 變電站配置文件(substation configuration document, SCD)的配置依賴于設備廠商；各設備廠商的智能電子設備(intelligent electronic device, IED)模型各不相同，版本較多；設計院提供的虛端子表篇幅較長，不直觀且核查困難，更多依賴于現場調試來發現問題，其中漏拉或錯拉虛端子可以通過傳動驗收等方式發現，而額外多拉的部分只能通過人工去識別；業內規范并未明確規定虛端子的標準，站內設備改造涉及全站配置文件的更改，調試時間和停電范圍較大，現場檢修難度增加。

3) 目前，智能變電站只是簡單將二次設備網絡化分層，增加了智能終端、合并單元等中間環節，導致繼電保護的整組動作時間延長了5～10 ms，降低了主保護的速動性與可靠性，使得電網運行于穩定極限的邊界，因此，一次設備的智能化是智能電網建設的關鍵環節。

4) 當前的智能變電站由于增加了大量過程層交換機、智能終端柜等設備，相比傳統變電站反而增加了占地面積，因而仍無法解決傳統變電站屏位緊張問題。

5) 多套保護共用合并單元、智能終端，單一元件可能引起多套保護誤動作，與快速保護獨立性原則相悖，且安全自動裝置與保護裝置共用智能終端跳閘，也與電力系統三道防線相互獨立原則相悖。

因此，提出一種集約化變電站組網模式，既能減小設備占地面積、減少光纜電纜數量，又能實現保護的就地化配置，提高保護的快速性和可靠性。

1 集約化變電站組網配置

1.1 常規變電站組網模式

常規變電站組網模式如圖1所示，一次設備通過電纜直接與保護測控裝置連接，中間經過兩處端子排轉接后接入裝置。

圖1 常規變電站組網模式

1.2 智能變電站組網模式

1.2.1 網采網跳

部分網采網跳智能變電站組網模式如圖2所示。該模式獨立配置合并單元和智能終端，一次設備經兩處端子排轉接后進入合并單元及智能終端，然后經光纖轉接到交換機，再由光纖轉接到保護及測控裝置。信息傳輸過程增加了兩處光纖轉接、合并單元、智能終端、過程層交換機等中間裝置。

圖2 網采網跳組網模式

1.2.2 直采網跳

部分變電站采用直采網跳組網模式，即SV+GOOSE共網，其思路是與一次設備匯控柜構成一體化設計，取消了智能終端柜內端子排轉接，減少了交換機數量，如圖3所示。但是，該模式僅僅是減少了物理轉接，中間環節依舊很多，交換機的不固定延時對跳閘命令傳輸的影響仍無法消除。

圖3 SV+GOOSE共網模式組網示意

1.2.3 直采直跳

直采直跳組網模式雖然取消了交換機使得跳閘命令傳輸的延時可控，但僅僅是用光纜替代原有電纜，大量光纜的使用使得各裝置光接口數量更多且裝置發熱現象更為嚴重，相比傳統變電站并無明顯優勢，反而因此增加了智能終端等中間環節，影響動作可靠性。

1.2.4 合并單元與智能終端應用

合并單元與智能終端的應用則是將傳統變電站中保護裝置的采樣板、操作板、開入/開出板剝離出來單獨組網，并將過程層設備全部放置在一次GIS室內，如圖4所示。

圖4 過程層設備演化示意

這種配置方式不僅違背了集約化配置的原則，增加了許多中間環節，從概率學的角度來說，每一個中間環節的故障都會影響到保護功能，同時新增加的裝置會占用更多空間。新一代智能變電站的設計和建設應做到 “占地少、造價省、效率高”，結構布局合理、系統高度集成、技術裝備先進、經濟節能、環保、支持調控一體。

1.3 集約化變電站組網模式

在上述分析基礎上，提出將合并單元與智能終端功能回歸保護裝置，將保護裝置就地安裝在匯控柜內，取消智能終端柜，打破一、二次設備的界限，統一設計、統一布線，減少中間轉接環節，組網方案如圖5所示。

圖5 集約化變電站組網方案

集約化組網模式取消了合并單元、智能終端、交換機等中間環節，且就地配置取消了主控室—GIS電纜，主控室內只放置站控層設備，可大大縮減占地面積、降低成本、提升可靠性及速動性、減少轉接環節、維護檢修更簡便、回路布置更清晰。

2 方案對比

從選擇性、速動性、靈敏性、可靠性、經濟性五個方面評價幾種組網方案的優劣。

以傳統變電站為參照，選擇性與靈敏性主要考慮CPU性能、交流采樣準確性等方面，其中CPU性能此處認為各裝置一致；網采由于依賴GPS時鐘，穩定性和準確性相對較差；集約化變電站由于就地配置CT二次負載相較傳統站更小，CT更不易飽和，因此采樣準確度更高。速動性則是指故障發生到開關跳開時間，網跳相對電纜跳閘更慢，集約化站由于更靠近一次設備，跳閘時間更短?？煽啃灾饕獜谋Ｗo運行故障率考慮，網采或網跳智能變電站由于增加了合并單元、智能終端、交換機等中間環節，每一個中間環節的故障都會引起保護無法正常運行，相比傳統變電站故障率會成倍增加。

綜合分析可知，相較傳統變電站及其他智能站，集約化變電站組網模式的結構配置更簡潔，可靠性、速動性更高，經濟性更好。

3 結束語

集約化組網模式的提出打破了一、二次設備的界限，大大精簡了二次回路，減少了設備故障率，提高保護的可靠性與速動性，同時解決了設備占地面積大的問題，節約了投資成本。