智能变电站二次系统集成优化设计
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
许继集团有限公司的研究人员刘永欣、易永辉、李贞、赵宝、姜帅，在2017年第8期《电气技术》杂志上撰文，针对集中式保护存在单一装置故障影响范围大、未能充分利用全站信息优化保护性能等问题，本文分析了智能变电站纵向集成和横向集成的技术特点；提出了实现集成保护所需的硬件与软件实现方案；以典型220kV变电站为例，基于纵向集成提升实时性和横向集成提升信息共享的原则，提出了两种集成模式结合的方案，解决单一装置故障影响范围大的问题；提出了站域差动后备保护，优化了全站保护的性能；针对集中式保护的检修难题提出了单网双套方案，解决了集中式保护检修时影响范围较大、停电时间延长的问题。
工程方案分析表明，本文提出的集成方案能提升继电保护的选择性、灵敏性、快速性和可靠性，并降低变电站建设成本。
目前，包括智能变电站在内的变电站二次系统主要采用分层分布式设计理念[1]，装置采用面向单间隔设计。这种模式具有装置故障影响面小，便于改扩建和运行维护等优点，但也存在二次设备数量多、系统构成复杂，运维工作量大、数据传输环节多，保护可靠性和速动性有待提升等问题[2-3]。
计算机硬件技术、数字化采样技术的持续发展，促进了设备集成技术的关注和研究[4-5]。随着变电站智能化水平的要求不断提高，二次设备的一体化设计、集成设计是一个必经之路。文献[6]对过程层中合并单元和智能终端的集成进行了研究，提出了集成方案。文献[7-9]对间隔层设备中保护测控装置的集成进行了探讨，采用多间隔的采样传输光纤代替网络采样的交换机实现了采用“直采直跳”的集中保护装置。
以上文献研究了智能变电站的集成问题，但仅在同一层内（如过程层合并单元、智能终端集成）集成，未能实现跨不同层间（如过程层与间隔层）的集成，集成程度还可以进一步提高；对于一台装置实现全站多个间隔保护控制功能的集中式保护，当本台装置故障时会影响多个间隔的保护控制功能，当前的集中式保护仅将不同间隔的模块简单的功能叠加，并未充分利用全站信息共享的优势提升全站保护的性能；在运维方面，集中式保护在检修时影响范围大、停电时间长的问题也未解决。
本文分析对比了各类集成技术，提出并分析了面向间隔的多功能纵向集成模式和面向多间隔的横向集成模式的技术特点和适用范围；在纵向集成提升实时性和横向集成提升信息共享的原则下，提出了基于全站信息共享的站域差动后备保护，优化了全站保护性能；提出了关键设备的实现技术、具体工程实施方案和集中式保护检修方案；优化了智能变电站二次系统架构，提升设备集成度和继电保护的四性，并能降低建设成本。
1 装置集成模式
IEC 61850提出了设备功能逻辑化思路[10]，一个物理设备可以包括若干个逻辑设备或功能模块，一个功能模块也可以由分布于不同设备的逻辑设备共同完成。一台设备完成多个功能即是集成保护。根据装置集成功能类型的不同，可分为纵向集成模式和横向集成模式。
1.1 纵向集成模式
纵向集成模式，即面向同一保护控制对象，将数据采集、数据转发、功能处理、命令执行等多种功能集成到一台装置。实现原有智能变电站间隔层和过程层设备的物理集成，对现有二次系统架构进行了优化整合，可有效解决现有智能站装置数量多、数据传输环节过多等问题。
单间隔纵向集成包括保护与合并单元集成模式和保护、合并单元与智能终端集成于保护装置两种模式。
1.1.1保护测控与合并单元集成
采用线路保护测控、合并单元一体化设计，由于装置未包括智能终端功能，所以不需要外接过多的电缆接线，因此宜采用室内安装。其他就地设备由智能终端、互感器等构成，采用室外安装方案。方案示意图如图1所示。
图1 保护与合并单元集成模式
与常规配置模式相比，本方案由于减少了数据采集和传输的环节，可缩短保护整组动作时间2~3 ms，改善了智能变电站中保护整组动作的速动性；每个间隔减少了一台设备，降低了设备投资成本；不足是单间隔保护与合并单元的独立性有所降低，单间隔保护检修时会影响到合并单元功能，进而影响相应母线保护的正常运行。本方案作为一种过渡方案多用于常规互感器模式的变电站。
1.1.2保护测控、合并单元、智能终端集成
将一个间隔内保护、合并单元、智能终端功能集成于一体，并就地安装，通过电缆、光缆与开关、刀闸、互感器等一次设备直连。方案示意图如图2所示。
图2 保护测控、合并单元、智能终端集成模式
与常规配置模式相比，本方案实现了间隔功能的全部集成，数据采集传输环节最少，进一步改善了智能变电站保护的整组动作时间；取消了室内安装时相应的保护屏体，降低了变电站建筑面积；大幅降低单间隔设备数量，降低了设备投资成本。缺点是装置就地安装，需要解决环境适应性问题，提升装置防护等级，由于液晶面板无法适应户外安装环境，需要解决无液晶面板的装置调试及运维问题。
1.2 横向集成模式
1.2.1多间隔集成
多间隔集成是面向整个变电站或变电站某一电压等级，将各类保护测控功能集中配置到一台（或双重化为两台）装置，各间隔对应功能模块可独立运行，并可以实现不同模块间的信息共享。该方案极大地提高了全站设备的集成度，并可利用全站信息共享提升保护性能。
多间隔集成保护测控装置，基于IEC 61850标准，由一台智能电子设备(intelligentelectronic device，IED)实现变电站内多台IED的功能。装置依赖智能变电站的通信网络，实现所需数据的接收和发送。其中电流电压采样数据由合并单元通过过程层网络发送给集成装置。
智能终端通过过程层网络将开关量信号发送给集成装置。集成装置通过相关模块处理完成后，跳闸命令通过网络将变电站通用事件(GOOSE)报文发给智能终端，从而实现跳闸。数据流向示意图如图3所示。
图3 横向集成保护测控数据示意图
横向集成方案降低了全站装置的数量，在装置可靠性不变的情况下由于装置数量降低，系统整体可靠性有所提升；缺点是单台装置检修影响范围较大，部分问题可通过双重化方案解决。因此，本方案建议应用于110 kV电压等级变电站的集中式保护测控等。
2 装置实现技术
集成装置与常规保护装置相比，实现了更多的功能模块，因此装置的软硬件平台具有不同的技术要求。
2.1 硬件实现技术
集中式保护测控集成多个间隔或多个模块的功能，对装置接入数据的流量接入、存储性能、实时性、可靠性等均提出了更高的要求。
对于大数据流量接入需求，横向集成装置需要接入的数据流量超过了100M，在现阶段的技术水平下，有多板卡方案和单板卡两种主流方案。
1）方案1：多板卡方案
由于受到CPU的处理速度的限制，一种做法是保护装置采用多个前置板卡、多个百兆网卡分担带宽和多个CPU并行处理的方法来解决。
2）方案2：单板卡方案
集中式保护的CPU处理速度基于千兆以太网，保护装置可以只用一个千兆网口与交换机连接。
3）对比分析
通过对比分析，在技术先进性、实时性、扩展性等方面方案二都优于方案一，只是在设备检修时方案一更方便，综合考虑方案二优于方案一，如图4所示为单板卡方案的硬件架构。
图4 单板卡集中式保护硬件架构
2.2 软件实现技术
横向集成装置集成了多个间隔装置功能，不同工程集中式保护需要配置不同的保护程序，尤其在升级某间隔程序时需要重新编辑并测试编译全部程序，增加了装置的软件设计、装置调试及运维的难度。为此提出多模块自动加载技术，实现间隔不同模块程序的独立开发和测试，系统可以自动识别各软件模块，降低软件设计的难度，提高系统的通用性，便于系统运行维护。
多模块自动加载方案如图5所示。调试升级或系统功能变化时，只要对相关功能模块进行升级、编译和下载，从而将设计、调试、测试等缩小到一个有限的范围，既缩短了开发周期，又降低了软件开发的难度和复杂度。
图5 多模块自动加载技术示意图
3 兼容两种集成模式的工程方案
综合以上技术，在纵向集成提升实时性和横向集成提升信息共享的原则下，提出了一种纵向集成和横向集成相结合的工程方案，并拟在东北某220 kV变电站实施。
3.1 提升实时性的隔纵向集成方案
1）线路间隔方案
变电站线路间隔采用纵向集成方案中的保护、合并单元、智能终端集成方案，线路就地设备通过直采方式接收电流及电压采样值信息，通过电缆直跳方式与断路器本体进行连接，以典型220 kV线路间隔为例，实现方案如图6所示。
图6 线路间隔集成方案
2）主变间隔方案
变压器保护分为电气量差动、后备保护与非电量保护。其中各侧后备保护按与相应的合并单元、智能终端、测控集成设计并就地安装，并通过直采方式接收各侧电流及电压采样值信息，通过电缆直跳方式与断路器本体进行连接；考虑电气量差动保护需要采集变压器各侧电流量，与高压侧后备保护、合并单元、智能终端、测控集成设计。实现方案如图7所示
图7 主变间隔集成方案
单间隔纵向集成装置仍保留单间隔的保护测控功能，在集中式保护出现故障时可单独运行，解决了集中式保护单一装置故障影响范围大的问题。
3.2基于信息共享的横向集成
横向集成方案通过站域保护实现，面向全站配置站域差动后备保护，差动保护以开关为单位配置，站域保护采用网采网跳方式与过程层设备连接。以图8为例，开关DL2配置的站域差动如图所示。站域差动保护分两个延时。
短延时（例如50 ms）：跳本开关DL5，做为主保护的后备保护，相当于传统保护体系中的阶段式后备保护，当主保护在特殊原因无法动作的情况下，可由此保护动作切除故障。
长延时（例如200 ms）：跳所有周边开关包括DL1、DL3、DL4、DL5，相当于传统保护体系中的失灵保护、死区保护。
图8 站域差动保护示意图
站域差动后备保护通过差动原理的保护代替了传统的以定值和时间配合的后备保护，解决了传统后备保护选择性和速动性难以同时兼顾的问题。
3.3 运维检修技术
横向集成保护提高了设备集成度，由于单台设备实现多间隔功能，运维管理方面与现有的技术规范发生了冲突。为解决在设备检修时存在影响范围大的问题，提出了220 kV横向集成保护单网双套的冗余配置方案。
220 kV电压等级2台装置同时运行，保证在检修任意一台保护装置时所有保护功能不受影响。当两台集成保护跳闸GOOSE信息都正常时智能终端为运行态，即二取二模式（两套为与的关系）。当一台集成保护跳闸GOOSE断链或者保护发送的GOOSE出现检修状态信息时，智能终端切换检修态即一取一模式（两套为或的关系）。切换示意图如图9所示。
图9 集成保护检修切换示意图
3.4 本方案经济技术分析
本方案由于变电站内整合了间隔层和过程层设备，保护自动化装置、交换机、保护屏柜数量均降低。同时由于控制室屏体降低带来建筑面积下降，整体上降低了变电站建设成本。为了更清晰直观地体现本文所提的智能变电站集成方案在占地面积、设备规模和投资成本上的优点，将某220kV变电站（2台220/66kV主变、4回220 千伏出线、10回66 千伏出线，4组66kV电容器，1台66kV所用变）常规典设方案与本文方案经济性做了对比，具体如表1和表2所示。在表2中负号表示减少的投资成本。
由表1可知，本文所提方案能有效降低设备占地面积和设备规模；特别是在减少保护测控屏柜和保护测控装置数量方面效果显著，与对比变电站相比分别减少了76.7%和71%。由表2可知，由本文所提方案与对比变电站相比减少设备占地面积和设备规模所折合的经济效益为473万元，可有效降低变电站投资成本。
表1 室内占地面积和设备规模对比表
表2 投资对比分析表
本方案保护功能中间的环节由以前的“合并单元+保护装置+智能终端”变为现在的“就地装置”，装置之间的光纤或网络通信环节取消，联系更直接和可靠，保护的可靠性明显提升；站域差动后备保护的应用解决了传统后备保护选择性和速动性难以同时兼顾的问题；同时，设备数量的减少导致网络节点减少，网络结构简单可靠。本方案已经完成了方案评审和生产制造，即将投入运行。
4 结论
本文分析对比了各类集成技术，提出并分析了面向间隔的多功能纵向集成模式和面向多间隔的横向集成模式的技术特点和适用范围；提出了一种纵向集成和横向集成相结合的方案，以提升全站系统的可靠性，优化提升保护性能；针对集中式保护运维难点提出了单网双套的冗余配置方案，解决了集成保护检修时影响范围较大的问题。经济性分析表明，本方案有效减少了变电站的设备规模和占地面积，降低了变电站的建设成本。