220KV数字化变电站关键技术研究

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摘 要：数字化变电站技术是以 IEC61850 标准为基础的，目前已经成为变电站设计建设的新趋势，本文分别从一次设计与二次设计两方面阐述220kv数字化变电站关键技术。

关键词：220千伏；数字化变电站；一次设计；二次设计

1引言

随着我国电网建设进程的加快，南方电网公司越来越注重自身的安全性与可靠度。随着变电站综自理论和实践的不断发展，微机保护已经在南方电网内得到了广泛应用，在很大程度上提升了电网自动化控制水平。然而值得注意的是，因为变电站自动化正在不断拓展其应用范围，一些基于常规数字化技术的变电站存在一些亟待解决的技术问题。由于变电站使用了多个供货商的设备和技术，很容易导致通信协议难以完全兼容，在协议转换，有时会使系统通讯发生错误，难以有效地支持系统集成，且不同设备之间尚未支持良好的互操作，为日常的运营带来不便，甚至留下安全隐患。而在网络信息技术突飞猛进发展的背景之下，我国微机保护在原理和技术上已相当成熟，来自不同设备商的产品可以实现互操作，变电站逐步向分布式模式进化，为数字化变电站的构建打下了技术基础。本文结合南方电网的某220千伏数字化变电站的关键技术进行阐述，具有比较好的理论价值和实践意义。

2 数字化变电站一次设计

数字化变电站技术的发展是以 IEC61850 标准为基础的，本文以南方电网某220千伏数字化变电站为例，阐述其一次设计的关键技术。

2.1设计原则

某220千伏变电站的设计，在总体上遵循的主要原则为：以智能化、高效化作为主要的设计理念，在数字变电站的系统构成方面基于“三层两网”的构架，包括过程层、间隔层、站控层，以及不同层次之间的网络，用来传输GOOSE信号以及SV信号、MMS信号等。此外应为数字化变电站增设在线监测信息系统和状态检修信息系统，从而对站内主要设备，包括主变、220千伏GIS、10千伏高压设备等进行实时状态监控。变电站第一期工程设置4段母线，从而构成单母线4分段环形接线；主变中性点采用小电阻接地装置。在设备配置方面，主变压器使用油浸自冷有载调压变压器，采用GIS装置，以及三相一体干式设备。在主接线方面，220千伏采用双母线单分段模式，10千伏采取单母线8分段方式，最终构成环形接线，支持自投自复与互为备用模式。

2.2 10千伏配电系统的应用

结合《南方电网公司专项规划》，本文所阐述的数字化变电站使用目前国际领先的层级方案，最终构建220千伏/10千伏/0.4千伏的用户供电方案。其中，10千伏的开关柜引入了满足“五防”模式的铠装式开关柜，为其配置真空断路器。10千伏无功补偿引入的是油浸式电容器，为了能够有效限制涌流，为所有的电容器串接铁芯电抗器。10千伏的中性点接地方式为小电阻模式，选用干式变压器设备进行接地，并联电抗器引入三相一体式，从而节约用地，减少对环境的破坏。

2.3主变的应用

本文所介绍的220KV变电站是2012年正式投运的，当时该站所供电大的区域需要220千伏容量是44MVA，因为彼时此站是该供电区域仅有的220千伏站，并以220/10千伏形成电网，但其他相邻区域的变电站却均为基于10千伏，难以与此变电站实现转供。结合主变压器N-1的安全准则，在过程项目的第一期首先设置投运2×120MVA主变，从而在很大程度保证网络的可靠性。结合电网规划的相关条款，变电站的建设必须能够满足该区域三年内不扩建，因此最终结果预测和评估，此变电站第一期工程争取投运2×120MVA主变，包括两台双绕组三相油浸自冷变压器。

2.4配电装置的设计

对于封闭组合装置，此变电站引入了GIS模式，选取ABB公司的ABB-TS型气体绝缘开关；对于流压互感设备，考虑到有源互感器具备很多的优势，包括节约成本、方便与其他设备集成、性能较好等，最终引入许昌继电器集团的XC-3435型GIS互感设备，结合工程的实际情况，对传感器进行热备份配置，从而在很大程度上增强互感器的性能。结合上述分析，以及GIS装置的构造特点，选用站内110作为供电电源。

3数字化变电站二次设计

3.1网络设计

本文所述的数字化变电站是结合IEC61850规约设置网络的，分为三个层次，其中站控层负责对变电站中的全部重要数据进行汇集、存储，为运营用户提供实时的数据曲线和友好的界面，对位于其他层次的设备进行监控管理；间隔层的功能是对各类数据进行实时的汇总，实现不同层次之间的保护和监控；过程层所负责的功能是：对各类运行电气量等进行实时的探测，并临时存储。由这三个层次而构建的数字化变电站网络结构如图1。

下面对三个层次的组网模式进行阐述。

对于站控层，考虑到这个层次的首要任务是对数据报文进行有效传输，并不要求很高的数据信息实时性，而对数据的可靠性要求较高，因此应该设置冗余备份通道，从而使数据可以具备良好的可靠性，所以在网络的拓扑方面，最终选取的是双星型网络，结合实际情况，环网也是一种能够选择的模式。结合变电站相关设计参考规范，以冗余Ethernet设计站控层，并保证数据的传输高于100兆比特每秒，双星形网络能够保证足够的数据传输可靠性，在数据传输出现故障时进行快速切换；此网络承载的信号为MMS信息以及GOOSE数据。站控层的不同设备彼此通过双发双收模式进行信息传递。对于过程层，可以有几种可比较选择的设计方案：第一种方案是将GOOSE与传送网彼此独立，所得的采样信息基于IEC60044-8通过光纤通道进行传递。这种方案的GOOSE通过光纤Ethernet，结合不同的电压等级彼此独立成网。结合重要程度的不同，为这些信息设置相应的数据传输优先级。第二种方案是将GOOSE与数据网彼此独立，数据网选取光纤Ethernet，结合不同的间隔进行分段。第三种方案是使GOOSE与传送网一体化，采样数据通过光纤Ethernet，按间隔分段。

对以上的三个方案进行比较，第一种方案对光纤网络的要求较高，但不需要很多交换设备，并且将数据和GOOSE彼此独立，不会由于交换机性能而导致数据传输失败。这种模式的不足之处也较为明显，即系统的扩展性不足、难以实现良好的信息共享，不能避免由于光纤出现故障而带来的系统不稳定。由于使用光纤较多，也给施工的过程带来一些难度。而对于第二种和第三种方案，不需要太多的光纤，能够满足系统所需要的高扩展性以及信息的共享。本工程针对第二种方案和第三种方案进行了对比分析。对网络性能进行测试。

在测试过程中，把系统的功能分为共网与分网两种，并引入网络性能分析软件来对比第二种方案和第三种方案发生各类故障的时候的网络性能，和保护动作所需要的时间，最终得到的结论为：在网络所承载的数据多于80%的情况下，网络交换机的处理性能开始缓慢降低，丢帧的情况逐渐增多；而网络交换机的参数配置也能够对网络承载的流量造成影响，最终为变电站确定的网络配置模式为：在线条的站控层，引入双星型的可靠冗余网络，在站控层和过程层之间采取互相独立的配置，过程层和GOOSE彼此独立配置，10千伏过程层采取双网合一设置。网络结构如图2。

3.2过程层流量设计

结合数字化变电站的数据传输实际情况，站控层拥有很高的数据传输量，但其传输过程对实时性并没有极高的要求。而变电站的过程层由于涉及到很多实时采样数据，所以数据量大且对实时性有着很高要求，同时要求数据具备良好的可靠性。在SV信息和GOOSE信息均以基于网络的模式进行传输的情况下，必须对网络的实时流量进行良好的配置管理，才能保证信息传输的可靠，因此在信息传输中引入了报文过滤模式，目的是降低网络交换设备的实时流量以及数据传输和处理的负载。对于SV网络，数据的实时性必须得到保障，而信息瞬时流量较高、信息的流向是固定的，因此加入引入合理的流量控制方案，便能够使网络流量得到隔离，从而降低网络交换设备的负载，使网络的实时性与可靠性都得到提升；而相比之下GOOSE信息的数据流量不大、但是信息的流向不易控制，而且随着装置的改变会发生变化，如果对其进行一定程度的信息隔离，便能够使其传输范围得到控制，让所有的数据端口仅需接收与本端口相关的信息，减轻了无关数据的判别，从而增强安全与可靠指标。本项目最终设计为通过组播的模式完成信息传输，对于数据发送者，只需要发送一个信息帧，接着的其他信息帧仅仅在需要的时候才会进行分发，这样能够保证所有的网段仅保留一个必要的数据流，从而在很大程度上降低系统的负荷，使所需的网络带宽得到压缩。

3.3母线快速保护

本项目以基于GOOSE的网络来进行间隔开关保护数据的传输，以基于GOOSE标准的保护动作信息替换传统的馈线动作母线保护，从而大幅度简化母线保护模式，也减少了所需的电缆量，在馈线扩容时完全不受影响，为以后的升级打下了良好的基础。

3.4在线监测系统的设计

该数字化变电站以基于IEC61850的模式实现在线监测系统。主要的在线监测项目阐述如下。对于变压器设备的实时监测，采用NS800I设备来抽取需要的数据信息然后对其进行汇总，主要的监测项目有：（1）变压器油色谱监测，采集信息后首先在本次存储，数据在过程层经过初步分析之后，传输至变电站控制中心，可在管理人员的工作站界面显示。（2）变压器套管监测：对泄漏电流监测，抽取电压信号，得出套管泄漏电流的实际值，计算电容量及介损。采用NS821I智能数据监测节点，对所有的信息进行处理和上传。（3）变压器铁心接地电流，通过穿心CT进行监测，数据被传输到监测智能柜的NS821I单元。（4）智能组件监测：以PSSC601对数据进行采样和处理。（5）GIS监测，通过NS860I对监测信息进行处理和传输，具体项目有断路器在线监测、SF6气体特性在线监测等。（6）避雷器在线监测，监测参数为避雷器的阻性泄漏电流，数据被传输至监测单元。

3.5站域控制模式的设计

为了实现良好的站域控制，就必须引入信息化体系，从而实现数据的共享，最终发挥信息的最大化效用。结合当前技术的发展，对采样信息来说存在着两种主流模式，一是以IEC60044协议实现数据的点对点传输，二是采用网络交换设备进行数据信息的传输。如果采取点对点传输，则IEC60044规约会为需要传输的数据信息加入必要的前缀标签，不需要数据处理单元进行参与，而且能够维持较为稳定的延时；IEC61850-9协议的信息传输是基于Ethernet的，所以光纤单元在信息成功接收之后，会触发数字处理单元中断服务，获取信息帧的标记，但这同时也会造成中断程序的频繁调用，为系统带来新的不确定因素。如果以交换设备进行信息传输、则能够保证系统的共享性。本变电站最终经过对比，选择北斗和GPS双钟备用模式，采用面向对象的方法对整个变电站进行建模。

4结束语

随着信息技术和发展与应用的逐步深入，数字化变电站渐渐成为变电站设计用户建设的新趋势，其最大的优势是能够实现数据传输网络化、能够使来自不同厂商的设备基于完全一致的协议、可以进行良好的是互操作、可以在线实时对设备状态进行监测，大大降低了系统扩展成本和工作量。因此是当前的变电站发展大方向之一，值得我们在实践中继续探索。

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作者简介：符良震（1981.12- ），女，汉族，海南儋州人，2005年毕业于长沙理工大学，现就职于海南电网有限责任公司，工程师。研究方向：电气工程及其自动化。