浅谈秦皇岛地区智能变电站的设计

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摘 要：本文将常规变电站与智能变电站进行比较，并分析了当前常规变电站面临的迫切问题，描述了智能变电站在解决这些困扰问题时的明显优势。然后以秦皇岛鲁庄110kV智能变电站为例，分析了智能变电站的网络架构，并介绍了该工程的二次系统设计方案。该工程的设计实践将为秦皇岛地区未来的智能变电站工程提供重要参照并带来深远影响。

关键词：智能变电站，IEC61850，网络架构

中图分类号：TM622 文献标识码：A

1概述

随着IEC61850标准的提出，“一个世界、一种技术、一种标准”的理念开始深入人心，自2003年IEC61850正式版本的制定，“基于IEC61850的变电站”开始进入了探索和逐步实施阶段。目前，国内各地区电网已经有一批这样的变电站作为试点运行，对于秦皇岛地区来说，智能变电站还是新生事物，大家在不断学习和讨论中逐步向前迈进，在遵循相应规范的基础上，结合秦皇岛地区运行实践，探索出秦皇岛地区110kV智能变电站设计方案。

2 智能变电站的优点

2.1 解决互操作问题

在常规变电站中，不同的设备厂家往往采用不同的通信技术和自己的通信协议，于是就出现了在一座变电站内，存在不同的通信网络和协议的现象，造成了不同厂家的设备之间缺乏互操作性。为了解决这个问题，只能在综合自动化系统中增加规约转换装置，使得系统集成的成本增加，后期维护和扩展都受到一定的局限[1]。

IEC61850的提出，为实现变电站内不同厂家的不同设备间的互操作提供了支撑平台。IEC61850规范了变电站内智能电子设备之间的读写行为和相关的系统要求，能很好地解决变电站各种不同设备之间的通信问题，从而达到智能电子设备之间的互操作。

2.2 解决传统电磁式互感器的困扰

随着电力工业的发展，电力系统传输容量不断增加，电压等级也越来越高，电磁式互感器逐渐暴露出一系列固有的缺点。

2.2.1 绝缘结构复杂，体积笨重，造价高。另外，对于超高压系统，还必须满足大短路容量的动稳定及热稳定要求。

2.2.2 电流互感器线性度低，在大电流情况下，会出现铁芯饱和现象，使二次输出发生畸变，影响继电保护设备的判断，造成误动或拒动。

2.2.3 电流互感器二次侧输出功率小，对负载有严格要求，当回路负载过高时，会影响传变精度。

2.2.4 电流互感器二次侧不能开路，电压互感器二次侧不能短路，否则会危及人身和设备安全[2]。

相比于电磁式互感器，电子式互感器有其独特的优越性，主要体现在：

（1）绝缘结构简单，造价低；（2）不含铁芯，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题，测量范围大；（3）采用光纤传输，不存在二次侧过负荷的问题，测量精度高；（4）二次侧输出光信号，没有因开路或短路而产生的危险，保证工作人员和设备的安全[3]。

2.3 二次回路简单化

在传统变电站中，二次系统依赖大量的控制电缆传输信号，接线复杂。一座变电站常常需要十几甚至几十公里长度的二次电缆，接线端子更是不计其数。大量的二次电缆所带来的电磁干扰、信号衰耗、过电压以及直流接地等问题均可能造成继电保护等二次设备出现异常情况；而每一个接线端子的错搭或异常，都可能造成严重的后果，使得建设施工、运行维护等都面临巨大的工作量和风险，施工和维护成本很高。

在智能变电站中，采用光缆代替控制电缆，由于同一根光纤可以传输不同种类的信息，这样用一根光纤就可以替代多根控制电缆来传输相同数量的信息，信息传输的载体变为成本更低廉、效率和可靠性更高、所需空间更小的光缆，实现了二次回路的简化[4]。

3 秦皇岛鲁庄110kV变电站智能化设计方案

3.1 智能变电站网络架构

根据IEC61850标准，智能变电站的网络架构可分为：三层设备，两层网络。三层设备分别是：站控层设备、间隔层设备和过程层设备；两层网络是站控层网络和过程层网络。其中，站控层设备负责全站信息的管理和远方调度等信息的通信，还具有运行协调功能；间隔层设备包括保护、计量、监控等二次设备，负责间隔内信息的运算处理与控制，以及与过程层和站控层的网络通信工作；过程层设备主要是指智能化电气设备的智能化部分，其功能有三类：电气量参数检测、设备健康状态检测和操作执行与驱动。站控层网络和过程层网络分别由站控层网络交换机和过程层网络交换机实现，站控层网络属于数据非实时传输的网络，可以实现间隔层设备与站控层设备之间的通信以及间隔与间隔之间的非实时通信；过程层网络属于数据实时传输的网络，可以用来实现间隔层设备与一次智能设备之间的通信，主要传输采样值和GOOSE信息。这两层网络在物理上分开。

3.2 秦皇岛鲁庄110kV智能变电站二次系统配置方案

鲁庄110kV智能变电站计算机监控系统按开放式分层分布式结构配置，系统结构由站控层、间隔层和过程层组成，采用三层设备两层网络。

站控层配置符合IEC61850标准的监控、远动、信息一体化平台、网络打印机等。监控系统集成VQC、五防一体化、程序化控制等功能，实现智能变电站信息平台一体化和功能集成化。站控层采用100M电以太网，并按照IEC61850规约进行系统建模和信息传输，主控室与开关室之间的交换机通过光纤按单网星型结构级联。

间隔层由保护、测控、计量、故障录波等若干个二次子系统组成，在站控层及网络失效的情况下，仍能独立完成间隔层设备的就地监控功能。

过程层由互感器、合并单元、智能终端等构成，完成与一次设备相关的功能，包括实时运行电气量的采集、设备运行状态的监测、控制命令的执行等。各层设备均支持IEC 61850协议，传输介质采用光纤传输。

变电站配置一套全站公用的时间同步系统，主时钟双重化配置，支持北斗和GPS系统。站控层设备采用SNTP网络对时方式，间隔层和过程层设备采用IRIG-B对时方式。

结论

智能变电站建设在国内还处于起步阶段，新技术、新设备还在不断探索完善中，各项规范也在不断的修订和补充。相信随着科技水平的提高和实践经验的积累，智能变电站会成为新技术新设备等优秀科技成果集中应用的智能平台，为我国智能电网建设提供坚强有力的支撑和保障。

以鲁庄站为代表的秦皇岛地区110kV智能变电站的建设，不仅能满足地区用电负荷增长的需求，更深远的意义则是秦皇岛地区第一批智能变电站的实现。其设计、施工将为秦皇岛地区以后的电网规划和建设提供重要标杆和样本，将是秦皇岛地区电力技术革新的标志性事件。

参考文献

[1]辛耀中，王永福，任雁铭.中国IEC61850研发及互操作试验情况综述[J].电力系统自动化：2007，31（12）.

[2]钱玉春，袁敬中，赵琳，任雁铭.唐山郭家屯220kV数字化变电站工程实践.第二届数字化变电站及IEC61850标准应用论文选：2009.

[3]张文亮，汤广福，查鲤鹏，贺之渊.先进电力电子技术在智能电网中的应用[M].中国电机工程学报：2010，4（2）.

[4]李士林，高志强，王艳.变电站的智能化发展方向分析[J].河北电力技术：2010，29（1）.