390浅谈智能变电站二次系统优化设计

1、浅谈智能变电站二次系统优化设计崔洋1,于吉垒2（ 徐州供电公司，国网经研院徐州中心，江苏省徐州市，221005）摘要：针对智能变电站自动化系统网络结构、交换机配置、二次设备功能整合与配置、状态监测系统、智能辅助系统等进行分析讨论，并结合实际工程并提出了优化设计方案。关键词：智能变电站，二次系统，优化设计。前言：围绕“节约环保、功能集成、配置优化、工艺一流”的核心理念，深入学习总结提炼已投运试点工程经验，在智能变电站设计上进一步优化集成，逐步提高智能变电站设备集成度、成熟度及经济合理性。结合结合近期完成的220kv南蔡变、九墩变等智能化变电站工程实践经验，介绍二次系统集成优化设计方案，供大家参考

2、。secondary system on intelligent substation optimization designcui-yang 1, yu- ji lei 2(state grid beijing economic and technical research institute xuzhou survey design center, jiangsu xuzhou, 221005)abstract: based on the substation automation system of intelligent network structure, switch config

3、uration and secondary equipment functional integration and configuration, the state monitoring system, intelligent auxiliary system was analyzed, and actual engineering and puts forward optimum design.keywords: intelligent substations, electrical secondary system optimize the design.1、变电站自动化系统网络优化从数

4、字化变电站试点到当前的智能化变电站，自动化系统的核心都是iec 61850标准体系。iec 61850描述的变电站自动化系统采用分层分布式结构，从逻辑上分为三层：站控层、间隔层和过程层，各地各电压等级的试点智能变电站还没有形成一个相对标准的组网方案，现阶段国内试点站的组网方案基本上是三种方式：站控层/间隔层以太网+ sv 总线+goose总线+b码对时；站控层/间隔层以太网+ sv点对点+goose总线+b码对时；站控层/间隔层以太网+ sv与goose共网+ ieee1588对时，加上“保护直采直跳”。在“试点先行”阶段，各地各电压等级的智能变电站也没有形成一个相对标准的组网方案，较为普遍的

5、“点对点直采直跳+sv网+goose网”的方案，sv与goose总线统一组网未能达到二次设备优化集成和网络化的最终目的，光缆接线多而复杂，数量与常规站电缆相当，加上odf及熔接费用，电缆投资较大。sv+goose共网在技术上是可行的。保测一体化、合并单元及智能终端一体化整合后，直采用直跳报文共用一对端口传输，既满足直采直跳的要求，又达到与网络跳闸一样简化网络、减少光缆的目的。sv与goose共网已是大势所趋。从技术经济角度分析，有以下几个原因可以说明物理共网传输方式是行的，也是必要的。分析如下：“保护直采直跳”的大前提不变，站内过程层网络对继电保护的影响已降到最小，仅余下“保护启动母差、失灵”

6、及“保护跨间隔跳母联、母分”两项goose信息在网络上传输。goose信息采用了特有的发布/订阅机有完善的超时重传机制，goose数据量和占用带宽的比例都是很小的，共网传输后的通信性能和单独组网方式，无论sv值和goose信息都不会有明显差别。过程层传输的信息除了sv采样值和goose信息外，还有少量辅助信息，如对时信息、网络设备管理信息等，这些信用各自独立的物理通道后，技术实现和运行维不方便。采用共网传输方案后，可以在保证性能的前提下，省掉大量的网络通信设备，如工业交换机，对于变电站降低投资成本，加快推广应用重要意义。采用共网传输方案后，网络化保护及控制电压切换、pt并列等辅助功能实现起来更

7、加便捷。网络通信技术的飞速发展也揭示着千兆网络通信速率、更低成本的应用方案的实用化，多种信息共网综合传输是大势所趋。采用合并单元与智能终端合一装置使sv与goose信息一起物理共网传输成为必然选择。当合并单元与智能终端分开配置时，所需的过程层交换机端口数量翻倍，交换机和光缆的成本增加，因此必需考虑组sv网的经济性。合并单元与智能终端合一装置采用同一光接口接入过程层网络，sv与goose从硬件源头上已经彻底共网。网络结构优化方案：采用“三层两网”模式，站控层/间隔层mms网采用双星形结构，goose网和sv网合并，与iec 61588信息共网传输；220kv配置双套星形网络；110kv除主变进线

8、外配置星形单网；单套配置的测控装置跨接双网。交换机配置：220kv交换机按单间隔配置，110kv交换机按双间隔配置，和组屏方式保持一致，并优化间隔交换机光口数量；主变不设独立交换机，通过主变保护连接不同电压等级网段；母联交换机、中心交换机配置优化。采用vlan方式进行流量控制，保证网络快速性和可靠性；针对工程实践中网络运行状况难以监视的问题，结合硬接点和基于管理vlan的交换机状态监视，在不增加投资的情况下，实现交换机设备运行状态的可视化。单测控跨双网并不会同时对双网造成影响，相反通过双网冗余技术，反而会提高可靠性。多间隔配一台16口交换机，采用冗余双网，可靠性可以满足要求，相比于每面保护柜配

9、置一台交换机，可大量减少交换机台数，节省大量投资。2、二次设备功能整合与配置优化通过整合系统功能，加强专业间融合，利用数据采集数字化和信息共享，提高装置集成度。随着调控一体化管理模式试点的深入及二次安全防护措施的完善，一体化信息平台应为变电站内统一的、唯一的信息平台。逐步整合变电站自动化系统、一次设备状态监测系统及智能辅助系统的独立后台主机，将其功能融入一体化信息平台，实现全景数据监测与高级应用功能。保护装置、测控装置除检修压板外，其余压板均应采用软压板；智能终端应设置相应的断路器出口硬压板。二次装置失电告警信号通过硬接点方式发送测控装置，其余告警信号可通过网络报文方式上送，每面柜内各装置失电

10、告警信号并接后发送测控装置。实现站控层信息一体化，顺控操作、源端维护、设备状态可视化、智能告警、故障信息综合分析决策、经济运行及优化控制、状态检修、辅助系统综合运行与监视。一体化信息应包括站端的scada实时数据，保护信息、安稳、状态监测、计量系统和辅助系统结果信息等准实时与非实时数据。在信息一体化的基础上，实现运行管理、调度控制、运行监视、辅助系统应用和信息综合分析与智能告警五大应用功能，各项功能通过标准数据总线和接口，实现信息的交换和流转。(1)站控层监控主机集成操作员站、工程师站、保护及故障信息子站功能，高级应用功能等。不再配置专用的微机五防系统，不再设置保护及故障信息子站，不设置低频低

11、压减负荷装置、不设置备用电源自动投入装置，其功能均由变电站自动化系统实现。(2)220kv及110kv线路、母联采用保护、测控功能一体化装置。经过整合，节省装置投资、组柜数量、交换机数量，而且简化网络结构，减少运行维护工作量和建筑面积。(3)主变测控配置优化：将主变三侧测控和本体测控按网络结构优化成两套，其中一套测控装置实现主变高压侧测控及主变本体测控功能，另一套测控装置实现主变中压侧测控及主变低压测控功能。既充分利用了现有测控装置可处理多间隔数据的能力，又保持了220kv、110kv过程层网络在物理上的独立。(4)合并单元与智能终端一体化装置：减少装置和网络交换机的数量，为简化网络结构和进一

12、步提高二次设备集成度创造条件；同时在不增加网络的复杂性的情况下，可实现“直采直跳”，提高可靠性。(5)站用一体化电源优化：优化自动切换配置，对交流供电可靠性要求较高的设备在电源末端设置ats实现自动切换，取消站用变低压侧的自动切换装置，回路简单可靠，同时避免多重ats时限失配造成重复动作，节省设备投资。简化一体化电源系统开关状态采集，取消交直流馈线采集模块，仅需实现脱扣报警。(6)故障录波与网络分析仪整合：故根据对故障录波、网络分析仪共性的分析，两者数据源、功能性质一致，将故障录波、网络分析仪整合。减少相关软、硬件的配置和二次屏柜的数量，节约运行维护费用。(7)优化电流互感器二次绕组配置，实际

13、应用中及少有互感器的二次绕组故障，二次绕组数量多可靠性不一定就高。两套主保护应分别接入电流互感器的不同二次绕组，后备保护与主保护共用二次绕组；故障录波器与保护共用一个二次绕组；故障测距装置与合并单元串接共用保护用二次绕组；测量、计量宜共用二次绕组。(8)推荐220kv和110kv部分独立配置数字电能表，与保护测控装置集成布置；10kv部分采用多功能合一装置，取消了常规电能表，如计量关口时，可增加常规电能表。减少了电表屏位数量，光缆连接更简洁，具有明显的经济技术效益，可作为今后智能变电站数字计量系统的参考依据。二次设备的集成整合，体现了全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化的特征，是智能

14、变电站发展的必然结果。3、状态监测系统配置优化本着“安全可靠、技术先进、合理造价、性能价格比最优和适宜推广”的原则，在广泛调研和工程实践的基础上，提出了一次设备在线监测的优化方案。(1)状态监测系统后台与辅助系统主机整合成综合应用服务器，通过安全隔离装置与站内自动化系统相连，实现状态监测与可见光视频、红色热成像数据的综合应用，实现设备的状态检修。(2)主变压器状态监测主要配置油温、微水、铁芯接地电流和油中气体监测。对dga各种监测原理对比论证后选择了基于燃料电池法的油中溶解气体监测dga监测。变压器油温反映了主变过热、绝缘老化等异常工况，一直都是重要的监测对象，采用pt电阻作为测温传感器，技术

15、成熟可靠，工程应用经验丰富。推荐配置顶层、底层油温监测。油中溶解气体分析(dga)是一项光谱诊断技术，对大部分缺陷或故障都能反映，且可实现在线监测，无需设备停电，具有很高的技术经济价值，大约40%的缺陷或故障都是通过dga发现的。同时，近年来国内在数字化智能化变电站建设之前也已大量的应用了dga在线监测技术，积累了大量的应用经验，相关技术和产品也较为成熟，对变压器设备运行管理发挥了积极的作用。因此dga是变压器状态监测的首先监测项目。铁心接地电流监测可以方便可靠的实现，采用一穿心式结构的电流互感器即可，接地线穿过该互感器，既保证接地回路通流的一致连续性，也可有效实现铁心接地电流的检测，推荐配置

16、铁心接地电流监测。套管状态监测一般采用高性能单匝穿心式微小电流传感器技术测量高压套管的介质损耗、等效电容或泄漏电流等参量。但由于需要改变套管末屏原有的接地方式，存在因接触电阻增加而导致接地回路阻值升高的可能性；当雷电波侵入时，引起套管末屏电压升高而有可能造成套管爆炸。据调研，由于主变出线套管因安装介损监测系统而导致套管爆炸的事故已经发生多例。本着保障一次设备运行安全的原则，不推荐配置主变套管监测。(3)220/110kv gis配置气体密度监测。结合国产gis和状态监测技术发展水平现状，推荐所有气室配置带硬节点输出的电子式密度传感器，并取代原有机械式密度计，实现状态监测和闭锁双重需求。sf6气

17、体是gis设备的最主要绝缘组分部分，sf6气体状态监测主要有密度和微水两个指标。建议所有气室取消常规机械式密度继电器，采用电子式密度传感器，要求可同时输出420ma和报警节点信号；考虑到微水导致的gis设备故障的几率并不是很高，不推荐对微水进行在线监测。(4)220kv避雷器配置全电流和放电次数监测，通过技术经济比较，取消阻性电流监测。避雷器的状态监测主要有全电流和阻性电流监测，全电流与避雷器的绝缘状态间的关联度不如阻性电流。全电流监测实现十分简单，在常规的在线监测仪上加装通信接口，实现420ma输出即可，装置费用与常规相比每台价格增加0.6万元。阻性电流监测装置相对复杂，阻性电流的检测有赖于

18、母线电压、系统频率、谐波电压和环境温湿度的参量检测，装置复杂，但可直观反映避雷器绝缘状况；如配置阻性电流在线监测，每套装置约12万元。目前，220kv避雷器招标价格仅3万元左右，110kv避雷器招标价格仅1.5万元左右，阻性电流监测装置与设备自身费用相比占比较高，经济性较差。此外根据中电联发布的高压设备可靠性指标，近十年来避雷器可用系数大多在99.8%左右，设备自身可靠性较高，配置阻性电流监测装置的技术必要性较低。综合价格因素以及避雷器自身的可靠性水平，推荐220kv避雷器仅配置全电流和放电次数状态监测装置。(5)全面整合状态监测ied，按电压等级和监测参量设置ied，以220kv南蔡变为例，

19、全站本期仅设置5套状态监测ied，减少了ied数量。ied均布置于就地智能组件柜，不再设置ied柜。(6)不推荐配置主变压器与gis局部放电状态监测装置。分析如下：常规的主变压器局部放电监测有脉冲电流法、dga法、超声波法、riv法、光测法、射频监测法和化学方法等，目前常见的是脉冲电流法和超声波法。脉冲电流法通常被用于变压器出厂时的型式试验以及其他离线测试中，离线测量灵敏度高，但抗干扰能力差，无法实现在线状态监测。超声波法采用天线接收技术，超声波法传感器灵敏度很低，投资太高（每台变压器局放状态在线监测装置约5080万元）。变压器的剩余寿命与局部放电行为之间的相关性不存在一般的规则。由于局部放电

20、发生时一般都伴随着绝缘油质的劣化，因此通过dga分析同样能对绝缘性能进行诊断，准确度上也要高于局放监测。安装局放传感器得不偿失。局放在线型监测装置一个220kvgis每间隔约68个测点，价格约20万元，成本太高，预制传感器到gis设备内部反而降低设备可靠性，影响一次设备本体安全。根据运行经验，断路器局放故障一般发生在进行现场验收试验时或在投运12年内，这一期间多发生在质保期内，此时的设备损坏由厂家负责维修，不会产生维修费用，而系统一般具备n-1能力，损失负荷可忽略不计。设备就进入了稳定期，发生故障的概率大幅降低，装设局放监测的必要性并不明显，且性能价格比太低。不建议推广。4、智能辅助系统功能优

21、化智能辅助控制系统是从智能变电站建设之初就提出的概念，其目的是将变电站内分散的图像监视及安全警卫系统、火灾报警系统、环境监测系统、采暖通风系统、给排水系统、照明系统等各个子系统整合在一起，使其由一个个独立的小型自动装置变为具备对话功能的智能设备，实现内部信息交互，在此基础上实现部分联动功能，减轻运行人员工作量，提高辅助设施的自动化程度。从试点工程实施情况来看，操作时的视频跟随功能实施难度较大。从生产需求分析，现阶段辅助系统宜实现两项功能：变电站事件发生时实现goose联动并录像，为事后分析提供第一手材料；实现视频技术与红外热像诊断相结合，辅助状态检修。站内设置综合应用服务器，整合状态监测与智能

22、辅助系统数据，实现数据的高级处理功能。视频与goose联动采用串口单向连线来实现物理隔离，确保安全防护的可靠性。将变电站的辅助系统分为视频子系统、安防子系统、环境监测子系统没有实际意义，实际操作时就等同于视频系统，将其做为一个系统来论述更为合理，即只有一套智能辅助系统集成了视频、安防、环境监测的功能。火灾报警做为一个独立的消防系统，宜列在视频系统之外，采购时应符合当地消防部门的规定，火灾报警系统实现与辅助系统的联动。嵌入式服务器实现与综合应用服务器的数据交互，并与自动化系统经串口相连实现联动。优化措施主要包括集成视频服务器、环境监测单元和后台服务器，采用一台站端处理单元接入所有辅助设施；用网络

23、高清摄像机取代传统的模拟摄像机；通过对空调、风机的控制策略进行优化，减少了温湿度传感器的数量，优化智能模块配置数量；这些措施的采用优化了系统的设备和功能配置，在满足规范和运行需求的前提下，减少设备投资。5、总结：国家电网将在“十二五”期间建成智能变电站6000座，已经引起业界瞩目。显示了国家电网推动智能电网发展的决心。计算机技术、信息技术、光电技术、网络技术的发展使电力系统自动化、继电保护及自动控制技术产生了新的变革，从而使得保护、监控、测量、远动、通信、计量等专业学科间的界限越来越模糊，智能化变电站的建设使得传统意义的电气一次、二次、三次专业的界限无法划分。在国家电网的引领与推进下，智能变电

24、站建设正如火如荼。设计是工程建设的龙头，并贯穿整个过程，影响工程的造价、质量、技术的先进性实用性等。优化设计尤为重要，应引起各级领导重视。国网公司2011年539号文智能变电站优化集成设计建设指导意见的提出，为建设两型一化的智能化变电站指明方向，进一步强调了智能变电站的优化整合的设计思想。随着高压电气设备可靠性不断提高，保护及自动化功能更完善和强大，智能组件和高压设备进一步融合。一座座新型的智能化变电站将应运而生，为扎实推进智能电网建设打下坚实基础。参考文献1 刘振亚，110（66）750kv智能变电站通用设计，北京：中国电力出版社，2011； liu zhen-ya, the 110 (66

25、) to 750 kv substations general intelligent design, beijing: china power press, 2011;2 q/gdw 394-2009330kv750kv 智能变电站设计规范； q/gdw 394-2009 330 kv 750 kv substations intelligent design code;3 q/gdw 393-2009110（66）kv220kv 智能变电站设计规 q/gdw 393-2009 110 (66) kv 220 kv substations intelligent design code;4

26、qgdw 441-2010智能变电站继电保护技术规范；q/gdw 441-2010 intelligent substation relay protection technical specifications;5 汤汉松 周东顶 罗强，数字化保护的过程层网络应用，智能电网高级论坛； ang han-song ,zhou ding-dong ,luo qiang, the process of digital protection layer of network application, intelligent power grid senior bbs;6 冯庆东，智能变电站关键技术研究

27、，中国电力科学研究院。 feng qing-dong, key techniques of intelligent substation, china power science research institute.7 杨贤勇 柏嵩 丁杰 龙良雨 华小兵 张军，500kv苏州东变电站智能化技术方案与实现，电力系统自动化2011年05期； yang xian-yong ,bai song ,ding-jie ,long-liangyu ,hua-xiaobing ,zhang-jun, 500 kv substations suzhou east of intelligent technology scheme and implemen