智能变电站自动化系统

智能变电站自动化系统重庆大学电气工程学院重庆大学国家输变电工程重点实验室重庆新世杰电气股份有限公司2014.01前言智能电网概述第一章智能变电站概述第二章XSJ-1500智能变电站系统第三章智能变电站关键技术第四章智能变电站工程实施主要内容前言建设坚强的智能电网智能变电站是智能电网的重要组成部分以物理电网为基础(中国的智能电网是以特高压电网为骨干网架、各电压等级电网协调发展的坚强电网为基础)，将现代先进的传感测量技术、通讯技术、信息技术、计算机技术和控制技术与物理电网高度集成而形成的新型电网。它以充分满足用户对电力的需求和优化资源配置、确保电力供应的安全性、可靠性和经济性、满足环保约束、保证电能质量、适应电力市场化发展等为目的，实现对用户可靠、经济、清洁、互动的电力供应和增值服务。-----中国电力科学研究院智能电网带来价值-电力企业国家智能电网战略规划电网基础体系技术支撑体系智能应用体系标准规范体系一个目标三个阶段两条主线四个体系五个内涵构建以特高压电网为骨干网架、各级电网协调发展的统一坚强智能电网技术上实现信息化、自动化、互动化管理上实现集团化、集约化、精益化、标准化

2009-2010年：规划试点阶段2011-2015年：全面建设阶段2016-2020年：引领提升阶段坚强可靠、经济高效清洁环保、透明开放、友好互动六个环节发电输电变电配电用电调度通信信息平台统一坚强智能电网战略框架分三个阶段推进“坚强智能电网”的建设：2009-2010年为规划试点阶段，重点开展“坚强智能电网”发展规划工作，制定技术和管理标准，开展关键技术研发和设备研制，及各环节试点工作；2011-2015年为全面建设阶段，加快特高压电网和城乡配电网建设，初步形成智能电网运行控制和互动服务体系，关键技术和装备实现重大突破和广泛应用；2016-2020年为引领提升阶段，全面建成统一的“坚强智能电网”，技术和装备全面达到国际先进水平。

智能变电站smartsubstation就是采用先进、可靠、集成、低碳、环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能，实现与相邻变电站、电网调度等互动的变电站。1.智能变电站保护测控集成优化在线式一体化五防程序化控制与系统联锁设备状态监测及检修事故异常专家分析系统智能检测及控制(物联网)无人巡视支撑平台信息共享第一章智能变电站概述•

过程层：又称为设备层，主要指变压器站内的变压器、断路器，隔离

开关及其辅助触点，电流、电压互感器等一次设备。•

间隔层：包括测量、控制组件及继电保护组件。•

站控层：又称变电站层，大致包括站控系统、站监视系统、站工程师

工作台及与电网调度中心的通信系统。•

智能终端：又称智能操作箱，就地实现高压开关设备的遥信、遥控、

保护跳闸等功能，并通过基于IEC

61850标准的通信接口实现与过程层的通信功能。•

GOOSE：面向通用对象的变电站事件（General

Object

OrientedSubstation

Event）。用于一次设备的操控及二次设备间的闭锁与联动,是一种通信服务机制。2.有关术语第一章智能变电站概述•

电子式互感器：一种装置，由连接到传输系统和二次转换器的一个或多个电流或电压传感器组成，用于传输正比于被测量的量，以供给测量仪器、仪表和继电保护或控制装置。•

MU合并单元（MergingUnit）：用以对来自二次转换器的电流和/或电压数据进行时间相关组合的物理单元。合并单元可是互感器的一个组成件，也可是一个分立单元。•

智能一次设备：指变电站高压电器设备（主要包括断路器、隔离开关、变压器）具有自动测量、自动控制、自动调节、自身状态监测及预警、通信功能。第一章智能变电站概述3.演进历程综合自动化数字化变电站新一代智能变电站数字保护+集控台综合自动化变电站智能变电站智能变电站性能升级第一章智能变电站概述综合自动化变电站智能变电站第一章智能变电站概述比较要点综自站智能站作用互感器电磁式互感器，模拟信号输出电子式互感器，数字信号输出测量动态范围及测量精度大大提高，避免TA饱和，TV谐振。信号采集保护测控装置内完成电子式互感器完成避免对同一信号量不同装置重复采集，简化硬件设计，便于实现数据同步及共享，便于实现跨间隔的站域保护及控制信号传输二次电缆大量采用光缆消除负载阻抗对保护及计量精度的影响，采用光数字信号传输，保证信号不受外部电磁环境影响，光信号传输隔离了一二次设备电气联系，提高了设备电磁兼容能力。传输网络现场总线标准以太网统一的接口、统一的协议、统一信息模型便于在同一项目中集成不同厂家的设备，提高了设备的互换性。设备间通信二次线实现GOOSE，MV以太网避免了复杂的二次线实现的联闭锁设计及投资，在过程层实现统一的接口及统一的协议，增加了设备间的互操作性。数据同步与共享不需要同步，不同装置间数据不能共享数据基于全站时钟同步，不同装置间数据共享数据同步是实现站域保护及控制的基础，综合自动化的时钟同步，是为了提高事件顺序记录SOE的分辨率，智能变电站的时间同步是为了数据同步。4.智能变电站与综自站比较第一章智能变电站概述新增设备替换设备新增设备作用合并器汇集各个采集点的数据进行数据同步，并以标准的9-2协议输出，供间隔层保护测控装置使用。智能终端完成对应一次设备的电气量、非电气量包含模拟量和开关量信号采集，接受GOOSE命令执行相关操作控制。过程层交换机实现智能设备的确定性数据传送。时钟同步系统校正站控系统及智能终端的本地时钟，实现全站数据同步采集。站域保护控制装置完成跨间隔的信号采集、保护、自动控制功能4.智能变电站与综自站比较第一章智能变电站概述通信平台网络化设备互换性

智能变电站第一章智能变电站概述一次设备智能化5.技术特征信息模型标准化设备互操作性

智能终端作为智能变电站过程层的典型设备，主要完成一个间隔内一次设备位置和状态告警信息的采集和监视，并通过GOOSE规约将数字信息上传到间隔层设备。智能终端同时接收间隔层设备的GOOSE命令完成对一次设备的智能控制，实现了常规开关接入智能变电站系统。智能终端+常规断路器是一种有效的过渡手段。未来的发展方向，是电力电子取代机械回路，大大简化二次接线、不需要智能终端的智能断路器。智能终端合并单元加热器户外智能端子箱一次设备智能化5.主要技术特征第一章智能变电站概述5.主要技术特征通信平台网络化第一章智能变电站概述数据属性逻辑节点数据对象逻辑设备物理设备PHDLDLNDODA实际的保护装置公用/保护/测量/控制/录波StrOp保护动作保护启动generalphsAphsBphsC是否动作（总）A相是否动作B相是否动作C相是否动作接地距离I段：PDIS1接地距离II段：PDIS2接地距离III段：PDIS31100分层模型信息模型标准化5.主要技术特征第一章智能变电站概述5.主要技术特征设备互换性替换第一章智能变电站概述设备互操作性5.主要技术特征站域备自投装置向各个智能终端发GOOSE命令完成全站备用电源自投功能。差动保护装置向各侧智能终端发GOOSE跳闸命令完成故障变压器切除行为。第一章智能变电站概述1)实现一次设备智能化和二次设备网络化，使变电站的整体设计、建设、运行成本降低。2)一次设备智能化主要体现在智能电子设备（智能终端）集成在GIS组合电器中，有效地减少变电站占地面积。

3)采用合并单元，解决不同设备需要重复采集同一信号带来的设备重复投资问题，采用电子式互感器，提高了信号精度及量程范围，消除电磁式CT饱和等问题。4)利用网络替代二次电缆，有效解决二次电缆交直流串扰带来的电磁兼容、传输过电压和两点接地等问题。5)基于实时以太网的网络通讯系统，利用少量的光纤取代复杂的控制电缆；保证信号传输的可靠性及设备抗电磁干扰能力.第一章智能变电站概述6.智能变电站主要优点6)在全站同一时钟同步基础上，实现全景数据（稳态、暂态、动态）的采集，保

证参数和信息的实时性、精确性和全面性；7)在一次设备智能化和二次设备网络化基础上面向对象信息建模，实现信息共享，消除信息孤岛，避免重复信息采集和减少控制接线，解决设备间的互操作问题。8)完善的智能设备、智能组件，协同完成站域控制，变电站的各种功能可共享统一的信息平台，避免设备重复，也便于变电站新增功能和扩展规模；便于实现在线式五防技术、广域式保护和联锁、广域式电压无功调节、故障隔离和定位；9)实现一次设备在线监测、状态检修，进一步提高自动化设计和管理水平，以及运行和维护效益

第一章智能变电站概述7.110kV智能变电站典型实现形式

第一章智能变电站概述交换芯片内置双环网（研发阶段）主要组网模式：点对点直采直跳（逐渐淘汰）SVGOOSE单独组网网采网跳（常用）SVGOOSE两网合一网采网跳（中低压）四网合一以太网冗余方式：单星型（110kV站）双星型（220kV站）单环网（220kV站）双环网（500kV站）设备配置方式采集器合并单元分离（户外常规断路器、常规互感器）采集器合并单元综合（户外GIS组合电器）采集器、合并单元、智能断路器终端综合（户内GIS组合电器）采集器、合并单元、智能断路器终端、保护测控设备综合综合（110kV以下户内外常规互感器及断路器）智能变电站实现形式概览

7.110kV智能变电站几种典型形式

第一章智能变电站概述7.智能变电站实现的几种形式

第一章智能变电站概述7.智能变电站实现的几种形式

第一章智能变电站概述7.智能变电站实现的几种形式

第一章智能变电站概述7.智能变电站实现的几种形式

第一章智能变电站概述交换芯片内置二次设备功能集成化1.系统结构第二章XSJ-1500智能变电站系统站控层间隔层过程层智能变电站系统结构分为三层两网。三层：站控层、间隔层、过程层两网：过程层网络负责过程层设备与间隔层设备数据交换；间隔层网络负责站控层设备与间隔层设备数据交换。站控层：监控计算机及综合服务器、时钟服务器过程层：本间隔的信号采集、保护控制功能终端，集采集器、合并单元、本地保护、测量控制间隔层：涉及多间隔信息的保护测控设备，如差动保护、备自投、电压无功控制2.技术特点1)兼容性好：保护测控设备兼容电磁式及电子式互感器两种接入模式。2)高集成度：根据国网公司优化智能电子设备IED最新需求动态，110kV及以下保护测控装置采用信号采集、信号合并、本地保护、智能操作回路为一体的智能终端，将间隔层与过程层设备充分整合，减少交换机使用，提高系统性价比及可靠性。3)层次化保护：信号采集及开关量传送通过网络通信方式实现主变保护、站域五防、站域保护和联锁、备用电源自投、站域电压无功控制等跨间隔保护测控功能，较少二次接线。4)一体化监控平台：通过系统集成优化，实现全站信息的统一接入、统一存储和统一展示，实现运行监视、操作与控制、信息综合分析与智能告警、运行管理和辅助应用等功能。

第二章XSJ-1500智能变电站系统5）统一硬件及软件平台设计，提高重用性及可靠性，降低运行维护的难度，减少了备品备件种类。6）采用可视化可编程面向对象技术开发的系统配置工具，遵循IEC61850及IEC61131-3标准将逻辑节点LN与功能模块FDB结合一体化图形化建模，实现“虚端子”的图形化灵活配置，自动生成装置配置ICD文件，降低了现场工程实例化配置的难度。7）实现了配置文件在配置工具软件与装置硬件间图形化编辑、修改、上传、下载、导入、导出、校核等多项功能，方便用户对装置配置文件的工程维护。8)根据时钟源配置确定对时方式，多种对时方式灵活选择，实现全站数据同步采集。9)高级应用断路器动作次数及冲击电流监视，变压器温度、瓦斯在线监测，实现在线监测、故障诊断、远程诊断维护、状态检修功能。

第二章XSJ-1500智能变电站系统2.主要特点

第二章XSJ-1500智能变电站系统3.站控系统---------系统构成4.站控系统---------安全分区第二章XSJ-1500智能变电站系统MMS网：站控层与间隔层，采用单星形以太网结构(跨小室时使用光纤)；SV网：间隔层保护测控装置点对点方式直接采样，站域保护测控装置与间隔层保护测控装置的交流信号传输，按照IEC618509-2点对点或网络方式通信；GOOSE网：逻辑功能需要联、闭锁的其他装置采集的开关量信号、驱动断路器分合闸控制信号通过GOOSE组网通信方式，也可采用GOOSE的点对点协议直接驱动跳合闸。校时网：全站设置一套GPS卫星主时钟，各个电压等级设置时钟信号扩展板，时钟扩展板与主时钟间实现光纤传送IRIGB码信号，各个保护测控设备与时钟扩展板间双绞线RS-485接口连接，采用IRIGB码校时，主时钟与站控计算机组采用SNTP协议校时。第二章XSJ-1500智能变电站系统4.站控系统---------组网说明第二章XSJ-1500智能变电站系统4.站控系统---------功能体系5.系统建模变电站系统功能模型变电站设备连接属性模型智能电子设备IED能力描述模型智能电子设备IED逻辑节点内部逻辑模型第二章XSJ-1500智能变电站系统1).系统建模通过系统配置工具及IED配置工具实现，包含4个方面的建模内容系统配置工具IED配置工具第二章XSJ-1500智能变电站系统3)IED配置工具PL1500智能变电站图形化系统配置工具采用组态技术进行保护控制设备功能重构与IEC61850逻辑节点信息模型统一建模的方案，对全站系统和各IED的配置信息进行管理和设置。利用IEC61850标准模块化思想和面向对象相结合的思路，针对IED将IEC61131中PLC功能模块FDB看成是可执行多种任务的结构的控制器，通过功能模块FDB定义的配置、资源、功能块分别与IEC61850中定义的服务、LD,LN映射，将IED中各种逻辑节点映射为一个个的功能块FDB。

4)IED信息建模树形层次结构第二章XSJ-1500智能变电站系统智能终端节点树型结构数据类型节点树结构第二章XSJ-1500智能变电站系统5)IED逻辑功能建模工程实施时，IED功能配置中，一系列图形化的逻辑节点LN功能块与逻辑与非门配合，基于组态思想搭建起来，第一，构建出智能终端IED各逻辑节点LN内部的逻辑关系；第二，构建出不同IED分布式功能逻辑节点LN之间的逻辑连接关系，从而表达出IED设备间的关联、虚拟输入/输出关系。描述功能块内部原理及逻辑关系描述功能块输入信号定义描述功能块输出信号定义及与IEC61850映射关系测量逻辑节点标识符三相电流测量CMMXU零序电流测量RESCMMXU序电流测量CSMSQI三相电压测量VMMXU6)XSJ-1500智能终端典型逻辑节点(LN)零序电压测量RESVMMXU序电压测量VSMSQI频率测量MFMMXU功率、功率因数和电能测量PWRMMTR差动电流/制动电流MDIF保护逻辑节点标识符瞬时过流保护PHPIOC限时过流保护PHPTOC方向过流保护DPHPDOC复压闭锁方向过流保护DPHPVOC负序过流保护NSPPBR正序过流保护PSPTOC零序过流保护EFPTOC本地直接跳闸DTT第二章XSJ-1500智能变电站系统保护逻辑节点标识符零序过压保护ROVPTOV热过负荷保护T1PTTR过电压保护PHPTOV低电压保护PHPTUV正序过电压PSPTOV正序低电压PSPTUV负序过电压NSPTOV三相不平衡电压保护REVPVCB保护逻辑节点标识符低频保护DAPTUF过频保护DAPTOF后加速保护CVSOF过负荷保护PHPDPR圆特性相间距离保护RPHPDIS多边形相间距离保护QPHPDIS圆特性接地距离保护REFPDIS多边形相间距离保护QEFPDIS第二章XSJ-1500智能变电站系统6).XSJ-1500智能终端典型逻辑节点(LN)保护逻辑节点标识符远方直接跳闸RTT分相电流差动保护PLDF零序电流差动保护EFPLDF涌流制动INRPHAR断路器失灵保护CCBRBRF电网振荡检测/闭锁PHRPSB故障定位SCEFRFLO故障录波模块DRRDRE保护逻辑节点标识符两侧差动保护2WPTDF两侧有限的接地故障保护2WEFPNDF多侧差动保护5WPTDF多侧有限的接地故障保护5WEFPNDF母线差动保护BUSPMDF保护跳闸条件TRPPTRC第二章XSJ-1500智能变电站系统6).XSJ-1500智能终端典型逻辑节点(LN)状态监测逻辑节点标识符断路器状态监视SSCBR电流输入回路监视功能CCRDIF电压输入回路监视功能SEQRFUF通用监视模块COGGIO检修状态CHEDGGIO控制逻辑节点标识符远方就地选择开关LOCREM间隔控制功能块QCCBAY控制开关功能模块GNRLCSWI断路器控制DAXCBR隔离开关控制DAXSWI开关联锁功能SCILO同期检测模块SYNCRSYN重合闸模块DARREC备自投模块DAATS功率因数控制块COPPFR分接开关控制及监测YLTC冷却系统自动控制ACCO电能质量逻辑节点标识符电流波形畸变测量CMHAI电压波形畸变测量VMHAI短时电压变化测量UVQVVR第二章XSJ-1500智能变电站系统6).XSJ-1500智能终端典型逻辑节点(LN)第三章智能变电站关键技术1.硬件平台第三章智能变电站关键技术2.软件平台---软件构架3.通信服务智能变电站智能间隔层IED智能终端对外提供以下三种通信服务，三种通信服务是实施智能变电站通信系统的重要内容：MMS通信服务用于间隔层IED智能终端对站控系统的通信；GOOSE通信服务用于间隔层IED智能终端之间的状态变位及控制信息通信；SV通信服务用于间隔层IED智能终端与合并单元的通信之间模拟量采集的信息传输。模拟量合并单元智能终端SVGOOSE开关量监控主机MMS保护动作信息/异常告警信息定值信息/录波信息等

在数字通信系统中，广泛采用客户服务器模式，就每个信息传送而言，提供信息的一端叫服务端，接受信息的一端叫客户端，因此对于每个IED装置而言就是对外提供MMS，GOOSE，SV通信服务。智能变电站的信息交互是以面向对象的信息模型为基础的，信息模型是以一系列树状结构的链表为表现形式，IEC61850标准按以下4个模型文件分别表征智能变电站的信息及配置的关联关系

SSD：系统规格文件一次系统接线图和相关逻辑节点SCD：全站系统配置文件

一次系统、二次设备及其与一次设备的关联、通信系统是最完整的描述ICD：IED设备能力描述文件

功能，信息模型和服务模型CID：IED实例配置文件

二次设备模型、与一次系统的关联、通信参数第三章智能变电站的关键技术4.系统建模第四章智能变电站工程实施1）

智能变电站的运行模式选择3）网络配置要求有人值守、无人值守2）智能变电站的一次设备常规断路器及电磁式互感器常规断路器及电子式互感器户外GIS组合电器户内GIS组合电器MMS/GOOSE/SV分别组网MMS独立组网，GOOSE/SV分别组网MMS/GOOSE/SV三网合一4）二次设备配置要求合并单元与智能终端分开配置合并单元与智能终端组合配置合并单元、保护测控、智能终端合并配置5）系统集成要求SCADA、继电保护信息管理、智能五防等站控功能与安防、在线监测分别配置建立一体化监控平台:SCADA、继电保护信息管理、智能五防等站控功能与安防、在线监测集成配置1.智能变电站的设计类别名称型号适用范围及功能简介站控层系统功能配置软件PL1500XSJ-1500智能变电站系统配置工具，同时具备该系列过程层、间隔层装置IED的功能及信息配置功能。可灵活的生成、修改、重新调用、下载和导出XSJ-1500系列装置的配置私有文件、基于IEC61850协议的标准ICD文件、CID文件、SCD文件；支持IEC61850协议SCL模型解析，支持在线调试。IEC-61850通信网关XSJ-1690I针对变电站自动化系统而开发的一种通信及规约转换装置，将变电站内其他非IEC61850的IED的通讯协议转换为标准的IEC61850-8-1协议。站控层监控软件系统X1000X1000站控层软件系统由SCADA监控系统软件、操作工作站软件、维护工程师站软件、继保工程师站软件、五防工作站软件、远动工作站软件等软件模块组成。2.智能变电站的二次设备及软件组成第四章智能变电站工程实施类别名称型号适用范围及功能简介间隔层馈线保护测控装置XSJ-1510具备35kV及以下线路保护测控所有功能，支持有源线路保护及同期，支持本间隔电流、开关量信号、母线电压的直接采集，具备独立操作回路，支持9-2、GOOSE、MMS协议。电容器保护测控装置XSJ-1540具备10kV电容器保护测控所有功能，支持本间隔电流、开关量信号、消弧线圈及母线电压的直接采集，具备独立操作回路，支持9-2、GOOSE、MMS协议。站用变保护测控装置XSJ-1515具备站用变保护测控所有功能，支持本间隔电流、开关量信号、母线电压的直接采集，具备独立操作回路，支持9-2、GOOSE、MMS协议。高压线路保护测控装置XSJ-1520具备110kV的输电线路保护测控所有功能，支持本间隔电流、开关量信号、母线电压的直接采集，具备独立操作回路，支持9-2、GOOSE、MMS协议。2.智能变电站的二次设备及软件组成第四章智能变电站工程实施类别名称型号适用范围及功能简介间隔层变压器主保护测控装置XSJ-1522具备两圈主变主保护所有功能，支持主变两侧电流、零序电流直接采集，支持9-2、GOOSE、MMS协议。三圈变差动保护装置XSJ-1523具备三圈主变主保护所有功能，支持主变两侧电流、零序电流直接采集，支持9-2、GOOSE、MMS协议。变压器后备保护测控装置XSJ-1524具备主变两侧后备保护、测控所有功能，支持主变两侧电流、高低压母线电压、零序电流、零序电压、相关开关量直接采集，具备独立操作回路，支持9-2、GOOSE、MMS协议。1.智能变电站的二次设备及软件组成第四章智能变电站工程实施类别名称型号适用范围及功能简介间隔层母线保护装置XSJ-1550适用于110kV各种电压等级的单母线、单母线分段、双母线、双母线分段主接线方式并可满足有母联带旁路运行方式主接线系统的要求，通过各间隔层设备采集、通过9-2协议传输模拟量、母线运行方式及母线保护跳闸命令由GOOSE协议传送到间隔的保护测控装置或合并单元，通过MMS协议与站控系统通信。站域综合测控装置XSJ-1560适用于110kV变电站实现站域无功补偿、站域备自投、站域接地选线、站域低周减载、一键控制、五防闭锁等功能，通过9-2协议传输模拟量、保护、自动控制命令命令由GOOSE协议传送到间隔的保护测控装置或合并单元，通过MMS协议与站控系统通信。2.