摘要：分析了智能變電站存在的主要問題，提出了智能變電站二次系統(tǒng)運(yùn)維單元應(yīng)與一次系統(tǒng)間隔相匹配的原則，指出智能變電站二次設(shè)備與二次回路，包括網(wǎng)絡(luò)、軟件、配置文件和信息流，都應(yīng)按間隔配置。對(duì)二次回路進(jìn)行重構(gòu)，設(shè)計(jì)了數(shù)字二次回路裝置、互感器就地采樣模塊及基于二者的新型智能變電站二次系統(tǒng)方案。該方案可較好地解決智能變電站改擴(kuò)建難題，并保證保護(hù)動(dòng)作的快速性與采用“直采直跳”方案相當(dāng)，總體可靠性優(yōu)于就地?zé)o防護(hù)安裝方式。方案中取消了過程層網(wǎng)絡(luò)和交換機(jī)，數(shù)字二次回路裝置采用定值單方式配置，不需配置文件，對(duì)人員技能要求低，可極大提高施工調(diào)試效率。

關(guān)鍵詞:數(shù)字二次回路裝置;就地采樣模塊;智能變電站;IEC61850;就地化保護(hù)

0引言

目前，智能變電站在實(shí)現(xiàn)變電站數(shù)字化和智能化兩方面都取得了明顯進(jìn)展：1)與傳統(tǒng)變電站相比，實(shí)現(xiàn)了二次回路的數(shù)字化、光纖化。節(jié)省了大量的電纜、金屬資源和敷設(shè)成本，降低了電纜二次回路的故障率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了回路的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和智能告警。2)部分變電站自動(dòng)化系統(tǒng)高級(jí)應(yīng)用功能有較大提升，并實(shí)現(xiàn)了規(guī)范化，如順序控制等高級(jí)應(yīng)用功能可大幅提高開關(guān)、刀閘的運(yùn)行操作效率[1-2]。

但是，智能變電站建設(shè)也遇到了不少問題，存在部分二次設(shè)備穩(wěn)定性差、設(shè)備故障率高、檢測(cè)與調(diào)試手段不足、變電站運(yùn)行維護(hù)不便、改擴(kuò)建困難、部分地區(qū)一線運(yùn)行管理薄弱和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員不適應(yīng)新技術(shù)發(fā)展等問題。針對(duì)這些問題，至今仍無(wú)有效的系統(tǒng)性解決方案。分析智能變電站上述問題的主要原因，可歸納為3個(gè)方面：

(1)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜性[3]。該標(biāo)準(zhǔn)體系龐大、卷帙浩繁，對(duì)普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)內(nèi)容艱深，較難掌握。按IEC61850標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的智能變電站，全站采用一個(gè)SCD文件配置全部二次設(shè)備之間信息的交換，一處變更會(huì)影響全站。智能變電站系統(tǒng)運(yùn)行依賴全站SCD文件和裝置的CID文件，配置方法較難掌握，供調(diào)試運(yùn)維檢修人員使用的IEC61850工具也很不完善，人機(jī)接口不友好，使用不方便。

(2)電子式互感器的可靠性[4-5]。電子式互感器既存在本體器件質(zhì)量、制造安裝工藝、數(shù)據(jù)處理可靠性問題，也存在合并單元的可靠性問題，后者因素不容忽視，且其與就地化安裝方式、智能變電站體系架構(gòu)互相關(guān)聯(lián)。

(3)智能變電站體系架構(gòu)的復(fù)雜性。智能變電站總體是三層(站控層、間隔層、過程層)兩網(wǎng)(站控層網(wǎng)、過程層網(wǎng))結(jié)構(gòu)。監(jiān)控系統(tǒng)及其他設(shè)備采用網(wǎng)絡(luò)采樣、網(wǎng)絡(luò)跳閘。繼電保護(hù)為保證快速性、可靠性，采用直采直跳，聯(lián)閉鎖信號(hào)傳送仍通過網(wǎng)絡(luò)。最終導(dǎo)致過程層結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，設(shè)備接口數(shù)量多，設(shè)計(jì)制造難度大，運(yùn)行問題多。

上述3個(gè)問題實(shí)際上互相糾結(jié)，難以分別解決，迫切需要一個(gè)系統(tǒng)性的解決方案。

1設(shè)計(jì)思路

1.1技術(shù)原則

新型智能變電站二次系統(tǒng)應(yīng)繼承前兩代智能變電站建設(shè)運(yùn)行維護(hù)的寶貴經(jīng)驗(yàn)，采用經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)的關(guān)鍵技術(shù)原則。主要原則包括：

(1)堅(jiān)持采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)。

(2)既支持使用電子式互感器，也支持使用常規(guī)互感器。

(3)繼電保護(hù)設(shè)備獨(dú)立、分散配置，不依賴于外部對(duì)時(shí)，并保證系統(tǒng)反應(yīng)的快速性和可靠性。

(4)二次系統(tǒng)運(yùn)維單元應(yīng)與一次系統(tǒng)間隔相匹配。目前智能變電站堅(jiān)持了二次設(shè)備按間隔配置，但沒有明確二次回路按間隔配置的原則，這是造成單個(gè)間隔一次或二次設(shè)備運(yùn)行維護(hù)和改擴(kuò)建困難并且一處變動(dòng)會(huì)影響到全站的癥結(jié)所在。實(shí)際上，智能變電站二次回路發(fā)展演變?yōu)楣饫w網(wǎng)絡(luò)及相應(yīng)的軟件、配置文件和信息流，二次回路按間隔配置的原則被實(shí)現(xiàn)方式的表象掩蓋并被忽略。為此，本文提出，智能變電站二次設(shè)備與二次回路(包括網(wǎng)絡(luò)、軟件、配置文件和信息流)都應(yīng)按間隔配置，不能再擴(kuò)大，以保證二次系統(tǒng)運(yùn)維單元與一次系統(tǒng)間隔相匹配。這一原則是下一代智能變電站能夠取得成功的關(guān)鍵。

1.2技術(shù)路線

新型智能變電站總體技術(shù)路線是在現(xiàn)有智能變電站技術(shù)方案基礎(chǔ)上進(jìn)行的簡(jiǎn)化和調(diào)整，以形成清晰簡(jiǎn)潔的體系結(jié)構(gòu)，從而提高智能變電站的運(yùn)維方便性和運(yùn)行可靠性，達(dá)到可大規(guī)模、高效建設(shè)智能變電站的目的，同時(shí)方便改造已建智能變電站。

(1)簡(jiǎn)化IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在智能變電站的應(yīng)用;或制定適用于中國(guó)現(xiàn)狀的部分分項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)、條款，或提出中國(guó)方案。

(2)將調(diào)試運(yùn)行維護(hù)軟硬件工具作用提升到戰(zhàn)略高度，重點(diǎn)提升用戶體驗(yàn)。開發(fā)以功能為導(dǎo)向的配置和調(diào)試工具，使IEC61850標(biāo)準(zhǔn)對(duì)用戶透明。

(3)研究提出可同時(shí)滿足保護(hù)、測(cè)控等多專業(yè)核心要求，且清晰、簡(jiǎn)潔的體系架構(gòu)，可考慮取消過程層網(wǎng)絡(luò)和交換機(jī)。

(4)二次回路(包括網(wǎng)絡(luò)、軟件、配置文件和信息流)按間隔配置。將全站SCD文件按間隔解耦，將裝置CID文件按過程層、間隔層、站控層解耦，分別形成獨(dú)立的小配置文件(或部分不再使用配置文件)，小配置文件修改互不干擾，并便于修改后局部傳動(dòng)驗(yàn)證。

(5)取消或簡(jiǎn)化電子式互感器的合并單元，提升互感器運(yùn)行可靠性。

(6)保持繼電保護(hù)裝置就地化安裝方式的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)避免就地化安裝方式可能帶來(lái)的運(yùn)維不便等缺點(diǎn)。

(7)提高變電站二次系統(tǒng)集成聯(lián)調(diào)效率。

2基于數(shù)字二次回路裝置的智能變電站過程層改進(jìn)方案

智能變電站二次回路發(fā)展演變?yōu)楣饫w網(wǎng)絡(luò)及相應(yīng)的軟件、配置文件和信息流，但仍應(yīng)按間隔配置，以保證二次系統(tǒng)運(yùn)維單元與一次系統(tǒng)間隔相匹配。為此設(shè)計(jì)了一種新型的數(shù)字二次回路裝置，該裝置按間隔配置，無(wú)需配置文件，只要簡(jiǎn)單整定甚至無(wú)需整定。

下文將分別介紹單/雙母線接線的線路間隔、母線間隔和全站二次系統(tǒng)總體架構(gòu)。然后以TV間隔、母聯(lián)(分段)間隔、主變間隔為例介紹方案。

2.1單/雙母線接線的線路間隔方案

每個(gè)間隔配置一臺(tái)數(shù)字二次回路裝置，該裝置完成本間隔內(nèi)所有二次回路連接功能，對(duì)下連接本間隔開關(guān)場(chǎng)電流互感器、電壓互感器、斷路器智能終端、TV間隔電壓輸入，對(duì)上連接本間隔保護(hù)、測(cè)控等裝置，并連接母線保護(hù)裝置，如圖1所示。

數(shù)字二次回路裝置具備多種類型通信接口，可靈活接入多種裝置的接口。傳輸采樣值時(shí)，對(duì)每一相電流、電壓都附帶采樣延時(shí)。采樣延時(shí)可測(cè)可知并有可能保持固定。該裝置可完成類似常規(guī)變電站中TA串聯(lián)、TV并聯(lián)、繼電器接點(diǎn)接續(xù)(含跳合閘命令、聯(lián)閉鎖信號(hào)、位置狀態(tài))等功能。母線保護(hù)所需的電流、電壓、位置信號(hào)及跳閘命令皆由此裝置傳遞。母線保護(hù)與線路保護(hù)之間啟動(dòng)、閉鎖信號(hào)也由該裝置傳送。

過程層取消電子式互感器合并單元，互感器采樣模塊(遠(yuǎn)端模塊)直接連接數(shù)字二次回路裝置。采用傳統(tǒng)互感器時(shí)，TA采樣模塊與TV采樣模塊分開配置。智能終端采用現(xiàn)有設(shè)計(jì)和配置方案，基本保持不變。智能終端通信接口與數(shù)字二次回路裝置連接。

2.2母線間隔方案

母線間隔二次設(shè)備配置及連接與線路間隔有所不同。母線保護(hù)所需的各電氣量、開關(guān)量及對(duì)各連接元件的跳閘命令，通過各個(gè)連接元件間隔的數(shù)字二次回路裝置傳輸，方案如圖2所示。

為進(jìn)一步提高母線保護(hù)的可靠性，也可以為母線保護(hù)設(shè)單獨(dú)的數(shù)字二次回路裝置。配置與接線和圖2類似，不再展開敘述。

2.3TV間隔方案

TV間隔數(shù)字二次回路裝置采集各母線電壓互感器就地采樣模塊送來(lái)的電壓采樣值和TV刀閘位置信號(hào)，并完成TV電壓并列功能。TV間隔數(shù)字二次回路裝置具有較多的輸出接口，將電壓信號(hào)送給各線路間隔等的數(shù)字二次回路裝置。該裝置功能與現(xiàn)有母線TV合并單元類似，如圖3所示。

備注：各線路間隔的電壓切換功能由保護(hù)裝置完成。數(shù)字二次回路裝置只做報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)，不做邏輯功能。

2.4母聯(lián)(分段)間隔方案

母聯(lián)(分段)間隔二次設(shè)備配置及連接與線路間隔較為相似，如圖4所示，不再詳述。

2.5主變間隔方案

主變間隔二次設(shè)備配置與連接原則與線路間隔相同，主變各側(cè)分別配置1臺(tái)數(shù)字二次回路裝置，方案如圖5所示。

2.6智能變電站二次系統(tǒng)總體架構(gòu)

按照上述設(shè)計(jì)思路，智能變電站體系結(jié)構(gòu)中不再有過程層網(wǎng)絡(luò)和交換機(jī)，各間隔二次設(shè)備及二次回路分別自治。站控層設(shè)備和站控層網(wǎng)絡(luò)基本保持不變。變電站對(duì)時(shí)系統(tǒng)與現(xiàn)有方案相同，各互感器就地采樣模塊接入對(duì)時(shí)信號(hào)，采樣值帶采樣標(biāo)號(hào)(時(shí)標(biāo))，供測(cè)控、計(jì)量等二次設(shè)備做測(cè)量值計(jì)算時(shí)同步數(shù)據(jù)使用，而保護(hù)裝置功能實(shí)現(xiàn)不依賴此對(duì)時(shí)系統(tǒng)。典型的基于數(shù)字二次回路裝置的220kV變電站二次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

由于取消了過程層網(wǎng)絡(luò)和交換機(jī)，數(shù)字二次回路裝置也不需要IEC61850配置文件，全站SCD文件大為簡(jiǎn)化，基本上僅包含站控層設(shè)備的信息和間隔層設(shè)備與站控層相關(guān)的信息，極大減少了二次系統(tǒng)集成聯(lián)調(diào)的工作量。

3數(shù)字二次回路裝置設(shè)計(jì)

3.1功能

數(shù)字二次回路裝置是間隔內(nèi)采樣值、開關(guān)量、控制命令等信息的中轉(zhuǎn)站，2.1節(jié)中已經(jīng)描述了其基本功能，除此之外，它還應(yīng)具備以下功能特性：

(1)報(bào)文的傳輸延時(shí)可知或者穩(wěn)定。

采樣值報(bào)文的傳輸延時(shí)可知(“穩(wěn)定”也是“可知”的一種表現(xiàn)形式)是保證保護(hù)裝置功能不依賴于外部時(shí)鐘的前提條件。當(dāng)前測(cè)量采樣值報(bào)文傳輸延時(shí)的一個(gè)可行方法是通過硬件電路精確地記錄報(bào)文進(jìn)、出裝置的時(shí)刻，兩者時(shí)間差即傳輸延時(shí)，測(cè)量報(bào)文傳輸延時(shí)原理如圖7所示。

傳輸延時(shí)值添加到通信報(bào)文中，與其他主體信息一起發(fā)送給間隔層設(shè)備。采用IEC61850-9-2接口時(shí)，傳輸延時(shí)值可填入SV報(bào)文的兩個(gè)保留字段Reserved1和Reserved2中，也可以累加到采樣發(fā)送數(shù)據(jù)集中互感器額定延遲時(shí)間上;采用IEC60044-8標(biāo)準(zhǔn)的FT3接口時(shí)，傳輸延時(shí)值可累加到互感器額定延遲時(shí)間tdr字節(jié)中[6-10]。

(2)通過定值單整定配置報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)系。

該裝置與交換機(jī)外在明顯區(qū)別是通過運(yùn)維人員熟知的整定定值單方式完成對(duì)通信接口和報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)的配置。定值單示例如表1所示。

表中Ia、Ib、Ic、3I0表示a、b、c三相保護(hù)電流和零序電流，Iam、Ibm、Icm表示a、b、c三相測(cè)量電流，Ua、Ub、Uc、3U0表示a、b、c三相電壓和零序電壓，Twja、Twjb、Twjc表示斷路器三相位置信號(hào)，Tja、Tjb、Tjc、Tjabc表示跳a、b、c相斷路器和跳3相斷路器命令信號(hào)。舉例說(shuō)明，表中整定了：1)輸入口1輸入的Ia、Ib、Ic、3I0，被轉(zhuǎn)發(fā)至輸出口1和4。2)輸入口1輸入的電氣量Ia、Ib、Ic、3I0和輸入口3輸入的Ua、Ub、Uc、3U0，被同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)至輸出口1。其他依次類推。

這種以定值單形式配置裝置的做法，整定過程基于保護(hù)專業(yè)人員熟悉的自然語(yǔ)言和電氣符號(hào)，屏蔽了面向機(jī)器的通信過程和配置文件，不需要技術(shù)人員掌握復(fù)雜的IEC61850標(biāo)準(zhǔn)。另外，變電站改擴(kuò)建時(shí)，可以單獨(dú)重新整定相關(guān)間隔裝置，而無(wú)需操作無(wú)關(guān)間隔裝置。

裝置可實(shí)時(shí)顯示輸入輸出接口傳送信息的電氣量含義，運(yùn)行人員可通過與定值單比對(duì)，檢查是否存在不一致的異常情況。

(3)兼容多種通信接口，采用標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議。

裝置采用光纖接口，具備多種接口形式，接口軟硬件可配置，可兼容SV、GOOSE等多種協(xié)議。既可以支持IEC61850-9-2，也可支持通道可配置的擴(kuò)展IEC60044-8協(xié)議幀格式[7]。為滿足報(bào)文傳輸延時(shí)，可知的設(shè)計(jì)目標(biāo)，需要對(duì)現(xiàn)有上述協(xié)議做一定的擴(kuò)展，以滿足承載傳輸延時(shí)值的需要。

間隔層保護(hù)裝置的過程層接口協(xié)議和整定方式需要適當(dāng)調(diào)整和簡(jiǎn)化，并做到不需要配置文件，同時(shí)保護(hù)裝置需要根據(jù)收到的每個(gè)采樣值傳輸延時(shí)，自身完成采樣數(shù)據(jù)同步，并調(diào)整和簡(jiǎn)化過程層智能終端的接口協(xié)議，減少或消除對(duì)裝置配置文件的依賴。

3.2裝置硬件原理

為保證采樣報(bào)文在裝置中轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)可測(cè)，數(shù)字二次回路裝置設(shè)計(jì)不采用交換機(jī)芯片，硬件架構(gòu)不采用交換機(jī)式架構(gòu)，而采用常規(guī)的類似數(shù)字化保護(hù)裝置的架構(gòu)，如圖8所示。裝置包含液晶顯示器和鍵盤等人機(jī)交互接口。裝置的接口設(shè)計(jì)成插件形式，可按需靈活配置，以適應(yīng)各種外接設(shè)備不同接口類型的需要。輸入輸出接口支持硬件打時(shí)標(biāo)功能，以完成轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)測(cè)量。裝置的電磁兼容等性能和總體可靠性要求與保護(hù)裝置完全相同。當(dāng)前研制該型裝置的技術(shù)基礎(chǔ)都已經(jīng)具備，難度不大，可以從現(xiàn)有數(shù)字化裝置平臺(tái)快速改裝而來(lái)。

裝置(以某型平臺(tái)裝置為例)為標(biāo)準(zhǔn)19英寸(或19/2英寸)寬、4U高機(jī)箱。前面板配有液晶顯示器、鍵盤、指示燈和調(diào)試接口等。裝置外觀與現(xiàn)有智能變電站保護(hù)裝置基本相同。

數(shù)字二次回路裝置對(duì)可靠性要求很高，該裝置按保護(hù)裝置同等標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和檢測(cè)。裝置內(nèi)部可采用硬件自動(dòng)熱備冗余，所有信息在冗余硬件中相互鏡像并對(duì)互連裝置透明共享，由此進(jìn)一步提高裝置可靠性。由于該裝置功能較單一，主要做通信轉(zhuǎn)發(fā)，運(yùn)算性能要求不高，軟硬件設(shè)計(jì)總體較簡(jiǎn)單，可以做到比保護(hù)裝置更高的可靠性。

4互感器就地采樣模塊設(shè)計(jì)

互感器就地采樣模塊安裝于一次設(shè)備本體或現(xiàn)場(chǎng)端子箱。功能是采集電流互感器(TA)二次側(cè)電流或電壓互感器(TV)二次側(cè)電壓，也可采集開關(guān)量信號(hào)(主要采集互感器刀閘位置等開關(guān)量信號(hào))，經(jīng)過采樣變換為數(shù)字量輸出，通過輸出接口送給其他二次設(shè)備。模塊包括CPU、低通濾波器、第一A/D轉(zhuǎn)換器、第二A/D轉(zhuǎn)換器、光隔離器、電源、調(diào)試接口和若干輸出接口，其結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。

互感器就地采樣模塊的CPU外接對(duì)時(shí)信號(hào)。對(duì)時(shí)信號(hào)正常時(shí)，采樣時(shí)刻跟隨對(duì)時(shí)信號(hào)，對(duì)時(shí)信號(hào)異常時(shí)，采樣時(shí)刻由模塊自主控制。模塊的輸出接口一般有1或2個(gè)，協(xié)議支持IEC61850-9-2的SV采樣值報(bào)文、IEC60044-8標(biāo)準(zhǔn)的FT3格式及Q/GDW-441《智能變電站繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)范》中對(duì)其擴(kuò)展幀格式，也支持新定義通信協(xié)議。模塊采樣頻率初始固定為4000Hz，出廠前也可通過調(diào)試接口調(diào)整為其他統(tǒng)一規(guī)定的采樣頻率。

采樣模塊采用嵌入式軟硬件結(jié)構(gòu)，無(wú)液晶顯示。模塊防護(hù)等級(jí)不低于IP67，適應(yīng)環(huán)境溫度范圍最低—45℃，最高85℃。電磁兼容等性能指標(biāo)適應(yīng)就地化無(wú)防護(hù)安裝的要求。模塊外殼長(zhǎng)、寬、高度均在50～200mm，安裝方式可采用導(dǎo)軌式或突出式(表面)安裝方式，方便在現(xiàn)場(chǎng)端子箱內(nèi)安裝。

互感器就地采樣模塊與常規(guī)互感器配合，可代替電子式互感器，避免了電子式互感器可靠性問題，同時(shí)具有二次電纜少、互感器負(fù)載小的優(yōu)點(diǎn);模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，對(duì)環(huán)境要求低，安裝方便，成本低，可快速更換，以換代修。工作不需整定，無(wú)需配置文件，運(yùn)行維護(hù)方便。

對(duì)于電子式互感器，其就地采樣模塊就是安裝于其本體上的遠(yuǎn)端模塊。應(yīng)用本方案時(shí)，需對(duì)遠(yuǎn)端模塊進(jìn)行一定改造，使其對(duì)外接口符合上文所述通信標(biāo)準(zhǔn)要求。

5與現(xiàn)有技術(shù)方案對(duì)比分析

5.1與現(xiàn)有智能變電站采樣和跳閘方式比較

如圖10所示，其中圖(a)、圖(b)為現(xiàn)有智能變電站典型間隔的設(shè)備及接線圖。首先對(duì)比圖(a)、圖(c)，可以看出：1)現(xiàn)方案每個(gè)間隔取消了合并單元，增加了數(shù)字二次回路裝置，每個(gè)間隔設(shè)備數(shù)量沒有增加。從全站看，因無(wú)需跨間隔過程層交換機(jī)，設(shè)備總量較少。2)本方案保護(hù)裝置采樣需經(jīng)過2臺(tái)設(shè)備和2根光纖，與直接采樣方式相同，可以認(rèn)為仍符合直采的要求，此環(huán)節(jié)兩者快速性、可靠性相當(dāng)。3)本方案保護(hù)裝置跳閘需經(jīng)過2臺(tái)設(shè)備和2根光纖，比直跳方式多經(jīng)過1臺(tái)設(shè)備和1根光纖，理論估計(jì)增加延時(shí)約0.8ms(考慮100Mb/s傳輸速率，跳閘報(bào)文長(zhǎng)度為128字節(jié)，耗時(shí)為10240ns;數(shù)字二次回路裝置內(nèi)部處理時(shí)間參照合并單元的處理延時(shí)，按790µs計(jì))，基本可以忽略。

對(duì)比圖10(b)、圖10(c)，上述第2)、3)點(diǎn)結(jié)論同樣適用。在設(shè)備數(shù)量方面，圖10(b)方案每個(gè)間隔通過合并單元與智能終端合并，設(shè)備數(shù)量減少了1臺(tái)，但本質(zhì)上功能沒有變化，只是用1臺(tái)集成裝置代替2臺(tái)裝置。考慮到本方案全站無(wú)需過程層交換機(jī)，設(shè)備總量可與圖(b)數(shù)量相當(dāng)。

綜合考慮設(shè)備數(shù)量、設(shè)備復(fù)雜程度和接線等因素，本方案在快速性、可靠性和設(shè)備數(shù)量方面與采用直采直跳方案相當(dāng)或略優(yōu)。

5.2與就地化技術(shù)方案的對(duì)比

僅從對(duì)保護(hù)本身意義上來(lái)說(shuō)，保護(hù)裝置就地化的本質(zhì)目標(biāo)是：縮短二次交流電纜長(zhǎng)度，減少TA二次負(fù)載，從而改善TA飽和特性;縮短二次控制和交流電纜長(zhǎng)度，降低電纜路徑上的故障概率。客觀上保護(hù)裝置就地化的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了保護(hù)裝置按保護(hù)對(duì)象獨(dú)立、分散配置。

當(dāng)前保護(hù)裝置就地化安裝有繼保小室安裝、預(yù)制艙安裝、就地智能控制柜安裝和無(wú)防護(hù)安裝等多種形式。就目前關(guān)注度較高的無(wú)防護(hù)安裝和智能控制柜安裝兩種方式來(lái)說(shuō)，其存在的最大問題是：1)惡劣天氣現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維檢修不方便甚至影響設(shè)備與人身安全。2)對(duì)保護(hù)裝置本身的環(huán)境適應(yīng)能力要求極高。3)因就地化保護(hù)裝置本身無(wú)顯示屏和鍵盤接口，需要依賴集中配置的保護(hù)管理單元。

本方案中，就地采樣模塊就地化安裝于互感器本體附件，完成采樣后經(jīng)光纜傳送到繼保小室或預(yù)制艙，而不需要敷設(shè)二次交流電纜，完成了就地化的本質(zhì)目標(biāo)。保護(hù)裝置本體仍安裝在繼保小室或預(yù)制艙，運(yùn)行環(huán)境好，不受惡劣天氣影響，運(yùn)行維護(hù)方便、安全。本方案中，就地化無(wú)防護(hù)安裝的設(shè)備是功能和結(jié)構(gòu)都非常簡(jiǎn)單的采樣模塊，并按免維護(hù)、免整定設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性;模塊成本較低，故障后可直接更換新模塊。與整臺(tái)保護(hù)裝置就地?zé)o防護(hù)安裝方式相比，其可靠性、經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)維方便性、安全性都有明顯優(yōu)勢(shì)。

5.3配置文件的配置過程對(duì)比

目前智能變電站對(duì)配置文件的配置過程主要是：采用獨(dú)立的系統(tǒng)配置工具，按照系統(tǒng)層配置的需要，導(dǎo)入數(shù)個(gè)智能電子設(shè)備ICD文件，配置不同智能電子設(shè)備共享的系統(tǒng)信息，而后生成符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的變電站SCD文件，進(jìn)而導(dǎo)出符合標(biāo)準(zhǔn)的智能電子CID、CCD文件，然后將這些文件傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的IED中，最終構(gòu)成整個(gè)智能變電站的組網(wǎng)通信。任何ICD文件的變動(dòng)，理論上都需重新集成SCD，后續(xù)的文件自然也該重新生成。整個(gè)鏈條涉及多個(gè)環(huán)節(jié)，而且原本ICD文件未變化的IED也被牽連。

本方案按間隔配置數(shù)字二次回路裝置，且每個(gè)間隔內(nèi)的信號(hào)連接關(guān)系、與其他間隔的連接關(guān)系在該裝置內(nèi)以整定值方式體現(xiàn)，與全站SCD文件無(wú)關(guān)。因此，過程層各間隔設(shè)備整定(配置)過程及全站配置過程都顯著簡(jiǎn)化。

6對(duì)現(xiàn)有智能變電站改造的要點(diǎn)

應(yīng)用本方案對(duì)已建成智能變電站進(jìn)行改造，需注意以下幾點(diǎn)：

(1)站控層設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)基本不變。

(2)間隔層裝置可以做到硬件不改變，需要做軟件升級(jí)。主要升級(jí)過程層接口程序。

(3)按間隔增加數(shù)字二次回路裝置。取消所有過程層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。可利用原保護(hù)屏柜中空余位置安裝數(shù)字二次回路裝置。

(4)對(duì)電子式互感器取消合并單元，更換或升級(jí)遠(yuǎn)端模塊，主要是改造為具有統(tǒng)一的通信接口。對(duì)常規(guī)互感器取消合并單元，加裝就地采樣模塊。過程層智能終端保留不變。

(5)原光纜都可利用，可能還會(huì)有剩余。屏柜內(nèi)光纖數(shù)量足夠使用。

(6)改造工作符合二次系統(tǒng)運(yùn)維單元與一次系統(tǒng)間隔相匹配原則。

總體而言，若應(yīng)用本方案改造現(xiàn)有智能變電站，設(shè)備、光纜、屏柜變化不大，軟件需要升級(jí)，可行性較強(qiáng)。

7結(jié)語(yǔ)

本文提出了智能變電站二次系統(tǒng)運(yùn)維單元應(yīng)與一次系統(tǒng)間隔相匹配的原則，指出智能變電站二次設(shè)備與二次回路，包括網(wǎng)絡(luò)、軟件、配置文件和信息流，都應(yīng)按間隔配置。設(shè)計(jì)了數(shù)字二次回路裝置、互感器就地采樣模塊及智能變電站二次系統(tǒng)方案。本方案可解決現(xiàn)有智能變電站改擴(kuò)建困難的先天缺陷，保證保護(hù)動(dòng)作的快速性與采用“直采直跳”方案相當(dāng)，完全滿足相關(guān)規(guī)程要求，總體可靠性優(yōu)于就地?zé)o防護(hù)安裝方式。方案取消了過程層網(wǎng)絡(luò)和交換機(jī)，數(shù)字二次回路裝置采用整定單方式配置，不需IEC61850配置文件，對(duì)人員技能要求低，施工調(diào)試效率有望比現(xiàn)有智能變電站提高兩至三倍。目前該方案尚未取得工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，有待進(jìn)一步細(xì)化和優(yōu)化。

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曹團(tuán)結(jié)

DiscussionontheSchemeofImprovementForProcessLevelofSmartSubstationBasedonDigitalSecondaryCircuitDevice

CAOTuan-jie1,2,WUXiao-gang1,2,TANGXiao-chen1,2

(1.NanjingNARIGroupCorporation(StateGridElectricPowerResearchInstitute),Nanjing211106,JiangsuProvince,China;2.StateKeyLaboratoryofSmartGridProtectionandControl,Nanjing211106,JiangsuProvince,China)

Abstract:Thispaperanalyzedthemainproblemsofsmartsubstation,proposedtheprinciplethat“operationandmaintenanceforsmartsubstationsecondarysystemshouldbematchedwiththeoperationunitofthepowersystem”.Thispaperpointsoutthatthesmartsubstationsecondaryequipmentandsecondaryloop,includingnetwork,software,configuredfilesandinformationflow,shouldbeconfiguredaccordingtobay.Thispaperreconfiguredthesecondarycircuit,designedtheDigitalSecondaryCircuitDevice,In-situSamplingModuleandthenewsmartsubstationsystemschemebasedonthetwo.Theschemecanpreferablysolvetheproblemoftheexpansionofthesmartsubstation,andtheactionspeedofrelayprotectionisequaltotheschemeof“DirectSamplingandDirectTripping”.TheoverallreliabilityisbetterthantheProtectiondeviceinstalledinsituwithoutshields.Inthescheme,theprocesslayernetworkandswitcherarecancelled,andtheDigitalSecondaryCircuitDeviceissetwithasettingsheet,whichdoesnotneedconfiguredfiles,andthepersonnelskillrequirementislow,theefficiencyofconstructionanddebuggingcanbeimprovedgreatly.

Keywords:digitalsecondarycircuitdevice;in-situsamplingmodule;smartsubstation;IEC61850;protectiondeviceinstalledinsituwithoutshields

作者簡(jiǎn)介：曹團(tuán)結(jié)(1975)，男，碩士，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)與智能變電站技術(shù)研究開發(fā)及科技管理工作，E-mail：Tuanjiecao@126.com。

伍小剛(1978)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化研究開發(fā)工作。

湯曉晨(1987)，女，碩士，工程師，主要從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化研究開發(fā)工作。