全数字化变电站电气虚设计浅析

1、全数字化变电站电气虚设计浅析秦建松1，2，傅三川2（1.浙江大学电气工程学院，杭州 310007；2.绍兴大明电力设计院，绍兴 312000）摘要：全数字化变电站的应用是变电站自动化发展的趋势，未来数字化程度必将进一步提高。介绍了全数字化变电站的总体结构设计方案，该方案符合IEC61850标准，采用数字化一、二次设备，全站应用GOOSE、SV机制，遵循IEC61850-9-2部分；并研究110kV变电站数字化电气虚设计，分析工程实例，并对全数字化变电站虚设计提出了建议。关键词：数字化；IEC61850；GOOSE；SV；虚设计Discussion on the virtual design o

2、f fully digital substationQin jian-song1,2，Fu san-chuan2（1School of Electrical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou 310007； 2Shaoxing Daming Electric Design Institute，Shaoxing，312000，China）Abstract：The application of fully digital substation is the development tendency of substation automation a

3、nd digital degree will be further advanced in future. This paper introduces the design scheme of the general structure of the fully digital substation, which adheres to IEC61850 standard and adopt digital primary equipments and secondary equipments, and GOOSE、SV is applied in the substation which is

4、 adheres to IEC61850-9-2; It studies the virtual design of 110kV digital substation, analyzes the instantiation of application and also gives some advice for the virtual design of fully digital substation.Key works: digital; IEC61850; GOOSE; SV; virtual design基于国际电工委员会IEC61850规范的电力行业标准 变电站通信网络和系统 已经

5、发布、实施，随着电子科学技术和网络通信技术的不断发展，数字化变电站必将得到更广泛的应用。数字化变电站不仅节省电缆、节约投资，又使变电站内部通信网络模块化、规范化，减少安装、调试工作量，节约人力物力。随着全数字化变电站的深入应用，SV、GOOSE的大量使用，变电站通信网络组建及传输方式的选择将会代替传统变电站硬电缆连接设计，成为变电站二次设计的一项重要工作，全数字化变电站电气虚设计变得越来越重要。2010年1月浙江绍兴110kV大侣变投入运行，全面提高了变电站数字化水平。110kV大侣变全面应用一次数字设备，试点应用智能开关设备，使用大量不同原理电子式CT，全站全面应用IEC61850-9-2部

6、分。全站首次工程使用IEEE1588（V2）对时，实现全站合并单元，各IED同步；全站实现GMRP动态组播技术，简化网络划分。本文根据工程实例浅析全数字化变电站电气虚设计。1、 全数字化变电站系统结构设计数字化变电站是指变电站的信息采集、传输、处理、输出过程全部数字化，基本特征为设备智能化、通信网络化、模型和通信协议统一化、运行管理自动化等。数字化变电站建设的理想目标为“同一个世界，同一个标准”，智能设备可在变电站通信网络上“即插即用”。IEC61850标准定义了两种抽象模型：采样值传输(SV-Sampled Value）模型和通用的以对象为中心的变电站事件(GOOSE-Generic Obj

7、ect Oriented Substation Event)模型。SV报文相关内容在IEC61850-9中描述，核心内容是一种模拟量采样值的抽象服务映射，9-1部分将采样值以单向多路点对点串行通信链路映射，这与IEC60044-8相一致。9-2部分是将采样值映射到ISOIEC8802-3，一般又称之为基于过程层总线(Process Bus)的特殊通信服务映射，这为较高采样频率传输提供了可能方案，使之能传输除了通用数据集之外的其他数据集，实现跨间隔之间SV通信和同步，简化了SV在母差、备自投等间隔的应用，节省投资，方便工程安装、调试。GOOSE报文的核心内容可由用户灵活、自由定义，不仅可以传输状

8、态信息，而且可以传输模拟量信息，甚至可以传输时间同步信息等，应用范围广泛。按照变电站自动化系统所要完成的控制、监视和保护三大功能，变电站内功能分层布置。全数字化变电站自动化系统分成3个层次，即“站控层”、“间隔层”、“过程层”。常规变电站中由间隔层完成的功能在数字化变电站中由间隔层和过程层共同完成。110kV大侣变在以前的数字化站多只使用GOOSE机制的基础上，全站全面实现数字化，在站控层网络、过程层网络均实现GOOSE，同时在过程层全面应用IEC61850-9-2部分。作为试点工程，综合考量，110kV大侣变不再采用以前数字化变电站采用较多的环形网络结构，直接采用星型网络结构，提供不同模式的

9、运行数据，便于比较。而过程层网络由于SV重要性，且首次使用，所以采用了双重化星型网络。星型网络，优点在于网络架构清晰简单，任意两点之间通信最多经过三级交换机，延时较少，没有网络重构问题；缺点在于冗余度比环网稍差，任意一点故障都会造成该点通信中断但不会引起其他点通信（此缺点往往通过双重化星型网络来弥补）。全数字化变电站系统结构简图如图1所示，过程层网络的双重化配置在通信技术进一步提高，各IED更加稳定的基础上，建议简化为单网。图1 全数字化变电站系统结构简图2、 全数字化变电站二次设计在传统变电站设计中，设备控制、信号、数据量均通过硬电缆连接，设备的位置、状态、动作信息均以硬接点信号的方式通过硬

10、电缆传递，这些电缆的连接在变电站的二次设计中占据较大的工作量。在数字化变电站中，设备之间通过以太网连接，所有的信息基于IEC 61850标准在各个设备间共享。电子式互感器采集到的数字信号以光纤串行数据形式传输到合并单元合并单元经过处理，通过光纤以太网将合并后的电压、电流量传输到各个保护、测控装置上。在间隔层各个保护、测控装置及智能终端之间采用IEC 61850标准通过以太网连接，组成GOOSE、SV网络。110 kV电流互感器(TA)、电压互感器(TV)一体化布置，节约投资。110kV线路TA、TV采用Rogowski线圈的有源式电子式互感器，通过一路光纤供能，其采集到的数字信号以光纤数据形式

11、传输到位于继保室内的合并单元上。主变高压侧电流互感器(TA)采用纯光学基于法拉第效应的光电式互感器，其采集到的数字信号也以光纤数据形式传输到位于继保室内的合并单元上。母线保护、备自投、主变等跨间隔装置可通过网络采集所有间隔的电流模拟量。110 kV开关设备采用智能终端的方式实现智能化，智能终端就地化布置。这种为传统开关设备配置智能终端的方案，在充分利用现有传统开关的基础上，实现了开关的智能化，即通过智能终端采集开关设备的状态信息及对公开设备进行操作。这是目前最经济、可靠的一种方法。各IED间的控制、信号、电流、电压电缆均用通信光缆代替。典型110kV变电站GOOSE配置联系如图2所示（因110

12、kV变电所无主变开关，主变保护直跳110kV线路、110kV桥等开关，主变保护内容在图中省略）。图2 典型110kV全数字化变电站GOOSE配置联系图由于变电站数字化应用的进一步深入，全站功能变得更加整合，一体化，网络功能替代原先的电缆变得日益重要，虚设计也进入新领域。设计需创新思路，实现面向全站，各功能图形化二次系统设计。建议系统设计变电站系统结构（图1），全站网络系统接线图，全站GOOSE功能压板联系简图(见图3，其中为了简洁省略了110kV、10kV备投，110kV桥保护等装置），各装置GOOSE配置联系等系统图纸。图3 全站GOOSE功能压板联系简图目前，厂家和设计单位均设计虚端子，但

13、发展较为缓慢，跟工程实际需求还有差距。引入虚端子概念使现有二次设计的规范改变较小，用端子编号来说明装置的I/O接口，以此为基础实现装置的原理图和接线图，这些传统方法依然是数字化变电站二次设计、施工及维护的可靠方法。只是这些端子仅仅以概念的形态存在，故称其为虚端子。具有输出特性的虚端子在装置ICD的GOOSE部分进行定义，装置ICD仅仅作为模板，被GOOSE组态软件使用，最后形成全站SCD文件，在SCD文件中描述了全部GOOSE联系。在多厂家的设备集中的情况下，系统虚端子设计将协调各厂家的GOOSE和SV的接口标准，避免混乱而对智能电网带来安全隐患；但是目前虚端子设计各厂家还比较混乱，有些采用枯

14、燥的软件语言，有些是中文表格描述，不够直观，不方便施工安装调试。为此，我们建议，与厂家紧密配合共同研究虚端子的设计，根据厂家研发的ICD模块，快速实现虚端子图形化，积极克服科技项目研发经常变动的客观困难，有效地达到虚端子可视化目的。符合IEC61850标准的ICD模块往往是最大化配置，导致虚端子配置较多，影响图纸查看。变电站数字化全站功能整合一体，可以在图2（典型110kV全数字化变电站GOOSE配置联系图）和图3（全站GOOSE功能压板联系简图）的基础上，实现全站虚端子总图，可以通过点击图2和图3上的各个装置获得此装置的具体虚端子图（实例图见图4，图5），层层推进，局部细化。这样就大大方便了

15、识图，体现了全站一体化的特点，实现了大二次的概念，方便以后实现全站综合保护如备自投、母差等功能虚拟实现，或者全站只配置一套综合保护。图4 SV虚端子简图图5 GOOSE虚端子简图由上述可以发现二次设计的变化确实很小。值得注意的是：一些传统的压板变成虚拟压变了，但这些压板的功能没有消失，对运行人员来讲变得不直观了,需要引起重视，故增加图3（全站GOOSE功能压板联系简图）显得尤为重要，这便于运行、管理。3、 全数字化变电站电气虚设计举例分析3.1 主变保护（图6）保护GOOSE输出：跳110kV#1线开关且闭锁重合闸，跳110kV桥开关且闭锁重合闸，跳#1主变10kV开关，闭锁110kV#1线备

16、投、桥备投，闭锁10kV母分备投，主变保护过负荷启动风冷，闭锁调压输入等；SV输入GOOSE输入：110kV#1线电流、电压，110kV桥电流、电压，#1主变10kV电流、电压，#1主变中性点零序电流，#1主变高压侧电流，110kV#1线开关位置，110kV桥开关位置等。图6 主变保护GOOSE、SV实例3.2 110kV备自投（图7）保护GOOSE输出：跳110kV#1线开关且闭锁重合闸，跳110kV#2线开关且闭锁重合闸，合110kV#1线开关，合110kV#2线开关，合110kV桥开关等；SV输入GOOSE输入：因为110kV内桥接线与110kV备自投及母差配合情况较少，需要特别考虑备自

17、投的闭锁。信号如下：110kV#1线电压、A相电流，110kV#2线电压、A相电流，110kV#1线开关位置、KKJ，110kV#2线开关位置、KKJ，110kV桥开关位置、KKJ，主变保护、非电量闭锁备自投，110kV母差闭锁备自投等。图7 110kV备自投保护GOOSE、SV实例3.3 110kV母差（图8）保护GOOSE输出：因为110kV变电站内桥接线无110kV主变高压侧开关，故110kV母差跳主变侧时跳主变低压侧开关。信号如下：闭锁110kV备自投，跳110kV桥开关且闭锁重合闸，跳110k#1线开关、闭锁重合闸、远跳，跳110k#2线开关、闭锁重合闸、远跳，跳主变10kV开关等；

18、SV输入GOOSE输入：110kV#1线电压、电流，110kV#2线电压、电流， #1主变高压侧电流，#2主变高压侧电流，110kV#桥电压、电流，110kV进线、桥开关，桥KKJ，110kV线路启动失灵等。图8 110kV母差保护GOOSE、SV实例3.4 110kV线路保护（图9）保护GOOSE输出：跳线路开关，线路重合闸出口，启动失灵等；SV输入GOOSE输入：线路电压、电流，110kV桥A相电压，智能终端开关位置等，智能终端闭锁重合闸，母差闭锁重合闸，母差远跳等。图9 110kV线路保护GOOSE、SV实例4、 全数字化变电站电气虚设计发展趋势浅析首先，基于IEC61850的变电站通信

19、网络中，由于过程网络和站级网络数据流具有不同特点，应研究如何利用先进的网络技术，将过程总线和变电站总线合并，构建全站唯一网络的可行性，将是数字化变电站机构设计下一个工作重点，这样可以减少投资，节约成本；其次目前多采用工业级100M交换机，可研究流量分析，应用性价比较高的工业级1000M交换机，进一步提升网络能力，为进一步数字化、智能化提供可能。又由于GOOSE、SV虚端子是一个全新的理论，和它配套的各种设备和器材以及软件的限制，设计没有能完全模拟现场实际情况，设计还有很多的环节需要去完善和修改，可创新CAD软件之外的设计工具来制图。最后，需要对系统的性能进行多次的研究和测试，找到更好的系统配置

20、。数字化变电站高效的数据传输方法和功能的分布化实现，预示了全数字化变电站技术必然会有极其光明的发展前景，它将会成为变电站自动化系统发展的趋势，将会在建设坚强电网、智能电网中发挥积极作用。参考文献1 任雁铭，秦立军，杨奇逊IEC61850通信协议体系介绍和分析电力系统自动化，2000，24(8)：62 64REN Yan-ming，QIN Li-jun，YANG Qi-xun The Introduction and Analyses of IEC 61850 Communication ProtocolAutomation of Electric Power Systems2000，24(8)

21、：62642 吴皓数字化变电站设计简述企业科技与发展，2009，14：184185WU Hao Introduction on the Design of Digital SubstationEntertprise Science And Technology & Development2009，14：1841853 朱炳铨，任雁铭，姜健宁，等变电所自动化系统实现IEC 61850 的过渡期策电力系统自动化，2005，29(23)：5457ZHU Bing-quan，REN Yan-ming，JIANG Jian-ning，etStrategly for Implementation

22、of IEC 61850 in Substation Automation System During Transitional PeriodAutomation of Eletric Power Systems，2005，29(23)：54574 李慧，赵萌，杨卫星，何奔腾.应用I EC61850规约的220 kV变电所继电保护设计. 电力系统保护与控制, 2009.3.16:6163.LI Hui，ZHAO Meng，YANG Wei-xing，HE Ben-teng, Relay protection design scheme of 220 kV substation for application of IEC 61850. Power Syste