数字化变电站自动化系统解决方案

数字化变电站自动化系统处理方案

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数字化变电站是由智能化一次设备、网络化二次设备在IEC61850通信协议基

础上分层构建，能够实现智能设备间信息共享和互操作当代化变电站。与常规变电

站相比，数字化

变电站间隔层和站控层设备及网络接口只是接口和通信模型发生了改变，而过

程层却发生

了较大改变，由传统电流、电压互感器、一次设备以及一次设备与二次设备之

间电缆

连接，逐步改变为电子式互感器、智能化一次设备、合并单元、光纤连接等内

容。

2

IEC61850将数字化变电站分为过程层、间隔层和站控层，各层内部及各层之I可

采取高

速网络通信。整个系统通讯网络能够分为：站控层和间隔层之间间隔层通讯

网、以及间

隔层和过程层之间过程层通讯网。

站控层通信全方面采取IEC61850标准，监控后台、远动通信管理机和保护信

息子站均可

直接接入IEC61850装汽。同时提供了完备IEC61850工程工具，用以生成符合

IEC61850-6规范SCL文件，可在不一样厂家工程工具之间进行数据信息交互。

间隔层通讯网采取星型网络架构，在该网络上同时实现跨间隔横向联锁功效。

UOkV及以下电压等级变电站自动化系统可采取单以太网，UOkV以上电压等级变

电站自动化

系统需采取双以太网。网络采取IEC61850国际标准进行通信，非IEC61853规

约设备需经规约转换后接入。考虑到传输距离和抗干扰要求，各继电小室与主控室

之间应采取光纤，而

在各小室内部设备之间通讯则可采取屏蔽双绞线。

依照过程层不一样需求，我们提供了以下两种数字化变电站处理方案。

如图2T所表示，在过程层采取电子式PT/CT以及智能化开关设备，变电站全

部装置交

流采样数据经过与MU合并单元通信取得，各种测量与保护装置交流采样部分

全部取消，

经过GOOSE网络传输实时跳合闸和保护间配合信号，全站使用IEC61850标准

进行信息交互。

该方案组网标准主要包含以下几点：

1）监控层网络使用星型独立双网。星型网络相比环型网络结构简单、配置

简练，且降低了网络风暴形成风险；

2）因为数字化变电站中过程层通讯网络上数据传输主要性，过程层通

讯网需要和间隔层通讯网从物理上分开。过程层GOOSE网络采取星型双

光纤以太网，与站控层分开组网。对于超高压变电站，推荐按电压等级

分开组网。同一电压等级GOOSE网络连接在一起，能够充分确保GOOSE

信息共享特点；

3）电子式互感器模拟量数据传输采取点对点符合TEC60044-8标准光

纤网络进行数据传输。确保了模拟采样值传输实时性和可靠性。

图2-1支持电子式互感器和GOOSE数字化变电站处理方案

由连接到传输系统和二次转换器一个或多个电流或电压传感器组成，用于传输

正比于被测

量量，供给测量仪器仪表和保护或控制装置使月装置。电子式互感器通常由传

感模块（安

装在远端一次侧，又称为远端模块）和合并单元（又称为合并器）组成。

依照传感模块是否需要供电来划分，可分为有源式电子互感器和无源式电子互

感器。根

据应用场所以及整体结构差异来划分，可分为GIS结构电子式互感器、AIS结

构电子式互感器和直流电子式互感器。

现在有较多工程应用为有源式电子互感器，其主要利用电磁感应等原理感应被

测信

号，如基于罗戈夫斯基（Rogowski）线圈和低功率线圈电子式电流互感器；基

于电阻、电

容、电感分压电子式电压互感器。这种且感器传感头部分具备需用电源电子电

路，用于

GIS或者罐式断路器更方便，对于AIS应用场所，则采取取能线圈或激光供能

方法，以解

决电源问题。

电子式互感器经过合并单元为间隔级设备提供电流和电压信号，数据传输应符

合相关标

准，现在主流传输标准包含：IEC60044-8（FT3格式）、IEC61850-9T和

IEC61850-9-2o对于保下、尤其是差动保护等应用场所宜应用可靠性较高

IEC60044-8标准；对于需要信息共享应用场所，能够应用互操作性很好IEC61850-

9-1等标准。

电子式电流互感器模拟量输出标准值为22.5、150、200、225mV（保护用）和

4V（测量用），数字量输出标准值为2D41H（测量用）和01CFH（保护用）。各厂

家提供电子式互

感器输出必须满足以上标准。

电子式互感器精度等级：测量用CT标准精度为0.1、0.2、0.5、1、3、5级，

供特殊用途为0.2S和0.5S级；保护用CT标准精度为5P,10P和5TPE,其中

5TPE特征考虑短路电流中具备非周期分量暂态情况，其稳态误差限值与5P级常规

CT相同，暂态误差限值与TPY级常规CT相同。

因为各个间隔电子式互感器独立工作，为取得在同一时刻电流、电压瞬时值，

需要

在各个远端模块之间实现同时。我们方案是：在合并单元经过插值算法，实现

采样同时。

这种方案能在确保同时精度前提下不依赖于任何外部同时时钟源，具备较高可

靠性。

PCS-9250系列电子式互感器包含10kV,500kV不一样电压等级独立型电子式电

流电压互

感器及GIS用电子式电流电压互感器。电流互感器额定二次输出为2D41H（测

量）/01CFH（保护），测量精度为0.2s/5TPE,电压互感器额定二次输出为

2D41H,测量精度为0.2/3P。PCS-9250系列电子式互感器主要包含以下产品。

GIS用电子式电流互感器PCS-9250-EGC

GIS用电子式电压互感器PCS-9250-F.GV

GIS用电子式电流电压组合互感器PCS-9250-EGI

独立型电子式电流互感器PCS-9250-EAC

独立型电子式电压互感器PCS-9250-EAV

独立型电子式电流电压组合互感器PCS-9250-E.AI

直流电子式电流互感器PCS-9250-EACD

中低压电子式电流互感器PCS-9250-LAC

中低压电子式电压互感器PCS-9250-LAV

因为电子式互感器中不再有绕组概念，传感模块配置决定了整个系统可靠性。

考

虑到双重化保护需要，保护传感模块，包含采样线圈、A/D转换、电源等必须

双重化独立

配置，测量传感模块能够单独配置。经典配置结构以下列图所表示：（浅色为

保护采样线圈、深色为测量采样线圈）

图3T电子式互感器配置方案

合并单元配置依照保护要求能够选择双重化配比和单配置，一个经典UOkV变

电站合并单元配置如图3-2所表示：

下列图以变电站4个经典间隔为例进行了配置说明，线路间隔、主变间隔、母

联间隔配

置电子式电流电压互感器PCS-9250-EGI,母线PT间隔配置电子式电压互感器

PCS-9250-EGV,其安装位置如图所表示合并单元(MU)PCS-221除主变间隔因参加变

压器保护双重化需配置两

套合并单元MU2A,MU2B外，其余线路、母联、PT间隔合并单元均为单一配

置。

线路间隔合并单元MU1对本间隔送出电流、电压信号及母线PT间隔MU4,MU5

送出母线电压信号进行包含电压切换、合并等功效处理后给各保护装置、测控装

置、计量装置

使用。

母联间隔合并单元MU3对本间隔送出电流、电压信号进行合并处理后给各保护

装置、

测控装置使用

主变间隔合并单元MU2A对本间隔送出电流、电压信号及母线PT间隔ML4Ml5

送出母线电压信号进行包含电压切换、合并等功效处理后给变压器第•套保护装

置、测控装

置使用。MU2B对本间隔送出电流、电压信号进号合并处理后给变压器第二套保

护装置使母线PT间隔MIJ分别接入来自两条母线上电压信号并实现电压并列功效，

电压并列

用。功效不再需要单独装隹完成。

图3-2UOkV变电站自动化系统合并单元经典配置

图3-3220kY变电站自动化系统合并单元经典配置

220kV变电站也以4个经典间隔为例进行了配置说明，如图3-3所表示。线路

间隔、主变间隔、母联间隔配置电子式电流电压互感器PCS-9250-EGI,母线PT间

隔配置电子式电压互感器PCS-9250-EGV,其安装位置如图所表示，合并单元

(MU)PCS-221因保护双直化需要，线路间隔、.主变间隔、母联间隔各配置两套合并

单元，母线PT间隔各配置一套合并单元分别接入来自两条母线上电压信号，并在

其各自合并单元内实现电压并列功效，所以电压并列

功效不再需要其它单独装置来完成。

对于双母接线或者分段接线，电压切换和电压并列功效能够考虑分别在母线PT

合并单元和进出线间隔合并单元中来完成。

对于低电压等级，电子式互感器技术和经济优势不显著，而且各个间隔间电流

和电

压信号基本上不需要在多个间隔层设备之间共享，无须对电流和电压信息进行

数字化后再以

TEC61850（或者TFC60044-8）标准进行传输。对于低电压等级，能够仍采取常

规互感器，

或者采取低功率输出新型互感器并以就地安装间隔层设备想配合，间隔层设备

采取数字

化接口支持IEC61850规约。

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PCS-9820A智能控制装置是专为实现对110KV-500KVGIS设备智能控制而设计

开发，以先进计算机技术实现对GIS设备位置信号采集和监视、模拟量信号采集与

显示、

远方/就地控制、信号与操作事件统计与上传、谐波分析、储能电机如动和控

制、在线监

测、基于网络通讯软件联锁等一系列功效。将传统二次测控功效与GIS监控有

机结合在

一起，联合组屏设计、优化控制回路，组成智能控制功效，并可与RCS-903系

列保护装置

一起组屏安放于GIS旁，组成保护及智能一体化控制柜，实现面向间隔保护、

测控和GISPCS-9820智能控制装置可与保护装置•起组屏安放于GIS旁，组成保护

及智能控制柜，智能控制一体化。实现而向间隔保护、测控和GIS智能控制一体

化。

图4T基于智能控制柜经典设计

如上图，新方案将保护、测控和GIS智能控制莫成于智能控制柜中，安放在

GIS室，对

下与GIS机构经过标准化接插端子连接，优化了二次回路设计，对上节约了大

量电缆，

经过一根光缆直接与主控室连接，组成了基于一次设备智能化数字化变电站。

GIS智能化控制柜优势以下：

1）节约了电缆等设备投资以及对应施工投资；

数字化变电站建设一个主要现实目标是为了降低变电站内控制电缆数量，一方

面因为原材料涨价，电缆成本越来越高，首先，光缆电磁兼容性能远好于电

缆，能

显著提升变电站内信号传输可靠性。另外，变模拟信号为数字信号能大大增加

传输

带宽和信息量。

2）节约了保护小室及主控室等占地面积和投资；

应用智能化GIS控制柜使得保护控制下放成为可能，从而能够显著降低保护小

室和

主控室占地面积，这时一些需要尽可能降低变电站土地城市变电站和地下变电

站来说

有显著效益。

3）GIS智能控制柜优化了二次回路和结构；

原来因为一次和二次专业细分，使得原传统汇控柜内许多功效与保护控制二次

中功效相重复，比如防跳、压力闭锁、三相不一致等等。基于一二次整合GIS

智能控制柜能够有效地取消和简化冗余回路，提升了整个二次回路可靠性。

4）智能控制装置提供了强大系统交互性；

引入智能控制装置以后，友好汉字液晶人机界面以及丰富自检和就地操作汇报

功效，使得运行维护人员不论在就地还是远方都能及时了解GIS运行情况c

5）联调在出厂前完成，现场调试工作量降低;

传统方案中，一次设备和二次设备电缆连接和调试只能到现场后完成，调试周

期

比较长，新方案中一二次设备联调在厂内完成，到现场后调试工作量极小C能

够显著地

缩短投运周期。

6)一次二次联合设计，减轻了设计院负担；

原来一次和二次设备分别有双方厂家分别出图，中间电缆信号连接由设计院完

成，应用一二次结合新方案后，由两个厂家联合出图并对图纸正确性负责C

7)基于通讯和组态软件联锁功效比传统硬接点联锁方便；

智能控制装置能够采集到间隔内全部刀闸位置，旦间隔间也有光缆连接，所以

能够

方便地实现基于软件和通讯联锁，与传统硬接点联锁相比，能显著减轻调试工

作量、

降低机构辅助接点数量，提升系统可靠性。

8)缩小了与互感器电气距离，减轻了互感器负载；

新方案下互感器与保护控制设备电气距离大大缩短，使得互感器容量选择更为

轻易，也为小功率互感器(LPCT)应用创造了条件。

9)丰富变送器接入方式以及智能平台提供了强大在线监测功效；

能够实时监测气压，温度，密度，分合闸回路电流等反应GIS性能主要信息。

在此基础上变实现实状况态检修。

5

PCS-900系列保护、保护测控和故障录波装置是南瑞继保电气有限企业开发新

一代全

面支持数字化变电站智能化电子设备。装置支持电子式互感器和常规互感器，

支持GOOSE

通信方案，支持电力行业通讯标准DL/T667T999(IEC60870-5-103)和新一代

IEC61850变

电站通讯标准。

,以分相电流差动和零序电流差动为主体

快速主保护

,由工频改变量距离元件组成快速?段数字式超高压线路成套快速保保护护装

置，可用作220kV及以上1PCS-931,由三段式相间和接地距离及多个零序方电

压等级输电线路主保护及向过流组成全套后备保护后备保护。，有分相出口，配

有自动重合网功效，对

单或双母线接线开关实现单相重合、三

相重合和综合重合间

2PCS-902数字式超高压线路成套快速保，以纵联距离和零序方向元件为主体

快

速主保护

由工频改变量距离元件组成快速?段保

护护装置，可用作220kV及以上

,完整三段相间和接地距离保护电压等级输电线路主保护及

,四段零序方向过流保护和低周保护后备保护。数字式输电线路成套保护测

控，三相一次重合闸功效、过负荷告警功效、一体化装置，可用作llOkV电频率踉

踪采样功效压等级输电线路主保护及后3PCS-941,配置跳合闸操作回路以及交

流电压切换备保护，并可在一套装置内实回路现UOkV线路间隔测控功效。，以

纵联距离和零序方向元件为主体快

速主保护

,母线差动保护微机母线保护，适适用于各种电，母联充电保护压等级双母

单分段主接线方，母联过流保护式，母线上允许所接线路与4PCS-915,母联

死区保护元件数最多为13个（包含母联

,母联失灵保护和分段）。，断路器失灵保护，失灵起动

,三相不一致保护数字式断路器失灵起动及辅助，两段相过流保护保护装

置，也可作为母联或分5PCS-923,两段零序过流保护段开关电流保护。，充

电保护

,可经压板和软件控制字分别选择投退

,稳态比率差动

,差动速断数字式变压器保护适适用于，工频改变量比率差动220kV及以上

电压等级，需要提6PCS-978,复合电压闭锁方向过流供双套主保护、双套后备

保护，零序方向过流各种接线方式变压器。，零序过压

间隙零序过流

数字式变压器保护适适用于，非电量保护220kV及以上电压等级，需要提7

PCS-974A,非全相保护供双套主保护、双套后备保护，失灵保护各种接线方式

变压器。

,本装置采取了分布式体系，尤其适合广用于电力系统故障动态过程域多个厂

站系统量测和统计统计，其主耍任务是统计系统，硬件软件真正实现了模块化结

构，拼装大扰动发生后关于系统电参8PCS-997灵活、通用性强，能够批量生

产，装置硬量改变过程及继电保护与安件、软件设计有多重可靠性方法，确保了自

动装置动作行为。装置具备高度可靠性，电子式互感器将一次系统电压、电流与

电子式互感器配合使用数量转化为远端模块能够直接采样弱电据采集发送单元，并

具备计算9PCS-221量及录波等功效。，远端模块采样后经光纤发送给合并单

元

,合并单元重新组帧后遵照IEC60044-8定

义串行数据接口标有，使用光纤发送给

线路保护、变压器保护、母差保护、测控

装置、计量设备和故障录波等装置，依照

保护、测量等装置个数可对发送通道

数量进行扩展。装置支持电力行业通讯标

准DL/T667-1999(IEC60870-5-103)和新

一代变电站通讯标港IEC61850

,支持IEC61850,支持实时GOOSE通信

,采取智能化设计，全部逻辑都由软件来

实现，不存在复杂继电器控制回路，更

加灵活可靠新一代全方面支持数字化变电站10PCS-222智能操作箱。，具

备完善事件统计，动作过程录波功

能

,装置抗干扰能力优越，达成了电磁兼容

各项标准最高等级

6

GOOSE代替了传统智能电子设备（IED）之间硬接线通信方式，为逻辑节点间通

信提供了快速且高效可靠方法。消除了主/从方式和非网络化串行连接方案存

在缺点，

实现网络化连接同时也降低了设备维护成本。GOOSE消息包含数据有效性检验

和消息、

丢失、检验和重发机制，以确保接收IED能够收到消息并执行预期操作；另外

GOOSE可实现网络在线检测，当网络有异常时快速给出告警，大大提升了可靠性。

在GOOSE应用过程中，我们推荐采取双光纤以太网，在超高压数字化变电站中

不一样电压

等级推荐分开组网。我们提供GOOSE分为两种应用情况：

1）完成测控装置控制功效和间隔层联锁功效。这种应用情况实时性要求比较

低，为了简化设计和节约成本，能够和站控层进行混合组网;

2）完成实时跳合闸和保护间配合信号传送功效。这种应用情况实时性要求

比较高，应采取单独组网方式。

图6TGOOSE组网经典案例

表6-1GOOSE应用功效和传输信号示例

TA,TB,TC,TA,TB,TCTA,TB,TCBAR（起失灵）

TA,TB,TC,BAR

TWA,TWB,TWCIAR.BAR

TG（起失灵）

T1（远跳）T1（远跳）T1（远跳）

注：

TA（跳A）；TB（跳B）；TC（跳C）；TG（跳闸）；T1（跳1）

TWA（位置A）；TWE（位置B）；TWC（位置C）；BAR（闭重）；IAR（禁

重）：7

1）三网分离

监控层网络、过程层GOOSE网络和模拟数据传送网络自成体系，相互独立,

分工明确

,监控层网络数据特点是突发性强、数据量大，传送实时性要

求不高；

,过程层GOOSE网络数据特点是数据量不大，具备突发性，传输

要求可靠性高、实时性强：

,模拟数据传送网络数据特点是数据量尤其大，呈周期性，传

输要求是实时性、稳定性、可靠性都要非常高，延时需要确定。

三网分离有效防止了不一样特点数据相互之间影响，确保整个变电站系统

安全和稳定；

2）插值同时，不依赖于对时网络

采取点对点IEC60044-8标准光纤传输网络优点是传输延时确定；规约简单可

以采取FPGA来实现，从而能够统计数据达成时刻。这些是实现插值同时基

础。

插值同时不依赖于对时网络，确保了变电站运行可靠性。对时网络同时受GPS

装置、传输网络、保护装置、合并单元等多个步骤可靠性影响，同时这些装置

3）通用标准，适适用于各种规模变电站对时同时实现细节存在不一致不配合可

能，所以我们不推荐对时同时方案；

相对于有些企业方案中只能采取自定义网络规约为母差、变压器等保护提

供数据，当变电站规模较大时存在网络带宽限制问题和数据接收处理能力会

碰到障碍问题，本方案具备实用、通用、符合国际标准等优点，数据传输

方式从几个间隔小规模变电站到几十个间隔大规模变电站均适合使用。

4)灵活通用合并单元

,能够支持多个厂家和多个电子式互感器接口，输出通道数可根

据需要灵活增加；

,扩展性好。一个线路间隔全部模拟量能够经过合并单元灵活

扩展给多个保护和测控装置提供数据，为电站扩建、改造提供

方便；

,采取基于分布式、模块化思想设计新一代UAPC硬件平台；

5)GIS用电子式互感器

南瑞继保研制GIS用电子式互感器为国内首创：

,高低压间以SF6气体绝缘，绝缘结构简单可靠，体积小，重量

轻；

,电流互感器与电压互感器可组合为一体，实现对一次电流和电

压同时检测；

,GTS电子式互感器可与不一样厂家GTS配套使用；

,电流传感器采取LPCT及空芯线圈，电流测量精度高、动态范围

大、暂态特征好；

,电压传感器采取基于气体介质电容分压测量技术，精度高、

稳定性好，独创性处理了UOkVGIS三相电压传感器之间干

扰问题;

,电流电压传感器及远端模块双套冗余配在，可靠性高，每个远

端模块双重采取，并有多项自检功效，深入确保可靠性；

6）独立型电子式互感器

,电流互感器与电压互感器可组合为一体，实现对一次电流电压

同时测量：

,电流传感器采取LPC