智能变电站二次设备系统架构设计方案

智能变电站二次设备系统架构设计方案
摘要：针对目前智能变电站网络架构复杂、装置数量多、保护及测控等二次设
备可靠性及速动性相对不高等问题，提出一种智能变电二次系统设计思路，通过
采用多功能集成装置等方法，该方案可大幅减少装置数量和光纤数量，提高保护
装置的可靠性和速动性，简化系统网络架构，减少虚端子配置和调试工作量，降
低运行维护难度。

关键词：智能变电站；二次设备；架构设计
一、二次系统架构及存在的问题
以 220 kV 线路间隔为例。

目前智能变电站每回线路配置双套包含有完整的主、后备保护功能的线路保护装置和双套合并单元、智能终端装置。

线路保护装置与
线路合并单元点对点通信获得线路电流、电压采样值信号。

母线电压由母线合并
单元以点对点通信方式发给间隔合并单元，再由间隔合并单元转发给各间隔保护
装置。

线路间隔保护装置与智能终端之间采用点对点通信发送跳闸命令。

跨间隔
信息(如启动母差失灵功能和母差保护动作远跳功能等)采用面向通用对象的变电
站事件(generic object oriented substation event ，GOOSE)网络传输跳闸方式。

测
控装置、动态向量测量(phasor measurement unit，PMU)等功能采用网络采样和网
络跳闸方式[1]。

以上方式存在以下不足：保护装置可靠性及动作快速性下降。

智能变电站实
现了数字化传输，为信息共享、信息的利用提供了基础。

但同时也增加了保护功
能的实现环节，速动性指标较常规变电站有所降低。

在“直采直跳”方式下，智能
变电站线路保护整组动作时间理论上较常规站慢 5 ms 左右。

此外，保护装置的可靠性也有所降低。

在“直采直跳”模式下，线路保护功能由合并单元、保护装置和
智能终端三者共同完成，其中任何一个环节发生故障都会导致保护功能的缺失。

而现场运行的合并单元和智能终端由于光口较多，发热量大，受现
场环境温度和电磁干扰等影响，故障概率较高，影响保护的整体可靠性。

对于跨
间隔保护设备问题则更为严重；过程层设备实现了多业务的信息共享，但同时也
给各业务系统的运维和扩建带来了影响。

以线路合并单元为例，一台线路合并单
元需要给线路保护装置、母线保护装置、安全稳定装置、短引线保护、采样值(sampled value，SV)网络上的多个设备提供采样值数据。

当合并单元需要检修时，会影响多个业务的运行；虚端子配置工作量大，维护困难。

智能变电站以虚回路
连接代替传统变电站的二次电回路。

虚回路的连接以配置文件的形式体现，如全
站系统配置文件(system configuration description，SCD)、智能电子设备(intelligent electronic device，IED)能力描述文件(IED capability description，ICD)、
智能电子设备实例配置文件(configured IED description，CID)。

虚端子是明确装置
之间信号连接关系的文本信息，一般用 Excel 文件描述，是智能变电站设计、调
试环节的重要内容。

而且，虚端子在运行和维护阶段是看不见摸不着的，所以给
运维带来了一定的困难；数据同步复杂。

智能变电站的合并单元、交换机、保护
测控等设备必须基于统一的时间基准运行，方能满足事件顺序记录
(sequence of event，SOE)、故障录波等功能时间一致性的要求。

这些要求对智能
变电站的时钟同步系统提出严格的要求。

合并单元及智能终端由于传输采样值、
跳闸信息，需要达到μs 的同步精度。

在合并单元内部时钟发生漂移或在外部时钟源缺失或抖动情况下会造成数据的不同步，需要有相应措施去应对。

二、220 kV 智能站二次系统架构设计
2.1线路间隔架构设计
220 kV 线路间隔架构。

多功能线路保护装置集线路保护、智能终端、合并单
元功能于一体，双套配置，保护电流、电压直接采样，通过继电器直接出口跳闸，并提供 SV、GOOSE 接口给母差保护和故障录波装置。

多功能测控装置集测控装置、智能终端、合并单元功能于一体，单套配置，测量电流、电压直接采样，通过继
电器直接出口跳闸，并提供 SV、GOOSE 接口给动态 PMU 等装置。

关口计量仍采
用电缆方式接入独立关口计量表。

2.2 主变间隔架构设计
主变保护由于跨多个间隔，若将主变保护、各侧智能终端、合并单元一体化
设计，装置体积很大，而且架构不清晰，不利于运维。

主变间隔的二次系统架构。

主后一体化保护方式,主后一体化保护功能由主变保护、三侧智能终端合并单元一
体化装置、本体智能终端装置来实现，均双套配置。

主变保护通过与三侧智能终
端合并单元一体化装置及本体智能终端装置的点对点通信进行采样和跳闸出口，
采用 SV、GOOSE 共口方式。

主变各侧的多功能测控装置集测控装置、智能终端、合并单元功能于一体，单套配置，测量电流、电压直接采样，通过继电器直接出
口跳闸，并提供SV、GOOSE 接口给其他装置共享数据。

主后保护分开模式，各侧的多功能保护装置将后备保护与该侧的合智一体化装置集成，与主变主保护、本
体智能终端共同完成主变的保护功能；其他部分的设计同主后一体化保护方式[2]。

2.3 母线间隔架构设计
母线间隔二次系统架构设计。

母线电压经并列箱后用电缆接至各间隔，各间
隔做电压切换。

母线测控装置采集 PT 刀闸位置、母线电压测量值，通过 MMS 网
络传输遥测信息。

母线保护与多功能线路(母联)保护装置之间以点对点通信方式
获得采样值信号、位置信号，执行跳令。

与主变间隔的合智一体化装置点对点通
信获得采样值信号、位置信号，执行跳令。

母线电压采样值信息从
母线合并单元点对点获取。

三、方案效果分析
以 220 kV 变电站为例，变电站采用双母线接线，按 6 回出线、2 台主变、1
个母联规模计算，二次系统可节省装置 42 台，交换机所需端口数量减少 98 个，
光线数量节省 134 根，如表 1 所示。

装置数量、交换机端口数量和尾纤数量大副
减少，网络架构进一步简化，大幅降低直接造价，虚端子和 SCD 配置工作量大幅
降低，工程调试周期缩短，运行维护难度降低。

更为重要的是，间隔内装置功能
独立，无相互关联，无合并单元采样传输和智能终端响应环节，大大提高了间隔
内保护装置的快速性和可靠性。

跨间隔装置直采直跳，同时母差保护发热量大幅
降低，进一步提高了保护功能的可靠性和系统的稳定性。

本方案完全符合智能变
电站“占地少、造价省、可靠性高”的建设目标[3]。

结论:随着二次设备抗电磁干扰能力、防护等级及二次设备可视化技术的提高，二次设备无防护就地化安装方式或成为未来二次设备就地化安装的发展方向[4]。

参考文献:
[1]袁浩,窦仁晖,刘思旭,樊陈,姜玉磊,徐歆.变电站智能电子设备版本管控系统设计方案[J].电力系统自动化,2018,42(24):163-171.
[2]倪时龙.面向智能变电站二次设备仿真测试技术研究[J].机械设计与制造工程,2018,47(08):54-58.
[3]王新文.变电站二次设备在线监视及维护系统设计[J].通信电源技术,2018,35(03):239-240.
[4]官玮瑜.浅议智能变电站功能架构及设计原则[J].现代信息科技,2017,1(06):74-76.。