智能变电站的二次架构和基本原理

VLAN
• 优点：对智能设备无特殊要求 • 缺点：交换机需配置，不同VLAN间信息交换效率低
IGMP Snooping
• 优点：对智能设备无特殊要求 • 缺点：工作在三层，复杂，资源消耗大
GMRP
• 优点：简单，无需配置交换机，智能设备可自动配置；工作在二层， 资源消耗小
• 缺点：智能设备需支持GMRP
调度
当地监控
远动通信
高级应用
一体化五防 智能操作 事故分析 谐波分析
高级应用信息平台
集控中心
数据通信V及以下 35kV及以下 分段保护测控 间隔保护测控
过程层网
高压侧母线PT 低压侧母线PT
至各间隔保
护测控装置
或合并单元
PT
合
并
单
元
进
进
线
线
桥
智
智
智
能
能
能
组
组
组
SV/GOOSE网
至各间隔保 护测控装置 或合并单元
PT
合
智
合
并
能
并
单
终
单
元
端
元
EVT1 EVT2
110/66kV线路1
110/66kV其他线路及分段/母联与线路1 相同
高
中
低
高
中
低
本
合
合
合
智
智
智
体
并
并
并
能
能
能
智
单
单
单
终
终
终
能
元
元
元
端
端
端
终
端
主变
35kV及以下等级间隔
110kV智能变电站保护系统方案4
组
组
件
件
件
1
2
1
EVT1 EVT2
110/66kV线路1 110/66kV其他线路及分段/母联与线路1相同
高压侧母线PT 低压侧母线PT
桥 智 能 组 件
2
低 智 能 组 件
1
低 智 能 组 件
2
本 体 智 能 终
端
主变间隔（双重化）
35kV及以下等级间隔
配置特点
可视化系统配置
一二次设备和信息关联图形化 虚端子的逻辑连接用图形化的方式编辑和展示
网络在线监 测
输入在线监 测
输出在线监 测
远方保护
过程接口
传感器
执行元件
高压设备
二次系统在线监测
智能设备自检
CPU、内存、继电器驱动、继电器线圈自检 双AD一致性监测 内部电源电压监测 装置内部温度监测
二次系统在线监测
网络在线监测
后台软件用SNMP协议监视各交换机端口状态
• 端口平均流量、峰值流量 • 长包数、短包数、CRC错包数、丢弃包数
要求采样同步的功能
采样同步
插值再采样同步
工作机制：间隔层设备用报文接收时刻推算采样时刻， 插值生成同步采样数据
优点：简单、可靠，不依赖对时 缺点：要求报文的发送、传输和接收处理的延时抖动
不超过10us
• 一次被测值发生到其采样值报文开始传输的延时稳定 • 报文传输延时稳定，不能通过交换机 • 间隔层设备能精确记录采样值接收时间
交换机二层组播示意图
保护1
保护2
保护3
母差
录波
1 1
1 2
2 3
2 1、2、3
3 1、2、3 101
3
3、101
101 2、101
3
2 1、101
1
1、2、3、 101
12、2、3、 101
13、2、3、 101
交换机
1、21、013、 101
12、21、013、 101
合并单元1
智能终端1
合并单元2
模块10
保护 测控
模块11
模块4
智能终端
保护 间隔数据单元
测控 合并单元 智能终端 计量
模块6
保护 测控 计量
模块8
合并单元 智能终端
模块5 模块11
保护 测控 计量
保护 测控 计量
至各间隔保 护测控装置
PT
合
智
合
并
能
并
单
终
单
元
端
元
EVT1 EVT2
110/66kV线路1
110/66kV其他线路及分段/母联与线路1相同
高
中
低
高
合
合
合
智
并
并
并
能
单
单
单
终
元
元
元
端
双重化
主变
中
低
智
智
能
能
终
终
端
端
本 体 智 能 终 端
35kV及以下等级间隔
110kV智能变电站保护系统方案2
电表用点对点光纤输入SV
当前最快的嵌入式处理器仅能实时处理数十兆bps流 量的数据
解决方案：FPGA前置处理技术
Net1 Net2 Net3 …… Netn
FPGA 报文编解码
I/O SMV
CPU 算法/逻辑
网络流量控制
目的：减少网络上不必要的流量，降低交换机负载率，避 免丢包
控制手段：交换机将组播报文仅发送到需要的端口 实现机制：
智能变电站架构及原理
保护功能可靠性
智能变电站的几种架构 关键技术及原理 关键技术的应用
网络结构
110kV智能变电站保护系统方案1
后台监控
远动
高级应用
MMS网
故障录波 网络分析监测
线路保护测控 电度表
主变保护测控
35kV及以下 分段保护测控
35kV及以下 间隔保护测控
SV网 GOOSE网
母线PT
二次系统在线监测
输出在线监测
控制回路断线 跳合闸接点及压板在线监测
+KM TBJ
HWJ
TJ1
TJ2
TBJ
P1
P2
-KM
操作机构 TQ
TQ
站域控制
站域控制：备自投、过负荷联切、低周减载、小 电流选线
集成多种跨间隔自动功能 充分利用全站信息扩展功能和提高性能
全站备自投
可获取全站所有电压、电流和开关位置，可控制所有 断路器，适用任意备投方式
智能终端1
1、2、3、 1、2、3、
101
101
13、21、013、 101
合并单元3
智能终端3
交换机将组播报文广播到每个端口
二次系统在线监测
变电站层
间隔/单元层
远方保护
过程层
远方控制 (NCC)
技术服务
7
功能. A
功能. B
9
1,6
1,6
保护 .
2
3
控制
4,5
8 3
控制 .
保护
2
4,5
智能设备自 检
根据备投后负载变化，预先执行过负荷联切
低周减载
采用集中式按轮次减载的工作方式，整定和管理方便 可实现分布式特有低电流闭锁功能，避免无谓停电 可实现按特定负荷量减载
应用方案（1）图
智能组件
GPS/北斗
IRIG-B /1PPS
站控层网
SNTP /IEEE1588
故障录波 网络分析监测 电度表
线路保护测控
高级应用
基于数据中心的站级高级应用
实现电网运行全过程的准确、完整记录，为故障分析、保护仿真、 安全预警等高级应用提供数据支撑；提供基于变电站的分布式储 存方案，实现全网的信息共享；提供基于变电站模型的自动化检 索方案，实现信息的按需调阅功能。
集中录波或分布录波 报文记录监测
• 记录SV网上的异常SV报文 • 监测GOOSE/SV/MMS报文异常 • 监测交换机工况 分析应用系统 • 故障录波分析软件 • 网络分析软件 • 保护装置信息管理软件 • 故障分析软件
后台监控
远动
高级应用
MMS网
故障录波 网络分析监测
电度表
线路保护测控
主变保护测控
35kV及以下 分段保护测控
35kV及以下 间隔保护测控
SV网 GOOSE网
母线PT
至各间隔保
护测控装置
或合并单元
PT
合
并
单
元
合
智
高
并
能
合
单
终
并
元
端
单
元
EVT1 EVT2 110/66kV线路1
110/66kV其他线路及分段/母联与线路1 相同
智能终端与合并单元集成为智能组件 点对点光纤的GOOSE和SV报文分时传输，保证SV报文延时稳定
后台监控
远动
高级应用
MMS网
故障录波 网络分析监测
电度表
线路保护测控
母线PT
SV/GOOSE网
至各间隔保 护测控装置 或合并单元
PT
智
合
能
并
组
单
件
元
EVT1 EVT2
110/66kV线路1
110/66kV其他线路及分段/母联与线路1相同
一二次设备和信息关联
虚端子逻辑连接
智能五防
基于规则的智能五防
与顺序控制融合 集成到远动、监控和测控中 基于规则工作
• 从变电站描述文件（SCD）中获取一次拓扑 • 分析操作前后的一次拓扑变化是否违反下列规则
– 不允许带负荷分、合隔离开关 – 不允许带电接地线(合接地刀闸) – 不允许带接地线(接地刀闸)合断路器(隔离开关)到电源
模块化
模块化变电站应用
模块化变电站由若干集成一二次设备的模块构 成
工厂完成模块内一二次部件的连接和调试 模块整体运输到现场 现场完成模块间少量光缆和电缆的连接和调试 简化变电站的安装调试和维护工作，缩短建设
周期。
模块化变电站框模块12图 当地监控
GPS/北斗
IRIG-B /1PPS
MMS网
SNTP /IEEE1588
网络报文记录分析装置在线监测报文
• GOOSE报文和SV报文序号连续性 • GOOSE报文重发序列的正确性
智能设备监测报文正确性
• GOOSE报文间隔大于最大发送间隔 • GOOSE和SV报文序号连续性
输入光功率监测
二次系统在线监测
输入在线监测
保护与测量电流一致性监测 双重化合并单元采样值一致性监测 双重化智能终端开入量一致性监测
件
件
件
1
2
1
EVT1 EVT2
110/66kV线路1 110/66kV其他线路及分段/母联与线路1相同
高压侧母线PT 低压侧母线PT
桥 智 能 组 件
2
低 智 能 组 件
1
低 智 能 组 件
2
本 体 智 能 终
端
主变间隔（双重化）
35kV及以下等级间隔
应用方案（2）
适用于内桥接线的110kV（66kV）变电站 网络架构
故障录波 网络分析监测 主变保护测控
调度
远动通信
高级应用
一体化五防 智能操作 事故分析 谐波分析
高级应用信息平台
集控中心
数据通信服务器
公共测控
规约转换器
辅助系统
模块1
保护 间隔数据单元
测控 合并单元 智能终端 计量
模块2
模块3
合并单元 智能终端
保护 间隔数据单元
测控
合并单元 智能终端 计量
合并单元 智能终端
主变保护测控
高
中
智
智
能
能
组
组
件
件
主变
35kV及以下 分段保护测控
35kV及以下 间隔保护测控
低
本
智
体
能
智
组
能
件
终
端
35kV及以下等级间隔
智能变电站建设关键技术
保护功能可靠性
保护相关SV和GOOSE报文用点对点光纤 传输
保护功能不依赖交换机和对时
例外1：变压器跳分段/母联可通过GOOSE网 例外2：母线保护可用GOOSE网跳闸
线路保护测控
调度
当地监控
远动通信
高级应用
一体化五防 智能操作 事故分析 谐波分析
高级应用信息平台
集控中心
数据通信服务器
主变保护测控1
主变保护测控2
35kV及以下 35kV及以下 分段保护测控 间隔保护测控
高压侧母线PT 低压侧母线PT
至各间隔保
护测控装置
或合并单元
PT
合
并
单
元
进
进
线
线
桥
智
智
智
能
能
能
组
通信规约
• IEC60044-8的FT3互操作性差，标准已淘汰，实现相对容易 • 9-2互操作性好，需用FPGA直接收发以太网报文，实现比较困
难
插值再采样同步机制
被测值发生时间
报文接收时间
插值产生的 同步采样值
t
插值再采样对电子式互感器要求
与额定值偏差<±5us
大流量报文实时处理
母差、录波、网络报文记录等设备需处理100Mbps以 上流量的GOOSE报文和SMV报文
间隔独立 保护双重化时，其对应的合并单元和智能
终端也双重化
采样同步
间隔层设备从不同合并单元获取同步的采 样数据
两种同步机制
时标同步：不要求传输延时稳定，适用于网络 插值再采样同步：可靠性高，适用于点对点光
纤
采样同步
时标同步
工作机制：合并单元同步采样，输出采样数据打时标， 间隔层设备根据采样数据的时标同步不同合并单元的 采样值
优点：允许报文的发送、传输和接收处理延时在0～ 3ms范围内抖动，可用网络传输
缺点：合并单元依赖同步时钟工作，存在故障集中点
• 对策1：合并单元具备一定的守时能力，跟踪时间+跟踪频率 • 对策2：防误动，合并单元校验对时的正确性 • 对策3：防拒动，（保护+合并单元+对时系统）双重化 • 对策4：采样值同步标志无效时，间隔层设备仍能实现部分不
优点：无需人工配置防误逻辑
二次回路监测
完整的二次系统状态监测，覆盖跳闸接点 和压板
实现智能告警及分析决策，为二次系统状态检 修提供坚实的信息基础。
功能：
• 装置自检信息管理（国网用IEC 61850建模） • 完整跳闸回路自检 • 保护电流与测量电流一致性 • 双重化合并单元、智能终端输出一致性 • 母线功率和为零
跳合闸回路完整监测
光纤
-220
GOOSE
信息
接口
J1
+220
J1
IN1 J2
DL
J2
IN2
合闸
IN3
J3
CPU
J4
TJ1
IN7
J6
J5
J6 IN8
IN4
IN5
J3
J4
J6
IN6
跳闸 DL
智能终端
31
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过程层设备和间隔层设备间用点对点光纤传输信息 间隔层设备间通过站控层网络交换信息 间隔层设备将过程层的SMV和GOOSE转发到站控层网