張 洪 劉慶國 鄂士平 黎恒烜
(1. 國網(wǎng)湖北省電力有限公司,武漢 430077;2. 國網(wǎng)宜昌供電公司,湖北 宜昌 443000;3. 國網(wǎng)湖北電科院,武漢 430077)
近年來,隨著智能變電站、智慧變電站建設(shè)的推進(jìn),形成了以IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)化網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)為基礎(chǔ),具備測量監(jiān)視、控制保護(hù)、信息共享等功能特征的二次系統(tǒng)運(yùn)行架構(gòu),推動(dòng)了新技術(shù)、新設(shè)備的系統(tǒng)應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了變電站二次系統(tǒng)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化[1-3]。
但是,智能變電站在運(yùn)行中也暴露出了一些問題:①大量交換機(jī)用于實(shí)現(xiàn)過程層的信息共享,在中心交換機(jī)故障時(shí)將會(huì)影響多套測控、保護(hù)和安全自動(dòng)裝置;②二次設(shè)備數(shù)量大幅增加,設(shè)備間耦合程度高、影響范圍廣、故障定位困難;③變電站配置描述文件信息高度耦合,維護(hù)管理困難,往往牽一發(fā)而動(dòng)全身,且配置文件無法保證文件的唯一性和正確性。
目前,國家電網(wǎng)公司在220kV及以下電壓等級(jí)中全面推廣智能變電站建設(shè),但110kV及以下電壓等級(jí)變電站在全部變電站中數(shù)量占比達(dá)到 86.7%,且這類低電壓等級(jí)的變電站由于設(shè)備準(zhǔn)入門檻低,質(zhì)量參差不齊,故障率相對(duì)較高,消耗了運(yùn)維人員大量精力。只有解決好智能變電站運(yùn)行維護(hù)中存在的問題,才能保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此,亟需總結(jié)當(dāng)前智能變電站存在的問題,開展新的智能變電站系統(tǒng)架構(gòu)方案研究。通過研究二次系統(tǒng)總體架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)及相應(yīng)二次設(shè)備集成與研制的關(guān)鍵技術(shù),減少變電站二次設(shè)備數(shù)量,縱向簡化網(wǎng)絡(luò)層次,橫向減少交叉互聯(lián)。研究將全部變電站配置描述文件按業(yè)務(wù)、功能、設(shè)備進(jìn)行分解,單個(gè)設(shè)備軟件修改、擴(kuò)建不影響其他設(shè)備,徹底消除因軟件修改面大而無法停電驗(yàn)證的隱患。研究針對(duì)裝置功能程序、網(wǎng)絡(luò)配置文件、驅(qū)動(dòng)程序版本的集中在線管控系統(tǒng),并在工程師工作站通過站控層網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)裝載,確保軟件生產(chǎn)、調(diào)試、運(yùn)行的全過程管控[4-7]。
智能變電站二次系統(tǒng)采用三層設(shè)備架構(gòu),包括站控層、間隔層及過程層,各層之間通過網(wǎng)絡(luò)連接,站控層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,三層設(shè)備架構(gòu)清晰,符合各自功能特點(diǎn)。
在滿足專業(yè)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上對(duì)設(shè)備進(jìn)行合理整合,過程層及間隔層設(shè)備按間隔進(jìn)行多功能集成,站控層監(jiān)控系統(tǒng)采用平臺(tái)化設(shè)計(jì)架構(gòu),支持應(yīng)用功能的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展和相互隔離,打造開放的產(chǎn)品生態(tài)。通過設(shè)備整合,減少二次系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量,簡化間隔設(shè)備實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié),提高整體可靠性及保護(hù)速動(dòng)性。
在不違背國家電網(wǎng)公司各專業(yè)基本原則的基礎(chǔ)上堅(jiān)持網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化的技術(shù)路線,站控層網(wǎng)絡(luò)采用星形網(wǎng)絡(luò),過程層SV及GOOSE合并采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式,同時(shí)設(shè)置保護(hù)專網(wǎng)用以進(jìn)行跨間隔保護(hù)聯(lián)閉鎖信息交互。
采用三層兩網(wǎng)結(jié)構(gòu):站控層、間隔層、過程層、站控層網(wǎng)絡(luò)、保護(hù)專網(wǎng),如圖1所示。
1)站控層
站控層設(shè)備包含監(jiān)控主機(jī)、通信網(wǎng)關(guān)機(jī)、時(shí)間同步裝置、電能量采集裝置、網(wǎng)絡(luò)打印機(jī)、站控層交換機(jī)等。
圖1 二次系統(tǒng)總體架構(gòu)
2)間隔層
間隔層設(shè)備包含保護(hù)、測控、安自、智能故障錄波器、相量測量單元(PMU)、計(jì)量等。
(1)保護(hù)、測控等裝置SV直采、GOOSE直跳。
(2)智能故障錄波裝置SV、GOOSE直采。
(3)采用常規(guī)模擬式計(jì)量表,電纜采樣。
3)過程層
過程層采用采集執(zhí)行單元代替合并單元及智能終端,集成合并單元與智能終端功能,減少設(shè)備數(shù)量。采集執(zhí)行單元與保護(hù)、測控、智能故障錄波器、PMU等裝置基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光纖連接,采用IEC 61850協(xié)議傳輸SV和GOOSE報(bào)文,SV和GOOSE信息共光纖傳輸。
為避免單一元件故障影響范圍廣的問題,采集執(zhí)行單元線路保護(hù)和母線保護(hù)的 CT繞組分別接入不同插件,獨(dú)立配置交流小CT、采樣及通信插件,實(shí)現(xiàn)獨(dú)立采集、獨(dú)立傳輸。
4)站控層網(wǎng)絡(luò)
站控層網(wǎng)絡(luò):站控層設(shè)備與間隔層設(shè)備之間的通信網(wǎng),采用星形網(wǎng)絡(luò),MMS通信協(xié)議。
5)保護(hù)專網(wǎng)
保護(hù)專網(wǎng):保護(hù)設(shè)備之間、保護(hù)與智能故障錄波之間的通信網(wǎng),傳遞的數(shù)據(jù)包括保護(hù)裝置之間的啟失靈等聯(lián)鎖 GOOSE報(bào)文、保護(hù)發(fā)送至智能故障錄波的動(dòng)作GOOSE報(bào)文等。
需要對(duì)所有接入保護(hù)專網(wǎng)的裝置、測控裝置、及采集執(zhí)行單元進(jìn)行配置。
可以通過設(shè)置固定數(shù)據(jù)集來弱化相關(guān)裝置的配置工作,具體如下:
1)制定標(biāo)準(zhǔn)化的采集執(zhí)行單元信息模型,各廠商在進(jìn)行建模時(shí)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)化模型進(jìn)行建模,采集執(zhí)行單元的通信支路按遠(yuǎn)期最大規(guī)模數(shù)量預(yù)先配置,便于后期擴(kuò)展。
2)制定標(biāo)準(zhǔn)化的線路保護(hù)設(shè)備模型,各廠商按照標(biāo)準(zhǔn)化、模板化配置通信回路,可以實(shí)現(xiàn)線路保護(hù)現(xiàn)場免配置。
3)制定標(biāo)準(zhǔn)化的跨間隔保護(hù)設(shè)備模型,各廠商按遠(yuǎn)期最大規(guī)模預(yù)先配置好所有間隔模型,通過軟壓板來設(shè)定間隔的接入與退出,后期擴(kuò)建時(shí)只需投入相應(yīng)預(yù)留間隔的軟壓板,即可完成該間隔的接入。
通過上述方法,可以實(shí)現(xiàn)同一廠商同一類型設(shè)備現(xiàn)場免配置,可以實(shí)現(xiàn)不同廠商的同一類型保護(hù)設(shè)備虛回路現(xiàn)場免配置。
同時(shí),通過智能故障錄波裝置可以實(shí)現(xiàn)二次系統(tǒng)光纖連接關(guān)系以及虛回路的可視化。
保護(hù)裝置采用標(biāo)準(zhǔn)九統(tǒng)一裝置,設(shè)備標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)成熟,光纖直采直跳,基本無電纜接線(僅保留裝置電源、對(duì)時(shí)、閉鎖節(jié)點(diǎn)、打印等少量電纜),線路保護(hù)與跨間隔保護(hù)之間保持一定程度的采樣回路獨(dú)立性。
測控裝置采用標(biāo)準(zhǔn)四統(tǒng)一裝置,裝置標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)成熟、光纖直采直跳,基本無電纜接線(僅保留裝置電源、對(duì)時(shí)、閉鎖節(jié)點(diǎn)等少量電纜)。
故障錄波裝置交流量和開關(guān)量信息采用光纖直采,設(shè)備應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)成熟。
采集執(zhí)行單元同時(shí)與測控和保護(hù)等裝置傳輸SV、GOOSE報(bào)文,為避免單一元件故障影響范圍廣,線路保護(hù)和母線保護(hù)的 CT繞組分別接入不同插件,獨(dú)立配置交流小CT、采樣及通信插件,實(shí)現(xiàn)獨(dú)立采集、獨(dú)立傳輸。該設(shè)備已經(jīng)在多個(gè)國網(wǎng)公司智能變電站試點(diǎn)應(yīng)用,技術(shù)成熟。
二次系統(tǒng)依照“安全分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)專用、橫向隔離、縱向認(rèn)證”的原則,對(duì)各安全分區(qū)進(jìn)行隔離,確保邊界安全。充分考慮二次業(yè)務(wù)特征及安全防護(hù)要求,確保各安全分區(qū)清晰、邊界防護(hù)規(guī)范得力。
根據(jù)設(shè)備在二次系統(tǒng)中的角色,以及設(shè)備硬件平臺(tái)、操作系統(tǒng)等基礎(chǔ)支撐設(shè)施特點(diǎn),對(duì)二次系統(tǒng)進(jìn)行不同策略的本體信息安全設(shè)計(jì),確保二次系統(tǒng)內(nèi)部基本安全。
二次系統(tǒng)各設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)視并匯集自身的安全監(jiān)測事件,配合安全監(jiān)測裝置,實(shí)現(xiàn)二次系統(tǒng)的實(shí)時(shí)在線網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知。
二次系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備,采用融合二次業(yè)務(wù)特征的高效安全防護(hù)技術(shù),通過證書認(rèn)證及通信加密等技術(shù)手段,對(duì)調(diào)控中心、集控站、變電站操作控制類命令的規(guī)范化身份認(rèn)證流程進(jìn)行規(guī)范,實(shí)現(xiàn)順序控制等重要操作的端到端認(rèn)證,提升系統(tǒng)的安全防護(hù)水平。
避免在生產(chǎn)等核心安全區(qū)直接接入具有無線通信功能的設(shè)備。不可采用高風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)服務(wù),屏蔽高風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)端口,確保系統(tǒng)為最小可信系統(tǒng),避免業(yè)務(wù)無關(guān)服務(wù)開啟。
改進(jìn)原有修改單一軟件需要導(dǎo)入導(dǎo)出全站站變電站配置描述文件的模式,將全站站變電站配置描述文件信息獨(dú)立分散存放于每個(gè)設(shè)備,使用結(jié)構(gòu)層次清晰的樹形目錄管理,實(shí)現(xiàn)站變電站配置描述文件按業(yè)務(wù)、功能、設(shè)備進(jìn)行分解,單個(gè)設(shè)備軟件修改、擴(kuò)建不影響其他設(shè)備。對(duì)裝置程序版本進(jìn)行集中在線管控,并在工程師工作站通過站控層網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)裝載,杜絕現(xiàn)場人員擅自使用個(gè)人計(jì)算機(jī)直連設(shè)備修改調(diào)試。規(guī)范了軟件修改、測試、發(fā)布、執(zhí)行的流程管控,實(shí)現(xiàn)軟件全壽命周期痕跡管理。
1)配置獨(dú)立。站變電站配置描述文件解耦,按裝置獨(dú)立配置,站控層通信信息分散存放于各裝置的網(wǎng)絡(luò)配置文件中,監(jiān)控主機(jī)、網(wǎng)關(guān)機(jī)通過導(dǎo)入各裝置網(wǎng)絡(luò)配置文件獲取全站設(shè)備通信信息。
2)在線管控。智能站完善提升方案通過軟件在線管控系統(tǒng)對(duì)全站裝置程序/文件進(jìn)行全壽命周期管控。在線管控功能部署在工程師工作站,主要包括軟件簽入簽出、版本管理、校驗(yàn)碼在線讀取及校核、操作信息記錄檢索等功能。
3)網(wǎng)絡(luò)裝載。軟件在線管控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)全站配置軟件單個(gè)或批量網(wǎng)絡(luò)裝載,大幅減少軟件裝載工作量,防止錯(cuò)裝軟件,避免網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn),軟件在線管控流程如圖2所示。
圖2 軟件在線管控流程
上文所述的智能變電站二次系統(tǒng)架構(gòu)方案,旨在解決目前智能變電站二次設(shè)備數(shù)量多、設(shè)備間耦合程度高、交換機(jī)數(shù)量多、故障影響范圍大、站變電站配置描述文件信息高度耦合和管理困難的問題。
以湖北宜昌某110kV變電站為例說明該二次系統(tǒng)優(yōu)化方案。
該站分為110kV、35kV、10kV三個(gè)電壓等級(jí),均為單母分段接線方式,共有兩臺(tái)主變。其中,110kV出線3回,35kV出線7回,10kV出線11回。
按照傳統(tǒng)智能變電站以及上文所述的二次系統(tǒng)架構(gòu)方案。方案對(duì)比見表1。
上文所述的系統(tǒng)架構(gòu)方案,在典型的110kV智能變電站應(yīng)用,可以減少50%的過程層設(shè)備以及100%的過程層交換機(jī),考慮新增保護(hù)專網(wǎng)帶來的交換機(jī)數(shù)量增加,全站總體交換機(jī)數(shù)量仍然下降20%~30%,以上述變電站規(guī)模為例,可以減少過程層設(shè)備10臺(tái),減少過程層交換機(jī)4臺(tái),增加保護(hù)專網(wǎng)交換機(jī)2臺(tái);過程層設(shè)備2萬/臺(tái)、過程層交換機(jī)3.5萬/臺(tái)、保護(hù)專網(wǎng)交換機(jī)0.35萬元/臺(tái)。該站總計(jì)可節(jié)約二次設(shè)備投資33.3萬元。
表1 方案對(duì)比
采用獨(dú)立的保護(hù)專網(wǎng)進(jìn)行保護(hù)設(shè)備之間、保護(hù)與智能故障錄波之間的通信,傳遞保護(hù)裝置之間的啟動(dòng)失靈等聯(lián)鎖 GOOSE報(bào)文、保護(hù)發(fā)至智能故障錄波的動(dòng)作 GOOSE報(bào)文等。相較于原來采用站控層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,減少了站控層網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)可能帶來的交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)延時(shí)及網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴異常等影響,提升了保護(hù)間聯(lián)閉鎖信息傳遞的可靠性。
采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備及規(guī)范設(shè)備模型、統(tǒng)一接口標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)同一廠商同一類型設(shè)備現(xiàn)場免配置,以及不同廠商的同一類型保護(hù)設(shè)備虛回路現(xiàn)場免配置。通過將站變電站配置描述文件按業(yè)務(wù)、功能、設(shè)備進(jìn)行分解,單個(gè)設(shè)備軟件配置修改、擴(kuò)建設(shè)備不影響其他設(shè)備。通過規(guī)范軟件修改、測試、發(fā)布、執(zhí)行的流程管控,實(shí)現(xiàn)軟件全壽命周期痕跡管理。
總體而言,通過新的二次系統(tǒng)架構(gòu)方案設(shè)計(jì),有效降低了設(shè)備數(shù)量,提升了變電站建設(shè)經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行可靠性;同時(shí)通過標(biāo)準(zhǔn)化及規(guī)范化技術(shù)手段,減少了現(xiàn)場調(diào)試工作量及安全風(fēng)險(xiǎn),提升了運(yùn)維安全性和便利性。
本文針對(duì)現(xiàn)有智能變電站存在的二次設(shè)備數(shù)量多、設(shè)備間耦合程度高、交換機(jī)數(shù)量多、故障影響范圍大、站變電站配置描述文件信息高度耦合和管理困難的問題,提出了二次系統(tǒng)優(yōu)化方案,在不影響保護(hù)與自動(dòng)化的運(yùn)行可靠性的同時(shí),進(jìn)行了變電站二次系統(tǒng)架構(gòu)及數(shù)據(jù)流的重構(gòu)設(shè)計(jì),并對(duì)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化、信息建模、信息安全以及站變電站配置描述管控提出了改進(jìn)方案。最后通過實(shí)際的工程應(yīng)用案例進(jìn)行分析,驗(yàn)證了該方案的可靠性與經(jīng)濟(jì)性。
本文提出的智能變電站二次系統(tǒng)優(yōu)化方案符合電網(wǎng)未來數(shù)字化、智能化的技術(shù)發(fā)展趨勢,具備架構(gòu)簡單、設(shè)備可靠、運(yùn)維便利、運(yùn)行安全的技術(shù)特點(diǎn)。對(duì)于110kV及以下等數(shù)量較多、主接線較為簡單的變電站,該架構(gòu)的應(yīng)用有著更為突出的經(jīng)濟(jì)效益與管理效益,因此,可在基于110kV及以下智能變電站推廣使用,并在220kV智能變電站借鑒使用,從而將運(yùn)維人員集中到500kV及以上高電壓等級(jí)變電站的精益運(yùn)維上,具有極大的工程實(shí)踐意義。