摘要：分析了智能變電站存在的主要問題，提出了智能變電站二次系統運維單元應與一次系統間隔相匹配的原則，指出智能變電站二次設備與二次回路，包括網絡、軟件、配置文件和信息流，都應按間隔配置。對二次回路進行重構，設計了數字二次回路裝置、互感器就地采樣模塊及基于二者的新型智能變電站二次系統方案。該方案可較好地解決智能變電站改擴建難題，并保證保護動作的快速性與采用“直采直跳”方案相當，總體可靠性優于就地無防護安裝方式。方案中取消了過程層網絡和交換機，數字二次回路裝置采用定值單方式配置，不需配置文件，對人員技能要求低，可極大提高施工調試效率。

關鍵詞:數字二次回路裝置;就地采樣模塊;智能變電站;IEC61850;就地化保護

0引言

目前，智能變電站在實現變電站數字化和智能化兩方面都取得了明顯進展：1)與傳統變電站相比，實現了二次回路的數字化、光纖化。節省了大量的電纜、金屬資源和敷設成本，降低了電纜二次回路的故障率，同時實現了回路的狀態監測和智能告警。2)部分變電站自動化系統高級應用功能有較大提升，并實現了規范化，如順序控制等高級應用功能可大幅提高開關、刀閘的運行操作效率[1-2]。

但是，智能變電站建設也遇到了不少問題，存在部分二次設備穩定性差、設備故障率高、檢測與調試手段不足、變電站運行維護不便、改擴建困難、部分地區一線運行管理薄弱和現場運維人員不適應新技術發展等問題。針對這些問題，至今仍無有效的系統性解決方案。分析智能變電站上述問題的主要原因，可歸納為3個方面：

(1)IEC61850標準的復雜性[3]。該標準體系龐大、卷帙浩繁，對普通技術人員來說內容艱深，較難掌握。按IEC61850標準設計的智能變電站，全站采用一個SCD文件配置全部二次設備之間信息的交換，一處變更會影響全站。智能變電站系統運行依賴全站SCD文件和裝置的CID文件，配置方法較難掌握，供調試運維檢修人員使用的IEC61850工具也很不完善，人機接口不友好，使用不方便。

(2)電子式互感器的可靠性[4-5]。電子式互感器既存在本體器件質量、制造安裝工藝、數據處理可靠性問題，也存在合并單元的可靠性問題，后者因素不容忽視，且其與就地化安裝方式、智能變電站體系架構互相關聯。

(3)智能變電站體系架構的復雜性。智能變電站總體是三層(站控層、間隔層、過程層)兩網(站控層網、過程層網)結構。監控系統及其他設備采用網絡采樣、網絡跳閘。繼電保護為保證快速性、可靠性，采用直采直跳，聯閉鎖信號傳送仍通過網絡。最終導致過程層結構非常復雜，設備接口數量多，設計制造難度大，運行問題多。

上述3個問題實際上互相糾結，難以分別解決，迫切需要一個系統性的解決方案。

1設計思路

1.1技術原則

新型智能變電站二次系統應繼承前兩代智能變電站建設運行維護的寶貴經驗，采用經實踐檢驗的關鍵技術原則。主要原則包括：

(1)堅持采用IEC61850標準。

(2)既支持使用電子式互感器，也支持使用常規互感器。

(3)繼電保護設備獨立、分散配置，不依賴于外部對時，并保證系統反應的快速性和可靠性。

(4)二次系統運維單元應與一次系統間隔相匹配。目前智能變電站堅持了二次設備按間隔配置，但沒有明確二次回路按間隔配置的原則，這是造成單個間隔一次或二次設備運行維護和改擴建困難并且一處變動會影響到全站的癥結所在。實際上，智能變電站二次回路發展演變為光纖網絡及相應的軟件、配置文件和信息流，二次回路按間隔配置的原則被實現方式的表象掩蓋并被忽略。為此，本文提出，智能變電站二次設備與二次回路(包括網絡、軟件、配置文件和信息流)都應按間隔配置，不能再擴大，以保證二次系統運維單元與一次系統間隔相匹配。這一原則是下一代智能變電站能夠取得成功的關鍵。

1.2技術路線

新型智能變電站總體技術路線是在現有智能變電站技術方案基礎上進行的簡化和調整，以形成清晰簡潔的體系結構，從而提高智能變電站的運維方便性和運行可靠性，達到可大規模、高效建設智能變電站的目的，同時方便改造已建智能變電站。

(1)簡化IEC61850標準在智能變電站的應用;或制定適用于中國現狀的部分分項標準、條款，或提出中國方案。

(2)將調試運行維護軟硬件工具作用提升到戰略高度，重點提升用戶體驗。開發以功能為導向的配置和調試工具，使IEC61850標準對用戶透明。

(3)研究提出可同時滿足保護、測控等多專業核心要求，且清晰、簡潔的體系架構，可考慮取消過程層網絡和交換機。

(4)二次回路(包括網絡、軟件、配置文件和信息流)按間隔配置。將全站SCD文件按間隔解耦，將裝置CID文件按過程層、間隔層、站控層解耦，分別形成獨立的小配置文件(或部分不再使用配置文件)，小配置文件修改互不干擾，并便于修改后局部傳動驗證。

(5)取消或簡化電子式互感器的合并單元，提升互感器運行可靠性。

(6)保持繼電保護裝置就地化安裝方式的優點，同時避免就地化安裝方式可能帶來的運維不便等缺點。

(7)提高變電站二次系統集成聯調效率。

2基于數字二次回路裝置的智能變電站過程層改進方案

智能變電站二次回路發展演變為光纖網絡及相應的軟件、配置文件和信息流，但仍應按間隔配置，以保證二次系統運維單元與一次系統間隔相匹配。為此設計了一種新型的數字二次回路裝置，該裝置按間隔配置，無需配置文件，只要簡單整定甚至無需整定。

下文將分別介紹單/雙母線接線的線路間隔、母線間隔和全站二次系統總體架構。然后以TV間隔、母聯(分段)間隔、主變間隔為例介紹方案。

2.1單/雙母線接線的線路間隔方案

每個間隔配置一臺數字二次回路裝置，該裝置完成本間隔內所有二次回路連接功能，對下連接本間隔開關場電流互感器、電壓互感器、斷路器智能終端、TV間隔電壓輸入，對上連接本間隔保護、測控等裝置，并連接母線保護裝置，如圖1所示。

數字二次回路裝置具備多種類型通信接口，可靈活接入多種裝置的接口。傳輸采樣值時，對每一相電流、電壓都附帶采樣延時。采樣延時可測可知并有可能保持固定。該裝置可完成類似常規變電站中TA串聯、TV并聯、繼電器接點接續(含跳合閘命令、聯閉鎖信號、位置狀態)等功能。母線保護所需的電流、電壓、位置信號及跳閘命令皆由此裝置傳遞。母線保護與線路保護之間啟動、閉鎖信號也由該裝置傳送。

過程層取消電子式互感器合并單元，互感器采樣模塊(遠端模塊)直接連接數字二次回路裝置。采用傳統互感器時，TA采樣模塊與TV采樣模塊分開配置。智能終端采用現有設計和配置方案，基本保持不變。智能終端通信接口與數字二次回路裝置連接。

2.2母線間隔方案

母線間隔二次設備配置及連接與線路間隔有所不同。母線保護所需的各電氣量、開關量及對各連接元件的跳閘命令，通過各個連接元件間隔的數字二次回路裝置傳輸，方案如圖2所示。

為進一步提高母線保護的可靠性，也可以為母線保護設單獨的數字二次回路裝置。配置與接線和圖2類似，不再展開敘述。

2.3TV間隔方案

TV間隔數字二次回路裝置采集各母線電壓互感器就地采樣模塊送來的電壓采樣值和TV刀閘位置信號，并完成TV電壓并列功能。TV間隔數字二次回路裝置具有較多的輸出接口，將電壓信號送給各線路間隔等的數字二次回路裝置。該裝置功能與現有母線TV合并單元類似，如圖3所示。

備注：各線路間隔的電壓切換功能由保護裝置完成。數字二次回路裝置只做報文轉發，不做邏輯功能。

2.4母聯(分段)間隔方案

母聯(分段)間隔二次設備配置及連接與線路間隔較為相似，如圖4所示，不再詳述。

2.5主變間隔方案

主變間隔二次設備配置與連接原則與線路間隔相同，主變各側分別配置1臺數字二次回路裝置，方案如圖5所示。

2.6智能變電站二次系統總體架構

按照上述設計思路，智能變電站體系結構中不再有過程層網絡和交換機，各間隔二次設備及二次回路分別自治。站控層設備和站控層網絡基本保持不變。變電站對時系統與現有方案相同，各互感器就地采樣模塊接入對時信號，采樣值帶采樣標號(時標)，供測控、計量等二次設備做測量值計算時同步數據使用，而保護裝置功能實現不依賴此對時系統。典型的基于數字二次回路裝置的220kV變電站二次系統結構如圖6所示。

由于取消了過程層網絡和交換機，數字二次回路裝置也不需要IEC61850配置文件，全站SCD文件大為簡化，基本上僅包含站控層設備的信息和間隔層設備與站控層相關的信息，極大減少了二次系統集成聯調的工作量。

3數字二次回路裝置設計

3.1功能

數字二次回路裝置是間隔內采樣值、開關量、控制命令等信息的中轉站，2.1節中已經描述了其基本功能，除此之外，它還應具備以下功能特性：

(1)報文的傳輸延時可知或者穩定。

采樣值報文的傳輸延時可知(“穩定”也是“可知”的一種表現形式)是保證保護裝置功能不依賴于外部時鐘的前提條件。當前測量采樣值報文傳輸延時的一個可行方法是通過硬件電路精確地記錄報文進、出裝置的時刻，兩者時間差即傳輸延時，測量報文傳輸延時原理如圖7所示。

傳輸延時值添加到通信報文中，與其他主體信息一起發送給間隔層設備。采用IEC61850-9-2接口時，傳輸延時值可填入SV報文的兩個保留字段Reserved1和Reserved2中，也可以累加到采樣發送數據集中互感器額定延遲時間上;采用IEC60044-8標準的FT3接口時，傳輸延時值可累加到互感器額定延遲時間tdr字節中[6-10]。

(2)通過定值單整定配置報文轉發關系。

該裝置與交換機外在明顯區別是通過運維人員熟知的整定定值單方式完成對通信接口和報文轉發的配置。定值單示例如表1所示。

表中Ia、Ib、Ic、3I0表示a、b、c三相保護電流和零序電流，Iam、Ibm、Icm表示a、b、c三相測量電流，Ua、Ub、Uc、3U0表示a、b、c三相電壓和零序電壓，Twja、Twjb、Twjc表示斷路器三相位置信號，Tja、Tjb、Tjc、Tjabc表示跳a、b、c相斷路器和跳3相斷路器命令信號。舉例說明，表中整定了：1)輸入口1輸入的Ia、Ib、Ic、3I0，被轉發至輸出口1和4。2)輸入口1輸入的電氣量Ia、Ib、Ic、3I0和輸入口3輸入的Ua、Ub、Uc、3U0，被同時轉發至輸出口1。其他依次類推。

這種以定值單形式配置裝置的做法，整定過程基于保護專業人員熟悉的自然語言和電氣符號，屏蔽了面向機器的通信過程和配置文件，不需要技術人員掌握復雜的IEC61850標準。另外，變電站改擴建時，可以單獨重新整定相關間隔裝置，而無需操作無關間隔裝置。

裝置可實時顯示輸入輸出接口傳送信息的電氣量含義，運行人員可通過與定值單比對，檢查是否存在不一致的異常情況。

(3)兼容多種通信接口，采用標準的通信協議。

裝置采用光纖接口，具備多種接口形式，接口軟硬件可配置，可兼容SV、GOOSE等多種協議。既可以支持IEC61850-9-2，也可支持通道可配置的擴展IEC60044-8協議幀格式[7]。為滿足報文傳輸延時，可知的設計目標，需要對現有上述協議做一定的擴展，以滿足承載傳輸延時值的需要。

間隔層保護裝置的過程層接口協議和整定方式需要適當調整和簡化，并做到不需要配置文件，同時保護裝置需要根據收到的每個采樣值傳輸延時，自身完成采樣數據同步，并調整和簡化過程層智能終端的接口協議，減少或消除對裝置配置文件的依賴。

3.2裝置硬件原理

為保證采樣報文在裝置中轉發延時可測，數字二次回路裝置設計不采用交換機芯片，硬件架構不采用交換機式架構，而采用常規的類似數字化保護裝置的架構，如圖8所示。裝置包含液晶顯示器和鍵盤等人機交互接口。裝置的接口設計成插件形式，可按需靈活配置，以適應各種外接設備不同接口類型的需要。輸入輸出接口支持硬件打時標功能，以完成轉發延時測量。裝置的電磁兼容等性能和總體可靠性要求與保護裝置完全相同。當前研制該型裝置的技術基礎都已經具備，難度不大，可以從現有數字化裝置平臺快速改裝而來。

裝置(以某型平臺裝置為例)為標準19英寸(或19/2英寸)寬、4U高機箱。前面板配有液晶顯示器、鍵盤、指示燈和調試接口等。裝置外觀與現有智能變電站保護裝置基本相同。

數字二次回路裝置對可靠性要求很高，該裝置按保護裝置同等標準來設計、試驗和檢測。裝置內部可采用硬件自動熱備冗余，所有信息在冗余硬件中相互鏡像并對互連裝置透明共享，由此進一步提高裝置可靠性。由于該裝置功能較單一，主要做通信轉發，運算性能要求不高，軟硬件設計總體較簡單，可以做到比保護裝置更高的可靠性。

4互感器就地采樣模塊設計

互感器就地采樣模塊安裝于一次設備本體或現場端子箱。功能是采集電流互感器(TA)二次側電流或電壓互感器(TV)二次側電壓，也可采集開關量信號(主要采集互感器刀閘位置等開關量信號)，經過采樣變換為數字量輸出，通過輸出接口送給其他二次設備。模塊包括CPU、低通濾波器、第一A/D轉換器、第二A/D轉換器、光隔離器、電源、調試接口和若干輸出接口，其結構框圖如圖9所示。

互感器就地采樣模塊的CPU外接對時信號。對時信號正常時，采樣時刻跟隨對時信號，對時信號異常時，采樣時刻由模塊自主控制。模塊的輸出接口一般有1或2個，協議支持IEC61850-9-2的SV采樣值報文、IEC60044-8標準的FT3格式及Q/GDW-441《智能變電站繼電保護技術規范》中對其擴展幀格式，也支持新定義通信協議。模塊采樣頻率初始固定為4000Hz，出廠前也可通過調試接口調整為其他統一規定的采樣頻率。

采樣模塊采用嵌入式軟硬件結構，無液晶顯示。模塊防護等級不低于IP67，適應環境溫度范圍最低—45℃，最高85℃。電磁兼容等性能指標適應就地化無防護安裝的要求。模塊外殼長、寬、高度均在50～200mm，安裝方式可采用導軌式或突出式(表面)安裝方式，方便在現場端子箱內安裝。

互感器就地采樣模塊與常規互感器配合，可代替電子式互感器，避免了電子式互感器可靠性問題，同時具有二次電纜少、互感器負載小的優點;模塊結構簡單，可靠性高，對環境要求低，安裝方便，成本低，可快速更換，以換代修。工作不需整定，無需配置文件，運行維護方便。

對于電子式互感器，其就地采樣模塊就是安裝于其本體上的遠端模塊。應用本方案時，需對遠端模塊進行一定改造，使其對外接口符合上文所述通信標準要求。

5與現有技術方案對比分析

5.1與現有智能變電站采樣和跳閘方式比較

如圖10所示，其中圖(a)、圖(b)為現有智能變電站典型間隔的設備及接線圖。首先對比圖(a)、圖(c)，可以看出：1)現方案每個間隔取消了合并單元，增加了數字二次回路裝置，每個間隔設備數量沒有增加。從全站看，因無需跨間隔過程層交換機，設備總量較少。2)本方案保護裝置采樣需經過2臺設備和2根光纖，與直接采樣方式相同，可以認為仍符合直采的要求，此環節兩者快速性、可靠性相當。3)本方案保護裝置跳閘需經過2臺設備和2根光纖，比直跳方式多經過1臺設備和1根光纖，理論估計增加延時約0.8ms(考慮100Mb/s傳輸速率，跳閘報文長度為128字節，耗時為10240ns;數字二次回路裝置內部處理時間參照合并單元的處理延時，按790µs計)，基本可以忽略。

對比圖10(b)、圖10(c)，上述第2)、3)點結論同樣適用。在設備數量方面，圖10(b)方案每個間隔通過合并單元與智能終端合并，設備數量減少了1臺，但本質上功能沒有變化，只是用1臺集成裝置代替2臺裝置。考慮到本方案全站無需過程層交換機，設備總量可與圖(b)數量相當。

綜合考慮設備數量、設備復雜程度和接線等因素，本方案在快速性、可靠性和設備數量方面與采用直采直跳方案相當或略優。

5.2與就地化技術方案的對比

僅從對保護本身意義上來說，保護裝置就地化的本質目標是：縮短二次交流電纜長度，減少TA二次負載，從而改善TA飽和特性;縮短二次控制和交流電纜長度，降低電纜路徑上的故障概率?？陀^上保護裝置就地化的同時，還實現了保護裝置按保護對象獨立、分散配置。

當前保護裝置就地化安裝有繼保小室安裝、預制艙安裝、就地智能控制柜安裝和無防護安裝等多種形式。就目前關注度較高的無防護安裝和智能控制柜安裝兩種方式來說，其存在的最大問題是：1)惡劣天氣現場運維檢修不方便甚至影響設備與人身安全。2)對保護裝置本身的環境適應能力要求極高。3)因就地化保護裝置本身無顯示屏和鍵盤接口，需要依賴集中配置的保護管理單元。

本方案中，就地采樣模塊就地化安裝于互感器本體附件，完成采樣后經光纜傳送到繼保小室或預制艙，而不需要敷設二次交流電纜，完成了就地化的本質目標。保護裝置本體仍安裝在繼保小室或預制艙，運行環境好，不受惡劣天氣影響，運行維護方便、安全。本方案中，就地化無防護安裝的設備是功能和結構都非常簡單的采樣模塊，并按免維護、免整定設計，具有較強的環境適應性和可靠性;模塊成本較低，故障后可直接更換新模塊。與整臺保護裝置就地無防護安裝方式相比，其可靠性、經濟性和運維方便性、安全性都有明顯優勢。

5.3配置文件的配置過程對比

目前智能變電站對配置文件的配置過程主要是：采用獨立的系統配置工具，按照系統層配置的需要，導入數個智能電子設備ICD文件，配置不同智能電子設備共享的系統信息，而后生成符合標準規定的變電站SCD文件，進而導出符合標準的智能電子CID、CCD文件，然后將這些文件傳輸到對應的IED中，最終構成整個智能變電站的組網通信。任何ICD文件的變動，理論上都需重新集成SCD，后續的文件自然也該重新生成。整個鏈條涉及多個環節，而且原本ICD文件未變化的IED也被牽連。

本方案按間隔配置數字二次回路裝置，且每個間隔內的信號連接關系、與其他間隔的連接關系在該裝置內以整定值方式體現，與全站SCD文件無關。因此，過程層各間隔設備整定(配置)過程及全站配置過程都顯著簡化。

6對現有智能變電站改造的要點

應用本方案對已建成智能變電站進行改造，需注意以下幾點：

(1)站控層設備、網絡基本不變。

(2)間隔層裝置可以做到硬件不改變，需要做軟件升級。主要升級過程層接口程序。

(3)按間隔增加數字二次回路裝置。取消所有過程層網絡交換機?？衫迷Ｗo屏柜中空余位置安裝數字二次回路裝置。

(4)對電子式互感器取消合并單元，更換或升級遠端模塊，主要是改造為具有統一的通信接口。對常規互感器取消合并單元，加裝就地采樣模塊。過程層智能終端保留不變。

(5)原光纜都可利用，可能還會有剩余。屏柜內光纖數量足夠使用。

(6)改造工作符合二次系統運維單元與一次系統間隔相匹配原則。

總體而言，若應用本方案改造現有智能變電站，設備、光纜、屏柜變化不大，軟件需要升級，可行性較強。

7結語

本文提出了智能變電站二次系統運維單元應與一次系統間隔相匹配的原則，指出智能變電站二次設備與二次回路，包括網絡、軟件、配置文件和信息流，都應按間隔配置。設計了數字二次回路裝置、互感器就地采樣模塊及智能變電站二次系統方案。本方案可解決現有智能變電站改擴建困難的先天缺陷，保證保護動作的快速性與采用“直采直跳”方案相當，完全滿足相關規程要求，總體可靠性優于就地無防護安裝方式。方案取消了過程層網絡和交換機，數字二次回路裝置采用整定單方式配置，不需IEC61850配置文件，對人員技能要求低，施工調試效率有望比現有智能變電站提高兩至三倍。目前該方案尚未取得工程實踐經驗，有待進一步細化和優化。

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曹團結

DiscussionontheSchemeofImprovementForProcessLevelofSmartSubstationBasedonDigitalSecondaryCircuitDevice

CAOTuan-jie1,2,WUXiao-gang1,2,TANGXiao-chen1,2

(1.NanjingNARIGroupCorporation(StateGridElectricPowerResearchInstitute),Nanjing211106,JiangsuProvince,China;2.StateKeyLaboratoryofSmartGridProtectionandControl,Nanjing211106,JiangsuProvince,China)

Abstract:Thispaperanalyzedthemainproblemsofsmartsubstation,proposedtheprinciplethat“operationandmaintenanceforsmartsubstationsecondarysystemshouldbematchedwiththeoperationunitofthepowersystem”.Thispaperpointsoutthatthesmartsubstationsecondaryequipmentandsecondaryloop,includingnetwork,software,configuredfilesandinformationflow,shouldbeconfiguredaccordingtobay.Thispaperreconfiguredthesecondarycircuit,designedtheDigitalSecondaryCircuitDevice,In-situSamplingModuleandthenewsmartsubstationsystemschemebasedonthetwo.Theschemecanpreferablysolvetheproblemoftheexpansionofthesmartsubstation,andtheactionspeedofrelayprotectionisequaltotheschemeof“DirectSamplingandDirectTripping”.TheoverallreliabilityisbetterthantheProtectiondeviceinstalledinsituwithoutshields.Inthescheme,theprocesslayernetworkandswitcherarecancelled,andtheDigitalSecondaryCircuitDeviceissetwithasettingsheet,whichdoesnotneedconfiguredfiles,andthepersonnelskillrequirementislow,theefficiencyofconstructionanddebuggingcanbeimprovedgreatly.

Keywords:digitalsecondarycircuitdevice;in-situsamplingmodule;smartsubstation;IEC61850;protectiondeviceinstalledinsituwithoutshields

作者簡介：曹團結(1975)，男，碩士，研究員級高級工程師，主要從事電力系統繼電保護與智能變電站技術研究開發及科技管理工作，E-mail：Tuanjiecao@126.com。

伍小剛(1978)，男，碩士，高級工程師，主要從事電力系統自動化研究開發工作。

湯曉晨(1987)，女，碩士，工程師，主要從事電力系統自動化研究開發工作。