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智能变电站技术应用研究

　　摘要：本文对智能变电站二次回路标准化的可行性进行了分析，提出了总体要求及目标，并重点围绕1.网络通信方式代替传统二次回路电缆连结给变电站设计带来的变化；2.二次施工图设计表达新形式；3.SV/GOOSE信息流图、虚端子图、SV/GOOSE信息逻辑配置表、装置间光缆联系图等的标准化画法等三个方面，对智能变电站二次施工图实现标准化需要开展研究的关键技术进行分析。

　　关键词：智能变电站 二次系统 施工图 标准化设计 虚端子
　　中图分类号：TM63 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）04-0089-02
　　1 概述
　　智能变电站是智能电网的基础，建设智能电网首先要建设智能化变电站，世界各国在智能变电站建设中都提出了不同的设计方案和构想。目前，国家电网公司相继颁布和实施110kV及以上智能变电站导则、规范、标准，但尚无智能变电站二次施工标准图等标准，因此，需要对智能变电站设计技术进行更深层次的研究，形成相应技术标准并付诸实施，有效降低智能变电站设计、实施及运维成本，满足智能变电站建设的需要，进一步优化智能变电站设计、实施及运维技术，提高变电站的智能化水平。
　　为统一智能变电站项目建设标准，提高工作效率，加快设计、评审以及施工进度，规范信息模型，迫切需要开展智能变电站二次系统的施工图标准化技术研究工作。在此领域，江苏省电力设计院的王哲等对江苏省电力公司220kV变电站的二次施工图纸标准化工作的实施情况进行了阐述[1]；辽宁电力勘测设计院的窦青青等针对目前二次系统设计存在的问题，依据国家电网公司制定的通用设备接口规范，研究确定了二次系统施工图标准化设计内容及表达方式，有效规范了各种二次设备的信息模型，实现全站模型的标准化，满足了“标准化设计、工厂化加工、装配式建设”的要求[2]；浙江大学的秦建松等围绕智能变电站二次施工图标准化技术的优点和需要解决的问题，探讨了智能变电站IEC 61850组态应增加的新内容等[3]；国电南自的胡道徐等针对智能变电站取消硬电缆回路的特点，提出了基于网络化信息共享实现整套的虚回路体系[4]；浙江省电力公司温州供电公司的刘曦、浙江电力设计院的高亚栋等基于SCD文件的虚端子图形化思路，提出了虚端子设计三要素：GOOSE图，虚端子图，虚端子逻辑联系表，并给出了虚端子图形化展示步骤[5-6]。
　　本文对智能变电站二次回路标准化的可行性进行分析，提出总体要求及目标，并将重点围绕：（1）网络通信方式代替传统二次回路电缆连结给变电站设计带来的变化；（2）二次施工图设计表达新形式；（3）SV/GOOSE信息流图、虚端子图、SV/GOOSE信息逻辑配置表、装置间光缆联系图等的标准化画法等三个方面，对智能变电站二次施工图实现标准化需要开展研究的关键技术进行分析和阐述。
　　2 智能变电站二次回路标准化设计分析
　　2.1 可行性分析
　　对于二次设备来讲，传统变电站与智能变电站的区别，以及各二次设备厂家同类设备的区别，均为实现同一功能的方式不同，各厂家二次设备内部原理接线可能不同。但对外部的连接应该统一，即对外硬件接口应统一。同时由于过程层网络代替了常规的二次电缆回路，使得二次设备的物理端口数量和连接缆线大量减少，端口布置更为集中，端口功能定义更加明确，各厂家实现统一物理端口命名成为可能，可以实现统一的端子排布置。根据《国家电网公司输变电工程智能变电站通用设置》的规定，二次设备物理端口、物理端口命名、装置端子排以及逻辑连接的虚端子命名均已规范化，设计人员可以脱离厂家资料，针对设计深度和内容，实现二次施工图的标准化设计。标准化施工图设计可实现同一套图纸指导不同工程的施工，从而有效减少设计周期，提高工程施工效率。
　　2.2 施工图标准化设计总体要求及目标
　　二次系统施工图设计应符合智能变电站现行工程建设标准及国家电网公司企业标准的规定，推广应用通用设计、通用造价、通用设备典型规范，在施工图设计内容和深度上，要求设计内容规范齐全、引用标准正确、表达方式一致、方案表达简明，设计图纸应满足设备材料采购、施工招标、业主单位管理、施工和竣工结算的要求，并能正确指导施工、方便竣工验收、保证运行档案正确齐全。
　　3 智能变电站二次施工图标准化关键技术
　　二次系统的功能逻辑和信号的输入输出不仅依赖于硬件设备的可靠连接（物理连接），而且很大程度上依赖于不够直观的各设备之间传递的信息模型的逻辑连接，信息模型是变电站内部数据进行统一的基础。信息模型的具体实现过程是采用可扩展标记语言（XML）格式的SCL模型文件（ICD文件、SSD文件、SCD文件、CID文件）来实现的，通过模型文件完成各类装置和系统信息的交互。智能变电站只有完成了站内模型SCD文件的参数配置、生成全站配置文件后，才能进行系统调试。SCD文件是全站统一的数据源，包含所有IED的网络IP地址、MAC地址、VLAN划分等配置信息，所有装置的间隔名称、装置名称、变电站的一次系统结构、一次设备信息等。可见，智能变电站二次系统设计的模式发生了根本性的变化，由传统的根据二次设备原理图进行二次设备之间联系图、接线图的设计转变为信息模型文件参数配置及输入输出接口的通信配置。二次系统设备间的硬件设备连接和软件配置是智能变电站二次系统施工图设计表达的技术基础。
　　智能变电站通过智能组件实现一二次设备的数字化接口，以网络通信方式代替传统二次回路电缆连结，传统的电缆、端子排被光缆、交换机、配线架所代替，二次图纸的设计内容发生了变化。通过SV/GOOSE报文传输信息相对于传统模拟量、开关量信号，对施工和运行人员来说，增加了不可见性，造成设计意图表达困难。本项目拟研究以上差异对二次设计的影响，探索适合智能变电站二次系统特点的图纸表达方式，形成标准化设计。并开发相应的二次设计工具，将图纸设计与实际的系统配置结合一致，由设计人员直接设计并生成模型文件，达到设计意图的准确实现，避免现场再次配置。 　　综上分析，智能变电站二次施工图标准化需要开展下列关键技术研究。
　　3.1 研究以网络通信方式代替传统二次回路电缆连结给变电站设计带来的变化
　　相比较常规变电站，智能变电站网络通信方式代替传统二次回路电缆连接，给二次自动化系统设计带来非常大的变化，主要表现在：
　　（1）增加了过程层智能组件设计。智能变电站采用三层两网结构，采用过程层智能组件作为一次设备的数字化接口。智能组件，包括智能终端、合并单元是传统变电站结构和智能变电站结构的分界点，是智能变电站设计中新增加的内容。
　　智能终端不仅具备就地刀闸信号的开入开出功能，还将操作箱功能集于一身，设计时既需考虑与保护的数字信号配合，又要注意与一次设备机构的硬接线连接优化。
　　合并单元不仅完成间隔内电流电压等传统模拟量信号的数字化同步，合并；在智能变电站还具备电压切换、并列功能电压切换由每个间隔合并单元完成，通过采集本间隔隔离开关GOOSE开入位置所在母线确定电压采集方案。电压并列由PT合并单元采集过程层网络母联断路器GOOSE开入位置和PT隔离开关GOOSE开入位置，进行逻辑关系完成并列或解列方案。
　　（2）增加了通信网络设计。站控层网络和过程层网络的出现，使得智能变电站设计中网络（含交换机）设计成为关键一环。对交换机的选型和配置，对网络结构、通信速率、接入方案的选择和规划，对网络交换机的数据流量进行控制的VLAN或GMRP方案设计等内容，成为智能变电站研究和设计的重要方面，关系到全站功能的正常运行。
　　（3）光纤―配线架设计代替了传统的电缆―端子排设计。智能变电站采用智能组件完成各类模拟量、开关量信号的就地数字化；就地一次设备及其接口装置至二次保护、测控、计量、故障录波等间隔层功能设备的传输介质也随之由电缆变为光纤。各间隔层设备之间也采用光纤进行连接。
　　光纤在信号传输方式、连接方法上均与电缆有着较大的区别。一芯光纤可传输大量信息，增加了设计表达的难度；光纤采用熔接盒、配线架等设备连接，相对于传统变电站以端子排为核心的接线设计，发生了巨大的变化。
　　（4）增加了GOOSE/SV信息传输设计和设备文件配置。智能变电站采用GOOSE/SV报文，对工程人员来说，各装置的输入输出不如电缆透明。对装置间的报文传输应通过直观、清楚的方式准确表达。为描述基于上述GOOSE/SV传输设计的设备功能，智能变电站还需对二次智能设备进行文件配置。
　　3.2 研究二次施工图设计表达新形式
　　结合对智能变电站与传统变电站差异化设计内容的分析，研究如何将智能变电站增加的或变化的内容以适当的形式，按照条理清楚、内容准确、清晰易懂的要求进行表达。
　　（1）卷册划分的调整。结合设计惯例，研究新增加设计内容的卷册安排。研究将智能组件部分的设计与二次安装接线图结合，将通信网络部分的设计与监控系统图纸或二次安装接线图结合，将GOOSE/SV信息传输部分的设计单独新设卷册，将光纤及配线架的连接设计与传统端子排设计一并分布于各卷册或单独新设卷册。
　　（2）新增设计内容的表达方式。结合各部分新增内容的特点，研究其表达方式。按照原理准确，接线清晰的原则，从系统至设备，全面表达设计意图。如对智能组件，既要示意其在系统中的功能作用，又要表示其装置原理、组成，电缆和光缆接线，还应明确其信息流方向，虚端子配置。
　　（3）光纤连接的表达方式。研究如何清晰准确的表示光缆、尾纤等连接，规定标准的光缆开列形式。以配线架为核心进行光缆接线设计，研究将每根光缆、尾纤的起止装置接口，每芯熔接/插接位置，总芯数/备用芯数，编号，规格等信息清楚完整的予以表达。
　　（4）GOOSE/SV信息配置的表达。调查研究目前各厂家和设计单位对GOOSE/SV信息传输配置的不同表达形式，采用图形、表格等多种形式，将SV/GOOSE信息流图、虚端子图、SV/GOOSE信息逻辑配置表等相结合，规范化、标准化GOOSE/SV信息表达方式。
　　3.3 研究SV/GOOSE信息流图、虚端子图、SV/GOOSE信息逻辑配置表、装置间光缆联系图等的标准化画法
　　针对二次施工图表达形式的特点，GOOSE/SV信息配置的表示是与传统变电站区别最大的部分，也是智能变电站最不透明，不易理解的部分。对GOOSE/SV信息传输，应研究以各种不同侧重的方式详细表示。
　　（1）SV/GOOSE信息流图标准化画法的研究。SV/GOOSE信息流图是表示过程层设备与间隔层设备信息通讯回路的原理图，用规范的方向标线（带有箭头）标注出过程层设备与间隔层设备之间SV和GOOSE流向信息，并且在信息流向线上表达清楚通讯参数、传输内容和光缆编号。
　　SV/GOOSE信息流图的标准化应关注对站内设备结构性描述，信息交换的逻辑关系，对组网或点对点通讯方案的通用性的标准化描述和画法的研究。根据光缆信息编号建立相对应的信息表格，如SV信息表和GOOSE信息表，并将发送端、接收端传输内容、传输参数等信息描述清晰。用不同图形形式（如：用虚线框+设备名称）将表达过程层设备和间隔层设备分别表达清晰，便于工程人员和设计人员区别。
　　（2）SV/GOOSE虚端子标准化画法的研究。SV采样虚端子图是将合并单元采样信息电压/电流相别描述、装置内部端子和外部端子（来自合并单元）连接关系的表达清楚的制图，对应于传统的采样回路。在设计中用规范的方向线表示出SV流向，表达清楚保护数据和测量数据描述信息，表达出SV虚端子逻辑节点描述信息。
　　GOOSE开入开出虚端子图是将智能单元信息开入开出描述、装置内部端子和外部端子（来自智能单元）连接关系的表达清楚的制图，对应于传统的输入输出回路。在设计中用规范的方向线表示出GOOSE流向，表达清楚开入开出描述信息，表达出GOOSE虚端子逻辑节点描述信息。 　　（3）SV/GOOSE信息逻辑配置表标准化画法的研究。SV/GOOSE信息逻辑配置表是表达过程层和间隔层智能设备和交换机之间连接关系表格。配置表采用文件格式，接口类型，厂商数据模型文件配置，研究各个功能的建立如：筛选、排序等，标准化规定及画法。标注清楚逻辑设备之间通讯参数、信息集编号、信息内容、起点设备名称、起点设备虚端子号、起点设备数据属性、终点设备名称、终点设备虚端子号、终点设备数据等信息。
　　（4）装置间光缆联系图标准化画法的研究。装置间光缆联系图是主要描述二次设备之间光缆连接关系，其前提条件为网络方案和设备光接口配置。建立表格时标注清楚光缆起端和终端、光缆规格型号、光缆编号、纤芯数目、ODF（配线架）通道分配信息及使用描述等信息。对光缆标识牌标注、光纤套管颜色、设备与光缆接口所对应通讯信息表标准化规定及画法的研究。
　　4 结语
　　本文明确了智能变电站二次设计的内容，在各工程项目设计中推广智能变电站二次自动化系统典型设计以及适应智能变电站工程特点的标准化施工图表达方式；规范了SV/GOOSE信息流图、虚端子图、SV/GOOSE信息逻辑配置表、装置间光缆联系图的表示方法，指导应用与设备模型文件配置相结合的二次虚拟连接设计工具。通过上述技术手段的应用，在智能变电站的建设上，统一模式，统一标准，规范制图，提高设计效率，提升设计水平，加强设计与现场施工、调试工作的一致性。
　　参考文献
　　[1]王哲，等.220kV变电站系统二次专业施工图标准化设计研究与应用[J].电力勘测设计，2009，5期：61-64.
　　[2]窦青青，等.智能变电站二次系统施工图标准化设计研究[J].东北电力技术，2014，2期：1-6.
　　[3]秦建松，等.智能变电站二次施工图设计的标准化技术[J].浙江电力，2013，6期：61-63.
　　[4]胡道徐，等.基于IEC61850的智能变电站虚回路体系[J].电力系统自动化，2010，17期34卷：78-84.
　　[5]刘曦，等.基于智能变电站SCD文件的虚端子图形化展示方法[J].电气应用，2015，2期34卷：97-100.
　　[6]高亚栋，等.数字化变电站的“虚端子”设计方法应用研究[J].电力系统保护与控制，2011，5期39卷：124-127.