基于数字二次回路装置的智能变电站过程层改进方案探讨

采样模块采用嵌入式软硬件结构，无液晶显示。模块防护等级不低于IP67，适应环境温度范围最低—45℃，最高85℃。电磁兼容等性能指标适应就地化无防护安装的要求。模块外壳长、宽、高度均在50～200mm，安装方式可采用导轨式或突出式(表面)安装方式，方便在现场端子箱内安装。

互感器就地采样模块与常规互感器配合，可代替电子式互感器，避免了电子式互感器可靠性问题，同时具有二次电缆少、互感器负载小的优点;模块结构简单，可靠性高，对环境要求低，安装方便，成本低，可快速更换，以换代修。工作不需整定，无需配置文件，运行维护方便。

对于电子式互感器，其就地采样模块就是安装于其本体上的远端模块。应用本方案时，需对远端模块进行一定改造，使其对外接口符合上文所述通信标准要求。

5与现有技术方案对比分析

5.1与现有智能变电站采样和跳闸方式比较

如图10所示，其中图(a)、图(b)为现有智能变电站典型间隔的设备及接线图。首先对比图(a)、图(c)，可以看出：1)现方案每个间隔取消了合并单元，增加了数字二次回路装置，每个间隔设备数量没有增加。从全站看，因无需跨间隔过程层交换机，设备总量较少。2)本方案保护装置采样需经过2台设备和2根光纤，与直接采样方式相同，可以认为仍符合直采的要求，此环节两者快速性、可靠性相当。3)本方案保护装置跳闸需经过2台设备和2根光纤，比直跳方式多经过1台设备和1根光纤，理论估计增加延时约0.8ms(考虑100Mb/s传输速率，跳闸报文长度为128字节，耗时为10240ns;数字二次回路装置内部处理时间参照合并单元的处理延时，按790µs计)，基本可以忽略。

对比图10(b)、图10(c)，上述第2)、3)点结论同样适用。在设备数量方面，图10(b)方案每个间隔通过合并单元与智能终端合并，设备数量减少了1台，但本质上功能没有变化，只是用1台集成装置代替2台装置。考虑到本方案全站无需过程层交换机，设备总量可与图(b)数量相当。

综合考虑设备数量、设备复杂程度和接线等因素，本方案在快速性、可靠性和设备数量方面与采用直采直跳方案相当或略优。

5.2与就地化技术方案的对比

仅从对保护本身意义上来说，保护装置就地化的本质目标是：缩短二次交流电缆长度，减少TA二次负载，从而改善TA饱和特性;缩短二次控制和交流电缆长度，降低电缆路径上的故障概率。客观上保护装置就地化的同时，还实现了保护装置按保护对象独立、分散配置。

当前保护装置就地化安装有继保小室安装、预制舱安装、就地智能控制柜安装和无防护安装等多种形式。就目前关注度较高的无防护安装和智能控制柜安装两种方式来说，其存在的最大问题是：1)恶劣天气现场运维检修不方便甚至影响设备与人身安全。2)对保护装置本身的环境适应能力要求极高。3)因就地化保护装置本身无显示屏和键盘接口，需要依赖集中配置的保护管理单元。

本方案中，就地采样模块就地化安装于互感器本体附件，完成采样后经光缆传送到继保小室或预制舱，而不需要敷设二次交流电缆，完成了就地化的本质目标。保护装置本体仍安装在继保小室或预制舱，运行环境好，不受恶劣天气影响，运行维护方便、安全。本方案中，就地化无防护安装的设备是功能和结构都非常简单的采样模块，并按免维护、免整定设计，具有较强的环境适应性和可靠性;模块成本较低，故障后可直接更换新模块。与整台保护装置就地无防护安装方式相比，其可靠性、经济性和运维方便性、安全性都有明显优势。

5.3配置文件的配置过程对比

目前智能变电站对配置文件的配置过程主要是：采用独立的系统配置工具，按照系统层配置的需要，导入数个智能电子设备ICD文件，配置不同智能电子设备共享的系统信息，而后生成符合标准规定的变电站SCD文件，进而导出符合标准的智能电子CID、CCD文件，然后将这些文件传输到对应的IED中，最终构成整个智能变电站的组网通信。任何ICD文件的变动，理论上都需重新集成SCD，后续的文件自然也该重新生成。整个链条涉及多个环节，而且原本ICD文件未变化的IED也被牵连。

本方案按间隔配置数字二次回路装置，且每个间隔内的信号连接关系、与其他间隔的连接关系在该装置内以整定值方式体现，与全站SCD文件无关。因此，过程层各间隔设备整定(配置)过程及全站配置过程都显著简化。

6对现有智能变电站改造的要点

应用本方案对已建成智能变电站进行改造，需注意以下几点：

(1)站控层设备、网络基本不变。

(2)间隔层装置可以做到硬件不改变，需要做软件升级。主要升级过程层接口程序。

(3)按间隔增加数字二次回路装置。取消所有过程层网络交换机。可利用原保护屏柜中空余位置安装数字二次回路装置。

(4)对电子式互感器取消合并单元，更换或升级远端模块，主要是改造为具有统一的通信接口。对常规互感器取消合并单元，加装就地采样模块。过程层智能终端保留不变。

(5)原光缆都可利用，可能还会有剩余。屏柜内光纤数量足够使用。

(6)改造工作符合二次系统运维单元与一次系统间隔相匹配原则。

总体而言，若应用本方案改造现有智能变电站，设备、光缆、屏柜变化不大，软件需要升级，可行性较强。

7结语

本文提出了智能变电站二次系统运维单元应与一次系统间隔相匹配的原则，指出智能变电站二次设备与二次回路，包括网络、软件、配置文件和信息流，都应按间隔配置。设计了数字二次回路装置、互感器就地采样模块及智能变电站二次系统方案。本方案可解决现有智能变电站改扩建困难的先天缺陷，保证保护动作的快速性与采用“直采直跳”方案相当，完全满足相关规程要求，总体可靠性优于就地无防护安装方式。方案取消了过程层网络和交换机，数字二次回路装置采用整定单方式配置，不需IEC61850配置文件，对人员技能要求低，施工调试效率有望比现有智能变电站提高两至三倍。目前该方案尚未取得工程实践经验，有待进一步细化和优化。

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曹团结

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

作者简介：曹团结(1975)，男，硕士，研究员级高级工程师，主要从事电力系统继电保护与智能变电站技术研究开发及科技管理工作，E-mail：Tuanjiecao@126.com。

伍小刚(1978)，男，硕士，高级工程师，主要从事电力系统自动化研究开发工作。

汤晓晨(1987)，女，硕士，工程师，主要从事电力系统自动化研究开发工作。