1研究背景

　　自動(dòng)化系統(tǒng)作為智能變電站的核心環(huán)節(jié)，其功能分布、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、和調(diào)度間的信息交換方式對于智能變電站的建設(shè)至關(guān)重要。為適應(yīng)智能電網(wǎng)的發(fā)展要求，有必要認(rèn)真思考智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的功能分布、網(wǎng)絡(luò)冗余、信息共享、遠(yuǎn)程交互等技術(shù)，探索新型智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)體系架構(gòu)，促進(jìn)智能變電站技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

　　1）系統(tǒng)安全可靠需求

　　目前智能變電站保護(hù)、測控功能實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)較多，整體響應(yīng)時(shí)間較長，可靠性和速動(dòng)性相對于傳統(tǒng)保護(hù)和測控略有下降，不同功能之間還存在部分橫向耦合。另外，通信環(huán)節(jié)可靠性直接影響著整個(gè)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全運(yùn)行，需要研究新的雙網(wǎng)冗余機(jī)制，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的、無縫網(wǎng)絡(luò)切換。

　　2）信息全網(wǎng)共享

　　限于遠(yuǎn)動(dòng)通信規(guī)約傳輸容量和調(diào)度系統(tǒng)數(shù)據(jù)容量，智能變電站無法遠(yuǎn)傳所有數(shù)據(jù)。現(xiàn)有主子站信息交互方式已成為提高電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)視及控制水平的瓶頸。

　　3）分布式應(yīng)用支撐

　　目前國內(nèi)外已開展了一些分布式應(yīng)用的研究，但由于調(diào)度與變電站長期以來一直分立建設(shè)，缺少統(tǒng)一設(shè)計(jì)，使得分布式應(yīng)用的應(yīng)用策略、交互接口等不統(tǒng)一，造成智能變電站的現(xiàn)有應(yīng)用尚未與調(diào)度主站相應(yīng)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)廣域協(xié)同。

　　4）系統(tǒng)維護(hù)可視化

　　智能變電站網(wǎng)絡(luò)虛回路，缺乏直觀有效的展示手段，運(yùn)維人員無法掌握全站的二次虛回路、物理鏈路和裝置間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。二次回路故障定位也較困難，給緊急處理的快速性和檢修的效率帶來一定影響。

　　2新的系統(tǒng)架構(gòu)

　　2.1架構(gòu)示意圖

　　為實(shí)現(xiàn)上述需求，本文探討了一種新型變電站自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。該系統(tǒng)可以減少功能實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)、減少虛端子數(shù)量、提升網(wǎng)絡(luò)冗余性能，提升變電站對各級調(diào)控主站的支撐能力。典型的220kV智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，線路間隔的間隔層設(shè)備和過程層設(shè)備進(jìn)行了縱向集成整合，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用并行冗余網(wǎng)絡(luò)協(xié)議（PRP）實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)，監(jiān)控功能實(shí)現(xiàn)面向服務(wù)統(tǒng)一設(shè)計(jì)。

　　圖1220kV新型智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

　　2.2縱向集成的間隔設(shè)備

　　縱向集成的間隔設(shè)備是將線路、母聯(lián)等間隔的過程層合并單元、智能終端功能和間隔層保護(hù)、測控功能進(jìn)行集成，在一套裝置中實(shí)現(xiàn)采集、保護(hù)邏輯或測控計(jì)算、出口輸出。該裝置通過MMS協(xié)議和站控層設(shè)備進(jìn)行通信，向變電站其他設(shè)備輸出采樣值報(bào)文和GOOSE報(bào)文，并接收變電站其他設(shè)備的GOOSE控制報(bào)文，進(jìn)行出口控制。如此，可以減少保護(hù)、測控功能實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)，提高就地保護(hù)速動(dòng)性和可靠性。站域保護(hù)、備自投、安全穩(wěn)定控制裝置等跨間隔的二次設(shè)備，則通過過程層接口，以網(wǎng)絡(luò)方式接收由間隔縱向集成裝置采集的開關(guān)量和模擬量，并通過過程層光口，以網(wǎng)絡(luò)方式將控制輸出傳輸至面向間隔的保護(hù)或測控裝置中，實(shí)現(xiàn)對間隔的跳合閘和控制操作。

　　如圖2是一個(gè)典型的110kV線路間隔縱向集成裝置配置示意圖。其集成了本間隔合并單元、智能終端、保護(hù)、測控功能，實(shí)現(xiàn)保護(hù)、測控所需的電氣量的采集，實(shí)現(xiàn)與保護(hù)和測控相關(guān)的開關(guān)量采集和控制輸出，并通過過程層接口與其它裝置通訊，實(shí)現(xiàn)SV發(fā)送和GOOSE信息交互，站控層接口不變。

　　圖2110kV線路間隔縱向集成裝置示意圖

　　220kV及以上的高壓線路間隔一般要求保護(hù)、測控在不同裝置中實(shí)現(xiàn)。可以將保護(hù)、測控功能進(jìn)行解耦，分別研制新型多功能保護(hù)裝置和多功能測控裝置。新型保護(hù)裝置集成保護(hù)相關(guān)的合并單元和智能終端功能，測控裝置集成自動(dòng)化相關(guān)過程層功能。如此可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)、測控功能解耦，便于運(yùn)維管理。

　　2.3并行冗余的通信網(wǎng)絡(luò)

　　并行冗余協(xié)議（PRP）是ABB公司首先提出，IEC62439-3規(guī)定它的實(shí)現(xiàn)方式，其使用遵從PRP協(xié)議的雙連接節(jié)點(diǎn)(DANP)執(zhí)行冗余。PRP的網(wǎng)絡(luò)冗余，是在鏈路層實(shí)現(xiàn)，可以實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)的無縫切換，同時(shí)易于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，利于不同廠家設(shè)備的互操作。IEC61850第二版核心標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)報(bào)告都推薦推薦采用PRP實(shí)現(xiàn)雙網(wǎng)冗余，ABB、西門子等國際知名公司已經(jīng)進(jìn)行了多次互操作試驗(yàn)。

　　2.4面向服務(wù)的監(jiān)控功能

　　面向服務(wù)的監(jiān)控功能統(tǒng)一設(shè)計(jì)了標(biāo)準(zhǔn)化的底層平臺(tái)，改變以往調(diào)度與變電站系統(tǒng)的單一性交互手段，設(shè)計(jì)了各種交互服務(wù)，并采用面向服務(wù)的廣域服務(wù)總線，實(shí)現(xiàn)縱向的服務(wù)靈活調(diào)用和信息互聯(lián)互通，為調(diào)度與變電站系統(tǒng)的各類分布式應(yīng)用協(xié)同提供了支撐，提高調(diào)度與變電站的標(biāo)準(zhǔn)化、一體化和互動(dòng)化水平。在此架構(gòu)基礎(chǔ)上，對目前智能變電站的應(yīng)用功能進(jìn)行分析和總結(jié)，按照分布式一體化原則來設(shè)計(jì)和開發(fā)面向服務(wù)的變電站應(yīng)用功能，實(shí)現(xiàn)調(diào)度與變電站之間廣域協(xié)同的分布式一體化應(yīng)用。系統(tǒng)架構(gòu)具有良好的動(dòng)態(tài)可伸縮性，既有能力支撐已有的應(yīng)用，也可以方便地支撐新的業(yè)務(wù)功能，適應(yīng)未來發(fā)展的新需求。

　　系統(tǒng)面向調(diào)度與變電站之間的信息按需共享和分布式應(yīng)用信息交互需求，建立了面向調(diào)度的變電站各類支撐交互服務(wù)，包括狀態(tài)估計(jì)服務(wù)、順序控制服務(wù)、智能告警服務(wù)、遠(yuǎn)程畫面瀏覽服務(wù)、模型服務(wù)、歷史數(shù)據(jù)查詢服務(wù)、安全認(rèn)證服務(wù)等，支撐調(diào)度主站全網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)、綜合智能告警、遠(yuǎn)方順序控制、遠(yuǎn)程瀏覽、歷史數(shù)據(jù)查詢等應(yīng)用功能，為調(diào)度與變電站的廣域應(yīng)用協(xié)同奠定技術(shù)基礎(chǔ)，支撐調(diào)度主站對變電站的全景觀測。

　　3關(guān)鍵技術(shù)

　　3.1面向間隔的縱向集成裝置實(shí)現(xiàn)技術(shù)

　　縱向集成裝置集成了合并單元、智能終端的功能，對裝置的硬件、軟件提出了更高的要求。需要研究高性能微處理器和可編程邏輯器件，提高數(shù)據(jù)運(yùn)算和處理速度。同時(shí)需要研究裝置內(nèi)部不同智能模塊間高速數(shù)據(jù)交換技術(shù)，基于LVDS的同步傳輸技術(shù)、基于SERDES的串行傳輸技術(shù)和基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的交換式傳輸技術(shù)各具特色，可以根據(jù)實(shí)際需求選擇其中一種方案。

　　針對220kV及以上縱向集成裝置，需要解決220kV間隔的合并單元、智能終端、保護(hù)功能的整合方法，以及如何利用最短最優(yōu)的信息流路徑，充分提高采樣和動(dòng)作響應(yīng)速度，提高裝置可靠性和設(shè)備性能。針對110kV及以下縱向集成裝置，需要集成具有采集、控制、測量、計(jì)量、監(jiān)測及保護(hù)功能，還需研究高精度量測算法的整合方法，以滿足計(jì)量和監(jiān)測的數(shù)據(jù)精度要求。

　　3.2基于PRP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)

　　對于裝置類設(shè)備，需要研究基于PRP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)接口模塊，實(shí)現(xiàn)DANP節(jié)點(diǎn)功能；對于站控層服務(wù)器類設(shè)備，需要研制支持PRP協(xié)議的PCIe接口插卡。

　　在PRP網(wǎng)絡(luò)中不易實(shí)現(xiàn)基于IEEE1588的精確對時(shí)。IEC62439-3給出了基于PRP的1588實(shí)現(xiàn)原理，對于硬件及軟件要求較高。需要研究基于PRP協(xié)議的1588對時(shí)機(jī)理，研究基于FPGA技術(shù)的精確對時(shí)實(shí)現(xiàn)方式。

　　目前國內(nèi)的智能變電站中220kV及以上電壓等級的過程層設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)廣泛采用雙套冗余方式，考慮建設(shè)成本不必采用PRP實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)冗余。在站控層網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)PRP協(xié)議只需改造間隔層設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接口，同時(shí)將站控層服務(wù)器類設(shè)備的網(wǎng)卡改為基于PCIe的PRP插卡，對建設(shè)成本影響不大。

　　3.3基于服務(wù)的主子站遠(yuǎn)程交互技術(shù)

　　參考目前網(wǎng)省調(diào)主站之間的服務(wù)總線通信，主子站遠(yuǎn)程交互可采用基于面向服務(wù)架構(gòu)（SOA）的廣域服務(wù)總線，設(shè)計(jì)上需要滿足調(diào)度主站與變電站之間電力實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境要求，縱向上能夠貫通各級調(diào)度和變電站系統(tǒng)，橫向上能夠貫穿變電站三個(gè)安全分區(qū)，以實(shí)現(xiàn)縱向和橫向的服務(wù)靈活調(diào)用和信息互聯(lián)互通，為各類一體化協(xié)同應(yīng)用服務(wù)的研發(fā)提供支撐。基于服務(wù)的主子站遠(yuǎn)程交互在變電站側(cè)要建立各種主站需要的基本服務(wù)和應(yīng)用服務(wù)，而主站側(cè)不僅要建立各種服務(wù)調(diào)用，還要建立各種服務(wù)管理，負(fù)責(zé)變電站各種服務(wù)的注冊、定位以及監(jiān)控的統(tǒng)一管理。

　　安全性也是主子站遠(yuǎn)程交互的重要方面，特別是遠(yuǎn)方操作與運(yùn)維的安全能否保證已成為支撐變電站無人值班的關(guān)鍵問題。在傳統(tǒng)縱向加密認(rèn)證的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步研究主子站一體化縱深安全認(rèn)證策略，建立主子站間數(shù)字簽名、權(quán)限認(rèn)證等二次安全防護(hù)機(jī)制，保障主子站遠(yuǎn)程交互安全。

　　3.4變電站遠(yuǎn)方全景觀測技術(shù)

　　變電站遠(yuǎn)程全景觀測技術(shù)可分為站端全景數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集、處理和分析，以及調(diào)度主站按需調(diào)閱方法和機(jī)制兩方面。站端全景數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集、處理和分析是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方全景觀測的基礎(chǔ)，全景數(shù)據(jù)應(yīng)包含變電站有人值班時(shí)運(yùn)行監(jiān)視相關(guān)的所有數(shù)據(jù)。隨著智能變電站建設(shè)的深入發(fā)展，變電站全景數(shù)據(jù)將在站端實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一采集和存儲(chǔ)，但由于變電站全景數(shù)據(jù)量過大，還需要進(jìn)一步研究站端一、二次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)，對全景數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一地分析和預(yù)處理，平常只傳輸設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)分析結(jié)果信息至遠(yuǎn)方，而不是直接傳輸全部的全景數(shù)據(jù)。

　　另一方面是研究設(shè)備故障時(shí)遠(yuǎn)方按需調(diào)閱變電站全景數(shù)據(jù)的方法。基于廣域服務(wù)總線技術(shù)，研究變電站歷史數(shù)據(jù)查詢服務(wù)、遠(yuǎn)程畫面瀏覽服務(wù)等各類支撐服務(wù)，支持遠(yuǎn)方按需調(diào)閱。

　　3.5電網(wǎng)分布式應(yīng)用技術(shù)

　　分布式應(yīng)用策略需要統(tǒng)一設(shè)計(jì)才能發(fā)揮優(yōu)勢，要既能利用變電站的數(shù)據(jù)冗余性和快速處理能力，又能利用調(diào)度主站的全局性和經(jīng)濟(jì)性，形成主子站應(yīng)用的互補(bǔ)，而不是簡單的重復(fù)處理。例如分布式狀態(tài)估計(jì)，可以在變電站建立拓?fù)溴e(cuò)誤辨識(shí)服務(wù)，充分利用站內(nèi)多源冗余的三相量測，快速辨識(shí)修正錯(cuò)誤的開關(guān)位置遙信，為調(diào)度狀態(tài)估計(jì)提供正確的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑥亩岣呷W(wǎng)狀態(tài)估計(jì)結(jié)果的可信度和準(zhǔn)確性。

　　基于分布式應(yīng)用策略，電網(wǎng)分布式應(yīng)用還要重點(diǎn)研究建立主子站應(yīng)用交互機(jī)制，通過建立子站端應(yīng)用服務(wù)，與調(diào)度主站應(yīng)用通過廣域服務(wù)總線實(shí)現(xiàn)協(xié)同。根據(jù)具體策略進(jìn)行應(yīng)用信息交互接口設(shè)計(jì)，如訂閱發(fā)布接口、請求響應(yīng)接口等。

　　3.6系統(tǒng)維護(hù)可視化技術(shù)

　　為了方便調(diào)試人員對新型二次設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試操作，利于觀察調(diào)試過程和結(jié)果，可視化技術(shù)需要運(yùn)用在仿真調(diào)試的過程之中，讓調(diào)試人員能夠方便地啟動(dòng)調(diào)試、實(shí)時(shí)觀察數(shù)據(jù)，以及調(diào)試過程中出現(xiàn)的異常情況。最終達(dá)到仿真調(diào)試操作步驟簡單，各種顯示效果簡潔直觀，功能實(shí)用的效果。

　　為了檢查二次裝置是否發(fā)出了GOOSE報(bào)文以及報(bào)文內(nèi)容是否正確，需要對GOOSE報(bào)文進(jìn)行在線監(jiān)聽。為提高調(diào)試的智能化水平，需要在解析報(bào)文的基礎(chǔ)之上，根據(jù)模型數(shù)據(jù)，進(jìn)行報(bào)文數(shù)據(jù)正確性的判斷，并對錯(cuò)誤數(shù)據(jù)給出提示，幫助調(diào)試人員快速查找錯(cuò)誤。

　　有時(shí)在聯(lián)調(diào)階段會(huì)出現(xiàn)裝置或調(diào)試儀器不能及時(shí)到位的情況，為了保證調(diào)試進(jìn)度，可以利用計(jì)算機(jī)軟件作為替代，仿真裝置發(fā)送GOOSE報(bào)文。若是基于模型數(shù)據(jù)，則調(diào)試人員可根據(jù)調(diào)試需要，方便地設(shè)定需要仿真的若干裝置所發(fā)送的報(bào)文內(nèi)容。

　　在對SV9-2報(bào)文進(jìn)行監(jiān)聽時(shí)，由于缺乏與模型數(shù)據(jù)等實(shí)際調(diào)試情況的關(guān)聯(lián)性，現(xiàn)有計(jì)算機(jī)軟件分析SV9-2報(bào)文的結(jié)果不夠直觀。為了更有利于調(diào)試人員觀察數(shù)據(jù)，可以在解析報(bào)文的基礎(chǔ)之上，結(jié)合模型數(shù)據(jù)和調(diào)試設(shè)置，顯示報(bào)文數(shù)據(jù)，包括各個(gè)被監(jiān)聽通道的幅值、相位差，品質(zhì)等信息。

　　4應(yīng)用與展望

　　目前，縱向集成裝置已在中低壓等級得到推廣應(yīng)用。在新一代智能變電站建設(shè)中，35kV及以下多合一裝置已實(shí)現(xiàn)了面向間隔的縱向功能集成，融合了保護(hù)、測控、合并單元和智能終端功能，并已在國家電網(wǎng)公司6座新一代智能變電站示范工程中應(yīng)用，并將在國家電網(wǎng)公司50座新一代智能變電站擴(kuò)大示范工程中推廣應(yīng)用。

　　智能變電站與調(diào)度主站之間的信息共享和應(yīng)用協(xié)同問題已引起廣泛重視，國家電網(wǎng)公司正在制定相關(guān)的服務(wù)接口規(guī)范。隨著相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的發(fā)布，監(jiān)控面向服務(wù)的變電站二次系統(tǒng)將得到廣泛應(yīng)用，為調(diào)控一體提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐。

　　采用縱向集成的間隔設(shè)備、并行冗余的通信網(wǎng)絡(luò)、面向服務(wù)的監(jiān)控功能等新技術(shù)的新型變電站自動(dòng)化系統(tǒng)符合智能電網(wǎng)的需求，符合智能變電站的發(fā)展趨勢，具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　本文提出的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)新方案的推廣應(yīng)用還需要探討以下問題：

　　1）縱向集成裝置的安裝方式。集成裝置的安裝有戶外柜、預(yù)制艙、小室等方式，各有利弊。戶外柜占地少、電纜短，裝置運(yùn)行環(huán)境相對較差，運(yùn)維不便。智能變電站合并單元、智能終端普遍采用戶外柜安裝方式，本文介紹的縱向集成裝置和它們類似，可以采用該安裝方式。預(yù)制艙占地較少，環(huán)境防護(hù)能力好，運(yùn)維條件也相對好一些。小室安裝電纜相對較長，裝置運(yùn)行條件最好，便于維護(hù)。考慮二次設(shè)備在全站的成本比重、重要程度、及全壽命周期可用性，小室安裝也值得考慮采用。目前，國家電網(wǎng)公司正在開展就地化無防護(hù)安裝設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)研究，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備的無防護(hù)安裝與更換式檢修，為縱向集成裝置的就地化安裝提供了一種新的解決方案。

　　2）母差保護(hù)和間隔縱向集成裝置的關(guān)系。該方案母差保護(hù)依賴于間隔集成裝置，其采樣值輸入和狀態(tài)量輸入來自集成裝置，控制輸出發(fā)給間隔集成裝置執(zhí)行。它們的關(guān)系類似于母差保護(hù)和合并單元、智能終端的關(guān)系。需要探討的是間隔線路保護(hù)檢修對于母差保護(hù)的影響。110kV線路通常采用保護(hù)單套配置，線路主保護(hù)檢修一般會(huì)將線路停電，母差保護(hù)只需要將該間隔置檢修標(biāo)志即可。220kV線路通常采用保護(hù)雙套配置，其中一套線路主保護(hù)檢修時(shí)，如果不停線路，則需要退出對應(yīng)的那套母差保護(hù)，另一套母差保護(hù)仍然可以正常運(yùn)行。因此，縱向集成裝置對于母差保護(hù)的影響和目前智能變電站合并單元、智能終端對于母差保護(hù)的影響類似。國內(nèi)也有專家提出為母差保護(hù)設(shè)置獨(dú)立的間隔子單元的方案，它和間隔集成裝置獨(dú)立，實(shí)現(xiàn)母差保護(hù)的過程層輸入輸出功能，可以實(shí)現(xiàn)母差和線路間隔保護(hù)功能的相互獨(dú)立，但需要增加設(shè)備。