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【摘 要】智能变电站作为新一代变电站在很多方面优于其他的变电站，其采用先进、可靠、集成、低碳和环保的智能设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和检测等基本功能，并可以根据需求支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能。本章以柳树颧智能变电站为实际出发点，研究该智能变电站的基本架构及联调方案。
【关键词】智能变电站 ；架构 ；联调
作者简介
高解放，男，1980年11月出生，2002年7月参加工作，汉族，高级工程师，继电保护高级技师，长期从事继电保护专业工作。
1. 柳树颧220kV智能变电站概述
京津冀环渤海区域经济以及“四大兴市”工程使得唐山市的钢铁、水泥等工业得到了迅猛的发展，随之而来的是唐山电网的负荷和用电量的急剧增加，丰南区仅靠一座南化220kV变电站供电，难以满足用户的电力需求，因此有必要新建一个现代化的变电站来减轻现有变电站的供电压力，提高该地区的供电水平。柳树颧220kV智能变电站工程正是在该背景下孕育而生的，其通过唐山西—柳树颧的双回220kV线路接入系统，初步形成沿海地区西部供电网架，符合地区电网规划。该工程不仅可以为丰南地区东部、唐海区北部及西部110kV站提供电源点，而且可以优化该地区的电网结构，提高供电的可靠性。
2. 柳树颧220kV智能变电站架构设计
智能变电站由智能一次设备和网络化二次设备分别来构建，是以高速网络通信平台作为信息的传输交互基础，在IEC61850通信协议的基础上，能够实现变电站内智能设备间信息共享和互操作的现代化变电站。根据IEC 61850标准及我国智能变电站的相关标准，柳树颧220kV智能变电站的基本架构如图1所示。
该设计以“三层二网”为基本架构，其中“三层”分别是过程层、间隔层和站控层，而“两网”则分别是过程层交换机的光以太网以及站控层交换机的电以太网。
1）过程层
过程层，同时也被称为设备层，主要是指变电站内的一次设备和智能组件，包括变压器、断路器、隔离开关以及相关的辅助触点，还包括电流互感器和电压互感器等。过程层包含变电站电能的分配、变换、传输、测量、控制、保护、状态监测等功能，如检测电气量参数、检测设备运行状态以及操作控制的执行与驱动。
2）间隔层
间隔层通常依据断路器间隔划分，一般指继电保护装置、测控装置等二次设备，具有测量控制电气元件或继电保护装置的功能。该层主要是对过程层的设备进行抽象和建模，主要功能包括对对象的同一建模，对通信信息的分层、通信接口的抽象以及自描述规范等。常用的设备包括保护装置、测控装置、电度表、故障录波器、网络分析仪、稳控等。
3）站控层
站控层由自动化系统、站域控制、通信系统、时钟同步系统等子系统构成，能实现面向全站或多个一次设备的测量和控制功能，完成数据采集和监视控制、操作闭锁、保护信息管理等相关功能。该层包括的设备有监控主机、操作员主机、五防主机、远动装置和保护子站等。
4）“二网”结构设计
网络拓扑结构主要有星形网络、环形网络以及总线网络三种。然而，这三种网络结构各有优劣，总线型网络结构可靠性低、延迟大，但造价低；环形网络可靠性高、延迟大、但是造价高；而星形网络结构相对于另外两种形式的网络结构来说，虽然可靠性没环形网络高，但是延迟较小、造价适中，在现有的国内智能变电站中得到了较为广泛的应用，具有较好的性能和造价比。
① 过程层组网方式设计
过程层是智能变电站区别于常规变电站的重要特点之一，位于层位的最底层，是一次设备与二次设备的结合面。过程层不仅可以有效地解决设备之间容易受干扰、高低压不能有效隔离的问题，而且能够解决设备之间的信息共享。通过在过程层引入大量的新电子技术、通信技术以及控制技术等，使得智能变电站的可靠性得到了很大的提高。相对于传统变电站，过程层的一次、二次设备发生了很大的变化，将传统的电磁式互感器取代为电子式互感器，而传统开关则由智能化开关代替。除此以外，在智能变电站的过程层中，多个智能电子设备之间可以实现互操作，通过GOOSE、采样值机制实现设备之间的信息传递，从而进一步便于自动化地对变电站设备的运行状态、电力系统的监控状况等进行监测，并可以进行高级系统故障分析以及其他高级应用。
通常，采样值（Sampled Value）和GOOSE（Generic Object Oriented Substation Events）分别组网。IEC 61850标准以及国网公司《智能变电站继电保护技术规范》中对过程层组网方式的可靠性进行了明确要求：220kV及以上电压等级继电保护系统应遵循双重化配置原则，每套保护系统装置功能独立完备、安全可靠。因此本文设计了SV组网和GOOSE组网混合组网的方式，在该种方式中SV组网用来实现数据网络共享，而GOOSE组网实现网络跳闸。
② 站控层组网方式设计
站控层网络用于实现站控层与不同间隔层之间的通信，根据IEC 61850以及国网公司《智能变电站继电保护技术规范》的要求。
3. 柳树颧220kV智能变电站联调方案设计
智能变电站联调是智能变电站建设过程中不可或缺的重要环节，是智能变电站稳定、安全、可靠运行的基本保障。智能变电站联调的对象主要是保护测控装置、合并单元、监控后台以及信息子站、对时装置、交换机等。根据集成商的不同，联调涉及的设备、厂家也会出现较大的差异。根据Q/GDW689-2012《智能变电站调试规范》，智能变电站的调试需按照“组态配置→系统测试→系统动模→现场调试→投产实验”的顺序进行。本文主要侧重系统测试阶段，而组态配置也称为SCD文件配置，SCD文件配置是其基础和核心。SCD文件是对智能变电站系统配置信息的描述，不仅描述了变电站所有IED的实例配置和通信参数，而且描述了IED之间的逻辑关系。
根据《国家电网公司2011年新建设变电站设计补充规定》、《变电站通信网络和系统IEC 61850》、《智能變电站继电保护技术规范》和《IEC 61850工程继电保护应用模型》等标准和规定，柳树颧220kV智能变电站联调方案的基本流程。
2）检查DataTypeTemplates冲突。不同厂家若引用不规范的国网标准，当其ICD文件导入SCD配置工具时，就会存在ICD文件模块冲突问题。
3）ICD文件的动态测试，测试ICD文件提供或支持的各种服务。
有了ICD文件后，就可以进行SCD文件的配置。SCD属于SCL文件，SCL文件由Header、Substation、Communication、IED和DataTypeTemplates组成，因此配置SCD文件需要对这几部分都进行配置。
① Header部分配置
Header部分记录了SCD文件的更新历史，包括文件标志、名称映射信息、修改次数、版本号等。对Header部分的信息进行及时记录和更新，可使不同的工程人员对SCD文件快速了解，保证SCD文件的可维护性。
② Substation及Communication部分配置
Substation部分也即变电站模型，该部分包含了变电站的功能结构、主要元件电气连接及相应的节点。在SCD文件中，Substation部分配置体现为变电站的一次主接线图。
Communication部分则主要是实现工程实际物理通信子网的映射，根据前面的“二网”设计可知，主要包括MMS网、GOOSE网和SV网。MMS网主要对站控层IP进行配置，GOOSE网则主要配置IED GOOSE控制块的通信参数配置，SV网则对所有IED GOOSE控制块的参数进行配置。
【关键词】智能变电站 ；架构 ；联调
作者简介
高解放，男，1980年11月出生，2002年7月参加工作，汉族，高级工程师，继电保护高级技师，长期从事继电保护专业工作。
1. 柳树颧220kV智能变电站概述
京津冀环渤海区域经济以及“四大兴市”工程使得唐山市的钢铁、水泥等工业得到了迅猛的发展，随之而来的是唐山电网的负荷和用电量的急剧增加，丰南区仅靠一座南化220kV变电站供电，难以满足用户的电力需求，因此有必要新建一个现代化的变电站来减轻现有变电站的供电压力，提高该地区的供电水平。柳树颧220kV智能变电站工程正是在该背景下孕育而生的，其通过唐山西—柳树颧的双回220kV线路接入系统，初步形成沿海地区西部供电网架，符合地区电网规划。该工程不仅可以为丰南地区东部、唐海区北部及西部110kV站提供电源点，而且可以优化该地区的电网结构，提高供电的可靠性。
2. 柳树颧220kV智能变电站架构设计
智能变电站由智能一次设备和网络化二次设备分别来构建，是以高速网络通信平台作为信息的传输交互基础，在IEC61850通信协议的基础上，能够实现变电站内智能设备间信息共享和互操作的现代化变电站。根据IEC 61850标准及我国智能变电站的相关标准，柳树颧220kV智能变电站的基本架构如图1所示。
该设计以“三层二网”为基本架构，其中“三层”分别是过程层、间隔层和站控层，而“两网”则分别是过程层交换机的光以太网以及站控层交换机的电以太网。
1）过程层
过程层，同时也被称为设备层，主要是指变电站内的一次设备和智能组件，包括变压器、断路器、隔离开关以及相关的辅助触点，还包括电流互感器和电压互感器等。过程层包含变电站电能的分配、变换、传输、测量、控制、保护、状态监测等功能，如检测电气量参数、检测设备运行状态以及操作控制的执行与驱动。
2）间隔层
间隔层通常依据断路器间隔划分，一般指继电保护装置、测控装置等二次设备，具有测量控制电气元件或继电保护装置的功能。该层主要是对过程层的设备进行抽象和建模，主要功能包括对对象的同一建模，对通信信息的分层、通信接口的抽象以及自描述规范等。常用的设备包括保护装置、测控装置、电度表、故障录波器、网络分析仪、稳控等。
3）站控层
站控层由自动化系统、站域控制、通信系统、时钟同步系统等子系统构成，能实现面向全站或多个一次设备的测量和控制功能，完成数据采集和监视控制、操作闭锁、保护信息管理等相关功能。该层包括的设备有监控主机、操作员主机、五防主机、远动装置和保护子站等。
4）“二网”结构设计
网络拓扑结构主要有星形网络、环形网络以及总线网络三种。然而，这三种网络结构各有优劣，总线型网络结构可靠性低、延迟大，但造价低；环形网络可靠性高、延迟大、但是造价高；而星形网络结构相对于另外两种形式的网络结构来说，虽然可靠性没环形网络高，但是延迟较小、造价适中，在现有的国内智能变电站中得到了较为广泛的应用，具有较好的性能和造价比。
① 过程层组网方式设计
过程层是智能变电站区别于常规变电站的重要特点之一，位于层位的最底层，是一次设备与二次设备的结合面。过程层不仅可以有效地解决设备之间容易受干扰、高低压不能有效隔离的问题，而且能够解决设备之间的信息共享。通过在过程层引入大量的新电子技术、通信技术以及控制技术等，使得智能变电站的可靠性得到了很大的提高。相对于传统变电站，过程层的一次、二次设备发生了很大的变化，将传统的电磁式互感器取代为电子式互感器，而传统开关则由智能化开关代替。除此以外，在智能变电站的过程层中，多个智能电子设备之间可以实现互操作，通过GOOSE、采样值机制实现设备之间的信息传递，从而进一步便于自动化地对变电站设备的运行状态、电力系统的监控状况等进行监测，并可以进行高级系统故障分析以及其他高级应用。
通常，采样值（Sampled Value）和GOOSE（Generic Object Oriented Substation Events）分别组网。IEC 61850标准以及国网公司《智能变电站继电保护技术规范》中对过程层组网方式的可靠性进行了明确要求：220kV及以上电压等级继电保护系统应遵循双重化配置原则，每套保护系统装置功能独立完备、安全可靠。因此本文设计了SV组网和GOOSE组网混合组网的方式，在该种方式中SV组网用来实现数据网络共享，而GOOSE组网实现网络跳闸。
② 站控层组网方式设计
站控层网络用于实现站控层与不同间隔层之间的通信，根据IEC 61850以及国网公司《智能变电站继电保护技术规范》的要求。
3. 柳树颧220kV智能变电站联调方案设计
智能变电站联调是智能变电站建设过程中不可或缺的重要环节，是智能变电站稳定、安全、可靠运行的基本保障。智能变电站联调的对象主要是保护测控装置、合并单元、监控后台以及信息子站、对时装置、交换机等。根据集成商的不同，联调涉及的设备、厂家也会出现较大的差异。根据Q/GDW689-2012《智能变电站调试规范》，智能变电站的调试需按照“组态配置→系统测试→系统动模→现场调试→投产实验”的顺序进行。本文主要侧重系统测试阶段，而组态配置也称为SCD文件配置，SCD文件配置是其基础和核心。SCD文件是对智能变电站系统配置信息的描述，不仅描述了变电站所有IED的实例配置和通信参数，而且描述了IED之间的逻辑关系。
根据《国家电网公司2011年新建设变电站设计补充规定》、《变电站通信网络和系统IEC 61850》、《智能變电站继电保护技术规范》和《IEC 61850工程继电保护应用模型》等标准和规定，柳树颧220kV智能变电站联调方案的基本流程。
2）检查DataTypeTemplates冲突。不同厂家若引用不规范的国网标准，当其ICD文件导入SCD配置工具时，就会存在ICD文件模块冲突问题。
3）ICD文件的动态测试，测试ICD文件提供或支持的各种服务。
有了ICD文件后，就可以进行SCD文件的配置。SCD属于SCL文件，SCL文件由Header、Substation、Communication、IED和DataTypeTemplates组成，因此配置SCD文件需要对这几部分都进行配置。
① Header部分配置
Header部分记录了SCD文件的更新历史，包括文件标志、名称映射信息、修改次数、版本号等。对Header部分的信息进行及时记录和更新，可使不同的工程人员对SCD文件快速了解，保证SCD文件的可维护性。
② Substation及Communication部分配置
Substation部分也即变电站模型，该部分包含了变电站的功能结构、主要元件电气连接及相应的节点。在SCD文件中，Substation部分配置体现为变电站的一次主接线图。
Communication部分则主要是实现工程实际物理通信子网的映射，根据前面的“二网”设计可知，主要包括MMS网、GOOSE网和SV网。MMS网主要对站控层IP进行配置，GOOSE网则主要配置IED GOOSE控制块的通信参数配置，SV网则对所有IED GOOSE控制块的参数进行配置。