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摘要：由于早期试点建设的220kV智能变电站存在的不同层次的问题，如何制定在运变电站相关设备的升级改造方案并对其进行优化研究也就显得特别重要。本文从不同角度分析了拟改造的在运220kV智能变电站的存在的问题，阐述了220kV智能变电站升级改造方案中应侧重解决的问题，研究了优化升级改造方案的方法。
关键词：智能变电站;改造升级;设计方案;优化研究
引言
智能变电站二次设备相关技术发展至今，一直都处在探索实践过程中。从十多年前的试点建设、到近5年的逐步推广应用，两大电网公司都进行了多轮次的技术更新和迭代。智能化二次设备、智能化变电站相关的技术标准、设备采购规范及运維管理制度也都在发展中逐步形成、完善。遵照电网二次设备使用寿命不超过12年的标准及最新下发的反事故措施，在运的220kV智能变电站面临改造升级的迫切需要，如何改造升级使之能满足当前的最新装备技术导则和运行维护管理要求也就显得至关重要。
由于采用智能化二次设备的变电站在二次设备配置、网络通信和运行维护组织结构上与采用常规二次设备的变电站有很大的不同，使得其继电保护系统、计算机监控系统与常规变电站的相比在信息交互和协同控制上有明显优势，但亦存在着一些亟待解决的问题。因此，在进行升级改造设计方案优化研究时就必须围绕其存着的可能造成一级电网事故的较严重问题展开。
1 220kV智能变电站的现状
由于220kV变电站作为中间枢纽对电网的运行起着决定性作用，进行智能化试点建设的意义尤为突出。早期的智能化变电站由于技术实现路线、智能化二次设备性能和相关配套的一次设备参数等都没有统一要求和规范可循，使得已投运变电站的智能化技术方案五花八门。早期试点建设的220kV智能变电站时各类技术方案涌现，对各种技术的认识不深刻，对各种技术路线及其产品稳定性、可靠性鉴定评价不全面，使得不少220kV变电站智能化系统在设计、制造及运行管理维护上都存在着一些先天的、固有的技术缺陷。
2.在运220kV智能变电站技术方案存在问题及原因分析
试点建设当时相关设备制造标准、配置水平参差不齐，进而也增加了保护拒动或误动的风险，可能影响或危及电网的可靠安全稳定运行。此处主要针对时钟同步、网络结构、过程层网络数据交互三个方面对在运220kV智能变电站存在的技术问题进行分析并提出解决措施。
2.1.外部同步时钟影响保护功能
外部同步时钟对保护功能的影响主要体现在以下三方面：
（1）在SV组网采样方式下，过程层交换机转发延时不可测，电流、电压采样同步对变电站同步时钟依赖度高，可能引起保护误动、拒动。时间失步后果表现为合并单元失步后输出SV采样报文同步标志位置无效，所有依赖采样同步的保护功能都将闭锁，可能引起保护拒动;当守时源失去卫星信号，守时后卫星信号恢复时，输出的秒脉冲发生突变，合并单元感受不到时钟信号的变化，产生假同步状态，导致保护误动的风险。原因分析：（1） 时钟同步装置异常导致合并单元同步标志位置无效，引起保护拒动。（2）守时源失去卫星信号，守时后卫星信号恢复时的假同步，可能导致保护误动。
（2）外部同步时钟异常后如合并单元和保护装置处理机制不合理，可能导致保护误动。原因分析：时钟设备接收卫星信号从无到有导致输出秒脉冲发生突变，如A厂家MU检测收到主时钟卫星信号有效性用时2秒，主时钟跳变后完成同步调整用时3秒;而B厂家MU检测收到主时钟卫星信号有效性用时3秒，主时钟跳变后完成同步调整用时4秒。在主钟跳变后的第4秒A厂家MU输出数据的样本计数器已与卫星时钟信号一致，而B厂家MU仍按跳变前原主时钟信号提供样本计数器，导致假同步问题。
（3）周数翻转引起部分型号时钟同步装置出现异常，可能导致保护误动和拒动。原因分析：GPS广播电文周数翻转是由于GPS系统设计的时间周计数数据字段长度为10位，1024周为一个时间周期。第一次GPS周计数翻转发生在1999年8月22日，该事件周期约为19.5年/次。第二次发生在2019年4月6日至7日凌晨（北京时间4月7日7：59：42 am）。我国具有自主知识产权的北斗系统（BDS）的周计数器数据字段长度为13位，相应翻转周期为8192周约157年，短时间内不存在问题。GPS周计数翻转为0并重新开始计数，可能导致部分厂家GPS时钟同步装置工作异常，输出时间错误等问题的发生。由于周数翻转输出的秒脉冲出现异常或跳变时，合并单元和保护装置可能接入不同时钟扩展装置的信号，保护需对合并单元数据同步品质及本装置接入时钟信号品质做综合处理，如处理不当，可能存在导致误动或短时闭锁的风险。
2.2过程层网络架构存在缺陷
（1）单网模式下，通信链路异常导致GOOSE链路中断可能造成保护拒动。断链后果主要表现在智能化保护、测控或安全自动装置能够给出断链告警提示，但存在拒动风险。原因分析：单网链路无冗余，链路上任一环节（交换机、光纤、收发光口等）出问题均会导致该链路通信异常，如果GOOSE链路中断，可能影响保护功能。
（2） 双网不独立时，如果出现环网并引起网络风暴，可能造成双套保护拒动;同一装置接入A网和B网，该装置异常会同时影响两个过程层网络，可能造成双网保护拒动。双网不独立组网后果表现为共享网络时，如果出现环网并引起网络风暴，可能造成双套保护拒动。原因分析：双网不独立组网共享网络时，如果出现环网并引起网络风暴，可能造成双套保护拒动。同时，不满足《GB/T 51072-2014 110（66）kV～220kV智能变电站设计规范》要求：“5.1.3 双重化配置的继电保护及安全自动装置的输入、输出、网络及供电电源等各环节应完全独立”。
2.3过程层数据交互存在隐患
早期智能化站建设时国内相关技术不成熟，设备软硬件入网前未进行充分检测，过程层数据交互逻辑可能存在以下几种隐患。 （1）异常帧处理不当，可能导致保护拒动。数据交互存在隐患的后果表现为遭受网络攻击或数据帧异常时，GOOSE链路中断，可能导致保护拒动。表现现象为部分厂家保护设备在接收到GOOSE畸形包时（如帧过长等不满足以太网标准协议的报文）后，链路中断，装置面板运行灯灭，装置停止发送心跳报文，此时保護功能丧失约55秒后，GOOSE服务自动重启、保护装置恢复正常。
（2）保护装置存在误判过程层GOOSE或SV链路断链，导致保护拒动。表现现象为设备厂家为了提高保护的过程层报文处理能力和对异常报文的抵御能力，网络报文的允许接收白名单在FPGA内部以RAM的形式存储。FPGA内部的逻辑非同步操作存在修改白名单的可能，使得正常的报文不在白名单内，从而被误判丢弃，导致链路中断。如果该链路为SV链路将闭锁保护;如果该链路为GOOSE链路可能影响保护功能。
3.升级改造设计方案的优化研究
采取以下措施对在运220kV智能变电站升级改造设计方案进行优化。
（1）针对外部同步时钟影响保护功能的解决措施：整体或局部更换运行异常设备，按最新设备选型及采购标准补齐不同时期投运设备的差异：若改造前频报对时异常且时钟同步装置的确实存在问题，则一并更换为双时基双套配置的时钟同步装置;若改造前的合并单元存在时间同步功能不满足要求，按照电网风险等级逐步或整体更换合并单元及其相关采集装置（如有）。
（2）针对过程层网络架构存在缺陷的解决措施为若存在因网络构架导致电网一级事件及以上事故（事件）风险时，过程层应改为双网模式且选择经过入网测试合格版本的网络设备。
（3）针对过程层数据交互存在隐患的解决措施为若存在导致电网一级事件及以上事故（事件）风险的风险时，除将过程层网络改成冗余双网外还应更换相关设备的CPU插件或刷新其内部程序版本为入网测试合格版本。
4结语
220kV智能变电站的升级改造是否达标受到多方面因素的影响，除通过项目立项、初步设计、施工图设计各阶段的设计审查控制外还应加强对保护装置、计算机监控系统装置、过程层网络设备的入网测试、出厂验收及硬件型号、软件版本管控和升级改造完成后的各施工阶段的并网验收管理。
参考文献
[1]袁芳. 220kV智能变电站自动化系统设计及可靠性研究[D].南华大学，2018.
[2]孙伟. 220kV东兴智能变电站二次系统配置设计[D].大连理工大学，2018.
[3]石星昊，曹景雷.220kV智能变电站设计方案优化的分析[J].南方农机，2017，48（24）：88.
[4]晋海斌. 220kV智能变电站设计方案优化研究[D].华北电力大学，2013.
关键词：智能变电站;改造升级;设计方案;优化研究
引言
智能变电站二次设备相关技术发展至今，一直都处在探索实践过程中。从十多年前的试点建设、到近5年的逐步推广应用，两大电网公司都进行了多轮次的技术更新和迭代。智能化二次设备、智能化变电站相关的技术标准、设备采购规范及运維管理制度也都在发展中逐步形成、完善。遵照电网二次设备使用寿命不超过12年的标准及最新下发的反事故措施，在运的220kV智能变电站面临改造升级的迫切需要，如何改造升级使之能满足当前的最新装备技术导则和运行维护管理要求也就显得至关重要。
由于采用智能化二次设备的变电站在二次设备配置、网络通信和运行维护组织结构上与采用常规二次设备的变电站有很大的不同，使得其继电保护系统、计算机监控系统与常规变电站的相比在信息交互和协同控制上有明显优势，但亦存在着一些亟待解决的问题。因此，在进行升级改造设计方案优化研究时就必须围绕其存着的可能造成一级电网事故的较严重问题展开。
1 220kV智能变电站的现状
由于220kV变电站作为中间枢纽对电网的运行起着决定性作用，进行智能化试点建设的意义尤为突出。早期的智能化变电站由于技术实现路线、智能化二次设备性能和相关配套的一次设备参数等都没有统一要求和规范可循，使得已投运变电站的智能化技术方案五花八门。早期试点建设的220kV智能变电站时各类技术方案涌现，对各种技术的认识不深刻，对各种技术路线及其产品稳定性、可靠性鉴定评价不全面，使得不少220kV变电站智能化系统在设计、制造及运行管理维护上都存在着一些先天的、固有的技术缺陷。
2.在运220kV智能变电站技术方案存在问题及原因分析
试点建设当时相关设备制造标准、配置水平参差不齐，进而也增加了保护拒动或误动的风险，可能影响或危及电网的可靠安全稳定运行。此处主要针对时钟同步、网络结构、过程层网络数据交互三个方面对在运220kV智能变电站存在的技术问题进行分析并提出解决措施。
2.1.外部同步时钟影响保护功能
外部同步时钟对保护功能的影响主要体现在以下三方面：
（1）在SV组网采样方式下，过程层交换机转发延时不可测，电流、电压采样同步对变电站同步时钟依赖度高，可能引起保护误动、拒动。时间失步后果表现为合并单元失步后输出SV采样报文同步标志位置无效，所有依赖采样同步的保护功能都将闭锁，可能引起保护拒动;当守时源失去卫星信号，守时后卫星信号恢复时，输出的秒脉冲发生突变，合并单元感受不到时钟信号的变化，产生假同步状态，导致保护误动的风险。原因分析：（1） 时钟同步装置异常导致合并单元同步标志位置无效，引起保护拒动。（2）守时源失去卫星信号，守时后卫星信号恢复时的假同步，可能导致保护误动。
（2）外部同步时钟异常后如合并单元和保护装置处理机制不合理，可能导致保护误动。原因分析：时钟设备接收卫星信号从无到有导致输出秒脉冲发生突变，如A厂家MU检测收到主时钟卫星信号有效性用时2秒，主时钟跳变后完成同步调整用时3秒;而B厂家MU检测收到主时钟卫星信号有效性用时3秒，主时钟跳变后完成同步调整用时4秒。在主钟跳变后的第4秒A厂家MU输出数据的样本计数器已与卫星时钟信号一致，而B厂家MU仍按跳变前原主时钟信号提供样本计数器，导致假同步问题。
（3）周数翻转引起部分型号时钟同步装置出现异常，可能导致保护误动和拒动。原因分析：GPS广播电文周数翻转是由于GPS系统设计的时间周计数数据字段长度为10位，1024周为一个时间周期。第一次GPS周计数翻转发生在1999年8月22日，该事件周期约为19.5年/次。第二次发生在2019年4月6日至7日凌晨（北京时间4月7日7：59：42 am）。我国具有自主知识产权的北斗系统（BDS）的周计数器数据字段长度为13位，相应翻转周期为8192周约157年，短时间内不存在问题。GPS周计数翻转为0并重新开始计数，可能导致部分厂家GPS时钟同步装置工作异常，输出时间错误等问题的发生。由于周数翻转输出的秒脉冲出现异常或跳变时，合并单元和保护装置可能接入不同时钟扩展装置的信号，保护需对合并单元数据同步品质及本装置接入时钟信号品质做综合处理，如处理不当，可能存在导致误动或短时闭锁的风险。
2.2过程层网络架构存在缺陷
（1）单网模式下，通信链路异常导致GOOSE链路中断可能造成保护拒动。断链后果主要表现在智能化保护、测控或安全自动装置能够给出断链告警提示，但存在拒动风险。原因分析：单网链路无冗余，链路上任一环节（交换机、光纤、收发光口等）出问题均会导致该链路通信异常，如果GOOSE链路中断，可能影响保护功能。
（2） 双网不独立时，如果出现环网并引起网络风暴，可能造成双套保护拒动;同一装置接入A网和B网，该装置异常会同时影响两个过程层网络，可能造成双网保护拒动。双网不独立组网后果表现为共享网络时，如果出现环网并引起网络风暴，可能造成双套保护拒动。原因分析：双网不独立组网共享网络时，如果出现环网并引起网络风暴，可能造成双套保护拒动。同时，不满足《GB/T 51072-2014 110（66）kV～220kV智能变电站设计规范》要求：“5.1.3 双重化配置的继电保护及安全自动装置的输入、输出、网络及供电电源等各环节应完全独立”。
2.3过程层数据交互存在隐患
早期智能化站建设时国内相关技术不成熟，设备软硬件入网前未进行充分检测，过程层数据交互逻辑可能存在以下几种隐患。 （1）异常帧处理不当，可能导致保护拒动。数据交互存在隐患的后果表现为遭受网络攻击或数据帧异常时，GOOSE链路中断，可能导致保护拒动。表现现象为部分厂家保护设备在接收到GOOSE畸形包时（如帧过长等不满足以太网标准协议的报文）后，链路中断，装置面板运行灯灭，装置停止发送心跳报文，此时保護功能丧失约55秒后，GOOSE服务自动重启、保护装置恢复正常。
（2）保护装置存在误判过程层GOOSE或SV链路断链，导致保护拒动。表现现象为设备厂家为了提高保护的过程层报文处理能力和对异常报文的抵御能力，网络报文的允许接收白名单在FPGA内部以RAM的形式存储。FPGA内部的逻辑非同步操作存在修改白名单的可能，使得正常的报文不在白名单内，从而被误判丢弃，导致链路中断。如果该链路为SV链路将闭锁保护;如果该链路为GOOSE链路可能影响保护功能。
3.升级改造设计方案的优化研究
采取以下措施对在运220kV智能变电站升级改造设计方案进行优化。
（1）针对外部同步时钟影响保护功能的解决措施：整体或局部更换运行异常设备，按最新设备选型及采购标准补齐不同时期投运设备的差异：若改造前频报对时异常且时钟同步装置的确实存在问题，则一并更换为双时基双套配置的时钟同步装置;若改造前的合并单元存在时间同步功能不满足要求，按照电网风险等级逐步或整体更换合并单元及其相关采集装置（如有）。
（2）针对过程层网络架构存在缺陷的解决措施为若存在因网络构架导致电网一级事件及以上事故（事件）风险时，过程层应改为双网模式且选择经过入网测试合格版本的网络设备。
（3）针对过程层数据交互存在隐患的解决措施为若存在导致电网一级事件及以上事故（事件）风险的风险时，除将过程层网络改成冗余双网外还应更换相关设备的CPU插件或刷新其内部程序版本为入网测试合格版本。
4结语
220kV智能变电站的升级改造是否达标受到多方面因素的影响，除通过项目立项、初步设计、施工图设计各阶段的设计审查控制外还应加强对保护装置、计算机监控系统装置、过程层网络设备的入网测试、出厂验收及硬件型号、软件版本管控和升级改造完成后的各施工阶段的并网验收管理。
参考文献
[1]袁芳. 220kV智能变电站自动化系统设计及可靠性研究[D].南华大学，2018.
[2]孙伟. 220kV东兴智能变电站二次系统配置设计[D].大连理工大学，2018.
[3]石星昊，曹景雷.220kV智能变电站设计方案优化的分析[J].南方农机，2017，48（24）：88.
[4]晋海斌. 220kV智能变电站设计方案优化研究[D].华北电力大学，2013.