东北电力设计院 吉林省长春市 130021
内容摘要:由于火力发电厂电气系统与变电站的电气系统大部分类似，智能电网技术对火电厂电气系统有较大的借鉴意义。目前基于IEC61850通讯标准的智能变电站，国内已有十几个投产运行的经验, 还有一些新建百万级发电厂智能升压站已有投入和正处于设计阶段，本专题针对发电厂与电网连接的关口升压站在基于EC61850标准技术的智能升压站方案进行研究，目的在于进一步加强与电网协调一致，进一步提高发电厂电气系统的自动化运行和管理水平并进行具体方案的实施性研究。
关键词:IEC61850标准；智能变电站；智能升压站；电网协调一致
1引言
近几年国内有数十座智能变电站成功的运行成功经验表明，基于IEC61850标准的数字化电厂和智能升压站控制系统已日趋成熟。智能升压站是升压站自动化发展过程中又一次的飞跃，升压站中各类数据从源头实现数字化，真正实现信息集成、网络通信、数据共享的特点打破了常规升压站的监视、控制、保护、故障录波、测量与计量等几乎都是功能单一、相互独立的装置的模式，改变硬件重复配置、信息不共享、总体投资成本大的局面，使原来分散的、按功能配置的二次系统设备，进行信息集成和功能的合理优化、整合。
2智能升压站技术特点
智能升压站技术具有如下特点：1)采用基于IEC61850的《变电站通信网络和系统》DL/T-860标准，有效解决互操作问题，所有二次设备可以在同一平台上进行信息交互；2)用光缆通信代替控制电缆硬接线，将二次回路大为简化，同时解决了电缆存在的电磁干扰和传导性干扰问题；3)采用数字通信技术实现电气一、二次设备的在线监测，变定期检修为状态检修，提高了设备的运行效率及使用寿命。智能变电站自动化系统以基于IEC 61850标准的统一的信息平台为基础，依据IEC 61850标准，智能变电站自动化系统的通信体系按“三层设备、两层网络”的模式设计，通过高速网络完成变电站的信息集成。全站的智能设备在功能逻辑上分为站控层、间隔层设备和过程层；三层设备之间用分层、分布、开放式的二层网络系统实现连接，即站控层网络、过程层网络。
采用IEC 61850标准能使不同智能电气设备间的信息共享和互操作成为可能，最终达到信息描述数字化、信息采集集成化、信息传输网络化、信息处理智能化、信息展现可视化和生产决策科学化的目的。
3 智能升压站二次系统方案
3.1 总体设计原则
a） 一次设备为常规的电流、电压互感器及开关设备；
b） 采用合并单元实现电流、电压等模拟量的数字化；
c） 采用智能终端实现断路器、隔离开关等设备的智能化；
d） 升压站计算机监控系统及保护信息上采用IEC61850标准的智能设备。
3.2 网络结构
依据IEC61850标准，在二次设备通信网络的设计上，全站分为三层两网。三层即站控层、间隔层和过程层。站控层设备包括计算机监控系统主机、远动通信装置、继电保护和故障信息管理子站等，间隔层包括各测控装置、保护装置等，过程层包括智能终端(智能操作箱)、合并单元。两网即站控层网络(MMS网)和过程层网络（SV和GOOSE网）。
站控层网络可传输MMS报文和GOOSE报文，采用冗余网络，网络形式采用100M双星型以太网。通过MMS网将站控层各设备之间的横向通信以及站控层与间隔层设备之间的纵向通信，实现原来一般意义上的监控功能，实现对整个升压站设备的监控功能和与各级调度的联络功能。各保护装置送至保护子站或监控系统的动作信息、监控系统内各测控装置间的信息交换等以MMS报文的形式通过站控层网络进行传输。
过程层网络分为SV采样值网络和GOOSE信息传输网络。前者的主要功能是实现电流、电压交流量的上传，后者的主要功能是实现开关量的上传及分合闸控制、防务闭锁等，并完成全站层基层数据采集、保护配合和出口控制功能。保护设备间的配合命令、间隔层各保护及测控装置与过程层智能终端间的信息交互以GOOSE报文的形式通过过程层网络进行传输。
3.3 站控层设备
站控层是一个综合性的监控及信息传输平台，是监控系统、远动系统、防务闭锁系统、保护信息管理系统、电量远传系统等的有机组合，达到网络共用、信息共享的目的。各系统均以网络通讯方式接入站控层网络。
3.4 间隔层设备
间隔层设备向上连接站控层MMS网，向下连接GOOSE网及SV网。通过间隔层设备，GOOSE网的全部监控信息，包括所有GOOSE网从过程层采集来的监控信息都会进入站控层MMS网，有监控主机处理，而从调度和监控系统发出的所有控制命令，将通过GOOSE网直达就地电气设备实现操作和闭锁，SV网的采样信息也都会进入站控层MMS网。
在间隔级控制层内每个断路器配置一个控制测量单元，负责对该断路器的电流和电压交流采样、信号采用、同期鉴定及跳合闸控制。
3.5 过程层设备
a） 智能终端
智能终端采用CPU代替传统的继电器回路，采用GOOSE信号代替传统的硬接点传递信号的方式，简化了屏柜的设计和现场的施工，降低了日后运行维护成本。在配置500KV电压等级的智能终端时应采用双重化，而且用双CPU相互闭锁的结构。智能终端就地安装，并可扩展应用，按间隔增加对刀闸的控制和信号采集，从智能终端演变成智能控制终端。
b） 合并单元
为满足一次设备与二次设备的更好结合，产生了合并单元和智能终端两种重要设备。
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互感器与数字化保护装置、智能化一次设备等的连接主要依靠合并单元(MU)完成，合并单元同步采集多路互感器的电压、电流信息并转化成数字信号。合并单元应能提供IEC61850-9协议的接口及输出IEC60044-7/8的FT3协议的接口，能同时满足保护、测控、录波、计量设备使用。
3.6 二次系统数字化实现方案
a） 线路保护
线路保护通过光缆与合并单元通信采集本间隔电流、电压等SV报文，通过光缆与智能终端通信直接传输本间隔的跳合闸命令GOOSE报文，所需断路器位置等开关量可通过过程层网络获取相关报文。
线路保护与其它保护之间的联闭锁信号，如失灵启动、闭锁重合闸等命令通过过程层网络以GOOSE报文的方式传输。
继电保护的动作和装置信号以MMS报文通过站控层双网传输，保护故障信息子站通过防火墙接入站控层网络，接收保护发送的MMS报文，用于后台分析及调度端上传。
b）故障录波器
故障录波器与合并单元通信获取SV报文实现交流模拟量信息录波，通过接收相应过程网上GOOSE报文实现开关信息录波。故障录波器单独组网，不接入站控层网络，接入保护信息子站。故障录波器同时接入过程层GOOSEA、B网，需配置独立的网络通信控制器用于接入双重化的网络。
c）NCS系统测控单元
测控单元与合并单元通信获取电流、电压等SMV报文，接入过程层GOOSEA网与智能终端通信，获取断路器和隔离开关位置及本体信号，通过站控层网络接收跳合闸控制命令报文，并通过过程层网络出口执行。
3.7 IEC61850 通信技术在智能升压站应用的典型模式
由于智能升压站是基于过程层信息和站控层信息在以太网上的完全共享，又由于智能升压站采用了一系列不断发展的新技术，以及考虑到相关设备的成熟度、可靠性，从实用化层面分析，目前IEC61850通信技术在智能升压站中的应用大致可分为以下3 种方案：
a) 基于站控层IEC61850 的智能变电站
b) 基于传统互感器及过程层信息交换的智能变电站
c) 基于站控层及过程层全信息交换的智能变电站
3.9 IEC61850 通信技术在火力发电厂升压站控制、保护系统的应用
随着基于 IEC61850 标准的智能化变电站在国内电网中的全面推广，IEC61850 技术已成为实现电网智能化和提高自动化水平的重要技术手段。火力发电厂的升压站不仅是连接发电厂和电网的纽带，更是电网中的重要节点，升压站内电气系统的自动化水平应与电网协调一致，满足智能电网对发电厂升压站端自动化系统信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化的要求。火力发电厂的升压站自动化系统应能自动完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要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的应用。
4 工程设计方法的变化
应用IEC61850通信协议的电厂升压站控制、保护等设计的主要内容由设备电气二次接线转移到智能设备信息配置表、系统网络交换机配置等，对IEC61850标准的应用水平提出较高的要求。二次电缆减少，二次接线工作量明显减少。
采用GOOSE以后，二次电缆连线的设计和连接工作量变成了GOOSE通信组态和GOOSE配置文件下载的工作，由于保护原理没有因为IEC61850标准而改变，对于每一台装置而言，其GOOSE输入、输出与传统端子排仍然存在对应的关系。各二次设备厂家根据传统设计规范设计并提供其装置的GOOSE输入、输出端子定义。
5 智能升压站监控系统的优点
基于传统互感器的过程层的信息交换方式的应用方案，该方案不仅在站控层信息交换采用了 IEC61850，而且在升压站控制和保护系统、机组控制和保护系统中增加了过程层网络进行过程层信息交换。对于每一个间隔，配置了过程层设备合并单元、智能操作箱，将常规一次设备的信息及操作数字化，与之相关的间隔层智能电子设备 IED（保护及自动化装置）则通过光纤以太网与对应间隔的合并单元、智能操作箱相连接。IED 与合并单元、智能操作箱之间既可以点对点的方式互联，也可以网络总线方式相连。由于火力发电厂电气系统中的智能设备的通信及功能被约束在 IEC61850 标准范围内，因此，整个系统中的每一个节点的信息传输被标准化，从而使得整个系统的可维护、可扩充性能大为提高。该监控系统有下列的优点：
a）节约电缆等设备投资以及相应的施工费用
b）减少了二次接线，便于施工、调试、运行，提高可靠性
c）根本解决电磁干扰问题
d） 缩短现场施工、调试的时间，缩短工程工期
e）基于通讯和组态软件的联锁功能比传统硬接点联锁方便
f）减轻互感器的负载
6 结束语
电厂做为整个电力系统的组成部分，与电力系统有着紧密的联系，随电网智能化的进程，智能电网技术已经开始延伸至电厂升压站网络监控系统，在采用电子互感器及智能配电等一次设备情况下采用智能升压站技术是必要的，其缺点是智能升压站技术的智能化投资的全寿命周期投入产出比普遍较低，经济性较差。
目前，IEC61850技术在火力发电厂中的应用刚刚起步，还有许多IEC61850技术在发电厂电气系统中的领域需要更深入的研究、探讨，相关智能设备的供货能力也有待制造厂商加大产品研发的力度，相关技术方案的应用也需要得到项目业主的大力支持和鼓励，多方面共同努力推进发电厂电气自动化系统的发展。
参考文献:
1 刘梓洪 王继工 电气设计技术2009第一期 《火力发电厂全厂电气监控系统方案探讨》
2 南瑞继保电气有限公司. 基于 IEC61850 的发电厂数字化电气监控系统解决方案说明书
3 北京四方继保自动化股份有限公司 基于CSPA-2000发电厂全厂数字化电气监控系统解决方案
4 DL/T 5136-2012 《火力发电厂、变电站二次接线设计技术规程》
作者简介：
李哲浩(1969)，男，高级工程师, 从事火力发电厂电气二次系统设计工作,lizhehao@nepdi.net。
论文作者:李哲浩
论文发表刊物:《防护工程》2017年第23期
论文发表时间:2018/1/9
标签：智能论文; 设备论文; 报文论文; 信息论文; 网络论文; 过程论文; 变电站论文; 《防护工程》2017年第23期论文;