智能变电站过程层应用技术剖析

智能变电站过程层应用技术剖析

李春晖 李梦如

国网江苏省电力有限公司苏州供电分公司， 江苏 苏州 215000

摘 要：变电站过程层是三层网络中最下面的一层,是直接与变压器、智能开关、电子式互感器相联系的一层网络层。作为电网用户单位,也在谋求智能化发展,建设智能站对于企业用户而言,由数字化转化升级为智能化,是对传统变电站的一次理论实践,是智能电网上的一次重大突破。相较普通的变电站而言，智能变电站已然成为未来电能领域的重要发展方向。相关过程层应用技术的研究对于促进智能变电站的发展有着十分重要的意义。本文主要阐述变电站过程层的概况，分析过程层应用的技术要点，在满足过程层网络实时控制需求的基础上，结合现有技术条件，研究过程层方案设计，旨在为过程层技术的应用提出一些有价值的参考意见。

关键词：智能变电站；过程层；应用技术

1 变电站过程层概述

随着电力在应用与传输技术领域的发展，智能变电站逐渐受到重视并得到广泛应用。过程层应用技术是智能变电站的技术要点，其有利于促进智能变电站的发展。智能变电站是当前电力系统发展的产物。基于采样技术、网络传输技术和信息综合处理技术的综合应用，智能变电站能够有效实现信息的数字化，具有一定的信息采集、信息共享和信息处理能力。智能变电站由站控制层、间隔层和过程层组成。过程层位于整个自动化系统的底层，主要由各种智能元件组成，配有变压器、断路器、隔离开关、电流、电压互感器等初级设备，其主要功能是监控设备状态并执行相关操作指令。过程层与一次设备密切相关，其运行状态直接影响变电站整体运行的安全性和可靠性。

2 过程层应用技术要点

2.1 采样值的技术要求

通常，过程层与间隔层之间的信息传递主要基于采样值的数据传递技术，应遵循以下原则：首先，将采样值的数据可靠地传输到过程层；其次，在变电站配置的保护测控设备与组合单元一起使用时，两者不能直接传输数据，需要通过过程层网络的数据传输来实现信息的交换和共享；第三，点对点访问方法不仅可以发挥虚拟技术的作用，还可以与优先级技术相结合，保证网络性能，提高系统运行的稳定性。SV采样值报文传输延时的权重系数为：ωp1=6/（6×7+7×7）≈0.066

跳闸GOOSE报文传输延时的权重系数为：ωp2=7/（6×7+7×7）≈0.077。心跳GOOSE报文传输延时的权重系数为：ωp3=5/（6×7+7×7）≈0.055。（1）L1线路故障时，网络延时的评价值为：Pd=85ωp1+85ωp1+85ωp1+90ωp1+75ωp1+80ωp1+80ωp1+80ωp2+80ωp2+90ωp2+100ωp2+70ωp2+70ωp2+80ωp2=580ωp1+570ωp2=580×0.066+570×0.077=82.17。（2）母线故障时，网络延时的评价值为：

Pd=85ωp1+85ωp1+85ωp1+90ωp1+75ωp1+80ωp1+80ωp1+80ωp2+80ωp2+90ωp2+90ωp2+70ωp2+70ωp2+70ωp2=580ωp1+550ωp2=580×0.066+550×0.077=80.63。智能变电站通信网络性能综合评价值计算：（1）稳态时，网络性能综合评价值为：P=Pf×0.35+Pd×0.45+Ploss×0.20=84.15×0.35+83.93×0.45+100×0.20=87.221。（2）L1线路故障时，网络性能综合评价值为：P=Pf×0.35+Pd×0.45+Ploss×0.20=84.15×0.35+82.17×0.45+100×0.20=86.429。（3）母线故障时，网络性能综合评价值为：P=Pf×0.35+Pd×0.45+Ploss×0.20=83.45×0.35+80.63×0.45+100×0.20=85.491。

2.2 合并单元的技术要求

合并单元与电子式互感器配套使用，通过合并多个电子式互感器的数据，获取电压以及电流的瞬时值，在全站同步时钟的作用下同步采样电网参数，并基于IEC61850-9-1与设备层或保护装置进行数据传输，是过程层采样传输技术的主要实现者。合并单元对使用环境的要求较高，需采取电压保护以及防静电等措施。此外，合并单元的守时性要求极高，在没有接收外部同步信号的情况下，合并单元应在守时性较差时启动自己的内部时钟。当守时度不满足要求时，应有相应的信息标志，以供参考。

2.3 智能终端的技术要求

智能终端也是智能变电站的重要组成部分，其通过电缆与一次设备（如变压器、断路器、隔离开关等）连接，通过光纤网络与二次设备（如保护装置、测控装置等）连接，在此基础上实现了主设备的监控功能。智能终端支持GOOSE模式的信息传输，具有记录GOOSE命令的功能。智能终端作为中间设备，以GOOSE模式传输主设备的各种状态信息，接收主设备的下行控制命令，实现对主设备的控制。智能终端可以根据实际应用情况安装在户内柜或户外柜，但设备及柜体需达到相应的安全防护等级，以确保设备运行的安全性及可靠性。

3 过程层通信回路监视分析方法

3.1 网络接入

为了获取过程层信息，相关信息采集设备必须连接到过程层通信网络，获取完整的网络通信消息。通信网络访问过程层需要解决两个问题：

（1）安全性：鉴于过程层的重要性，相关信息采集设备的接入、对相关设备的访问以及其他网络监控过程都必须在不影响原始过程层网络功能的前提下进行。（2）全面性：为了获得完整的二次回路信息，需要保证所有接入点都能获得完整的过程层通信信号。

3.2 信息获取和处理

从网络传输的特点和性质来看，通信回路问题主要是由于网络信号的传输时间不可预测性、广播消息的不可靠性（由于二次回路的实时性要求，所有信号都必须通过广播传输）和干扰消息的不可避免性造成的。

4 过程层方案设计

4.1 常规互感器方案

本方案采用常规互感器，输出的电流、电压为常规模拟量，通过合并单元实现采样值的数字化，再通过光纤连接进行组合。整个系统采用IEC61850标准，达到无开关直接采样的效果[1]。本设计方案可以直接通过断路器，也可以直接通过断路器启动断路器重合故障。该方案最大的优点是常规互感器可以直接转换成电子互感器；但也存在一些不足，如结构过于复杂，传统的CT饱和问题没有得到有效解决等。

4.2 电子互感器方案

本方案采用电子式互感器，其最大的优点是简单方便，不需要通过采集单元进行数据转换，不需要依赖同步时间信号，它使信息传输更加方便快捷，使信息的数字化、集成化更容易实现。此方案可以省去很多中间数据转换设备，但必须使用更多的光纤电缆和开关，虽然结构简单，但配件相对复杂。

4.3 网络优化方案

本方案采用三网融合技术，与前两种方案相比，信息共享最大化，网络结构简单直观，不需要使用大量的光缆和交换机，设计和施工安装相对简单，便于后期管理和维护，是未来技术发展的主要趋势。但该方案技术要求高、难度大，可靠性与稳定性尚有待验证与提高。因此，该方案的实施还需要注意冗余技术的应用。

4.4 过程层三网合一方案

以变压器保护为例，采用IEC61850-9-2采样信息、GOOSE信息、IEEE1588对时信息共网传输。间隔层与过程层合并单元遵循IEC61850-9-2标准，与过程层智能终端采用GOOSE通信协议。过程层网络按间隔配置独立的间隔交换机，每个时间间隔由骨干网交换机组成，实现信息共享。本方案的优点是实现GOOSE、采样值传输、IEEE158三网合一，最大程度地实现了信息共享；网络结构清晰，节省了大量线缆，设计和维护方便。然而，由于网络技术的高要求和高难度，以及缺乏有效的冗余手段，其可靠性受到质疑。因此，基于IEC62439标准的PRP冗余技术得到了广泛的关注。

结 语：

综上所述，对于过程层应用技术的研究，无论是对于该技术本身的应用发展而言，还是对于智能变电站更好地服务于社会而言都有着重要意义。因此，需要加大对过程层应用技术的研究投入，使其能够进一步更新和完善，从而提升智能变电站的运行可靠性以及高效性，更好地服务于社会经济发展。

参考文献：

[1]王天炜. 智能变电站的过程层应用技术要点分析[J].电子制作，2017（8）：42.

[2]李仲青. 蒋 帅. 杜 宇. 等.基于HSR的智能变电站过程层通信网

络[J].电气应用，2019，38（7）：38-43.

3. 陈锦. 唐志军. 林国栋. 等.智能变电站过程层中心交换机更换及试验方法研究[J].电气技术，2017（8）：47-50.

[4]新一代智能站合并单元智能终端集成装置研究[J].闫志辉,周水斌,郑拓夫.电力系统保护与控制.2014(14).

[5]智能站设计在变电二次继电保护中的作用[J].孙吕祎,胡晓丽,范义民.电子技术与软件工程.2019(21).