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摘 要：智能变电站方兴未艾，它的出现在极大提高变电运行水平的同时，也给相关的设计特别是二次系统的设计带来了不小的压力。从比较传统的二次系统和智能化二次系统的差异入手，对二次系统智能化设计的关键点进行论述和分析，以期找到今后的研究重点。
关键词：二次系统 智能化 设计
中图分类号：TM762 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）012-181-02
1 引言
当前，以“一次设备智能化、二次设备网络化”为特点的智能变电站正蓬勃兴起。它的推广，一方面变革了传统的变电运行理念，使变电站自动化技术得到飞速提升；另一方面，也给习惯常规站设计的相关人员带来了重重压力。
确实，常规站历经上百年的技术沉淀，在各方面均已趋于成熟。而智能化变电站是新生事物，在许多方面尚需不断磨合，尚存在可以改进和完善的空间。
为了提高智能变电站的建设水平和技术经济性，必须在首道“工序”——设计上下功夫。和常规站一样，智能变电站的设计重心也在二次上，不过，是所谓的大二次，它包括了自动化、保护、调度和通信等多个专业。由此可见，二次系统智能化设计是一个难点。而要克服这个难点，首先必须找准关键点。
2 传统二次系统和智能化二次系统的差异
传统二次系统传递的是模拟量，而智能化二次系统传递的是数字量，这是两者的本质区别，也是两者之间其他差异的根源。下面进行具体说明。
2.1 二次回路不同
常规站的二次回路是一张电缆网：所有的信息传递和交互动作均通过二次电缆进行。缺点：需要大量接点，系统接线复杂。优点：设备间的互通关系明确，便于查找故障。
智能站的二次回路是一个通信网络：全站信息转化为虚拟数字的形式，并以IEC61850规约为基准进行交互。缺点：信号的输入输出关系与通信网络接线不对应，增加设计难度。优点：节省电缆，简化施工。
2.2 二次系统的逻辑结构不同
常规站采用“两层”结构，即“站控层”和“间隔层”。而智能站增加一个“过程层”，且对原先的“间隔层”的通信方式也有所改动。
缘由：智能站要采集整站的全景数据并实现交互共享，若按常规站配置，一则信息传输容量和速率达不到要求，另外也和建立一体化信息平台相冲突。
2.3 一次、二次的分界面不同
在常规站中，一次设备和二次设备的划分非常明确，不同类别的设备运行于不同的电磁环境中。而在智能站中，为了传递数字量的需要，原本属于二次设备范畴的保护、测控、计量等单元渐渐和智能一次设备相结合，使得二次设计时需要考虑更多的安全因素。
2.4 设计内容的不同
和常规站相比，智能站没有繁杂的端子排图，但增加了以下内容：全站网络图、VLAN划分、IP配置、虚端子设计、虚端子二次接线图、同步系统图等。
以上列举常规变电站和智能变电站在二次系统方面的主要不同之处，这也是二次系统智能化设计中的一些关键问题的产生根源。
3 二次系统智能化设计的关键所在
3.1 全站逻辑结构的确定
我们知道，为了实现全站信息的高度交互，智能变电站的逻辑结构确定为三层（即站控层、间隔层和过程层），但三层之间怎么联系，却是一个值得研究的问题。
IEC61850要求：站控层和间隔层之间采用总线型以太网（基于IEC61850-8标准），间隔层与过程层之间采用分布式星形采样值网（基于IEC61850-9-1标准）和独立的GOOSE（面向通用对象的变电站事件）双网。
按照以上配置，虽然能很好地满足全站大流量数据的交互和传送，但也带来了交换机规模庞大和端口数量众多的缺陷，不利于降低建设成本，不利于日常维护。
因此，应该根据实际情况（譬如220kV站和110kV站是完全不一样的），准确计算实时数据和非实时数据的流量，并在此基础上通过网络通信协议对数据流向进行划分，以保证正常运行时数据只流向需要的交换机端口。这样，就可以适当简化全站逻辑结构。
2011年底投产的110kV 新生智能变就大胆尝试了“三层一网”的结构。
3.2 智能设备的选择
智能设备选择是二次系统智能化设计中的一个重要环节。其内容主要包括：
（1）电子式互感器的选择；（2）智能开关的选择；（3）集成装置的选择。
关于电子互感器，分无源式和有源式两种，各有优缺点，需要在综合考虑成本承受力、技术可行性等因素后谨慎确定。
关于智能开关，目前也有两种：理想智能开关，智能终端与传统开关组合。理想智能开关具有在线监测、智能控制和自我诊断等功能，性能极其优良，只是造价不菲。而智能终端与传统开关组合的那种类型充其量只是半智能产品，随着技术的进步，必然被淘汰。
关于集成装置，可供选择的有：测控保护一体化、计量与保护（测控）一体化、故障录波和网络分析一体化等，需要根据现场场地情况，再结合交换机设备的冗余度等综合确定。
3.3 继电保护配置
虽然智能站的主要保护配置（如变压器保护、线路保护、母线保护等）和同等规模的常规站是一样的，但需要考虑到数据采集和保护跳闸的方式有了较大改变——要求采用直采直跳方式。
另外，智能站由于能将全景数据集中至一体化信息平台以及能传输GOOSE报文，因此具备建立站域保护和网络备自投的条件。这些可以作为后备保护来使用。
3.4 二次安全防护的设计
智能变电站运行过程中所需要和所产生的数据都是海量的，这些数据的时效性和类别各不相同：有些是控制命令、有些是状态量、有些是视频流等等。而智能变电站的一大特点是采用了开放的、对等的通信模式（为了最大程度实现数据共享），这样，任何一个装置都有与其它网络节点交互的能力，其结果必然带来二次安全性的降低，因此，为了保证系统运行的高可靠性，就需要对二次安防进行设计：主要要合理确定各类信息所属安全区域（一般按重要程度分为安全Ⅰ区、安全Ⅱ区、安全Ⅲ区和安全Ⅳ区），并选用专用隔离装置进行单向或双向隔离。 3.5 二次系统防雷设计
前面已经提到：智能变电站中一次设备和二次设备的界限逐渐趋于模糊，二次设备往往运行于一次设备所在的柜体或柜仓中，而这些地方显然比较容易产生过电压（特别是感应雷易进入）。这样，就会产生一个问题：原本对过电压就比较敏感的二次装置（如保护、计量、测控等），会因工作场合的不当而频发故障，进而影响系统稳定性。因此，做好智能二次系统的防过电压设计极为重要。
从过电压产生机理看，主要有两方面：（1）电子网的暂态过程；（2）感应雷击。
显然，对于智能二次设备来说，主要是防感应雷击（因为感应雷击的能量必然高于暂态过电压）。而由于感应雷击需要通过传输通道才能产生破坏作用，所以，预防的着眼点应落在传输通道上。具体来说，可以通过合理的接地设计和加装SPD（电涌保护器）来实现。
3.6 一体化电源系统的设计
常规变电站内的交、直流系统、通信电源系统、逆变电源系统是相互孤立的，一般由不同厂商制造，其通信规约互不兼容，这样就实现不了运行信息的共享。而智能变电站的特点之一是要有高可靠性，这就要求它必须具备实时监控站内各路电源（直流、交流、通信电源、UPS等）的能力。所以，设计一体化电源系统，将各路电源的参数纳入统一网络平台来管理是非常有必要的。
另外，随着环保要求的提高，光伏发电等分布式能源接入站用电也是一个很好的举措，作为智能变电所的二次设计，应当具有这样的前瞻性。
3.7 智能辅助控制系统的考虑
进行智能站二次设计时，必须给建设智能辅助系统留有充分的裕度。智能辅助系统的具体功能至少包含：
（1）变电站的动力部分监控；（2）变电站的环境部分监控；（3）变电站一、二次设备的智能辅助监控；（4）变电站一、二次设备的状态评估。
4 结语
随着技术的发展和需求的提升，建设智能变电站势所必然。而由于智能变电站的出现时间不长，在一些方面还不成熟，还处于探索阶段，这就需要相关设计人员（特别是完成二次系统智能化设计的人员）把住关键点，不至于偏离智能化建设的方向。
参考文献：
[1] 葛立青，杨凡.智能变电站信息集成及二次安全防护方案[J].江苏电机工程，2012（7）.
[2] 胡刚，夏勇军，蔡勇，等.智能变电站二次系统设计现状和展望[J].湖北电力，2010（12）.
[3] 娄悦，秦华，孙纯军.220kV西泾智能变电站二次系统的设计[J].华东电力，2011（5）.
关键词：二次系统 智能化 设计
中图分类号：TM762 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）012-181-02
1 引言
当前，以“一次设备智能化、二次设备网络化”为特点的智能变电站正蓬勃兴起。它的推广，一方面变革了传统的变电运行理念，使变电站自动化技术得到飞速提升；另一方面，也给习惯常规站设计的相关人员带来了重重压力。
确实，常规站历经上百年的技术沉淀，在各方面均已趋于成熟。而智能化变电站是新生事物，在许多方面尚需不断磨合，尚存在可以改进和完善的空间。
为了提高智能变电站的建设水平和技术经济性，必须在首道“工序”——设计上下功夫。和常规站一样，智能变电站的设计重心也在二次上，不过，是所谓的大二次，它包括了自动化、保护、调度和通信等多个专业。由此可见，二次系统智能化设计是一个难点。而要克服这个难点，首先必须找准关键点。
2 传统二次系统和智能化二次系统的差异
传统二次系统传递的是模拟量，而智能化二次系统传递的是数字量，这是两者的本质区别，也是两者之间其他差异的根源。下面进行具体说明。
2.1 二次回路不同
常规站的二次回路是一张电缆网：所有的信息传递和交互动作均通过二次电缆进行。缺点：需要大量接点，系统接线复杂。优点：设备间的互通关系明确，便于查找故障。
智能站的二次回路是一个通信网络：全站信息转化为虚拟数字的形式，并以IEC61850规约为基准进行交互。缺点：信号的输入输出关系与通信网络接线不对应，增加设计难度。优点：节省电缆，简化施工。
2.2 二次系统的逻辑结构不同
常规站采用“两层”结构，即“站控层”和“间隔层”。而智能站增加一个“过程层”，且对原先的“间隔层”的通信方式也有所改动。
缘由：智能站要采集整站的全景数据并实现交互共享，若按常规站配置，一则信息传输容量和速率达不到要求，另外也和建立一体化信息平台相冲突。
2.3 一次、二次的分界面不同
在常规站中，一次设备和二次设备的划分非常明确，不同类别的设备运行于不同的电磁环境中。而在智能站中，为了传递数字量的需要，原本属于二次设备范畴的保护、测控、计量等单元渐渐和智能一次设备相结合，使得二次设计时需要考虑更多的安全因素。
2.4 设计内容的不同
和常规站相比，智能站没有繁杂的端子排图，但增加了以下内容：全站网络图、VLAN划分、IP配置、虚端子设计、虚端子二次接线图、同步系统图等。
以上列举常规变电站和智能变电站在二次系统方面的主要不同之处，这也是二次系统智能化设计中的一些关键问题的产生根源。
3 二次系统智能化设计的关键所在
3.1 全站逻辑结构的确定
我们知道，为了实现全站信息的高度交互，智能变电站的逻辑结构确定为三层（即站控层、间隔层和过程层），但三层之间怎么联系，却是一个值得研究的问题。
IEC61850要求：站控层和间隔层之间采用总线型以太网（基于IEC61850-8标准），间隔层与过程层之间采用分布式星形采样值网（基于IEC61850-9-1标准）和独立的GOOSE（面向通用对象的变电站事件）双网。
按照以上配置，虽然能很好地满足全站大流量数据的交互和传送，但也带来了交换机规模庞大和端口数量众多的缺陷，不利于降低建设成本，不利于日常维护。
因此，应该根据实际情况（譬如220kV站和110kV站是完全不一样的），准确计算实时数据和非实时数据的流量，并在此基础上通过网络通信协议对数据流向进行划分，以保证正常运行时数据只流向需要的交换机端口。这样，就可以适当简化全站逻辑结构。
2011年底投产的110kV 新生智能变就大胆尝试了“三层一网”的结构。
3.2 智能设备的选择
智能设备选择是二次系统智能化设计中的一个重要环节。其内容主要包括：
（1）电子式互感器的选择；（2）智能开关的选择；（3）集成装置的选择。
关于电子互感器，分无源式和有源式两种，各有优缺点，需要在综合考虑成本承受力、技术可行性等因素后谨慎确定。
关于智能开关，目前也有两种：理想智能开关，智能终端与传统开关组合。理想智能开关具有在线监测、智能控制和自我诊断等功能，性能极其优良，只是造价不菲。而智能终端与传统开关组合的那种类型充其量只是半智能产品，随着技术的进步，必然被淘汰。
关于集成装置，可供选择的有：测控保护一体化、计量与保护（测控）一体化、故障录波和网络分析一体化等，需要根据现场场地情况，再结合交换机设备的冗余度等综合确定。
3.3 继电保护配置
虽然智能站的主要保护配置（如变压器保护、线路保护、母线保护等）和同等规模的常规站是一样的，但需要考虑到数据采集和保护跳闸的方式有了较大改变——要求采用直采直跳方式。
另外，智能站由于能将全景数据集中至一体化信息平台以及能传输GOOSE报文，因此具备建立站域保护和网络备自投的条件。这些可以作为后备保护来使用。
3.4 二次安全防护的设计
智能变电站运行过程中所需要和所产生的数据都是海量的，这些数据的时效性和类别各不相同：有些是控制命令、有些是状态量、有些是视频流等等。而智能变电站的一大特点是采用了开放的、对等的通信模式（为了最大程度实现数据共享），这样，任何一个装置都有与其它网络节点交互的能力，其结果必然带来二次安全性的降低，因此，为了保证系统运行的高可靠性，就需要对二次安防进行设计：主要要合理确定各类信息所属安全区域（一般按重要程度分为安全Ⅰ区、安全Ⅱ区、安全Ⅲ区和安全Ⅳ区），并选用专用隔离装置进行单向或双向隔离。 3.5 二次系统防雷设计
前面已经提到：智能变电站中一次设备和二次设备的界限逐渐趋于模糊，二次设备往往运行于一次设备所在的柜体或柜仓中，而这些地方显然比较容易产生过电压（特别是感应雷易进入）。这样，就会产生一个问题：原本对过电压就比较敏感的二次装置（如保护、计量、测控等），会因工作场合的不当而频发故障，进而影响系统稳定性。因此，做好智能二次系统的防过电压设计极为重要。
从过电压产生机理看，主要有两方面：（1）电子网的暂态过程；（2）感应雷击。
显然，对于智能二次设备来说，主要是防感应雷击（因为感应雷击的能量必然高于暂态过电压）。而由于感应雷击需要通过传输通道才能产生破坏作用，所以，预防的着眼点应落在传输通道上。具体来说，可以通过合理的接地设计和加装SPD（电涌保护器）来实现。
3.6 一体化电源系统的设计
常规变电站内的交、直流系统、通信电源系统、逆变电源系统是相互孤立的，一般由不同厂商制造，其通信规约互不兼容，这样就实现不了运行信息的共享。而智能变电站的特点之一是要有高可靠性，这就要求它必须具备实时监控站内各路电源（直流、交流、通信电源、UPS等）的能力。所以，设计一体化电源系统，将各路电源的参数纳入统一网络平台来管理是非常有必要的。
另外，随着环保要求的提高，光伏发电等分布式能源接入站用电也是一个很好的举措，作为智能变电所的二次设计，应当具有这样的前瞻性。
3.7 智能辅助控制系统的考虑
进行智能站二次设计时，必须给建设智能辅助系统留有充分的裕度。智能辅助系统的具体功能至少包含：
（1）变电站的动力部分监控；（2）变电站的环境部分监控；（3）变电站一、二次设备的智能辅助监控；（4）变电站一、二次设备的状态评估。
4 结语
随着技术的发展和需求的提升，建设智能变电站势所必然。而由于智能变电站的出现时间不长，在一些方面还不成熟，还处于探索阶段，这就需要相关设计人员（特别是完成二次系统智能化设计的人员）把住关键点，不至于偏离智能化建设的方向。
参考文献：
[1] 葛立青，杨凡.智能变电站信息集成及二次安全防护方案[J].江苏电机工程，2012（7）.
[2] 胡刚，夏勇军，蔡勇，等.智能变电站二次系统设计现状和展望[J].湖北电力，2010（12）.
[3] 娄悦，秦华，孙纯军.220kV西泾智能变电站二次系统的设计[J].华东电力，2011（5）.