数字化变电站二次系统及三维接口设计范文

摘要：为提高变电站二次系统设计的工作效率，实现设计过程的智能化、系统化、标准化，通过研究智能变电站二次系统设计数字化设计体系，形成能够满足智能变电站设计、施工、调试、运行各阶段要求的二次系统数字化设计文件。针对传统变电站二次系统设计范围，利用二次系统设计软件进行原理图的绘制，实现端子排图、电缆清册的自动生成。在实现传统变电站数字化设计基础上，利用电力设计软件实现智能变电站光缆虚端子的链接和自动生成。最后，在变电站设计数字化的基础上，建立变电站一次设备与二次设备之间、电缆清册与电缆敷设之间、光缆/虚拟端子与设备之间的二维到三维的可视化接口，实现面向对象的图模一体化变电站设计。

关键词：数字化；智能变电站；三维接口；二次系统；设计

0引言

随着智能变电站的不断发展，社会的不断进步，对变电站的设计要求不断提高，数字化技术已经融入到社会生产、建设的各个领域。在国内以数字化技术为基础，开展电网数字化研究，进行数字化变电站设计已经进入了推广阶段[1]。目前变电站二次系统设计模式普遍采取的是一种全授权人工工作模式，原理图、端子排图人工绘制，虚端子设计工作完全依赖于二次系统集成商，配置工作结果完全由集成商现场修改、现场调试，这样带来了设计和配置的一致性和标准化问题，很难保证设计蓝图与最终变电站实际情况保持一致。并且不同阶段设计资料移交不充分，缺乏统一的管理手段，给现场调试工作以及以后的运行维护、工程改扩建都留下很多隐患。

1常规变电站二次系统数字化设计

1.1常规变电站二次系统CAD设计内容

常规变电站二次系统CAD（计算机辅助设计）设计范围的内容主要有：（1）原理接线图，包括交流电流、电压回路，控制、信号回路，保护回路等，是对二次设备原理及功能的表达，同时反映电气一次、二次设备的连接关系。（2）二次系统安装图，主要包括了一次设备机构的二次回路端子接线图，反映了二次设备的电缆接线情况，用于直接指导施工接线和运行检修维护。（3）电缆清册及电缆敷设图，反映了电缆接线的起止点，用于指导施工单位敷设电缆用。以往变电站的设计方式是面向对象的全授权人工模式，完全依赖于人工操作、接线、检查，差错率较高。

1.2常规变电站二次系统数字化设计流程

针对变电站设计模式的改善，提出采用ELEC软件设计，ELEC软件是上海欣电信息技术有限公司（前身为上海鸥莲信息技术有限公司）针对电气二次系统开发的作图软件，该软件是针对变电站集成设计模式开发，软件具有文件管理、数据库管理、自动交叉连接、自动开列电缆清册、自动生成端子排等智能模块，这些模块不仅能满足现有变电站二次系统设计的范围，同时能极大的提高设计效率。采用变电站二次系统数字化设计软件进行变电站设计流程如下：（1）首先录入人员信息，工程信息均记录在数据库中，便于管理，电缆型号、芯线功能、设备标识（名称）和卷册名称等通用数据在数据库中管理。设计时由设计人员从数据库选择，实现信息统一。设备编号及编码规则有利于在处理过程中简化手续，加快信息传递速度，提高工作效率。（2）利用二次设备设计编码绘制原理接线图，包括交流电流、电压回路，控制、信号回路，保护回路等。以往原理图设计方式是以回路为主、人工绘制端子及电缆。二次系统数字化软件设计方式是以设备为主，对侧设备、端子、电缆归纳由软件自动或半自动生成。（3）根据原理图自动生成端子排接线图，在厂家端子排的基础上自动生成与原理图完全一致的端子排接线图，或生成格式标准的端子排接线图，包括互联端子、内部配线、功能、回路及对侧端子等，并且在原理图修改后，端子排接线图也可对应自动修改。（4）自动生成电缆清册并导出。一键生成含有电缆编号、起终点、电缆型号的电缆清册，并生成通用格式的成品。

2智能变电站二次系统数字化设计

2.1智能变电站二次系统CAD设计内容

智能变电站电气二次系统设计内容除了上述常规变电站设计内容之外，还增加了以下2个方面：（1）过程层网络实现了数字化，控制线路断路器跳、合闸的二次设备类型没有发生变化，仍然是测控装置、线路保护装置、母差保护装置。但是其控制命令是通过过程层GOOSE（面向通用对象的变电站事件）网以数字信号的方式传输至智能设备，而不是通过控制电缆引接至一次设备。智能变电站与常规控制回路的区别是智能变电站间隔层的保护、测控装置是通过以太网连接于过程层GOOSE网络，过程层的智能设备也是通过以太网口连接于过程层GOOSE网络。间隔层设备的控制命令是以数字信号（网络报文）的方式通过网络传输给智能设备，而不是通过常规控制电缆[2]。二次设备接口图将取代常规的设备端子排图来表示设备间的连接情况，增加了光缆连接图。（2）智能变电站常规电流互感器采用或者常规互感器就地数字化模式，一般1个绕组可以供多个保护或测控、计量等装置从网络上获取相关信息，非常规互感器通过互感器内部的采集器将反映本间隔一次电流的模拟量通过A/D转换变成数字信号接入合并单元，常规互感器通过电缆接入合并单元，然后经光纤网络将SV（采样测量值）信息传输给间隔层保护装置、测控装置、计量单元以及母线中心交换机。（3）以网络化信息共享替代了传统的二次回路，原有的物理端子变成了与之对应的虚端子，原有的大量信号硬接线电缆被交换式以太网为载体的软连接方式—“虚回路”所代替，增加了虚端子排图，图中需注明接口名称，对侧设备，并需对接口采用的光纤或网线进行编号，便于施工、调试和运行单位工作。

2.2智能变电站虚端子常规配置方法

针对IEC61850标准在变电站中的应用带来的新的变化，可采用GOOSE/SV“虚端子”反映智能装置GOOSE/SV配置，解决IEC61850变电站智能装置GOOSE/SV信息无接点、无端子、无接线带来的GOOSE/SV配置难以体现等问题。GOOSE/SV虚端子配置方法可通过如下技术方案实现：采用智能装置虚端子、虚端子逻辑连线以及GOOSE/SV配置表[3-6]。（1）虚端子：采用智能装置GOOSE/SV“虚端子”的概念，将智能装置的开入逻辑与开出逻辑分别定义虚端子属性。（2）逻辑连线：虚端子逻辑连线以智能装置的虚端子为基础，根据继电保护原理联系，将各智能装置GOOSE/SV配置以连线的方式加以表示，虚端子逻辑连线以间隔为单元进行设计。虚端子逻辑连线可直观地反映不同智能装置之间GOOSE联系的全貌，供保护及相关专业人员参阅。（3）配置表：GOOSE/SV配置表以虚端子逻辑连线为基础，根据逻辑连线，将智能装置间GOOSE/SV配置以列表的方式加以整理再现。GOOSE/SV配置表由虚端子逻辑连线及其对应的起点、终点组成，其中逻辑连线由逻辑连线编号和逻辑连线名称2列项组成，逻辑连线起点包括起点的智能装置名称、虚端子输出编号以及虚端子的内部数据属性3列项，逻辑连线终点包括终点的智能装置名称、虚端子输入编号以及虚端子的内部属性3列项。GOOSE/SV配置表对所有虚端子逻辑连线的相关信息系统化地进行表达，既作为施工调试依据，也是为今后维护和扩建留下可供追溯的书面信息。在具体工程设计中，首先根据智能装置的开发原理，设计智能装置的虚端子，其次，结合继电保护原理，在虚端子的基础上设计完成虚端子逻辑连线，最后，按照逻辑连线，设计完成GOOSE配置表。逻辑连线与GOOSE配置表共同组成了基于IEC61850变电站GOOSE配置虚端子设计图。GOOSE/SV虚端子配置方法与现有的常规变电站保护设计相比，将基于网络传输的GOOSE/SV网络报文以虚端子的形式一一表述在图纸上，使得设计、施工、调试以及运维人员能够直观的阅读智能装置的输入、输出以及出口逻辑等。通过虚端子逻辑连线以及GOOSE/SV配置表的设计方法表现智能装置之间的GOOSE/SV配合，在设计阶段可实现保护测控等之间GOOSE/SV的表达，但此种表述方式是纯手工操作，自动化程度底，而1个500kV变电站虚回路连接有近上万条，采用CAD图纸和Excel表连接效率极低。

2.3智能变电站二次数字化设计软件应用

通过变电站二次数字化设计软件除了可以生成相应的物理回路端子排图，同时也可以实现以图形化的方式完成物理回路和虚回路的回路设计，形成完整的具有虚回路和物理回路耦合关系的可编辑的可视化标准回路接线图。（1）首先绘制光缆接线图，利用变电站二次数字化设计软件自动生成光缆配线架接线图，光配端口号自动排列，每1根光缆的光纤定义、回路号、光配接口类型、去向，以及屏柜间尾缆的定义、去向表示清晰。（2）利用变电站二次系统数字化设计软件将厂家提供的SCD/ICD格式的虚端子文件与光缆接线图进行链接绑定，自动生成对应的虚端子配置表[7-10]。

3三维数字接口设计

为了提高变电站二次系统的设计效率，减少设计差错，更为直观地实现面向对象的图模一体化变电站设计，在实现变电站设计智能化的基础上，提出建立变电站二维到三维的接口链接[11-12]。最终将三维成品整体移交至相关管理部门，接口建立可以分为以下几个步骤进行。

3.1一次设备与二次设备的三维数字化接口建立变电站的一次设备与二次设备接口，在三维软件中编辑一次设备的属性、定义、间隔编号，导入二次系统设计软件中的二次设备型号、属性到对应的设备中。这样无需查询二次图纸，通过选中不同的一次设备可以自动查询对应的二次设备属性。

3.2电缆敷设与数字化二次软件的三维数字化接口建立电缆与二次设备的接口，需要利用电缆通道定义、敷设规则定义、电缆外径、电缆起点位置和电缆终点位置，实现电缆敷设以及电缆长度统计。数字化二次系统设计软件中的光电缆表、设备表均为结构化数据，均可导出Excel并可按需定制，可提供电缆型号、电缆起点设备标识和电缆终点设备标识。电缆通道定义、敷设规则定义均在电缆敷设软件中实现。通过统一电缆型号命名，可将电缆型号转换为电缆外径。通过统一电缆起点终点设备标识命名，可将电缆起点终点设备标识转换为电缆起点终点设备位置。通过统一电缆型号命名规则、电缆起点终点设备标识命名完全可以实现数字化二次系统设计软件与电缆敷设软件的集成。

3.3光缆/虚端子与二次设备的数字化接口建立光缆清册、虚端子配置表与二次设备的接口，导入二次系统数字化设计软件的光缆清册、虚端子配置表至相应的三维模型中的二次设备，用户只需选中不同的二次设备即可看到对应的光缆终点、功能、截面、长度、虚端子属性及走向示意图，通过检索可以快速查询到所需虚端子信息。

4结语

变电站二次系统数字化设计软件实现设计过程的智能化，所有设计图纸可以自行检查并提交至数据库，避免数据丢失；不同设计卷册的文件可以交叉链接，根据设计数据自动实时更新图纸信息[13]。自动提交检查功能可以减少校审核时间，原理图差错率低，常规错误能够即时检查，并快速定位方便修改。光/电缆清册、虚端子表自动生成，基本不占用设计时间。直观的实现面向对象的图模一体化变电站设计，在实现变电站设计数字化的基础上，建立变电站一次设备与二次设备之间、电缆清册与三维模型之间、光缆/虚端子与设备之间的二维到三维的可视化接口[14-15]。

作者：齐炜1;陈科技2 单位：1.中国能源建设集团浙江省电力设计院有限公司，2.宁波市电力设计院有限公司