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摘要：本文系统分析了智能变电站二次功能整合的各种形式和关键约束条件，给出了典型设备功能整合的应用案例。二次功能整合受装置硬件资源、抗电磁干扰能力、运维管理等方面多种因素的制约，其中运维管理是制约二次功能整合的关键因素。二次功能整合后，可能会出现责任归属不清、功能之间相互影响等问题。这些问题隐含未知的安全风险，降低了系统的可靠性和可用性。
关键词：智能变电站；自动化系统；可靠性
引言
随着智能变电站技术的快速发展，调控一体化及变电站无人值班管理模式的推进，对变电站二次设备进行合理的集成优化已成为技术发展趋势，对提高电网运行可靠性、降低变电站投资具有重要意义。本文结合工程实践中的经验和问题，以及目前智能变电站的技术发展现状，对自动化系统三层结构中各层设备进行集成优化，在保证功能正常实现的基础上，减少设备数量，降低设备投资，简化系统结构，提高可靠性。
1智能变电站特点
1.1 结构网络化
智能变电站是以通信规范为基础，将一次设备智能化，二次设备网络化，继电保护功能不再单一化，更多的是通过合并单元、保护装置以及智能终端形成的系统共同实现。通常可以将智能变电站的模式分为站控层、过程层以及检测层，不同的装置之间通过光纤以太网的方式完成连接，从而对装置的信息互联进行控制。
1.2 规约报文应用较多
传统的变电站，结构简单，主要是通过调合闸和电缆的接入完成电力控制。数字变电站主要采用的是光纤网络信号、交换机进行数字控制。因此在利用网络传输数据信息的过程中会使用SV报文，这也传统的变电站有很大区别，由于智能化生产的不断普及，变电站的设计也逐渐应用到更多的规约信息和报文，相关部门应该重视这种趋势。
2二次功能集成约束条件
2.1硬件资源
二次设备硬件的短板主要集中在电源板、CPU和光纤接口等模块，由于这些元器件固有物理寿命较短，易受局部短路等因素的影响，经常造成设备的损坏。因此，二次功能整合除需考虑元器件的性能外，还需考虑元器件的可靠性。1)CPU处理能力。CPU资源是衡量硬件装置能否集成多种功能的重要指标，CPU处理速度决定集成设备的整体性能。目前高性能CPU、多核CPU应用广泛，CPU资源并不是制约功能整合的关键因素，即使多个业务功能在单CPU中处理，也能够保证在极端情况下不会出现CPU资源不足的问题。若采用多核处理器，并行处理多线程，CPU资源更加富余。
若集成设备“功能插件独立，输入输出合一”，不同功能的数据处理和逻辑计算由不同CPU来完成，CPU资源能够得到保证。在“完全合一”方案中，高性能的单CPU一般情况下能够在一个中断内处理完该点保护、测控功能，因此不会影响保护的速度性和测控的实时性。若在某些极限的情况下，如接入间隔较多、通信传输存在加密认证机制时，CPU性能达不到，则有可能影响实时报文的接收和处理。2)电源寿命。设备电源是故障高发元器件。电源寿命与装置功耗有一定关系，而电源的短板是电解电容，因此电源功耗与其寿命之间的关系可以认为是电源电容与寿命的关系。某型号电解电容的寿命与使用环境温度、工作时的纹波电流大小、工作时承受的电压等因素有以下关系:
式中Lx为电容寿命期望值;LＲ为电容加速寿命(如在最高温度105℃、施加最大允许纹波电流时的寿命为5000h);T0为电容的最高工作温度(85℃或105℃);Tx为实际工作环境温度;Tm是施加最大允许纹波电流引起的电容内部温升(通常是5℃～8℃);Ti是实际施加纹波电流引起的电容内部温升;KV是工作电压影响系数(通常低于额定电压的80%时取1)。电容寿命与电容内部温升呈指数衰减关系，设备功耗愈大，电容内部温升愈高。二次功耗整合后，集成装置的功耗可达55W。试验表明，当工作环境温度取25℃、36℃、40℃、55℃时，装置内部温升分别约为44℃、43℃、40℃、38℃，即电容的使用环境温度约为69℃、79℃、80℃、93℃。假设此电容最高运行温度为105℃，工作电压影响系数KV取1，施加最大允许纹波电流后引起的电容内部温升为8℃，实际工作纹波电流引起的温升为5℃。
根据计算，工作环境温度为25℃时，电容寿命约为14年;工作环境温度为36℃时，电容寿命下降为7.34年;工作环境温度为40℃时，电容寿命为6.85年;工作环境温度为55℃时，电容寿命则只有2.78年。由此可见，工作环境温度愈高，电容寿命愈短。因此，受电源插件寿命的制约，二次功能不能过多集成，尤其是就地化设备，否则会导致电源插件过热，电容寿命快速衰减，影响集成装置的正常运行。
3)光模块。光模块故障也是引起装置通信异常的常见因素之一。光接口易受温度的影响，引发光链路损耗变大，导致光链路不通。二次功能集成后，即便采用网络化采样与传输、SV与GOOSE接口共用，某些装置对外接口也会倍增。以110kV多功能测控装置为例，多功能测控装置集成了测控、保护和计量功能，输入输出插件部署的LC端口数可达8个以上。LC端口插接方便，但端口面积小，端口发热量大。在运行过程中，发现某些光模块发热量大，光模块工作温度可达60℃，而LC光模块正常工作温度上限为70℃，势必会影响光模块的寿命，最终影响二次设备的可用性。因此，光模块并非可无限集成。
2.2安措规则专家库设计
诊断安措操作票，必须有包含一套完整规则体系的安措专家库的支持，以便制定安措票时给出提示、制定后进行安全性判断及检修过程中进行设备状态监视。根据压板的不同投退状态，将保护及安全自动装置分为运行态、信号态、退出态和检修态四种场景；将合并单元和智能终端分为运行态和检修态两种场景。二次安措诊断系统在诊断分析前，对需要检修的装置挂“检修牌”。“检修牌”是存在于二次诊断系统中的虚拟的标识牌，表示这个设备即将进入检修态场景。根据设备是否挂“检修牌”及其压板的状态，判断设备处于何种场景。对于合并单元和智能终端，设备挂“检修牌”，则表明其处于检修态场景，否则处于运行态场景。对于保护及安全自动装置，其状态的判断如图1所示。
图1 运行态、信号态、退出态场景判断依据
场景状态的定义以保护及安全自动装置的二次安措规则设计为基准，以“运行态”场景为例，诊断规则如图2所示。
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图2 “运行态”场景诊断规则
结语
综上所述，CPU处理能力、电源寿命、光模块寿命、设备的抗电磁干扰能力、过程层网络通信资源、检修运维等因素是制约二次设备功能集成的重要因素。特别是集成设备的检修运维，容易出现专业责任归属不清、功能相互影响、检修全停等问题。另外，随着计算机技术、电子元器件制造材料和工艺的不断进步，二次设备的硬件资源将不再是制约二次功能集成的关键因素，检修运维和管理将成为制约二次功能整合的主要原因。设备供应商应多考虑集成设备运行维护过程中遇到的实际问题，提出减小故障与检修影响范围的解决方案。用户也应厘清不同专业人员的职责，积极拓展现场运维人员的业务范围，提升运维人员的专业素养，制定集成装置的操作规程，共同推进集成装置的应用。
参考文献
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