智慧電網系統工程：變電所自動化解決方案

在傳統變電所系統通訊網路沒有統一的標準和規範，各廠商之間使用的多是自有通訊協定，使得設備與系統之間往往具有不同的通訊協定及訊息描述方式，導致變電所系統中不同廠商設備之間無法進行互操作。必須使用種類繁雜的協定轉換器進行轉換才能合併為一個系統。協定轉換器的存在使得系統整合週期長、系統整合費用高、系統可靠度降低以及後期維護不方便。

IEC61850是基於網路通信平台的變電所自動化系統標準，對於變電所自動化的網路設備提出了明確的要求，包括可靠性、可用性、傳輸延時等品質要求。

IEC61850代表了變電所自動化系統的最新趨勢，是目前國際上唯一共通的電力系統網路通訊標準，其最終目的為在電力系統通訊上實現「一個世界、一種技術、一個標準」之終極目標。

傳統變電所與變電所自動化架構之比較

變電所自動化依照IEC61850標準規劃採用三層兩網架構設計，三層分別為程序層、檔位層及變電所層，兩網分別為程序層網路及變電所層網路。程序層網路連接程序層設備與檔位層設備，變電所層網路實現檔位層設備與變電所層機控設備的連接。

針對IEC61850標準及變電站自動化應用需求，彩普公司結合多年來的工程設計與現場實務經驗，提供自規劃、設計、施工至測試的完整IEC61850解決方案。程序層功能在於將設備狀態和類比電壓電流輸入，如開關狀態、警報監視及數據取樣等，經過網路傳輸與檔位層設備通信。對於類比電壓電流輸入，我們透過合併單元進行取樣，將多路電壓電流信號進行合併，轉換為IEC61850-9-2取樣值。

訊號後發送給檔位層二次保護及量測設備使用，實現快速、穩定，可共享的全站取樣值服務。智能設備是將傳統的斷路器、隔離開關等一次設備轉換為數位化訊號的設備，透過光纖網路傳輸，可避免環境干擾且有效減少電纜鋪設使用，並完全取代傳統RTU系統。此外，我們提供新一代光學比流器裝置，其動態電流量測範圍寬廣、精確度高，並無磁飽和與二次側開路問題，而可繞式之光學比流器設計，更可不停電施工直接安裝於GIS與變壓器套管上，適合既有變電所自動化之改建使用。

檔位層主要有二次保護及量測設備，彩普公司提供完整系列之保護電驛設備，完全支援IEC61850標準，可接受來自程序層合併單元電壓電流取樣值輸出，設備間可透過GOOSE進行信息交換，GOOSE是IEC61850中一種快速信息傳輸機制，用於傳輸變電所內IED之間重要的實時性信號，應用範圍廣，如保護、跳脫命令的輸出、裝置間的閉鎖、斷路器失靈等。GOOSE採用網路信號代替傳統變電所裝置之間電纜傳輸方式，大大簡化變電所內二次電纜接線，一方面降低工程造價，另一方面則簡化了工程實施。此外，GOOSE通過通信機制的不斷自檢，實現了裝置間迴路的監測，有效提高變電所二次迴路的可靠性。

變電所層為資料收集及監控系統SCADA之實現，採用IEC61850MMS規範，通過對實際設備及其功能進行建模的方式，實現網路下監控主機與IEC設備間信息的實時交換。其目的為對設備的通信行為建立規範，使來自不同廠商的設備之間具有互操作性，使系統整合變得簡單、方便，進而解決協定不統一導致的設備間通信瓶頸，以及降低建構與維護成本。

IEC61850的變電所自動化實現是以網路為基礎，當變電所採用GOOSE與SV傳輸技術進行網路通信時，合理的網路結構與配置對於保護電驛的實時性和可靠性相當重要。針對IEC61850應用我們使用工業級交換機，透過配置提供VLAN區域劃分、優先傳輸、斷線快速重建及端口鏡像等功能。由於全站採用光纖網路建置，大量減少電纜佈線，也使得後續維護及測試工作變得容易。

由於變電所自動化中信息傳送採用網路通信方式進行，數位信號的取樣和傳輸必須基於統一的時間同步基礎，才能保證其準確性、可靠性和有效性。特別是線路差動保護及變壓器差動保護設備，需要同時對多個電壓電流量進行取樣，以避免震幅及相角產生誤差，防止誤動作發生。對於變電站自動化應用，彩普公司採用IEEE1588精密時間同步標準，精度可達到微秒級(1us)。IEEE1855以網路為基礎，可減少重新佈線，其具有時間延遲補償計算，可確保設備間時間同步不受距離影響。對不支援IEEE1588能力的IED設備，可通過IRIG-B與1PPS轉換信號進行同步。對於全台電廠、變電所間之時間同步，我們可透過台電既有之通訊線路進行IEEE1588時間傳輸，在不需要重新建構通訊線路條件下，確保全台電力系統內IED設備之間時間得以保持一致，不受外在環境及GPS之影響。

以 IEEE 1588 為基礎之電力系統時間同步

智慧電網系統工程實績