數(shù)字化變電站技術(shù)初探

摘要:基于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展，數(shù)字化變電站技術(shù)在近年得到長(zhǎng)足的進(jìn)步。本文闡述了數(shù)字化變電站變電站的概念、數(shù)字變電站的自動(dòng)化及在數(shù)字變電站的設(shè)計(jì)和運(yùn)行中要注意的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞:數(shù)字化;變電站;保護(hù)

數(shù)字化變電站基本定義為:“變電站內(nèi)一、二次電氣設(shè)備和保護(hù)裝置均應(yīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化通信，并具有全站統(tǒng)一的數(shù)據(jù)建模及數(shù)據(jù)通信平臺(tái)，在此平臺(tái)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)智能裝置之間的互操作性”。

1 數(shù)字化變電站的自動(dòng)化的原因

1.1 隨著電網(wǎng)復(fù)雜程度的增加，各級(jí)調(diào)度中心要求更多的信息，以便及時(shí)掌握電網(wǎng)及變電站的運(yùn)行情況;

1.2 提高變電站的可控性，要求更多地采用遠(yuǎn)方集中控制、操作、反事故措施等;

1.3 采用無(wú)人值班管理模式，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，減少人為誤操作的可能，提高運(yùn)行可靠性;

1.4 利用當(dāng)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)等提供的先進(jìn)技術(shù)裝備，改變傳統(tǒng)二次設(shè)備模式，簡(jiǎn)化系統(tǒng)，信息共享，減少電纜，減少占地面積，降低造價(jià)，以改變變電站面貌。

2 我國(guó)開(kāi)展變電站綜合自動(dòng)化

2.1 中低壓變電站采用自動(dòng)化系統(tǒng)，以便更好地實(shí)施無(wú)人值班，達(dá)到減人增效的目的。

2.2 對(duì)高壓變電站(220kV及以上)的建設(shè)和設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，要采用新的控制方式，解決各專業(yè)在技術(shù)上保持相對(duì)獨(dú)立而造成的各行其是，重復(fù)投資，甚至影響運(yùn)行可靠性的弊端。這些問(wèn)題主要是:(l)計(jì)量、遠(yuǎn)動(dòng)和當(dāng)?shù)乇O(jiān)測(cè)系統(tǒng)所用的變送器各自設(shè)置，加大了CT和PT負(fù)載，投資增加，還造成數(shù)據(jù)測(cè)量的不一致性;(2)遠(yuǎn)動(dòng)裝置和微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能重復(fù)，一個(gè)是受制于調(diào)度所，一個(gè)是服務(wù)于當(dāng)?shù)乇O(jiān)測(cè)，沒(méi)有做到資源共享，增加了投資且使現(xiàn)場(chǎng)接線復(fù)雜化，影響可靠性;(3)傳統(tǒng)二次控制系統(tǒng)和當(dāng)?shù)匚C(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能重復(fù)，在某種程度上影響了運(yùn)行人員對(duì)當(dāng)?shù)匚C(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重視程度，認(rèn)為可有可無(wú)，造成監(jiān)控系統(tǒng)在變電站投人率不高。綜上所述開(kāi)展變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)勢(shì)在必行。

3 實(shí)際運(yùn)行的數(shù)字化變電站存在的問(wèn)題

3.1 數(shù)字化過(guò)程層帶來(lái)的新問(wèn)題過(guò)程層的數(shù)字化必然帶來(lái)設(shè)備的增多，同時(shí)必須增加合并器。由于合并器的數(shù)據(jù)交換極其頻繁，降低了系統(tǒng)的可靠性。

3.2 關(guān)于保護(hù)的問(wèn)題所有具有通信功能的一次設(shè)備和二次設(shè)備都按照IEC61850建模并通信。但由于現(xiàn)今產(chǎn)品的限制，一次設(shè)備和二次設(shè)備間的通信和數(shù)字化接口部分可能存在問(wèn)題，影響保護(hù)的穩(wěn)定可靠。同時(shí)由于全站采用數(shù)字化傳輸，就必然帶來(lái)誤碼的問(wèn)題。雖然通信可通過(guò)嚴(yán)格的校驗(yàn)屏蔽誤碼問(wèn)題，但是同時(shí)也可能帶來(lái)系統(tǒng)可用率的降低。數(shù)字化傳輸?shù)难訒r(shí)問(wèn)題也可能帶來(lái)保護(hù)作延時(shí)增加的問(wèn)題。

3.3 關(guān)于數(shù)據(jù)采集共享的問(wèn)題

由于繼電保護(hù)設(shè)備在保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行上有著特殊的作用，因而決定了它在電力系統(tǒng)中的重要地位，所以繼電保護(hù)如果與變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)其它設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和共享，必須解決各個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)的采集速率問(wèn)題。

3.4 關(guān)于系統(tǒng)的安全問(wèn)題

原來(lái)的SCADA和其他的控制系統(tǒng)都是一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，它們的安全性來(lái)自于硬件平臺(tái)和邏輯結(jié)構(gòu)與外界不同。開(kāi)放式變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)基于開(kāi)放的、標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之上。供應(yīng)商都可以開(kāi)發(fā)基于因特網(wǎng)的應(yīng)用程序來(lái)監(jiān)測(cè)、控制或遠(yuǎn)方診斷，但是帶來(lái)的問(wèn)題是可能導(dǎo)致計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的安全性降低。對(duì)電力系統(tǒng)這樣一個(gè)要求高可靠性和安全穩(wěn)定性的系統(tǒng)而言，安全問(wèn)題尤其突出。

4 數(shù)字化變電站建設(shè)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題

4.1 技術(shù)層面面臨的問(wèn)題

4.1.1 應(yīng)用電子式互感器帶來(lái)的問(wèn)題根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，從測(cè)量原理分類，電子式電流互感器包含了光學(xué)電流互感器、空芯電流互感器(又稱為Rogowski線圈)及低功率型電流互感器3種由于在光學(xué)電流互感器的溫度穩(wěn)定性研究方面遇到的困難，現(xiàn)階段實(shí)用化的高壓電子式電流互感器主要是以空芯線圈為傳感單元，低壓側(cè)的半導(dǎo)體激光器通過(guò)供能光纖給高壓側(cè)的調(diào)制電路供電，將高壓側(cè)的含有被測(cè)電流信息的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，通過(guò)信號(hào)傳輸光纖以光脈沖的形式傳輸至低壓側(cè)。在電子式互感器應(yīng)用方面，需要關(guān)注以下問(wèn)題。

4.1.2 互感器的安裝位置，合并單元的配置方案，各個(gè)二次設(shè)備如何共享數(shù)字信號(hào)，差動(dòng)保護(hù)(變壓器、母線、線路等)采樣數(shù)據(jù)的同步，數(shù)字化過(guò)程層設(shè)備的測(cè)量精度，多個(gè)過(guò)程層接口的保護(hù)測(cè)控設(shè)備的應(yīng)用等如何解決。

4.2 支持IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中存在的問(wèn)題

國(guó)際上實(shí)現(xiàn)IEC61850的變電站層和間隔層部分規(guī)約已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，功能也已相當(dāng)完整。國(guó)內(nèi)部分制造廠在開(kāi)發(fā)和應(yīng)用方面有了一些成果。但是，由于制定IEC61850時(shí)，具體的保護(hù)功能和類型是按照歐美的標(biāo)準(zhǔn)及習(xí)慣制定的，國(guó)內(nèi)使用的保護(hù)功能和方法與其有一定的差異，完整實(shí)現(xiàn)站層和間隔層部分規(guī)約包括GOOSE時(shí)，由于存在網(wǎng)絡(luò)沖突，可能會(huì)造成GOOSE報(bào)文的延遲;而且目前國(guó)內(nèi)高壓保護(hù)全部是雙重化配置，當(dāng)雙套保護(hù)同時(shí)動(dòng)作的時(shí)候，會(huì)同時(shí)發(fā)送緊急事件報(bào)文，此時(shí)可能會(huì)發(fā)生沖突。因此國(guó)內(nèi)急需建立一個(gè)完整全面的IEC61850數(shù)字式設(shè)備測(cè)試環(huán)境，從科研試點(diǎn)的角度出發(fā)，數(shù)字化變電站中有必要配置專用的網(wǎng)絡(luò)分析儀。網(wǎng)絡(luò)分析儀主要用于詳細(xì)記錄網(wǎng)絡(luò)上的報(bào)文信息，實(shí)現(xiàn)檢索、排序分類等基本數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能和針對(duì)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的高級(jí)報(bào)文分析功能。目前，國(guó)外有一些分析MMS報(bào)文和GOOSE報(bào)文的軟件，但價(jià)格昂貴而且長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性差。

4.3 安全層面面臨的問(wèn)題原來(lái)的SCADA和其他的控制系統(tǒng)都是一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，由于硬件平臺(tái)和邏輯結(jié)構(gòu)都與外界不同，因此具有較高的安全性。而開(kāi)放式變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)基于開(kāi)放的、標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之上，供應(yīng)商都能開(kāi)發(fā)基于因特網(wǎng)的應(yīng)用程序來(lái)監(jiān)測(cè)、控制或遠(yuǎn)方診斷，可能導(dǎo)致計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的安全性降低。對(duì)于要求高可靠性和安全穩(wěn)定性的電力系統(tǒng)而言，安全問(wèn)題尤其突出。因此，可以嘗試從物理安全性以及軟件安全性兩方面著手。

4.3.1 物理安全性方面

一種方法是采用虛擬網(wǎng)技術(shù)。VLAN(虛擬網(wǎng)絡(luò))技術(shù)，即將一個(gè)物理的LAN邏輯地劃分成不同的廣播域(即VLAN)，使每一個(gè)VLAN都包含一組有著相同需求的計(jì)算機(jī)工作站。另一種方法是采用多智能體技術(shù)。多智能體是分布式人工智能DAI(Distributed Artificial Intellgence)研究的前沿領(lǐng)域，是由多個(gè)智能體組成的系統(tǒng)。

4.3.2 軟件安全性方面

第一種方法是采用數(shù)字簽名技術(shù)。數(shù)字簽名是基于保密算法的程序式安全措施。其安全程度取決于算法的復(fù)雜和精準(zhǔn)程度。數(shù)字化變電站可考慮對(duì)變電站運(yùn)行信息(遙控信息、遙調(diào)信息、保護(hù)裝置和其他安全自動(dòng)裝置的整定信息等)應(yīng)用數(shù)字簽名。第二種方法是采用防火墻技術(shù)。廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的防火墻技術(shù)可以在有數(shù)據(jù)溝通的終端之間，通過(guò)TCP/IP協(xié)議完成對(duì)數(shù)據(jù)流的安全保護(hù)。并且這種措施可以根據(jù)實(shí)際情況應(yīng)用不同的安全等級(jí)策略，方便靈活。

4.4 其他技術(shù)層面出現(xiàn)的問(wèn)題除了以上兩大核心技術(shù)面臨挑戰(zhàn)，其他技術(shù)層面如數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，操作箱數(shù)字化的配置，時(shí)間同步和閉鎖功能的實(shí)現(xiàn)，智能開(kāi)關(guān)耐壓等級(jí)及短路電流開(kāi)斷能力的完善，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下傳輸延時(shí)不確定等已經(jīng)成為數(shù)字化變電站建設(shè)中需要關(guān)注的問(wèn)題。

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