110kV數(shù)字化變電站在承德電網(wǎng)的應(yīng)用

摘要 介紹了華北地區(qū)首座110kV數(shù)字化變電站——西地變電站的主要特點(diǎn)，即智能化的一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備和自動(dòng)化的運(yùn)行管理系統(tǒng);自動(dòng)化系統(tǒng)的邏輯層次及其功能;間隔層的可靠傳輸控制，以及站控層的監(jiān)控分析等功能。通過數(shù)字站和常規(guī)站在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的比較，說明了數(shù)字站在安全性、可靠性、測(cè)量精度、抗干擾性能等方面的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)闡述了今后數(shù)字化變電站技術(shù)擴(kuò)展的方向。

關(guān)鍵詞 數(shù)字化;變電站;應(yīng)用;IEC61850

中圖分類號(hào)TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)1673-9671-(2009)111-0060-02

數(shù)字化變電站是變電站自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展方向，是一個(gè)不斷發(fā)展的過程，就目前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀而言，數(shù)字化變電站是由電子式互感器、智能化開關(guān)等智能化一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備分層構(gòu)建，建立在IEC61850通信規(guī)范基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)變電站內(nèi)智能電氣設(shè)備間信息共享和互操作的現(xiàn)代化變電站。110kV西地站數(shù)字化改造于2007年9月投入試運(yùn)行，其采用了基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化變電站系統(tǒng)架構(gòu)技術(shù);傳統(tǒng)互感器及純光學(xué)電子互感器在數(shù)字化變電站中的應(yīng)用技術(shù);傳統(tǒng)高壓電器實(shí)現(xiàn)智能化控制技術(shù);基于以太網(wǎng)數(shù)字接口測(cè)控保護(hù)裝置技術(shù);基于GOOSE機(jī)制控制及保護(hù)技術(shù);基于光纖簡(jiǎn)化的二次系統(tǒng)體系架構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)。

1數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的特點(diǎn)

1.1智能化的一次設(shè)備

數(shù)字程控部件在惡劣環(huán)境下抗干擾能力和穩(wěn)定性的提高，用于一次設(shè)備被檢測(cè)的信號(hào)回路與被控制的操作驅(qū)動(dòng)回路采用微處理器。一次設(shè)備光電電流傳感器的原理是利用磁致旋光效應(yīng)，即法拉第效應(yīng)技術(shù)設(shè)計(jì)。從而簡(jiǎn)化一次變換的過程和常規(guī)機(jī)電式繼電器及控制回路的結(jié)構(gòu)，數(shù)字程控器及數(shù)字公共信號(hào)網(wǎng)絡(luò)取代傳統(tǒng)的導(dǎo)線連接。換言之，普通變電站二次回路中常規(guī)的繼電器及其邏輯回路被PLC可編程序代替，常規(guī)的強(qiáng)電模擬信號(hào)和控制電纜被光電原理的數(shù)字量和光纖導(dǎo)線代替。改變了信號(hào)傳輸?shù)哪Ｊ剑畔鬟f上極為安全準(zhǔn)確迅速。

1.2基于成熟的以太網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的二次設(shè)備

常規(guī)變電站內(nèi)常規(guī)的二次設(shè)備，如繼電保護(hù)裝置、防誤閉鎖裝置、 測(cè)量控制裝置、遠(yuǎn)動(dòng)裝置、故障錄波裝置、電壓無功控制、同期操作裝置以及正在發(fā)展中的在線狀態(tài)檢測(cè)裝置等全部基于標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的微處理機(jī)設(shè)計(jì)制造。智能ITU單元集成了故障紀(jì)錄器(12kHz)，集成了斷路器診斷系統(tǒng)，集成了同步檢測(cè)。加上數(shù)字控制斷路器，ITU單元可以完成選相合、分閘。同時(shí)設(shè)備之間的連接全部采用高速的網(wǎng)絡(luò)通信，二次設(shè)備不再出現(xiàn)常規(guī)功能裝置重復(fù)的I/O現(xiàn)場(chǎng)接口，通過網(wǎng)絡(luò)真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、資源其享。常規(guī)的功能裝置在這里變成了邏輯的功能模塊。

1.3可靠的自動(dòng)化的運(yùn)行管理系統(tǒng)

變電站運(yùn)行管理自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)包括電力生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)記錄統(tǒng)計(jì)無紙化;數(shù)據(jù)信息分層、分流交換自動(dòng)化;變電站運(yùn)行發(fā)生故障時(shí)能即時(shí)提供故障分析報(bào)告，指出故障原因，提出故障處理意見;系統(tǒng)能自動(dòng)發(fā)出變電站設(shè)備檢修報(bào)告，即常規(guī)的變電站設(shè)備“定期檢修”改變?yōu)椤盃顟B(tài)檢修”。

2數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在變電站自動(dòng)化領(lǐng)域中，智能化電氣的發(fā)展，特別是智能開關(guān)、光電式互感器機(jī)電一體化設(shè)備的出現(xiàn)，變電站自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)入了數(shù)字化的新階段。在高壓和超高壓變電站中，保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、故障錄波及其他自動(dòng)裝置的I/O單元，如A/D變換、光隔離器件、控制操作回路等將割列出來作為智能化一次設(shè)備的一部分。反言之，智能化一次設(shè)備的數(shù)字化傳感器、數(shù)字化控制回路代替了常規(guī)繼電保護(hù)裝置、測(cè)控等裝置的I/O部分;而在中低壓變電站則將保護(hù)、監(jiān)控裝置小型化、緊湊化，完整地安裝在開關(guān)柜上，實(shí)現(xiàn)了變電站機(jī)電一體化設(shè)計(jì)。

通信技術(shù)的進(jìn)步改變了變電站控制系統(tǒng)與開關(guān)之間的連接方式，也引起了變電站結(jié)構(gòu)的變化，IEC技術(shù)委員會(huì)專家建議變電站結(jié)構(gòu)可以分三步完成改變。第一步是傳感器與保護(hù)裝置之間一一對(duì)應(yīng)連接，通過過程總線控制斷路器，內(nèi)容由IEC61850-9-2規(guī)定;第二步是將以前控制與測(cè)量數(shù)據(jù)隔開的通信系統(tǒng)組合起來，傳感器數(shù)據(jù)并入過程總線;第三步是將站總線與過程總線合并起來。

數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，目前通常在物理上可分為兩類，即智能化的一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備;在邏輯結(jié)構(gòu)上可分為三個(gè)層次，根據(jù)IEC6185A通信協(xié)議草案定義，這三個(gè)層次分別稱為“過程層”、“間隔層”、“站控層”。各層次內(nèi)部及層次之間采用高速網(wǎng)絡(luò)通信。

2.1過程層

過程層是一次設(shè)備與二次設(shè)備的結(jié)合面，或者說過程層是指智能化電氣設(shè)備的智能化部分。過程層的主要功能分三類:電力運(yùn)行實(shí)時(shí)的電氣量檢測(cè);運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)檢測(cè);操作控制執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)。

⑵運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)在線檢測(cè)與統(tǒng)計(jì)。 變電站需要進(jìn)行狀態(tài)參數(shù)檢測(cè)的設(shè)備主要有變壓器、斷路器、刀閘、母線、電容器、電抗器以及直流電源系統(tǒng)。在線檢測(cè)的內(nèi)容主要有溫度、壓力、密度、絕緣、機(jī)械特性以及工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)。

⑶操作控制的執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)。 操作控制的執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)包括變壓器分接頭調(diào)節(jié)控制，電容、電抗器投切控制，斷路器、刀閘合分控制，直流電源充放電控制。過程層的控制執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)大部分是被動(dòng)的，即按上層控制指令而動(dòng)作，比如接到間隔層保護(hù)裝置的跳閘指令、電壓無功控制的投切命令、對(duì)斷路器的遙控開合命令等。在執(zhí)行控制命令時(shí)具有智能性，能判別命令的真?zhèn)渭捌浜侠硇?，還能對(duì)即將進(jìn)行的動(dòng)作精度進(jìn)行控制，能使斷路器定相合閘，選相分閘，在選定的相角下實(shí)現(xiàn)斷路器的關(guān)合和開斷，要求操作時(shí)間限制在規(guī)定的參數(shù)內(nèi)。又例如對(duì)真空開關(guān)的同步操作要求能做到開關(guān)觸頭在零電壓時(shí)關(guān)合，在零電流時(shí)分?jǐn)嗟取?/p>

2.2間隔層

間隔層設(shè)備的主要功能是:(1)匯總本間隔過程層實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息;(2)實(shí)施對(duì)一次設(shè)備保護(hù)控制功能;(3)實(shí)施本間隔操作閉鎖功能;(4)實(shí)施操作同期及其他控制功能;(5)對(duì)數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)運(yùn)算及控制命令的發(fā)出具有優(yōu)先級(jí)別的控制;(6)承上啟下的通信功能，即同時(shí)高速完成與過程層及站控層的網(wǎng)絡(luò)通信功能。必要時(shí)，上下網(wǎng)絡(luò)接口具備雙口全雙工方式，以提高信息通道的冗余度，保證網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。

2.3站控層

站控層的主要任務(wù)是:(1)通過兩級(jí)高速網(wǎng)絡(luò)匯總?cè)镜膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，不斷刷新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，按時(shí)登錄歷史數(shù)據(jù)庫(kù);(2)按既定規(guī)約將有關(guān)數(shù)據(jù)信息送向調(diào)度或控制中心;(3)接收調(diào)度或控制中心有關(guān)控制命令并轉(zhuǎn)間隔層、過程層執(zhí)行;(4)具有在線可編程的全站操作閉鎖控制功能;(5)具有(或備有)站內(nèi)當(dāng)?shù)乇O(jiān)控，人機(jī)聯(lián)系功能，如顯示、操作、打印、報(bào)警，甚至圖像，聲音等多媒體功能;(6)具有對(duì)間隔層、過程層諸設(shè)備的在線維護(hù)、在線組態(tài)，在線修改參數(shù)的功能;(7) 具有(或備有)變電站故障自動(dòng)分析和操作培訓(xùn)功能。

3目前常規(guī)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)存在著很多技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的局限性

3.1二次設(shè)備之間存在互操作性問題

⑴二次設(shè)備缺乏統(tǒng)一的信息模型規(guī)范和通信標(biāo)準(zhǔn)。為實(shí)現(xiàn)不同廠家設(shè)備的互聯(lián)，必須設(shè)置大量規(guī)約轉(zhuǎn)換器或保護(hù)管理機(jī)，增加了系統(tǒng)復(fù)雜和設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)的難度，降低了通信系統(tǒng)的性能。

⑵當(dāng)變電站二次設(shè)備選擇不同廠家產(chǎn)品時(shí)，全站自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備互聯(lián)成了變電站投產(chǎn)前必須重點(diǎn)安排的一項(xiàng)復(fù)雜工作。常常因?yàn)樵O(shè)備之間互聯(lián)通信不暢等原因拖延調(diào)試工作周期，使變電站不能按期投運(yùn);并且給后期運(yùn)行維護(hù)帶來許多不便，給安全生產(chǎn)帶來很大的隱患。

3.2傳統(tǒng)電流、電壓互感器的問題

電壓等級(jí)越高，短路電流越大。為解決絕緣和傳變特性，必須是體積增大，設(shè)備得更加笨重，安裝運(yùn)輸極不方便。暫態(tài)傳變特性差。高壓系統(tǒng)中要求保護(hù)動(dòng)作速度快，改善暫態(tài)傳變特性需增加投資。電流互感器二次側(cè)輸出對(duì)負(fù)載要求嚴(yán)格，超高壓變電站占地面積大，從開關(guān)場(chǎng)到控制室的二次電纜可達(dá) 200 米，為保證傳變精度，增加電纜截面也不能解決問題。 傳變大電流時(shí)，會(huì)出現(xiàn)鐵芯飽和現(xiàn)象，使得差動(dòng)保護(hù)難以實(shí)現(xiàn)。

3.3二次電纜對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響

雖然現(xiàn)有的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的智能化，但這些智能設(shè)備之間以及智能設(shè)備與一次系統(tǒng)設(shè)備和變電站自動(dòng)化系統(tǒng)之間仍然采用電纜進(jìn)行連接。電纜遭受電磁干擾和一次設(shè)備傳輸過電壓可能引起二次設(shè)備運(yùn)行異常;在二次電纜比較長(zhǎng)的情況下由電容禍合的干擾可能造成繼電保護(hù)誤動(dòng)作。盡管電力行業(yè)的有關(guān)規(guī)定中要求繼電保護(hù)二次回路一點(diǎn)接地，但由于二次回路接地點(diǎn)的狀態(tài)無法實(shí)時(shí)檢測(cè)，二次回路兩點(diǎn)接地的情況仍時(shí)有發(fā)生并對(duì)繼電保護(hù)產(chǎn)生不良影響，甚至造成設(shè)備誤動(dòng)作。

3.4設(shè)備選擇的限制造成成本和加大

一次設(shè)備和二次裝置之間依然采用電纜硬連接方式，需要敷設(shè)了大量的二次電纜。這無論是對(duì)設(shè)計(jì)、施工還是運(yùn)行維護(hù)都存在很大的工作量，并形成可觀的成本。信息共享困難。常常存在多套并行的應(yīng)用系統(tǒng)，卻未實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)的公用信息共享，因此不便擴(kuò)展、難以維護(hù)，加大了變電站整體造價(jià)及運(yùn)行維護(hù)成本。站內(nèi)各種二次設(shè)備無法互操作。各種二次設(shè)備采用私有協(xié)議和不兼容的網(wǎng)絡(luò)，使變電站造價(jià)及調(diào)試、運(yùn)行、維護(hù)成本大為增加。

4改造后數(shù)字化變電站的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

通過數(shù)字化變電站技術(shù)改造，能夠比較好的解決現(xiàn)有變電站自動(dòng)化技術(shù)存在的上述缺陷。數(shù)字化變電站具有簡(jiǎn)潔的二次接線、更好的保護(hù)性能、一致化的計(jì)測(cè)精度、較高的設(shè)備使用效率、更高的系統(tǒng)可靠性，同時(shí)數(shù)字化變電站設(shè)備具有很高的互操作性，設(shè)備較易維護(hù)和更新，信息實(shí)現(xiàn)共享的特點(diǎn)。因此，將傳統(tǒng)變電站改造為數(shù)字化變電站將是必然趨勢(shì)。

通過數(shù)字化改造，可以實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo):通過過程層數(shù)字化，取消大量電纜硬連接，降低系統(tǒng)成本。采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)不同廠家設(shè)備的互操作，消除站內(nèi)信息孤島。設(shè)備的互操作性使得用戶可以選擇最好的系統(tǒng)部件，大幅改善系統(tǒng)集成、現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)收、監(jiān)視診斷和運(yùn)行維護(hù)等的費(fèi)用，節(jié)約大量時(shí)間，增加自動(dòng)化系統(tǒng)使用期間的靈活性。優(yōu)化功能布局，減少設(shè)備數(shù)量，簡(jiǎn)化二次系統(tǒng)。

因此，對(duì)常規(guī)變電站進(jìn)行數(shù)字化改造，對(duì)于建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)和科技創(chuàng)新型電力企業(yè)，通過節(jié)能調(diào)度實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，通過標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)信息共享和系統(tǒng)的互聯(lián)互通，減少投資，降低維護(hù)工作量，提高效率和效益，提高大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定水平和災(zāi)變防治能力，提高電網(wǎng)生產(chǎn)的科學(xué)、智能決策水平，顯著提高電網(wǎng)生產(chǎn)效率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

5數(shù)字化變電站技術(shù)擴(kuò)展的方向

西地?cái)?shù)字化變電站的建設(shè)，采用數(shù)字化技術(shù)使變電站的信息采集、傳輸、處理、輸出過程全部數(shù)字化，將保護(hù)、控制、數(shù)據(jù)采集功能集成在最少的平臺(tái)上，進(jìn)行了高度的集成。特別提出繼電保護(hù)的高度集成化，要實(shí)現(xiàn)1對(duì)N保護(hù)功能。為我們今后的數(shù)字化建設(shè)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，因此我們提出區(qū)域數(shù)字化電網(wǎng)建設(shè)，區(qū)域數(shù)字化電網(wǎng)建設(shè)對(duì)通信網(wǎng)提出了較高的要求。要求通信網(wǎng)可靠，在一條光纜中斷時(shí)不影響整個(gè)系統(tǒng)通信，在一套光傳輸設(shè)備故障時(shí)不影響其它網(wǎng)元的業(yè)務(wù)傳輸，能夠提供多業(yè)務(wù)接入，組成綜合數(shù)據(jù)網(wǎng)，提供100M以太網(wǎng)接口、語音接口、低速數(shù)據(jù)接口和視頻接口等。為了滿足上述要求，通信網(wǎng)只能采用光纖通信方式，組成4纖自愈環(huán)網(wǎng)。光設(shè)備采用具有多業(yè)務(wù)接入功能的MSTP傳輸設(shè)備。使每一個(gè)網(wǎng)元都通過兩個(gè)不同路由相連。同時(shí)具備自愈功能。從而保證在一條光纜中斷和一個(gè)網(wǎng)元故障時(shí)其它站點(diǎn)通信不中斷。 2009年計(jì)劃選取寬城縣作為試點(diǎn)，在寬城站和數(shù)字化電網(wǎng)二次中心站做兩個(gè)環(huán)網(wǎng)的光口互聯(lián)，系統(tǒng)容量為622M，同時(shí)考慮今后的括容可通過更換光口實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)到2.5G。通過增加相應(yīng)的網(wǎng)卡可提供1000M的以太網(wǎng)接口。以滿足該區(qū)域數(shù)字化電網(wǎng)建設(shè)對(duì)通信的需求。在城東110kv變電站建設(shè)集中保護(hù)控制樓，將一個(gè)35kv變電站保護(hù)及自動(dòng)裝置集中起來，逐步實(shí)現(xiàn)35KV變電站二次設(shè)備遠(yuǎn)程集中控制，實(shí)現(xiàn)保護(hù)1:N保護(hù)和控制。2010年在對(duì)一個(gè)35kv站進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的基礎(chǔ)上，在1對(duì)N功能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)N對(duì)N。開展將多個(gè)35kv站遠(yuǎn)程控制的研究，逐步實(shí)現(xiàn)一套二次保護(hù)及控制設(shè)備完成對(duì)多個(gè)站多臺(tái)設(shè)備的保護(hù)及控制。

常規(guī)的綜合自動(dòng)化變電站二次設(shè)備及控制均在站內(nèi)實(shí)現(xiàn)。而且全部是1:1面向間隔，隨著電網(wǎng)通信設(shè)備的發(fā)展，通信能夠滿足100M的站間通信要求，集中建立中心控制站，中心控制站的保護(hù)設(shè)備一套裝置可控一個(gè)站或多個(gè)變電站線路或變壓器保護(hù)，大大減少設(shè)備總數(shù)，減少投資，而且站內(nèi)二次設(shè)備全部簡(jiǎn)化其中到中心控制站，實(shí)現(xiàn)保護(hù)1:N或N:N保護(hù)和控制，站內(nèi)只有一次設(shè)備和通信設(shè)備，減少站內(nèi)檢修、調(diào)試及基建費(fèi)用。

6結(jié)束語

西地?cái)?shù)字化變電站改造后已正式運(yùn)行近兩年，總的來看設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，各類數(shù)據(jù)采集、傳輸無誤，保護(hù)和自動(dòng)裝置動(dòng)作正常，至少可以說明數(shù)字化變電站的技術(shù)運(yùn)用到實(shí)際中已初步通過實(shí)踐的檢驗(yàn)，滿足了安全、穩(wěn)定的系統(tǒng)運(yùn)行要求。近幾年國(guó)內(nèi)智能化一次設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量提升非?？?，原來制約數(shù)字化變電站發(fā)展的因素會(huì)得到逐一排除，隨著數(shù)字化變電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累，成熟的數(shù)字化變電站取代常規(guī)自動(dòng)化變電站將成為必然趨勢(shì)。

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