淺析數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)

林飛，劉麗娟

（1.赤峰富龍熱電股份有限公司；2.赤峰學(xué)院醫(yī)學(xué)院，內(nèi)蒙古赤峰024000）

淺析數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)

林飛1，劉麗娟2

（1.赤峰富龍熱電股份有限公司；2.赤峰學(xué)院醫(yī)學(xué)院，內(nèi)蒙古赤峰024000）

電力系統(tǒng)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展的快慢可以從數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)水平高低中得以體現(xiàn).電力系統(tǒng)在我國取得了輝煌的成果，特別是“西電東送”使變電站自動化在智能化開關(guān)、一次運(yùn)行設(shè)備在線狀態(tài)檢測、光電式電流、電壓互感器、變電站運(yùn)行等方面日趨成熟，并有可能成為今后電力系統(tǒng)發(fā)展的新趨勢.

數(shù)字化；智能化；技術(shù)化；自動化

在21世紀(jì)新經(jīng)濟(jì)時代發(fā)展的階段，各國的綜合國力都在日趨增強(qiáng)，主要體現(xiàn)之一是各國在不斷加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)化、信息化的發(fā)展進(jìn)程.數(shù)字化技術(shù)日漸被人們認(rèn)可并重視.數(shù)字化技術(shù)表現(xiàn)幾個特性：（1）數(shù)字化是計算機(jī)的基礎(chǔ)，計算機(jī)的運(yùn)用主要以數(shù)字運(yùn)算為主，是智能技術(shù)的基礎(chǔ).（2）數(shù)字化也是多媒體技術(shù)的基礎(chǔ)，數(shù)字化變電站因此成為了變電站信息化采集、傳輸，處理整體過程從過去的單一模擬信息轉(zhuǎn)換為多元的數(shù)字信息體系，通過網(wǎng)絡(luò)建立和應(yīng)用使其特性在設(shè)備智能化、通信網(wǎng)絡(luò)化和統(tǒng)一化等方面都得以體現(xiàn).筆者從數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點及應(yīng)用和未來發(fā)展等方面進(jìn)行淺析，從而說明數(shù)字技術(shù)應(yīng)用于變電站自動化系統(tǒng)中使得變電站的運(yùn)作效率大大提高，實現(xiàn)了從模擬技術(shù)到數(shù)字技術(shù)的質(zhì)的飛躍.

1 數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

隨著智能化電氣的發(fā)展，特別是智能開關(guān)、光電式互感器等機(jī)電一體化設(shè)備的出現(xiàn)和應(yīng)用在GIS(氣體絕緣組合電器設(shè)備)、AIS(自動識別系統(tǒng))、超高壓直流站等場合，變電站自動化的技術(shù)邁入了數(shù)字化的新階段.在高壓和超高壓變電站中，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、監(jiān)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，實現(xiàn)了變電站機(jī)電一體化設(shè)計.數(shù)字化變電站在自動化系統(tǒng)方面可以分為“過程層”、“間隔層”、“變電站層”三個邏輯結(jié)構(gòu)，各層次內(nèi)外部與層次間采用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)加以聯(lián)機(jī)，實現(xiàn)整體統(tǒng)一運(yùn)作.

1.1 過程層

過程層是一次設(shè)備與二次設(shè)備的結(jié)合面，或者說過程層是智能化電氣設(shè)備的智能化部分，其主要功能可分為三類：①電氣運(yùn)行的實時電氣量檢測.即利用光電電流、電壓互感器及直接采集數(shù)字量等手段，對電流、電壓、相位及諧波分量等進(jìn)行檢測.②運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)在線檢測與統(tǒng)計.如對變電站的變壓器、斷路器、母線等設(shè)備在線檢測溫度、壓力、密度、絕緣、機(jī)械特性以及工作狀態(tài)等數(shù)據(jù).③操作控制的執(zhí)行與驅(qū)動.在執(zhí)行控制命令時具有智能性，能判斷命令的真?zhèn)渭捌浜侠硇?，還能對即將進(jìn)行的動作精度進(jìn)行控制，如能使斷路器定向合閘，選相分閘，在選定的相角下實現(xiàn)斷路器的關(guān)合和開斷，要求操作時間限制在規(guī)定的參數(shù)內(nèi).過程層的典型設(shè)備有遠(yuǎn)方I/O(輸入/輸出)、智能傳感器和執(zhí)行器，主要完成開關(guān)量和模擬量的采集以及控制命令的發(fā)送等與一次設(shè)備相關(guān)的功能.

1.2 間隔層

間隔層的主要功能是：匯總本間隔過程層實時數(shù)據(jù)信息；實施對一次設(shè)備保護(hù)控制功能；實施本間隔操作閉鎖功能；實施操作同期及其他控制功能；對數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計運(yùn)算及控制命令的發(fā)出具有優(yōu)先級別的控制；承上啟下的通信功能，即同時高速完成與過程層及變電站層的網(wǎng)絡(luò)通信功能，必要時，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.

1.3 變電站層

變電站層的主要任務(wù)是：通過兩級高速網(wǎng)絡(luò)匯總?cè)镜膶崟r數(shù)據(jù)信息，不斷刷新實時數(shù)據(jù)庫，按時登錄歷史數(shù)據(jù)庫；按既定協(xié)約將有關(guān)數(shù)據(jù)信息送往調(diào)度或控制中心；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；具有在線可編程的全站操作閉鎖控制功能；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、報警等功能以及圖像、聲音等多媒體功能；具有對間隔層、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；具有（或備有）變電站故障自動分析和操作培訓(xùn)功能.

2 技術(shù)特點及應(yīng)用

2.1 數(shù)字化變電站的適應(yīng)性

2.1.1 因數(shù)字化設(shè)備的應(yīng)用，二次設(shè)備現(xiàn)場化帶來的運(yùn)行檢修、安全規(guī)程的適應(yīng)問題，需修改現(xiàn)有的運(yùn)行規(guī)程和安全規(guī)程，如光電互感器的二次的開路、短路問題，安全規(guī)程中需增加不得用眼睛觀察激光孔或激光光纜，以免燒傷眼睛等規(guī)定，在巡視時要特別注意光纖及與二次設(shè)備連接的尾纖應(yīng)可靠連接，尾纖自然彎曲，無折痕，外皮無破損.智能設(shè)備的互操作性、機(jī)電一體化，使得狀態(tài)檢修將更加考驗現(xiàn)有的檢修技能.

2.1.2 主變等套管CT與主變廠家的銜接還不是很好，即使套管CT、間隙PT換為光電互感器，主變溫度油、線溫測量方式也要相應(yīng)改變，非電量接口也將網(wǎng)絡(luò)化.

2.1.3 二次保護(hù)試驗方式方法的改變，不能用常規(guī)試驗臺加入模擬電流電壓，而是采用數(shù)字輸入測量裝置，測量裝置的精度又牽涉到計量水平和相關(guān)法規(guī)，保護(hù)中回路檢查如PT并聯(lián)，事故跳合閘信息，等處理手段上將更依賴網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等等.

2.1.4 在經(jīng)濟(jì)評估上，受材料影響，220KV及以上變電站經(jīng)濟(jì)性較好，110KV及以下變電站經(jīng)濟(jì)性較差，500KV及以上交直流站經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢就非常明顯.

這些都有異與常規(guī)站，還需在運(yùn)行中積累大量的建設(shè)、管理、維護(hù)和運(yùn)行經(jīng)驗.

2.2 設(shè)備特點

2.2.1 光電化的電流電壓互感器：采用羅氏線圈原理實現(xiàn)的光電互感器主要特點有絕緣簡單，體積小、重量輕、CT動態(tài)范圍寬，無飽和現(xiàn)象，無諧振、二次輸出不怕開路，數(shù)字量輸出的特點.一般可分為有源和無源兩種，有源光電互感器即傳感頭部分需要外加“取能”或“送能”電源，利用光纖傳輸數(shù)據(jù)，易于實現(xiàn)高精度、高可靠性的電子電路，難點是電源的遠(yuǎn)端取電技術(shù)和電源的管理，并且有源的物理距離受一定的限制，長時間大功率激光供能對光電設(shè)備壽命影響，易受電磁干擾等問題.無源光電互感器即不需要外加電源的自勵源式互感器，難點是如何減小“喚醒電流”的死角，晶體的雙折射現(xiàn)象，光纖的偏振效應(yīng)，維爾德常數(shù)的溫度效應(yīng)等. 2.2.2合并器：因有可能常規(guī)互感器與光電互感器同時存在、或光電互感器三相交流量的同步，主變不同電壓側(cè)間隔獲得數(shù)據(jù)差動保護(hù)需求、母線不同間隔差動、線路兩側(cè)差動保護(hù)，安穩(wěn)裝置的同步要求，需要點對點的光纖網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收集和分發(fā)，使得合并器的出現(xiàn)就尤為重要.

2.2.3 智能化的一次設(shè)備：智能設(shè)備首先應(yīng)具備數(shù)字化接口，一次設(shè)備被檢測的信號回路和被控制的操作驅(qū)動回路，采用微處理器和光電技術(shù)設(shè)計，變電站二次回路中常規(guī)的繼電器及其邏輯回路被可編程控制器代替，常規(guī)的強(qiáng)電模擬信號和控制電纜被光電數(shù)字和光纖代替.通過過程總線接口給間隔層設(shè)備提供電氣信息，接受間隔層設(shè)備的跳合閘等控制命令；各斷路器的智能終端輸入開關(guān)位置、低氣壓、刀閘位置等狀態(tài)量，輸出跳合閘命令，含操作回路；本體智能終端輸入非電量、中性點刀閘位置、檔位等信號，輸出檔位控制、中性點刀閘控制和風(fēng)扇控制等接點，智能化設(shè)備是機(jī)電一體的進(jìn)一步結(jié)合.

2.2.4 網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備：網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備具有數(shù)字化接口，能滿足電子式互感器和智能開關(guān)的要求，能滿足IEC-61850的要求，目前的問題是基于IEC-61850的間隔層和變電站層的二次設(shè)備和一次設(shè)備之間相互配合的技術(shù)壁壘實際上比常規(guī)站更高，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)功能裝置重復(fù)的I/O現(xiàn)場接口，二次電纜也由大量控制電纜改為少量光纜，通過網(wǎng)絡(luò)真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、資源共享，常規(guī)的功能裝置變成了邏輯的功能模塊.因為網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備的出現(xiàn)，也使得二次保護(hù)、監(jiān)控控制等設(shè)備與一次設(shè)備可以實現(xiàn)就地安裝.

3 數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)存在的問題

數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的研究目前尚處于不完善階段，大部分精力集中在過程層方面，例如智能化開關(guān)設(shè)備，光電互感器、狀態(tài)檢測等技術(shù)與設(shè)備的研究開發(fā).目前存在著許多問題：首先，研究開發(fā)過程中專業(yè)協(xié)作需要加強(qiáng)，比如智能化電器的研究至少存在機(jī)、電、光三個專業(yè)協(xié)同攻關(guān).其次，材料器件方面的缺陷及改進(jìn).并且試驗設(shè)備、測試方法、檢驗標(biāo)準(zhǔn)，特別是電磁干擾與兼容控制與試驗還是薄弱環(huán)節(jié).

4 數(shù)字化變電站的未來發(fā)展

國際上數(shù)字化變電站的研究已從實驗室階段進(jìn)入實際工程應(yīng)用階段，我國已建成了一些數(shù)字化變電站如：09年我國國家電網(wǎng)220千伏陳甫數(shù)字化變電站在天津建成，該站全部采用國內(nèi)自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)字化設(shè)備，代表著目前電力系統(tǒng)自動化和數(shù)字化技術(shù)的最先進(jìn)水平，標(biāo)志著我國在變電站電子互感器、智能開關(guān)、光纖網(wǎng)絡(luò)化等多項數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用研究方面取得重大突破，達(dá)到國際同類先進(jìn)水平.該數(shù)字化變電站采用具有數(shù)字化接口的電子互感器和智能化開關(guān)，和基于網(wǎng)絡(luò)通信對外聯(lián)系的保護(hù)、控制等二次設(shè)備，應(yīng)用光纖網(wǎng)絡(luò)二次回路技術(shù)，基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一通信平臺，將變電站所有信息的采集、傳輸、處理、輸出過程由過去的模擬信息全部轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，并建立與之相適應(yīng)的通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng).又如09年我國第一個500kV數(shù)字化變電站試點工程在南方電網(wǎng)超高壓輸電公司柳州局桂林變電站成功投入運(yùn)行，標(biāo)志著桂林變電站成為我國第一個在過程層、間隔層、變電站層滿足IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的500kV變電站.這些數(shù)字化變電站的建立和使用將推動我國在變電站方面與國際標(biāo)準(zhǔn)的接軌，數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)得到蓬勃發(fā)展的時代已經(jīng)到來.

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