面向智能電網(wǎng)的智能電力設(shè)備技術(shù)與應(yīng)用

■ 廣州中浩控制技術(shù)有限公司 霍海鋒 李軍學(xué) 張 昊

廣東省技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究發(fā)展中心 盧 進(jìn)

引言

隨著人類對低碳生活及高品質(zhì)電能的需求，各國正在大力開展對智能電網(wǎng)的究，并在不同層面開始了實(shí)用化的應(yīng)用。在智能電網(wǎng)中，一次與二次、裝備與電網(wǎng)、裝置與系統(tǒng)將更加融合，復(fù)合技術(shù)應(yīng)用日益廣泛。專業(yè)界限的擴(kuò)展和融合將使得智能電網(wǎng)中智能系統(tǒng)的外延大大拓寬。智能電網(wǎng)的裝備不僅涵蓋傳統(tǒng)二次系統(tǒng)的測控、保護(hù)、安全穩(wěn)定控制等裝置，還將包括傳統(tǒng)一次系統(tǒng)的智能電器、靜止補(bǔ)償裝置、固態(tài)開關(guān)、優(yōu)質(zhì)低價(jià)和高容量的儲(chǔ)能裝置等。

目前，各個(gè)領(lǐng)域的專家從不同角度闡述了智能電網(wǎng)的內(nèi)涵，并且隨著研究和實(shí)踐的深入對其不斷細(xì)化。但總的來說，智能電網(wǎng)利用傳感、嵌入式處理、數(shù)字化通信和IT技術(shù)，將電網(wǎng)信息集成到電力公司的流程和系統(tǒng)，使電網(wǎng)可觀測(能夠監(jiān)測電網(wǎng)所有元件的狀態(tài))、可控制(能夠控制電網(wǎng)所有元件的狀態(tài))和自動(dòng)化(可自適應(yīng)并實(shí)現(xiàn)自愈)，從而打造更加清潔、高效、安全、可靠的電力系統(tǒng)。對配電網(wǎng)進(jìn)行離線與在線的智能化監(jiān)控管理，使配電網(wǎng)始終處于最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)。

1 智能電網(wǎng)與智能電力設(shè)備技術(shù)要求

智能電網(wǎng)具有以下功能特點(diǎn)。

(1)自愈：穩(wěn)定可靠。自愈是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的主要功能。

(2)安全：抵御攻擊。

(3)兼容：發(fā)電資源。

(4)交互：電力用戶。

(5)協(xié)調(diào)：電力市場。

(6)高效：資產(chǎn)優(yōu)化。

(7)優(yōu)質(zhì)：電能質(zhì)量。

(8)集成：信息系統(tǒng)。

實(shí)現(xiàn)以上功能的智能電網(wǎng)涉及到的關(guān)鍵技術(shù)如圖1所示。

在智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)中，其“自愈性”， 即協(xié)調(diào)與自適應(yīng)性，關(guān)系到電網(wǎng)智能化程度的高低。在圖1中，先進(jìn)的控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)“自愈”功能的關(guān)鍵技術(shù)，而控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)就是IED設(shè)備。除了“自愈”功能之外， “安全”、 “交互”、 “協(xié)調(diào)”、“優(yōu)質(zhì)”和“集成”等其它功能的實(shí)現(xiàn)需要配電網(wǎng)具備智能化的“感知”或“動(dòng)作”能力， 因此在配電網(wǎng)的底層必須具有廣泛分布式的“配電網(wǎng)控制節(jié)點(diǎn)”。

綜上所述，面向智能電網(wǎng)的IED設(shè)備是構(gòu)建智能配電網(wǎng)的基礎(chǔ)性環(huán)節(jié)。

智能電力設(shè)備技術(shù)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

(1)可觀測：量測、傳感技術(shù)。

(2)可控制：對觀測狀態(tài)進(jìn)行控制。

(3)嵌入式自主處理技術(shù)。

(4)實(shí)時(shí)分析：從數(shù)據(jù)到信息的提升。

(5)自適應(yīng)。

(6)自愈。

IED設(shè)備利用新興傳感和測量技術(shù)將電網(wǎng)實(shí)時(shí)信息通過各類集成通信(光纖、無線、電力載波寬帶等)與控制技術(shù)、決策支持進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并能準(zhǔn)確執(zhí)行上層信息。

2 設(shè)計(jì)分析及軟硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 關(guān)鍵技術(shù)分析

綜合目前國內(nèi)外研究成果，智能電力設(shè)備宜采用模塊化設(shè)計(jì)，并綜合運(yùn)用了以下關(guān)鍵技術(shù)。

(1)全電量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)。全電量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包括相電流、相(線)電壓、頻率、功率(有功／無功／視在)、功率因數(shù)、電能(有功／無功)等。通過對電流和電壓二次信號(hào)的高速A／D轉(zhuǎn)換，得出正確的一次值，并且能監(jiān)控瞬時(shí)故障電流的發(fā)生?；陔娏麟妷旱南蛄坑?jì)算，得出其它電力參數(shù)。

(2)執(zhí)行設(shè)備控制技術(shù)。執(zhí)行設(shè)備指供電網(wǎng)絡(luò)中的高／中壓開關(guān)裝置，是對供電回路進(jìn)行閉合／分?jǐn)嗟囊淮卧O(shè)備。通過對執(zhí)行設(shè)備的有效控制，達(dá)到供電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的靈活構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)自愈性與自適應(yīng)性的要求。

(3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、交換與信息安全技術(shù)。智能電網(wǎng)對智能電力設(shè)備的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、交換與信息安全提出更高的要求。IED設(shè)備能滿足關(guān)鍵參數(shù)失電保存，重要數(shù)據(jù)及狀態(tài)主動(dòng)快速上報(bào)， 識(shí)別饋線短路故障， 事件SOE，多級(jí)密碼權(quán)限控制等功能要求。

(4)多通信接口技術(shù)。智能電力設(shè)備具備多種現(xiàn)代通信接口，以適應(yīng)不同應(yīng)用場合的需要。最常用的工業(yè)通信接口應(yīng)具備RS-232、RS-485及以太網(wǎng)通信接口；對于采用公網(wǎng)通信的終端設(shè)備，需要根據(jù)用戶要求配置GPRS或CDMA通信模塊；對于采用光纖、載波等通信方式的監(jiān)控系統(tǒng)，可以根據(jù)需要加裝光纖、載波等通信設(shè)備。

2.2 設(shè)備硬件實(shí)現(xiàn)

智能電力裝置采用全不銹鋼機(jī)箱， 模塊化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，分為控制模塊、通信模塊、電源模塊，高度集成于緊湊的機(jī)架內(nèi)。IED 系統(tǒng)組成塊圖如圖2所示。

2.2.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)模塊主要實(shí)現(xiàn)兩大功能：一是開關(guān)控制，通過開關(guān)連接器直接與開關(guān)相連；二是故障電流監(jiān)測與測量，通過采集板采集電流與電壓，并計(jì)算出其它參數(shù)。對執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行控制，必須采集相關(guān)的狀態(tài)信號(hào)，如開關(guān)狀態(tài)、接地刀閘狀態(tài)等，所有DI量具有光電隔離措施。IED設(shè)備接收并執(zhí)行遙控及復(fù)歸指令，具有遠(yuǎn)方和本地閉鎖及控制切換功能；支持開關(guān)就地操作控制，輸入、輸出回路采用嚴(yán)密的防干擾、防誤動(dòng)安全防護(hù)措施，保證在任何情況下模塊都不出現(xiàn)誤動(dòng)；設(shè)備支持在交流失電的情況下，能夠?qū)﹂_關(guān)進(jìn)行3次以上分合操作，具有輸出短路、過熱、過壓等保護(hù)功能；遙控模塊采用三級(jí)遙控模式，即遙控對象預(yù)置、遙控對象返校、遙控執(zhí)行；單模塊、單插件的故障不影響其它模塊的正常運(yùn)行，支持熱插拔，支持在線擴(kuò)充。

電流采集采用測量互感器+連接電纜+電流采集卡的組合形式，以利于設(shè)備安裝與連接。相電流基于RMS電流測量并考慮一定的諧波分量。零序電流則通過穿芯平衡電流互感器進(jìn)行直接測量。電壓采集通過電壓測量模塊接人供電電源來獲取，可測量50Hz或60Hz的單相或三相電壓，它基于基波成分測量。剩余電壓的測量取三相電壓的內(nèi)部和。頻率基于單相測量電壓RMS。功率是基于線電壓U21和U32以及相電流I1和I3得出。采用2個(gè)瓦特計(jì)方式測量三相三線線路的有功和無功功率。有功和無功電能基于基波成分的測量，可分別計(jì)算2個(gè)方向的累積電能， 當(dāng)電源故障時(shí)，保留累積值。

2.2.2 通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)模塊同時(shí)管理“串口類”通信協(xié)議、IP類通信協(xié)議以及多達(dá)3個(gè)通信端口，因此可以在不同的傳輸介質(zhì)上使用不同的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)不同地點(diǎn)的冗余通信形式。通信端口Port1和Port2支持所有的傳輸介質(zhì)。Ethernet Port 3端口通過IP協(xié)議和以太網(wǎng)傳輸介質(zhì)與控制中心進(jìn)行通信，同樣，此端口也可用于參數(shù)配置和就地操作。在通信規(guī)約方面則支持國標(biāo)或電力行業(yè)大多數(shù)主流通信規(guī)約，如IEC 60870—5—101／104 規(guī)約、DNP3、DNP3／IP、M0DBUS、MODBUS／IP、其它專有協(xié)議(PID1，PUR2.2，PUR2.4，EDP，TG800等)， 并具有靈活配置的能力。

2.2.3 電源系統(tǒng)

IED設(shè)備采用高可靠性與可用性的、具有備用供電電源的電源模塊。供電結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。電源系統(tǒng)模塊主要實(shí)現(xiàn)以下功能。

(1)供電電源自監(jiān)測：交流供電電源缺失時(shí)立即或延時(shí)告警，監(jiān)測48V電機(jī)電源、12V DC通信裝置電源、12V IX2內(nèi)部電源故障。

(2)電池智能監(jiān)測與管理： 電池可用性水平監(jiān)測(可調(diào)整溫度補(bǔ)償充電技術(shù))， 電源供電模塊每12小時(shí)檢測電池狀態(tài)。當(dāng)2個(gè)測試點(diǎn)均為負(fù)時(shí)，產(chǎn)生告警并上傳控制中心。備用電池能夠在無主供電電源情況下，帶無線通信傳輸設(shè)備持續(xù)工作16小時(shí)，并在此基礎(chǔ)上能夠執(zhí)行10次分合閘操作。

2.3 軟件實(shí)現(xiàn)方法

軟件實(shí)現(xiàn)方法使用內(nèi)嵌WEB數(shù)據(jù)服務(wù)器以HT—ML格式進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，主要有監(jiān)視畫面：顯示所有的狀態(tài)量和測量值；控制畫面：斷路器開／合命令，預(yù)制命令計(jì)數(shù)；診斷畫面：讀取或存儲(chǔ)數(shù)據(jù)存檔；維護(hù)畫面：站點(diǎn)參數(shù)，軟件版本升級(jí)，配置參數(shù)下載， 網(wǎng)絡(luò)分析；參數(shù)畫面：通信配置，規(guī)約協(xié)議，開關(guān)控制，測量值和檢測參數(shù)。通過軟件可實(shí)現(xiàn)重要狀態(tài)量變位信息快速主動(dòng)上報(bào)及時(shí)間記錄；能夠保存極值記錄及事件記錄SOE等數(shù)據(jù)；識(shí)別饋線發(fā)生的短路故障，以狀態(tài)量變位的方式上報(bào)并有時(shí)間記錄。

3 應(yīng)用效果

目前，該智能電力設(shè)備已大規(guī)模應(yīng)用于南方電網(wǎng)集團(tuán)幾個(gè)試點(diǎn)城市的城網(wǎng)智能化改造，在惡劣的現(xiàn)場環(huán)境下能穩(wěn)定地發(fā)揮功效，大大提高了系統(tǒng)自動(dòng)化和智能化水平。

4 結(jié)束語

當(dāng)前智能電網(wǎng)的研究方興未艾，其涉及領(lǐng)域涵括了先進(jìn)的電力、工業(yè)自動(dòng)化及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，相關(guān)技術(shù)和裝備的應(yīng)用提高了配電用電的安全性和可靠性。該技術(shù)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行對我國逐步推進(jìn)智能電網(wǎng)具有良好的促進(jìn)作用及借鑒意義，并有著廣泛的應(yīng)用前景。