數(shù)字化變電站及在鐵路電力供電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

王向東

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司,北京 100055)

1 數(shù)字化變電站及IEC61850標準

自國際電工委員會(IEC)TC57工作組制定《變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》IEC61850標準以來[1],數(shù)字化變電站及IEC61850標準已成為我國電力部門、相關(guān)科研院所及企業(yè)的研究熱點重點之一[2],自2005年開始國內(nèi)已有不少改建和新建的數(shù)字化變電站陸續(xù)投入運行。

IEC61850標準第1版于2003年發(fā)布,2010年發(fā)布修訂后的第2版。該標準是變電站自動化系統(tǒng)唯一的基于網(wǎng)絡(luò)通信平臺的國際標準,我國已等同轉(zhuǎn)化為國家標準。該標準不僅局限于單純的通信協(xié)議規(guī)約,而是一個變電站自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)通信的標準,能夠?qū)崿F(xiàn)各智能化電子設(shè)備之間的無縫互訪通信和互操作性,實現(xiàn)同一世界,同一技術(shù),同一標準的目標。

2 數(shù)字化變電站的構(gòu)成

基于IEC61850標準構(gòu)建的數(shù)字化變電站在物理結(jié)構(gòu)上具有智能化的一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備及全站統(tǒng)一的數(shù)據(jù)建模及數(shù)據(jù)通信平臺,能夠?qū)崿F(xiàn)智能電子設(shè)備IED (Intelligent Electronic Device)信息的共享互訪和互操作。在邏輯結(jié)構(gòu)上分層分布式控制,分為過程層、間隔層和站控層3個層次,各層次內(nèi)部和層次之間采用高速網(wǎng)絡(luò)通信[3]。圖1為基于IEC61850標準的數(shù)字化變電站系統(tǒng)拓撲圖。

圖1 基于IEC61850標準的數(shù)字化變電站系統(tǒng)拓撲圖

2.1 智能化的一次設(shè)備

智能化的一次設(shè)備以電子式互感器(ECT、EVT)及智能斷路器為代表。

電子式互感器包括電子式電流互感器(ECT)和電子式電壓互感器(EVT),是連接信號傳輸系統(tǒng)和二次轉(zhuǎn)換器的一個或多個電流或電壓傳感器所組成的裝置,將被測量按比例傳送給測量儀器、儀表、保護和控制裝置。裝置輸出的各種電氣參數(shù)可以是模擬量或數(shù)字量。對于模擬量輸出的互感器,二次轉(zhuǎn)換器直接供給二次設(shè)備,對于數(shù)字量輸出的互感器,可用1個合并單元完成,將各種電氣參數(shù)變?yōu)閿?shù)字信號輸出。

智能斷路器是在常規(guī)斷路器本體的基礎(chǔ)上配備智能控制單元,智能控制單元由數(shù)據(jù)采集、智能識別和調(diào)節(jié)控制裝置3個功能模塊構(gòu)成,斷路器二次系統(tǒng)由微電子技術(shù)和光電傳感器建立。斷路器能獨立地執(zhí)行當?shù)毓δ?數(shù)據(jù)采集模塊獨立采集斷路器運行數(shù)據(jù)并傳送到智能識別和調(diào)節(jié)控制裝置模塊,操作由智能控制單元直接處理完成而不依賴于變電站調(diào)度的控制。 智能斷路器的信號回路和被控制的操作驅(qū)動回路都采用微處理器和光電技術(shù)設(shè)計,信號和控制回路結(jié)構(gòu)簡化。數(shù)字公共信號網(wǎng)絡(luò)取代導(dǎo)線連接,常規(guī)的強電模擬信號和控制電纜被光電數(shù)字信號和光纖代替[4]。智能斷路器具有數(shù)字化接口。

采用電子式互感器實現(xiàn)了交流采樣值的數(shù)字化傳輸[5],采用智能斷路器技術(shù)實現(xiàn)了變電站操作命令的數(shù)字化傳輸。

2.2 網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備

變電站中常規(guī)的二次設(shè)備包括繼電保護裝置、測量控制裝置、防誤閉鎖裝置、故障錄波裝置、電壓無功控制、同期操作裝置、遠動裝置以及在線狀態(tài)檢測裝置等全部基于標準化、模塊化的微處理器設(shè)計制造,均具有數(shù)字化接口,二次設(shè)備之間的通信采用公共信號網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)、資源的共享,使常規(guī)的功能裝置變成邏輯功能模塊。

2.3 統(tǒng)一的標準平臺

IEC61850標準對變電站自動化系統(tǒng)中的對象統(tǒng)一建模,定義了標準的通信模型和通信接口交換模型,采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)和獨立于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的抽象通信服務(wù)接口及設(shè)備自我描述規(guī)范,使設(shè)備之間具備互操作性實現(xiàn)無縫連接。在變電站一、二次設(shè)備之間實現(xiàn)全數(shù)字化通信,形成了變電站設(shè)備功能和信息共享的統(tǒng)一標準平臺。

2.4 數(shù)字化變電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)字化變電站在邏輯結(jié)構(gòu)上分層分布式控制,分為過程層、間隔層和站控層3個層次。

過程層設(shè)備包括斷路器智能操作箱(含智能傳感器和執(zhí)行器)、合并單元(含遠方I/O)及智能斷路器及電子式互感器等一次設(shè)備,完成電氣量(開關(guān)量和模擬量)的采集以及控制命令的發(fā)送,進行電氣量采集檢測、運行設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)在線采集檢測與統(tǒng)計、操作控制命令的執(zhí)行等任務(wù)。

間隔層設(shè)備有測保裝置、計量裝置、錄波裝置、歸約轉(zhuǎn)換裝置及其他智能電子設(shè)備IED,主要功能包括收集本間隔過程層的實時數(shù)據(jù)信息,實施對一次設(shè)備保護測量控制功能,實施本間隔操作閉鎖功能,實施操作同期及其他控制功能。

站控層設(shè)備主要包括變電站監(jiān)控系統(tǒng)、防誤閉鎖系統(tǒng)、保護信息管理系統(tǒng)、通訊監(jiān)控系統(tǒng)、電量遠傳系統(tǒng)、安防監(jiān)視系統(tǒng)、遠動系統(tǒng)及火災(zāi)報警系統(tǒng),其功能為收集變電站過程層、間隔層公共信號網(wǎng)絡(luò)的實時數(shù)據(jù)信息,同時不斷刷新實時數(shù)據(jù)庫并登錄歷史數(shù)據(jù)庫,將數(shù)據(jù)信息傳送到調(diào)度控制中心,接收調(diào)度或控制中心控制命令并傳送到間隔層、過程層執(zhí)行。

2.5 數(shù)字化變電站的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及通信

數(shù)字化變電站3個層次過程層、間隔層和站控層之間分別設(shè)有站控層網(wǎng)絡(luò)和間隔層網(wǎng)絡(luò),有9種邏輯接口。站控層網(wǎng)絡(luò)連接站控層設(shè)備和間隔層IED,采用客戶/服務(wù)器模式通信模式,抽象通信服務(wù)接口映射到制造報文規(guī)范MMS(Manufacturing Message Specification)和ISO/IEC 8802.3文件傳輸。間隔層網(wǎng)絡(luò)連接間隔層設(shè)備和過程層智能操作箱及合并單元設(shè)備,采用發(fā)布者/訂閱者模式通信模式,串行單點向多點或點對點面向通用對象變電站事件GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event)報文傳輸[6],傳輸測保裝置所需的采樣值(SV報文)和跳閘、合閘、閉鎖等開關(guān)量(GOOSE報文)。使用SNTP點對點或廣播對時方式。

IEC61850采用100M光纖交換工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù),可采用單網(wǎng)、環(huán)網(wǎng)冗余及星型網(wǎng)及基于IEEE802.3標準的過程總線等多種形式。站控層網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置要充分考慮網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量，合理進行網(wǎng)段分配。

3 數(shù)字化變電站的主要技術(shù)

數(shù)字化變電站的標準是IEC61850,具有智能化的一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備,因此數(shù)字化變電站的主要技術(shù)是IEC61850標準及電子式互感器 (ECT、EVT)、光電互感器和智能斷路器等一、二次設(shè)備。電子式互感器有鐵心線圈或空心線圈的有源電子式互感器和光效應(yīng)的無源電子式互感器2類,基于技術(shù)和成本問題,目前主要使用的是有源電子式互感器。隨著技術(shù)的攻關(guān)及成本的降低,無源電子互感器將會逐步商業(yè)化。

國內(nèi)在智能斷路器的研發(fā)方面落后于國外,國內(nèi)對于110 kV及以上的高電壓等級的智能斷路器研發(fā)目前也取得很大的成果。GIS設(shè)備由于集成度高,智能化技術(shù)相對比較成熟,國內(nèi)已經(jīng)開發(fā)出針對GIS設(shè)備的智能化控制設(shè)備可供選擇[7]。35 kV及10 kV的智能開關(guān)柜也逐步試用。對于35 kV及以下電壓等級的斷路器可采用成套智能開關(guān)設(shè)備,也可采用過渡方案,即常規(guī)開關(guān)柜加裝IEC61850標準的保護、測控一體化裝置和智能操作箱，以實現(xiàn)智能開關(guān)柜的功能。

4 數(shù)字化變電站的優(yōu)點

IEC61850標準是變電站自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)通信的標準,該標準的應(yīng)用使變電站自動化具有以下優(yōu)點：

(1)統(tǒng)一的標準和平臺,避免設(shè)備的重復(fù)使用；

(2)統(tǒng)一的通信協(xié)議,避免規(guī)約轉(zhuǎn)換,使智能設(shè)備之間實現(xiàn)互聯(lián)互操作,提高系統(tǒng)性能,降低系統(tǒng)調(diào)試和維護難度；

(3)采用光纜替代電纜[8],數(shù)字信號避免了電磁干擾,提高測量精度,保證變電站運行可靠,同時減少系統(tǒng)二次電纜工程,縮短二次設(shè)計調(diào)試周期,避免了電纜防火等問題；

(4)光電互感器精度高,光電隔離[9],避免了電流互感器二次開路和電壓互感器二次短路,提高變電站運行安全性；

(5)信息傳輸通道的自檢實行狀態(tài)檢修,運行管理自動化提高了變電站運行的可靠性。

5 鐵路電力供電系統(tǒng)數(shù)字化變電站設(shè)計方案

鐵路電力供電系統(tǒng)一般采用10 kV或35 kV電壓等級,采用微機監(jiān)控綜合自動化系統(tǒng),分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)只有站控層和間隔層,具備遙測、遙信、遙調(diào)、遙控、遙視遠動功能。一次設(shè)備采用傳統(tǒng)互感器及斷路器,通過二次電纜回路與保護裝置實現(xiàn)信息互通。

按照IEC61850標準變電站三層兩網(wǎng)的模式,分別進行過程層、間隔層及站控層設(shè)備進行配置分析。

過程層設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)配置：主要考慮互感器、合并器的配置及斷路器的選擇。對于新建變電站采用模擬量輸出的電子式互感器并配置合并單元,信息進行數(shù)字化處理后通過過程接口與間隔層設(shè)備互通。斷路器采用智能斷路器(含智能操作箱),就地安裝于開關(guān)柜內(nèi)。改建變電站考慮成本問題,采用模擬量輸出的常規(guī)互感器并配置合并單元,信息進行數(shù)字化處理后通過過程接口與間隔層設(shè)備互通。斷路器采用常規(guī)斷路器并配置智能操作箱模式,就地安裝于開關(guān)柜內(nèi)。

間隔層設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)配置：間隔層設(shè)備有測保裝置、計量裝置、錄波裝置、歸約轉(zhuǎn)換裝置及其他智能電子設(shè)備IED,鐵路綜合自動化變電站已具備站控層與間隔層設(shè)備間及其內(nèi)部的數(shù)字化功能,通信協(xié)議需要執(zhí)行IEC61850標準,采用100 M以太網(wǎng)的星型雙口雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)或雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)傳輸測保裝置所需的采樣值(SV報文)和跳閘、合閘、閉鎖等開關(guān)量(GOOSE報文)。

站控層設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)配置：站控層設(shè)備根據(jù)需要配置變電站監(jiān)控系統(tǒng)、防誤閉鎖系統(tǒng)、保護信息管理系統(tǒng)、通訊監(jiān)控系統(tǒng)、電量遠傳系統(tǒng)、安防監(jiān)視系統(tǒng)、遠動系統(tǒng)及火災(zāi)報警系統(tǒng)等。采用100 M以太網(wǎng)的雙星型結(jié)構(gòu),制造報文規(guī)范MMS文件傳輸。對于交、直流屏等部分不支持IEC61850標準的設(shè)備,設(shè)置IEC61850通信管理機。使用SNTP點對點或廣播對時方式。

設(shè)備布置：保護及測控裝置等IED設(shè)備可分散于高壓開關(guān)柜內(nèi),也可集中于控制室內(nèi)組屏。

6 存在問題

(1)網(wǎng)絡(luò)依賴性強,站內(nèi)通信設(shè)備抗干擾性對設(shè)備運行影響增大。

(2)中低壓智能化一次設(shè)備的技術(shù)、國產(chǎn)化質(zhì)量及商業(yè)化步驟有待完善解決、加速和提高。

(3)適合中國國情的35 kV及以下電壓等級的IED要滿足數(shù)字化變電站所要求的網(wǎng)絡(luò)接口能力[10]。

7 結(jié)語

數(shù)字化變電站的建設(shè)已經(jīng)從實驗室研究階段進入實際工程應(yīng)用階段,提高了電力系統(tǒng)運行的安全性、可靠性和自動化水平。對于符合IEC61850標準要求的智能設(shè)備其配套標準的完善及驗證機制也需要不斷完善,鐵路電力供電系統(tǒng)數(shù)字化任重道遠,在不久的將來數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)一定會蓬勃發(fā)展。

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