數(shù)字化變電站的應(yīng)用研究

高飛 劉波 孫健 苗俊玲 史艷強(qiáng)

【摘要】目前電網(wǎng)正向智能電網(wǎng)階段發(fā)展，技術(shù)要求越來(lái)越高，要求實(shí)現(xiàn)更高水平的自動(dòng)化、信息化和互動(dòng)化。傳統(tǒng)變電站已經(jīng)不能滿足電網(wǎng)發(fā)展的需要，唯有通過(guò)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段，即數(shù)字化技術(shù)的充分應(yīng)用才能滿足上述需求。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字化變電站應(yīng)用研究

中圖分類(lèi)號(hào)： TM411+.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：

數(shù)字化變電站目前通常的定義是：變電站內(nèi)一次電氣設(shè)備和二次電子設(shè)備均實(shí)現(xiàn)數(shù)字化通信，并具有全站統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型和通信平臺(tái)，在此平臺(tái)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)智能裝置間的互操作性。它的特點(diǎn)主要是：一次設(shè)備數(shù)字化，二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化，數(shù)據(jù)平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化。一次設(shè)備數(shù)字化主要體現(xiàn)為帶數(shù)字輸出的電子互感器和智能開(kāi)關(guān)；二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化體現(xiàn)在二次設(shè)備對(duì)上和對(duì)下通信均通過(guò)網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化體現(xiàn)為 IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)。

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

1、智能化的一次設(shè)備

一次設(shè)備被檢測(cè)的信號(hào)回路和被控制的操作驅(qū)動(dòng)回路采用微處理器和光電技術(shù)設(shè)計(jì),簡(jiǎn)化了常規(guī)機(jī)電式繼電器及控制回路的結(jié)構(gòu),光纖傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)取代了傳統(tǒng)的導(dǎo)線連接,電腦監(jiān)測(cè)代替了大量光字牌和告警系統(tǒng).換言之,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序代替,常規(guī)的強(qiáng)電模擬信號(hào)和控制電纜被光電數(shù)字和光纖代替。

2、網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備

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(wú)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,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(guò)網(wǎng)絡(luò)真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、資源共享,常規(guī)的功能裝置在這里變成了邏輯的功能模塊。

3、運(yùn)行管理系統(tǒng)自動(dòng)化

現(xiàn)在我國(guó)變電站已基本普及綜自系統(tǒng)，監(jiān)控、保護(hù)、自動(dòng)安全裝置等二次設(shè)備基本采用數(shù)字技術(shù)，在此基礎(chǔ)上采用自動(dòng)故障分析、設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)和程序化控制等系統(tǒng)，進(jìn)一步提高站內(nèi)設(shè)備的互操作性、信號(hào)的光纖傳輸、網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)的信息共享等方面的自動(dòng)化管理水平。減少運(yùn)行維護(hù)的難度和工作量。

二、數(shù)字化變電站功能設(shè)計(jì)與技術(shù)實(shí)現(xiàn)

1、網(wǎng)絡(luò)基本功能結(jié)構(gòu)

IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)將變電站自動(dòng)化系統(tǒng)劃分為站控層、間隔層和過(guò)程層三層，三層之間通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接，規(guī)定網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)采用以太網(wǎng)通信，但對(duì)于其具體組網(wǎng)方案并無(wú)規(guī)定。為了提高網(wǎng)絡(luò)可靠性和便于運(yùn)行維護(hù)，本項(xiàng)目從功能上將數(shù)字化變電站的網(wǎng)絡(luò)分為以下三個(gè)部分并分別獨(dú)立組網(wǎng)：

（1）站控層網(wǎng)絡(luò)，間隔層設(shè)備和站控層設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)內(nèi)容是測(cè)控裝置之間的聯(lián)閉鎖信息和間隔層設(shè)備和站控層設(shè)備之間的通信數(shù)據(jù)，通信協(xié)議采用GOOSE 和 MMS。

（2）過(guò)程層 GOOSE 網(wǎng)絡(luò)（簡(jiǎn)稱(chēng) GOOSE 網(wǎng)絡(luò)），智能控制單元與間隔層設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)內(nèi)容是智能控制單元與間隔層設(shè)備之間以及間隔層設(shè)備之間的開(kāi)入開(kāi)出狀態(tài)信號(hào)，通信協(xié)議采用 GOOSE。

2、電子互感器技術(shù)

電子互感器的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)電磁互感器不同，電磁互感器輸出為連續(xù)的模擬信號(hào)，不存在延時(shí)問(wèn)題，而電子互感器由于中間存在數(shù)字處理環(huán)節(jié)，因此存在采樣延時(shí)這一固有特性。由于采樣延時(shí)的存在，會(huì)使電流數(shù)據(jù)的采樣時(shí)間不準(zhǔn)確，需要通過(guò)時(shí)間補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)消除電子互感器的采樣延時(shí)以計(jì)算出實(shí)際輸電線路上的電流發(fā)生時(shí)刻。

電子互感器的本體感應(yīng)線圈輸出為模擬小電壓信號(hào)，通過(guò)與互感器本體安裝在一起的采集器轉(zhuǎn)換為光纖數(shù)字信號(hào)傳送給合并單元，合并本間隔內(nèi)三相電流電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行同步和合并，再通過(guò)光纖通信將采樣數(shù)據(jù)發(fā)送給間隔層的保護(hù)測(cè)控設(shè)備。因此電子互感器的采樣延時(shí)來(lái)自于采集器、通信傳輸和合并單元三個(gè)環(huán)節(jié)，采樣延時(shí)的補(bǔ)償需要將這三部分的延時(shí)全部消除。

固定延時(shí)補(bǔ)償方法：

圖1 電子互感器采樣延時(shí)固定補(bǔ)償方法

（1）在安裝電子互感器側(cè)的線路光纖縱差保護(hù)裝置里設(shè)置延時(shí)補(bǔ)償定值，該側(cè)保護(hù)裝置減去延時(shí)補(bǔ)償定值可以計(jì)算出實(shí)際輸電線路上的電流發(fā)生時(shí)刻。

（2）檢測(cè)兩側(cè)線路光纖縱差保護(hù)的電流相量（電流互感器以輸入端子指向母線為正）；

（3）在安裝電子互感器側(cè)的線路光纖縱差保護(hù)裝置讀取保護(hù)裝置面板上兩側(cè)電流的角度差，根據(jù)該角度差計(jì)算出延時(shí)補(bǔ)償定值，計(jì)算公式如下：

△t=（180-△angle）/360*20

式中△angle 為兩側(cè)電流角度差（°），△t 為延時(shí)補(bǔ)償定值（ms）。

（4）將該延時(shí)補(bǔ)償定值輸入到安裝電子互感器側(cè)的線路光纖縱差保護(hù)裝置里。

3、智能控制柜技術(shù)

由于智能開(kāi)關(guān)產(chǎn)品不成熟，因此本項(xiàng)目采用傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)加就地智能控制單元的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)的智能化和數(shù)字化（圖 2），智能控制單元安裝在就地的智能控制柜內(nèi)。

圖 2 智能控制柜示意圖

智能控制單元主要完成開(kāi)關(guān)、刀閘的直流狀態(tài)信號(hào)就地采集轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并接收間隔層保護(hù)/控制設(shè)備的數(shù)字信號(hào)命令并轉(zhuǎn)換為繼電器硬接點(diǎn)信號(hào)輸出。

智能控制單元具有 80 路開(kāi)出接點(diǎn)，供保護(hù)和監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)動(dòng)信號(hào)和事件記錄，滿足相應(yīng)控制間隔的一次設(shè)備的分合閘控制要求；具有 80 路開(kāi)入接點(diǎn)，可以采集對(duì)應(yīng)間隔的所有開(kāi)關(guān)量信息。

智能控制單元具有手跳和手合輸入回路，具有氣（液）壓閉鎖輸入回路，跳、合閘的壓力閉鎖接點(diǎn)可投退，合閘位置繼電器不保持?jǐn)嗦菲鞣捞芈贰?/p>

智能控制單元跳合閘分別具有監(jiān)視回路，能設(shè)置所測(cè)量間隔的檢修狀態(tài)，檢修狀態(tài)下可設(shè)置所有自動(dòng)化信息不上送，能設(shè)置所測(cè)量間隔的遠(yuǎn)方/就地狀態(tài)，就地狀態(tài)下不接收遙控指令，但不影響保護(hù)跳閘。

220kV 智能控制單元具有二組三相跳閘（Q、R 端）、兩組分相跳閘及一組分相合閘回路，跳、合閘具有自保持回路。110kV 、35kV 智能控制單元具有一組三相跳閘及一組三相合閘回路。

4、網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備技術(shù)

變電站防誤技術(shù)采用基于規(guī)則組態(tài)的二元三層體系的數(shù)字化變電站分布式防誤技術(shù)，二元是指采用電氣信息和 GOOSE 信息兩種，三層是指站控層、間隔層和過(guò)程層三層。采用電氣信息和 GOOSE 信息，利用分布于各間隔的防誤規(guī)則，在站控層、間隔層和過(guò)程層實(shí)現(xiàn)三層獨(dú)立的整站防誤技術(shù)。

第一層是站控層防誤，由后臺(tái)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)不配置電腦鑰匙，后臺(tái)防誤功能具備五防主機(jī)的操作功能，根據(jù)操作票進(jìn)行模擬操作預(yù)演和防誤判別，并記錄操作過(guò)程，在系統(tǒng)從模擬操作轉(zhuǎn)為實(shí)際操作時(shí)，監(jiān)控主機(jī)嚴(yán)格按照模擬操作的過(guò)程進(jìn)行操作和防誤判別，實(shí)現(xiàn)站控防誤。

三、智能變電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與管理

1、變電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

變電站控制系統(tǒng)采用數(shù)字化以后，節(jié)約了大量的電纜，同時(shí)也大大增加網(wǎng)絡(luò)

通訊量，設(shè)計(jì)了圖3的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以滿足變電站控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性、安全性的要求。

圖 3 通信網(wǎng)絡(luò)方案

圖3反映了一個(gè)間隔內(nèi)的通信網(wǎng)絡(luò)方案。站控層設(shè)備和間隔層的保護(hù)、測(cè)控等裝置之間通過(guò) 100M 以太網(wǎng)交換機(jī)連接構(gòu)成站總線（站控層以太網(wǎng)），通過(guò)雙網(wǎng)冗余配置保證系統(tǒng)及信息的可靠性。

位于過(guò)程層的電子互感器通過(guò)合并單元與保護(hù)、測(cè)控裝置連接，合并單元與保護(hù)、測(cè)控裝置之間采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的 100M 以太網(wǎng)通訊，保證采樣值的實(shí)時(shí)傳送。對(duì)于配置有差動(dòng)保護(hù)的間隔，配備前置處理單元接收不同間隔合并單元的高速采樣數(shù)據(jù)，完成同步功能，再與差動(dòng)保護(hù)連接，實(shí)現(xiàn)差動(dòng)保護(hù)功能。ICU 通過(guò)冗余雙網(wǎng)與保護(hù)/測(cè)控裝置相連。

2、網(wǎng)絡(luò)管理

本站采用的交換機(jī)全部是管理型交換機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)站內(nèi)所有的交換機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)視。站控層網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)視可以直接通過(guò)站控層網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)通過(guò)一個(gè)交換機(jī)管理網(wǎng)關(guān)將過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)的信息“路由”到站控層網(wǎng)絡(luò)，如圖 4 所示：

站控層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的配置通過(guò)專(zhuān)用的工具實(shí)現(xiàn)。過(guò)程層和站控層的交換機(jī)的監(jiān)視通過(guò)后臺(tái)軟件實(shí)現(xiàn)，并且可以通過(guò)遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)到調(diào)度。

結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字化變電站的建成投產(chǎn)為電網(wǎng)數(shù)字化建設(shè)奠定了基礎(chǔ)，在變電站發(fā)展歷程史上具有劃時(shí)代的意義，是一次變電技術(shù)的革命。在電網(wǎng)實(shí)施數(shù)字化變電站，考慮分階段實(shí)施的方案，先運(yùn)用已經(jīng)成熟并具備實(shí)用化條件的技術(shù)，同時(shí)積極研究相應(yīng)的前沿技術(shù)，以此推動(dòng)電網(wǎng)數(shù)字化變電站技術(shù)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉軍生. 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的新發(fā)展[J]. 今日科苑. 2009(20)

[2] 劉明,徐志,曹文斌. 變電站的數(shù)字化趨勢(shì)及其特點(diǎn)[J]. 冶金動(dòng)力. 2008(01)

[3] 許林生. 淺談數(shù)字化變電站自動(dòng)化技術(shù)[J]. 廣東科技. 2008(03)