110 kV數(shù)字化變電站研究與應(yīng)用

徐 文，王振祥

（中國交通建設(shè)股份有限公司，北京 100088）

0 引言

神華集團(tuán)黃驊港2號110 kV變電站位于滄州市渤海新區(qū)，2010年3月開工，2011年1月16日一次性送電成功并投入使用，項目為神華集團(tuán)2010年重點工程，緩解現(xiàn)有110 kV變電站供電能力飽和的狀態(tài)，同時滿足煤碼頭三期工程以及南、北港區(qū)發(fā)展的用電需要，在此基礎(chǔ)上，對整個港區(qū)的供電系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，使布局更加合理，提高供電系統(tǒng)的效率，降低電能損失。

1 概述

常規(guī)綜合自動化變電站的一次設(shè)備采集模擬量，通過電纜將模擬信號傳輸至測控裝置，裝置進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并處理，之后通過網(wǎng)線將數(shù)字量傳到后臺監(jiān)控系統(tǒng)。數(shù)字化變電站是將信息采集、傳輸、處理和輸出過程完全數(shù)字化，并采用IEC61850構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)，保護(hù)、測控、計量、監(jiān)控、遠(yuǎn)動等系統(tǒng)均用同一網(wǎng)絡(luò)接收信息，各個系統(tǒng)實現(xiàn)信息共享。近年來，國內(nèi)各網(wǎng)省公司都進(jìn)行了數(shù)字化變電站試點，并已建成一定數(shù)量的數(shù)字化變電站，應(yīng)用程度和技術(shù)水平各不相同，目前國內(nèi)已有科研項目建立了完整的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，編制了關(guān)鍵設(shè)備檢測、網(wǎng)絡(luò)性能測試，以及變電站建設(shè)運(yùn)行一整套規(guī)范，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，建立數(shù)字化變電站對相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。

黃驊港2號110 kV數(shù)字化變電站利用智能化的一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備使變電站的信息采集、處理、傳輸和輸出過程全部數(shù)字化，變電站采用數(shù)字輸出和光纖傳輸?shù)墓怆娛诫娏骰ジ衅?、電子式電壓互感器，并通過加裝在一次設(shè)備上的智能單元，按IEC61850規(guī)約，實現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)字化的變電站。IEC61850作為電力系統(tǒng)實現(xiàn)無縫通信的規(guī)約，大幅減少現(xiàn)場驗收、運(yùn)行、監(jiān)視、診斷和維護(hù)等工作，解決了變電站自動化系統(tǒng)的互操作性和協(xié)議轉(zhuǎn)換的問題，采用該標(biāo)準(zhǔn)還可以使變電站自動化設(shè)備具有自描述、自診斷和即插即用的特性[1]。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

黃驊港2號110 kV數(shù)字化變電站按IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在邏輯結(jié)構(gòu)上將系統(tǒng)分為過程層、間隔層和變電站層三個層次。

過程層是一次設(shè)備和二次設(shè)備的結(jié)合面，主要由光纖、光纖熔接盒、網(wǎng)線、雙絞線、交換機(jī)、路由器等構(gòu)成，主要功能：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操縱控制的執(zhí)行與驅(qū)動。在執(zhí)行控制命令時具有智能性，能判定命令的真?zhèn)渭捌涔佬?，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。

間隔層主要由各小室的通訊管理機(jī)、綜合保護(hù)裝置、集中測控裝置和通訊管理機(jī)等設(shè)備構(gòu)成，主要功能是進(jìn)行本間隔過程層實時數(shù)據(jù)信息的匯總，然后在和變電站層連起來，將各種實時信息量上傳，具有承上啟下的作用。主設(shè)備端均有獨立設(shè)置的測控裝置負(fù)責(zé)設(shè)備的信息采集、處理，在與網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接將數(shù)據(jù)傳至上層。對于變電站設(shè)備中暫無法實現(xiàn)數(shù)字化設(shè)備的，且可實現(xiàn)但成本高過設(shè)備的，均采用數(shù)字通訊管理機(jī)負(fù)責(zé)信息的采集、處理和上傳，實現(xiàn)數(shù)字化功能。每個測控裝置和通訊管理機(jī)均通過兩根光纖和交換機(jī)連接，通信規(guī)約采用IEC61850，在通過交換機(jī)連接至變電站層后臺處理。

變電站層構(gòu)成主要有前置服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、WEB服務(wù)器、集控工作站、報表工作站、圖形工作站、五防工作站、維護(hù)工作站、兩票服務(wù)器、電能質(zhì)量服務(wù)器、視頻監(jiān)控服務(wù)器、大屏服務(wù)器等組成一個總的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，通過供電集控調(diào)度自動化系統(tǒng)作為終端用來完成整港電力調(diào)度的全部工作，其它輔助系統(tǒng)包括視頻監(jiān)控系統(tǒng)、大屏幕顯示系統(tǒng)和調(diào)度電話系統(tǒng)等。

集控調(diào)度自動化系統(tǒng)由操作系統(tǒng)軟件、支撐軟件和應(yīng)用軟件等組成，軟件遵循有關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)，具有可靠性、兼容性、可移植性和可擴(kuò)性。操作系統(tǒng)軟件采用Unix/Linux/Windows平臺結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)服務(wù)器和數(shù)據(jù)采集通信機(jī)選擇64位小型服務(wù)器，其它服務(wù)器和工作站選擇32位PC服務(wù)器和工作站，各個節(jié)點之間采用100/1 000 M雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)。支撐軟件和應(yīng)用軟件采用模塊式結(jié)構(gòu)，便于修改和維護(hù)。支撐軟件包括網(wǎng)絡(luò)通信管理軟件、數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、圖形報表系統(tǒng)和防病毒軟件等。應(yīng)用軟件系統(tǒng)具有常規(guī)電力監(jiān)控應(yīng)用軟件外，擴(kuò)展并研發(fā)了新功能和新應(yīng)用，主要包括故障預(yù)判與限值告警、手機(jī)短信發(fā)布、視頻聯(lián)動系統(tǒng)、批處理功能、“兩票”管理和電能管理和考核等。

3 應(yīng)用軟件

3.1 故障預(yù)判與限值告警

通常電氣設(shè)備只有在發(fā)生故障時才會報警，如果是關(guān)鍵設(shè)備或關(guān)鍵部件的故障嚴(yán)重時可導(dǎo)致全站停電檢修，給安全生產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。為了加強(qiáng)對全站供電系統(tǒng)停電事故的有效控制，通過對設(shè)備日常運(yùn)行參數(shù)的分析和比對，及時、準(zhǔn)備的預(yù)判可能出現(xiàn)的故障點，及時、準(zhǔn)確、高效地采取有效措施，以防事故發(fā)生。

當(dāng)系統(tǒng)中電容器溫度、GIS壓力、密度、不平衡電流、母線電壓、主變負(fù)荷、線路負(fù)荷等量測異常時，除了相關(guān)保護(hù)告警外，這些值如果超過額定上下限值則會越限告警?；诠收项A(yù)判斷的需要，系統(tǒng)提供這些量測的集中列表監(jiān)視界面、趨勢變化曲線監(jiān)視及三級以上限值等級監(jiān)視，即預(yù)告警上下限、額定上下限和上上限下下限。第一個限值是指還沒到額定的上下限，做為故障預(yù)判斷的手段。

系統(tǒng)采用兩種算法對限值進(jìn)行判斷，簡單算法：一有越限，馬上就進(jìn)行告警。延時算法：當(dāng)有越限發(fā)生時，持續(xù)時間沒有超過“延遲時間”，則不告警，只有持續(xù)“延遲時間”后仍然越限，才進(jìn)行告警。這里“延遲時間”用戶可以定義。

3.2 手機(jī)短信發(fā)布

通常在電網(wǎng)發(fā)生事故時，需相關(guān)人員相互配合，及時協(xié)調(diào)處理事故，將事故影響降至最低，這就要求所有相關(guān)人員應(yīng)在第一時間掌握事故情況，為事故處理爭取時間，基于此需求我們開發(fā)了手機(jī)短信平臺應(yīng)用軟件。

目前手機(jī)短信已經(jīng)在信息點播中得到廣泛的應(yīng)用，調(diào)度系統(tǒng)支持在調(diào)度機(jī)房配置一臺手機(jī)裝置，經(jīng)過授權(quán)的客戶可以點播諸如電度、YC、總加等實時數(shù)據(jù)，可以在電網(wǎng)發(fā)生事故時在第一時間內(nèi)把信息發(fā)送到需要的負(fù)責(zé)人的手機(jī)上。

在所轄電網(wǎng)安全監(jiān)視的同時，可對特定的電網(wǎng)事故和故障建立相應(yīng)的電話信息、語音查詢，撥通特定手機(jī)或相關(guān)電話，以手機(jī)短信息、語音方式通知電網(wǎng)發(fā)生的事故或故障類型。系統(tǒng)具有方便、快捷報警信息定義界面，支持告警特性及多種信息組合的綜合信息定義。

短信模塊程序也可將告警窗中的告警（告警類型可選），通過裝置以手機(jī)短消息的方式發(fā)送給指定的手機(jī)，發(fā)送對象可以是一個手機(jī)也可以是多個手機(jī)。智能短信平臺可以按區(qū)域、職能和權(quán)限來發(fā)送短信。

多條短信可以同時發(fā)送，發(fā)送間隔最短為1 s。裝置聯(lián)入系統(tǒng)可以通過串口接到任意一臺工作站上，或者通過網(wǎng)線接到SCADA內(nèi)網(wǎng)的交換機(jī)上。

3.3 視頻聯(lián)動系統(tǒng)

目前電力自動化系統(tǒng)已實現(xiàn)了遙視功能，此功能只具備設(shè)備間及重點區(qū)域的視頻監(jiān)控，系統(tǒng)相對獨立，應(yīng)用較為單一。為更大的發(fā)揮其功能和擴(kuò)展與設(shè)備關(guān)聯(lián)的應(yīng)用，經(jīng)過多方論證與實驗，最終實現(xiàn)了在設(shè)備報警時，此設(shè)備間的攝像機(jī)及時轉(zhuǎn)動、拍攝報警設(shè)備，并將拍攝到的實時畫面?zhèn)魉椭烈曨l監(jiān)控系統(tǒng)與大屏幕投影系統(tǒng)供值班人員識別和處理，提高變電站運(yùn)行和維護(hù)的及時性與安全性。

系統(tǒng)前置服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)通訊與視頻系統(tǒng)的主服務(wù)器連接，按照預(yù)先制定的通訊協(xié)議進(jìn)行通訊，當(dāng)系統(tǒng)需要聯(lián)動時，將需要聯(lián)動的攝像機(jī)的廠站號、通道號、預(yù)制位、是否需要錄像、是否需要抓圖等信息通過通訊協(xié)議傳遞給視頻監(jiān)控系統(tǒng)，由視頻監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)和攝像機(jī)通訊，將攝像機(jī)根據(jù)預(yù)制位轉(zhuǎn)到相應(yīng)位置，并在視頻系統(tǒng)和大屏幕系統(tǒng)上顯示該攝像機(jī)的實時監(jiān)控畫面。

具體實現(xiàn)方法：首先服務(wù)端主程序啟動，同時啟動聯(lián)動程序，服務(wù)端建立客戶端client連接[IP、端口信息從數(shù)據(jù)庫中讀取]；聯(lián)動程序啟動后，建立一個Server Socket連接，啟動偵聽[端口55558]；聯(lián)動程序通過判斷綜自裝置發(fā)送過來的事故YX信息，通過邏輯判斷位與位的比較，一旦發(fā)現(xiàn)某個事故YX變位[無論分合與否]，將此變位事故YX信息發(fā)送給視頻服務(wù)端，而后服務(wù)端根據(jù)此事故YX信息向硬盤錄像機(jī)發(fā)送指定的預(yù)置位命令，同時通知視頻客戶端自動切換到相應(yīng)畫面。

圖1 系統(tǒng)鏈接圖

3.4 批處理功能

為提高工作效率和探索管理新模式，專門針對110 kV站級管理開發(fā)了批處理應(yīng)用軟件，即事先按照一定的操作流程及處理結(jié)果，有規(guī)律的事先編寫某一電氣操作的具體步驟，這樣既明確了某一個具體的開關(guān)量，又明確了該開關(guān)量的目的操作狀態(tài)，同時將各類開關(guān)量按照固定的操作順序排列組合，以形成完整的某一策略，需要操作時可直接調(diào)出策略執(zhí)行即可，該功能極大地減輕了操作人員的工作量，并減少了誤操作概率。

圖2 批處理策略選擇與執(zhí)行

3.5 “兩票”（操作票、工作票）管理系統(tǒng)

“兩票”制度是電力系統(tǒng)保證安全工作的重要組織措施。目前許多企業(yè)對工作票還是采用人工管理的模式，即手工開票、人工傳票逐級簽發(fā)、許可、執(zhí)行、變更、延期、歸檔等流轉(zhuǎn)步驟。人工管理工作票的模式存在許多弊端，如書寫的字跡潦草不清、容易出錯重寫、工作票審核周期長、數(shù)據(jù)難以共享、大量紙質(zhì)工作票的保存困難、統(tǒng)計分析工作繁雜、需要大量的人力資源等，對工作票實行電子化管理成為一種必然趨勢。

“兩票”系統(tǒng)采用最方便用戶的B/S（瀏覽器/服務(wù)器）架構(gòu)，基于Internet/Intranet運(yùn)行，可實現(xiàn)各種工作票（如發(fā)電和變電的第一、二、三種工作票，電力線路的第一、二種工作票等）在互聯(lián)網(wǎng)上的開票、簽發(fā)、接收、許可、執(zhí)行、終結(jié)等流轉(zhuǎn)工作，可存儲海量工作票，同時方便對其進(jìn)行查詢和統(tǒng)計分析。用戶可自定義工作票格式、審批流程及流程審批權(quán)限，采用電氣接線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治觯С侄喾N開票方式（手工開票、圖形開票、調(diào)用歷史票、調(diào)用典型票），使工作票的安全措施具有準(zhǔn)確性、嚴(yán)謹(jǐn)性和規(guī)范性。

操作票以計算機(jī)管理系統(tǒng)的監(jiān)控中心層為主，通過監(jiān)控中心層集中管理，能夠進(jìn)行微機(jī)防誤操作并在模擬操作過程中能夠?qū)崿F(xiàn)自動生成操作票，模擬操作人即操作票的填寫人可以通過管理系統(tǒng)提交到審核人處，審核人審核完畢后自動返回填寫人處。操作票管理模塊嚴(yán)格而靈活，它繼承了傳統(tǒng)的操作票格式，生成的操作票字體整齊、票面美觀，有專用的報表系統(tǒng)對生成的操作票進(jìn)行管理。除能夠?qū)ι傻牟僮髌边M(jìn)行顯示、查詢、存取、分類、編號及自動打印，還可根據(jù)操作票的執(zhí)行情況做新票、歷史票、已執(zhí)行、作廢、部分已執(zhí)行等標(biāo)志，具有操作票的歷史記錄和查詢統(tǒng)計，附合運(yùn)行值班部分的日常管理規(guī)定。開票時，用戶在圖形界面下選擇操作對象后，系統(tǒng)自動分析并顯示所選設(shè)備當(dāng)前的工作狀態(tài)（運(yùn)行、備應(yīng)用、檢修等）方便用戶根據(jù)設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)選擇相應(yīng)的操作任務(wù)。操作票生成后，自動進(jìn)入票編輯界面，在此界面下，用戶可仔細(xì)檢查票的正確性，對多余項、缺項、項順序錯誤及字詞不準(zhǔn)確等情況，均可在此界面下很方便地調(diào)整，一般只需鼠標(biāo)控制，毋需鍵盤操作?？梢灾悄苌梢韵骂愋偷牟僮髌保壕€路操作、母線操作、變壓器操作、PT操作、開關(guān)操作、電容器操作、電抗器操作。

3.6 電能管理和考核

隨著用電負(fù)荷增大，設(shè)備種類繁多，電能計量點不斷增加，原來的作業(yè)班組生產(chǎn)效率統(tǒng)計方法非常繁瑣且容易出錯，對原有電能管理和考核系統(tǒng)進(jìn)行了功能擴(kuò)展和數(shù)據(jù)擴(kuò)充，該系統(tǒng)充分考慮數(shù)據(jù)采集的實時性、精確性和效率，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集分析的自動化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化，并提供考核評價、查詢輸出等功能，系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定、安全可靠、操作簡易靈活、界面友好等特點。軟件通過獲得全港供配電所中各計量裝置的電能數(shù)據(jù)實現(xiàn)負(fù)荷監(jiān)控、單機(jī)電能的分布統(tǒng)計、班組噸煤耗電考核、表計運(yùn)行狀況監(jiān)測等多種功能。加強(qiáng)公司的用電管理，促進(jìn)電能合理利用而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。電能分析考核的重點是實現(xiàn)電能量數(shù)據(jù)的自動采集，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行多層次的數(shù)據(jù)計算、統(tǒng)計和分析，實現(xiàn)作業(yè)班組考核和企業(yè)的智能化、網(wǎng)絡(luò)化電能利用評估，系統(tǒng)分為系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)錄入、計算分析、綜合查詢、系統(tǒng)診斷五大功能模塊[2]。

系統(tǒng)管理：完成監(jiān)測終端、監(jiān)測點的信息維護(hù)和管理，采集方案的定制與維護(hù)，實現(xiàn)對子站設(shè)備的遠(yuǎn)程維護(hù)，最大可能實現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定，以減少人工物力支出。

數(shù)據(jù)錄入：對于系統(tǒng)計算分析所需而系統(tǒng)無法獲取或系統(tǒng)可獲取但需要人工調(diào)整的數(shù)據(jù)，需用戶錄入，數(shù)據(jù)主要有班組作業(yè)量、人工追加各種電能、班組對應(yīng)的設(shè)備故障、停電記錄、設(shè)備檢修計劃和設(shè)備檢修停電事件等。

計算分析：系統(tǒng)針對線路按不同時段對各項電能質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)趨勢分析或頻譜分析。

綜合查詢：報表可打印，并能方便地導(dǎo)入到EXCEL電子文檔中，用戶選擇一個以上監(jiān)測點，以電能質(zhì)量各項作為評估依據(jù)，判斷各項指標(biāo)的合格率是否達(dá)標(biāo)。

系統(tǒng)診斷：當(dāng)線路發(fā)生暫態(tài)事件時，監(jiān)測終端對監(jiān)測點進(jìn)行錄波，系統(tǒng)提供圖形分析，ITIC曲線分析，SARFI指標(biāo)分析等分析手段。當(dāng)線路發(fā)生穩(wěn)態(tài)事件時，系統(tǒng)提供多種事件查詢分析方法。

4 效益分析

4.1 社會效益

數(shù)字化變電站可減少設(shè)備的退出次數(shù)和退出時間，提高設(shè)備的使用效率，提高保護(hù)、測量和計量系統(tǒng)的精度，方便變電站的擴(kuò)建及系統(tǒng)的擴(kuò)充。

數(shù)字化變電站的安全性和可靠性對保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和實現(xiàn)減員增效具有重要的社會效益。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

設(shè)備維護(hù)安全可靠。光電電壓互感器不存在二次短路，光電電流互感器不存在二次開路，避免因此而造成的人身傷亡事故和設(shè)備損壞而造成的經(jīng)濟(jì)損失。

運(yùn)營維護(hù)工作量減小。數(shù)字化變電站除電源回路外無電源二次接線，只有相應(yīng)的二次邏輯回路，較一般綜合自動化變電站更為簡單，光纜的維護(hù)量較之電纜的維護(hù)量大幅較少，且光纜數(shù)字回路具有完善的自檢功能，維護(hù)更為方便。

5 結(jié)語

黃驊港2號110 kV變電站于2011年1月16日投入使用，運(yùn)行正常，投運(yùn)后大大減少了人工維護(hù)登記、人工抄表、故障查找與處理、報表統(tǒng)計等大量工作。系統(tǒng)自動生成的各種計算報表，對于掌握港口整體用電、系統(tǒng)運(yùn)行變化、煤耗電量考核提供真實有效的數(shù)據(jù)，為制定企業(yè)能源規(guī)劃和港口科學(xué)發(fā)展提供了可靠依據(jù)。