風(fēng)電場(chǎng)升壓變電站智能化技術(shù)方案與應(yīng)用

田 艷，任 強(qiáng)，盛和樂(lè)

(1.北京國(guó)電華信誠(chéng)電力技術(shù)咨詢有限公司，北京 100029；2.華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司，北京 100120)

1 概述

隨著國(guó)家電網(wǎng)公司積極推進(jìn)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)的步伐，很多智能化的城市變電站都率先建設(shè)并投入使用，但在風(fēng)力發(fā)電中應(yīng)用還是很少的。

近幾年，作為清潔能源的風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中所占比重也越來(lái)越大，深入研究風(fēng)電場(chǎng)相關(guān)技術(shù)，包括智能化升壓站的監(jiān)控系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)、電網(wǎng)接納能力及對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定影響研究等關(guān)鍵技術(shù)已刻不容緩，這些技術(shù)的研究及應(yīng)用將為風(fēng)電的有效并網(wǎng)和高效利用提供有效保證。220kV密馬鬃梁變電站作為渾源地區(qū)風(fēng)力發(fā)電的匯集站，匯集了寒風(fēng)嶺風(fēng)電場(chǎng)和澤清嶺風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電容量，以總?cè)萘?50MW送出至220kV渾源變電站，考慮寒風(fēng)嶺風(fēng)電場(chǎng)和220kV渾源變電站按智能化建設(shè)，為了實(shí)現(xiàn)與相鄰風(fēng)電場(chǎng)、變電站及電網(wǎng)調(diào)度中心的互動(dòng)， 220kV密馬鬃梁變電站也按智能化建設(shè)，本文對(duì)變電站智能化技術(shù)在風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了有益的探索。

220kV密馬鬃梁變電站建成并已投入使用，站內(nèi)設(shè)1臺(tái)容量為100MVA的升壓變壓器，220kV采用單母線接線，1回進(jìn)線，3回出線；35kV采用單母線接線。全站按照無(wú)人值班站設(shè)計(jì)，采用常規(guī)一次設(shè)備，配置了網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備(保護(hù)、測(cè)控、故障錄波、合并單元、智能單元等)，按IEC61850-9-2 LE標(biāo)準(zhǔn)分層構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)了程序化控制，研究了數(shù)字化采樣光纖差動(dòng)保護(hù)裝置與常規(guī)采樣保護(hù)裝置間采樣數(shù)據(jù)同步的問(wèn)題。

2 風(fēng)電場(chǎng)智能化技術(shù)方案

與傳統(tǒng)變電站相比，220kV密馬鬃梁變電站是基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，智能化的二次設(shè)備實(shí)現(xiàn)了過(guò)程層通信。本站保護(hù)的采樣和跳閘采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳送，雙重化配置的保護(hù)、測(cè)控等裝置使用的GOOSE網(wǎng)和SV網(wǎng)絡(luò)遵循相互獨(dú)立的原則，不跨接雙重化的兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

2.1 IEC61850 工程化配置

在基于IEC61850通信體系的變電站中，裝置功能、裝置間的通信、裝置與監(jiān)控后臺(tái)或遠(yuǎn)動(dòng)裝置的通信，均嚴(yán)格依賴于智能電子設(shè)備(IED)模型的工程化配置。本期投運(yùn)的測(cè)控和保護(hù)裝置來(lái)自國(guó)內(nèi)多個(gè)自動(dòng)化廠家，需要統(tǒng)一的配置工具對(duì)這些裝置進(jìn)行集成。

220kV密馬鬃梁變電站各二次設(shè)備廠家提供的IED功能描述文件由專用組態(tài)軟件統(tǒng)一集成，組態(tài)完成的變電站配置文件提供給監(jiān)控后臺(tái)、遠(yuǎn)動(dòng)裝置和220kV保護(hù)子站，將配置過(guò)的IED描述文件提供給各二次廠家下載到各自設(shè)備。測(cè)控和保護(hù)裝置模型嚴(yán)格遵循IEC61850工程應(yīng)用模型配置規(guī)范。

2.2 組網(wǎng)方式

220kV密馬鬃梁變電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)按功能可分為站控層和間隔層。

站控層布置2臺(tái)主計(jì)算機(jī)、2臺(tái)遠(yuǎn)動(dòng)裝置、1臺(tái)公用信息管理機(jī)和2臺(tái)報(bào)文規(guī)范(MMS)網(wǎng)交換機(jī)。主計(jì)算機(jī)對(duì)變電站一次設(shè)備和二次設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視、記錄及控制；站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)2臺(tái)遠(yuǎn)動(dòng)裝置與華北網(wǎng)調(diào)、山西省調(diào)、大同地調(diào)通信，并實(shí)現(xiàn)程序化控制功能；公用信息管理機(jī)作為站內(nèi)智能設(shè)備接入的智能轉(zhuǎn)換終端，與站內(nèi)直流系統(tǒng)、不間斷電源(UPS)等輔助系統(tǒng)通信后接入MMS網(wǎng)。

間隔層設(shè)備將采集和處理后的信息經(jīng)MMS網(wǎng)傳輸?shù)秸究貙?，間隔層網(wǎng)絡(luò)采用IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)控裝置組成雙光纖網(wǎng)后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)接入MMS網(wǎng)，具有測(cè)量、防誤、同期檢測(cè)等功能。

2.3 智能化設(shè)備

密馬鬃梁變電站220kV配電裝置均采用常規(guī)化的一次設(shè)備(即常規(guī)斷路器、常規(guī)互感器)，智能系統(tǒng)按功能可分為站控層、間隔層和過(guò)程層，見(jiàn)圖1。

圖1 變電站智能網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

間隔層數(shù)字化測(cè)控裝置模擬量分別從斷路器的合并單元中采集電流、電壓信號(hào)，同時(shí)計(jì)算線路有功和無(wú)功功率。至渾源220kV變電站側(cè)為數(shù)字化接口光纖差動(dòng)保護(hù)，直接采集合并單元的數(shù)字量。數(shù)字化測(cè)控裝置、保護(hù)裝置的常規(guī)交流采樣部分取消，測(cè)控裝置、保護(hù)裝置采用獨(dú)立網(wǎng)口分別接入MMS網(wǎng)和過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)。

過(guò)程層采用常規(guī)電流互感器、常規(guī)電壓互感器以及就地智能化一次設(shè)備(常規(guī)開(kāi)關(guān)設(shè)備配置智能單元實(shí)現(xiàn)智能化)。常規(guī)互感器加裝采集單元實(shí)現(xiàn)采樣值的數(shù)字化，通過(guò)配置現(xiàn)場(chǎng)采集單元將互感器輸出的模擬量采集處理后輸出，并通過(guò)光纖接入合并單元，合并單元接入過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)。

按照IEC61850-9-2 LE標(biāo)準(zhǔn)的要求，智能化變電站需配置時(shí)鐘同步系統(tǒng)，以滿足數(shù)據(jù)采集同步的要求。本站采用B碼對(duì)時(shí)系統(tǒng)對(duì)變電站智能設(shè)備進(jìn)行時(shí)間同步，通過(guò)實(shí)現(xiàn)B碼對(duì)時(shí)，全變電站采用冗余的GPS/北斗系統(tǒng)，該GPS/北斗系統(tǒng)通過(guò)光纖給每個(gè)裝置下發(fā)B碼對(duì)時(shí)信號(hào)，做到全站各智能設(shè)備的時(shí)間統(tǒng)一。

3 智能化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

密馬鬃梁變電站在采用IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了一系列智能化技術(shù)，如智能化一次設(shè)備(智能終端)、網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備的應(yīng)用和程序化控制等。

3.1 智能終端的應(yīng)用

智能終端是過(guò)程層的另一重要設(shè)備，邏輯上是一種智能組建，他與一次設(shè)備采用電纜連接，與保護(hù)、測(cè)控等二次設(shè)備基于GOOSE機(jī)制采用光纖連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)一次設(shè)備(如：斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、主變壓器)的測(cè)量、控制等功能。智能終端適用于安裝在戶內(nèi)柜或戶外柜等封閉空間內(nèi)。

密馬鬃梁變電站智能終端安裝于室外柜內(nèi)，放置于一次設(shè)備(斷路器、隔離開(kāi)關(guān)或地刀等)旁，所有直流量開(kāi)關(guān)輸入(斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、地刀位置以及其他信號(hào))在戶外智能終端柜就地完成采集，轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后通過(guò)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約從網(wǎng)絡(luò)傳輸；所有的開(kāi)關(guān)量控制以及控制的閉鎖也由網(wǎng)絡(luò)通信(GOOSE報(bào)文)完成，在智能終端轉(zhuǎn)換為硬接點(diǎn)輸出，最后通過(guò)二次電纜連接斷路器、隔離開(kāi)關(guān)或地刀等實(shí)現(xiàn)分合控制。

3.2 基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一建模

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)采用面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù)，對(duì)一次設(shè)備、二次設(shè)備統(tǒng)一建模，為變電站定義了統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的信息模型及信息交換模型，以實(shí)現(xiàn)變電站信息共享及設(shè)備間的互操作。

密馬鬃梁變電站采用了不同的IEC61850標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備間互操作。例如：間隔層設(shè)備創(chuàng)建不少于8個(gè)報(bào)告實(shí)例實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控后臺(tái)、遠(yuǎn)動(dòng)裝置及保護(hù)子站的連接；通過(guò)數(shù)據(jù)采集模型、報(bào)告控制塊模型、定值組控制塊模型實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的信息交換；通過(guò)SBOw(帶值選擇)控制模型實(shí)現(xiàn)控制操作；通過(guò)GOOSE實(shí)現(xiàn)間隔層閉鎖等。同時(shí)在工程化配置時(shí)進(jìn)行了具體規(guī)定，例如：統(tǒng)一各保護(hù)裝置、測(cè)控裝置數(shù)據(jù)集名稱和中文描述。

基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一建模和通信能使變電站運(yùn)行人員得到更多的共享信息，使得系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)變得方便。

3.3 220kV線路數(shù)字化保護(hù)裝置的應(yīng)用

密馬鬃梁變電站與其接入側(cè)渾源變電站均為智能化變電站，因此線路光纖差動(dòng)保護(hù)裝置無(wú)需考慮采樣數(shù)據(jù)的同步問(wèn)題。

密馬鬃梁變電站220kV線路保護(hù)裝置按雙重化獨(dú)立配置，即配置了兩套不同原理、不同廠家的快速主保護(hù)。這兩套獨(dú)立的快速主保護(hù)裝置應(yīng)安裝在獨(dú)立的柜上，分別接用兩組獨(dú)立的直流蓄電池組、兩組獨(dú)立的CT次級(jí)繞組、兩組獨(dú)立的CVT次級(jí)繞組，保護(hù)裝置的交流采樣直接取自相應(yīng)間隔的合并單元，其跳閘命令直接接入相應(yīng)間隔的智能終端。

3.4 常規(guī)電流互感器直采直跳方案

《智能變電站技術(shù)導(dǎo)則》明確規(guī)定：保護(hù)應(yīng)“直采直跳”。密馬鬃梁變電站采用常規(guī)互感器加裝采集單元實(shí)現(xiàn)采樣值的數(shù)字化，過(guò)程層采樣值和繼電保護(hù)相關(guān)GOOSE信息采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸即直采直跳，其他非繼電保護(hù)(如錄波系統(tǒng))的GOOSE信息、采樣值傳輸采用網(wǎng)絡(luò)模式，其中繼電保護(hù)相關(guān)的采樣值報(bào)文通信采用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，報(bào)文通信基于GOOSE協(xié)議。此外，非繼電保護(hù)的過(guò)程層采樣值傳輸網(wǎng)絡(luò)和GOOSE網(wǎng)絡(luò)完全獨(dú)立配置，且按電壓等級(jí)分別組網(wǎng)。以本站220kV線路保護(hù)及變壓器保護(hù)為例，系統(tǒng)接線圖如圖2所示：

圖2 直采直跳配置方案

本站均按雙重化配置保護(hù)裝置，每套保護(hù)包含完整的主、后備保護(hù)功能，對(duì)時(shí)采用IRIG-B碼方式，保護(hù)功能要求與常規(guī)變電站相同。特別強(qiáng)調(diào)的是，變壓器各側(cè)(含低壓側(cè))及公共繞組的MU均按雙重化配置，中性點(diǎn)電流、間隙電流并入相應(yīng)側(cè)MU；變壓器保護(hù)跳母聯(lián)、分段斷路器及閉鎖備自投、啟動(dòng)失靈等可采用GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸。變壓器非電量保護(hù)采用就地直接電纜跳閘，信息通過(guò)本體智能終端上送過(guò)程層GOOSE網(wǎng)。

3.5 GOOSE組網(wǎng)模式的應(yīng)用

GOOSE替代了傳統(tǒng)硬接線的通信方式，為邏輯節(jié)點(diǎn)間通信提供了快速高效的方案。GOOSE報(bào)文不僅可傳輸狀態(tài)信息、模擬量信息，還可傳輸時(shí)間同步信息，在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化連接的同時(shí)極大地節(jié)省了二次電纜的敷設(shè)，降低了變電站建設(shè)和維護(hù)的成本。

智能變電站中GOOSE服務(wù)主要用于一次設(shè)備、智能單元等與間隔層保護(hù)測(cè)控裝置之間的信息傳輸，包括傳輸跳合閘信號(hào)或命令，不同類型的GOOSE報(bào)文(保護(hù)跳閘命令傳送、開(kāi)關(guān)位置信號(hào)、一次設(shè)備狀態(tài)信號(hào)等)優(yōu)先級(jí)不同。

GOOSE的一個(gè)典型應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)防誤閉鎖功能。密馬鬃梁變電站站控層、間隔層均具有防誤閉鎖功能，間隔層測(cè)控裝置通過(guò)GOOSE報(bào)文實(shí)時(shí)獲取并判別隔離開(kāi)關(guān)位置狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)全站防誤閉鎖。通過(guò)專用組態(tài)軟件，可以完成全站防誤邏輯的組態(tài)。

3.6 程序化控制

程序化控制是指通過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定的程序?qū)ψ冸娬驹O(shè)備進(jìn)行系列化操作。進(jìn)行程序化控制時(shí)，調(diào)度中心或變電站內(nèi)發(fā)出的操作命令是批命令，由監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)遙測(cè)、遙信的變化判斷每一步操作是否完成，只有確認(rèn)該操作完成才進(jìn)行下一步操作，否則立即停止程序化控制，并給出告警提示。

程序化控制的流程如下：①在監(jiān)控后臺(tái)生成全部典型操作票，并導(dǎo)入遠(yuǎn)動(dòng)裝置中；②在監(jiān)控后臺(tái)進(jìn)行程序化控制時(shí)，如開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化，遠(yuǎn)動(dòng)裝置可根據(jù)開(kāi)關(guān)狀態(tài)變化的遙信量查找到相應(yīng)操作票，將本操作票傳送到監(jiān)控后臺(tái)進(jìn)行核對(duì)，核對(duì)正確后監(jiān)控后臺(tái)向遠(yuǎn)動(dòng)裝置下發(fā)控制命令；③當(dāng)有事故發(fā)生，或者操作票中某控制對(duì)象防誤閉鎖時(shí)，遠(yuǎn)動(dòng)裝置會(huì)立即中斷程序化控制并提示中斷原因。執(zhí)行過(guò)程流程圖如圖3所示：

3.7 自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制

監(jiān)控后臺(tái)檢查相關(guān)測(cè)量值和設(shè)備的狀態(tài)，根據(jù)自動(dòng)電壓無(wú)功控制(AVC)可以自動(dòng)發(fā)出投入或切除電容器、電抗器的指令，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電壓和功率因素的自動(dòng)調(diào)節(jié)。AVC的邏輯功能包括閉鎖邏輯、控制策略、提示信息輸出功能、整定及統(tǒng)計(jì)功能等。

自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制功能啟動(dòng)或停止，均可以產(chǎn)生操作報(bào)告并可打印輸出。

4 結(jié)語(yǔ)

智能化變電站一次設(shè)備和二次設(shè)備的智能化簡(jiǎn)化了二次接線設(shè)計(jì)和變電站繼電保護(hù)的配置，密馬鬃梁變電站采用常規(guī)互感器，使得采集單元獨(dú)立配置，方便于后期工程中將常規(guī)互感器改造為電子式互感器。且保護(hù)的“直采直跳”避開(kāi)了交換機(jī)環(huán)節(jié)及對(duì)同步對(duì)時(shí)信號(hào)的依賴，實(shí)現(xiàn)了智能變電站的信息數(shù)字化傳輸和功能的集成化，但造成保護(hù)及合并單元所需網(wǎng)口較多，發(fā)熱量較大，所使用光纜和交換機(jī)的數(shù)量較多。

隨著網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議應(yīng)用研究的不斷深入，保護(hù)的“直采直跳”以及SV網(wǎng)和GOOSE網(wǎng)的分網(wǎng)運(yùn)行必將被“三網(wǎng)合一”的發(fā)展趨勢(shì)所取代，而過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)架方案也將日趨完善和穩(wěn)定。

[1]Q/GDW383-2009，智能變電站技術(shù)導(dǎo)則.2009.

[2]IEC61850 Communication networks and systems in substation[S].2003.

[3]賈巍，曹津平，李偉.數(shù)字化變電站中過(guò)程層的技術(shù)研究[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2008，28(10).

[4]孫一民，李延新，黎強(qiáng).分階段實(shí)現(xiàn)數(shù)字化變電站系統(tǒng)的工程方案[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2007，31(5).