智能變電站系統(tǒng)方案探討

張自民，文化賓，牛紅星

(1.上海正泰電氣技術(shù)中心，上海 201614;2.北京交通大學 電子信息工程學院，北京 100044)

0 引言

作為銜接智能電網(wǎng)發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度六大環(huán)節(jié)的關(guān)鍵，智能化變電站是智能電網(wǎng)中變換電壓、接受和分配電能、控制電力流向和調(diào)整電壓的重要電力設(shè)施，是智能電網(wǎng)“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”三流匯集的焦點，變電站智能化對建設(shè)堅強智能電網(wǎng)具有極為重要的作用。

智能變電站(smart substation)是指采用先進、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設(shè)備，以全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標準化為基本要求，自動完成信息采集、測量、控制、保護、計量和監(jiān)測等基本功能，并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能的變電站[1]。

1 綜合自動化變電站

綜合自動化變電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

綜合自動化站的特點是:

① 綜合自動化站具備4遙功能—遙信、遙測、遙調(diào)、遙控。

② 綜合自動化站為2層架構(gòu)—主站層、間隔層。主站層可分為工程師站、當?shù)乇O(jiān)控主站、遠動主站等;間隔層主要指各種保護、測控裝置、自動裝置、計量單元等，間隔層的設(shè)備可集中組屏，也可分散安裝在就地的開關(guān)柜上;由于未統(tǒng)一建模，系統(tǒng)中存在多種規(guī)約，使得系統(tǒng)設(shè)計、維護都很麻煩。

③ 通信網(wǎng)絡(luò)層一般采用現(xiàn)場總線型:422、485、CAN、lonworks等，也有少量采用以太網(wǎng)通信的。

④ 通信介質(zhì)一般采用帶屏蔽電纜的雙絞線，通信速率低、效率低。

⑤ 間隔層與一次設(shè)備通過電纜連接，由于采集單元、執(zhí)行單元分散在各間隔單元內(nèi)部，造成間隔層與一次設(shè)備之間大量的、重復的電纜連接。

圖1 綜合自動化變電站系統(tǒng)圖

2 數(shù)字化變電

數(shù)字化變電站是由智能化一次設(shè)備(電子式互感器、智能化開關(guān)等)和網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備分層(過程層、間隔層、站控層)構(gòu)建，建立在IEC61850通信規(guī)范基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)變電站內(nèi)智能電氣設(shè)備間信息共享和互操作的現(xiàn)代化變電站。數(shù)字化變電站是應用IEC61850進行建模和通信的變電站，數(shù)字化變電站體現(xiàn)在過程層設(shè)備的數(shù)字化，整個站內(nèi)信息的網(wǎng)絡(luò)化，以及開關(guān)設(shè)備實現(xiàn)智能化。

數(shù)字化變電站系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 數(shù)字化變電站系統(tǒng)圖

數(shù)字化變電站的特點:

① 具備綜合自動化站4遙特性——遙信、遙測、遙調(diào)、遙控。

② 一次設(shè)備智能化，二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化，通訊介質(zhì)光纖化。一次設(shè)備智能化是指過程層采用電子式互感器(ECT、EVT)或光互感器(OCT、OPT)，且數(shù)據(jù)采集單元與互感器集成，把一次系統(tǒng)的電流、電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號或小信號輸出;智能操控單元與一次開關(guān)設(shè)備集成，智能操控單元采集開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)信息，經(jīng)GOOSE網(wǎng)絡(luò)上傳給間隔層的保護單元，同時接收保護單元或GOOSE網(wǎng)上的動作信息，并作用于開關(guān)設(shè)備。

③ 數(shù)字化變電站為3層架構(gòu)——站控層、間隔層、過程層。站控層與間隔層的通訊應采用IEC61850中的MMS(Manufacturing Message Specification)協(xié)議;間隔層與過程層之間的通訊應滿足IEC61850中的GOOSE(Generic Object Oriented Substation Event)協(xié)議。

④ 各IED采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型、功能模型、通訊協(xié)議，相互之間的數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)無縫交換、共享統(tǒng)一的信息平臺。

《智能變電站技術(shù)導則》中規(guī)定對110kV及以上電壓等級的智能變電站:對于單間隔的保護應直接跳閘，涉及多間隔的保護(母線保護)宜直接跳閘[2]。對于涉及多間隔的保護(母線保護)，如確有必要采用其他跳閘方式，相關(guān)設(shè)備應滿足保護對可靠性和快速性的要求[3]。

《智能變電站繼電保護技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定對110kV及以上電壓等級的智能變電站:采樣值SV網(wǎng)和GOOSE報文網(wǎng)分開[4]。

對于110kV以下電壓等級的智能變電站，《智能變電站技術(shù)導則》和《智能變電站繼電保護技術(shù)規(guī)范》中都沒有明確的規(guī)定。在110kV以下電壓等級的變電站中，由于間隔層的保護單元、計量單元、一次的電流互感器、電壓互感器、接地刀閘、隔離刀閘、開關(guān)設(shè)備等都集成在同一個柜體，宜采用圖3的方案。

該方案的特點是:

① 合并單元與間隔層的保護單元合并，電子式互感器輸出的模擬小信號與保護單元直連，經(jīng)保護單元的AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并以IEC 61850－9－1或IEC 61850－9－2的格式輸出到SV網(wǎng)，供相應的保護間隔取樣。

圖3 110kV以下電壓等級的數(shù)字化變電站系統(tǒng)圖

② 操作回路與間隔層的保護單元集成，保護單元的輸出通過操作回路直接與相應的斷路器操作機構(gòu)相連，另一方面，也以GOOSE報文的格式上傳到 GOOSE網(wǎng)絡(luò)，供相應的保護間隔取樣。

該方案既可滿足《智能變電站技術(shù)導則》和《智能變電站繼電保護技術(shù)規(guī)范》對跳閘方式和采樣方式的要求，又可減少設(shè)備，方便柜體安裝，符合集成化的發(fā)展方向，具有明顯經(jīng)濟技術(shù)優(yōu)勢。

3 智能變電站

智能化變電站是指采用先進的傳感器、信息、通信、控制、智能等技術(shù)，以一次設(shè)備參量數(shù)字化和標準化、規(guī)范化信息平臺為基礎(chǔ)，實現(xiàn)變電站實時全景檢測、自動運行控制、與站外系統(tǒng)協(xié)同互動等功能，達到提高變電可靠性、優(yōu)化資產(chǎn)利用率、減少人工干預、支撐電網(wǎng)安全運行，可再生能源“即插即退”等目標的變電站。

在智能變電站中，電子式互感器或OPT、OCT被廣泛采用;變壓器、斷路器、電容器、避雷器等一次設(shè)備預裝了大量的傳感器，實時監(jiān)測、跟蹤一次設(shè)備的狀態(tài)。

智能變電站的概念是隨智能電網(wǎng)的概念提出來的。從其提出時間及內(nèi)容上看智能變電站是建立在數(shù)字化變電站的基礎(chǔ)之上，并增加了許多新的內(nèi)容，諸如一次變壓器、斷路器、電容器、避雷器、GIS等設(shè)備的在線檢測以及設(shè)備狀態(tài)可視化、智能評估告警及分析決策、故障信息綜合分析決策、經(jīng)濟運行與優(yōu)化控制、站域控制、廣域測量等高級功能[5]。

智能變電站系統(tǒng)可分為:自動化子系統(tǒng)、計量子系統(tǒng)、在線檢測子系統(tǒng)、高級應用子系統(tǒng)。

智能變電站在線檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4、圖5所示。

智能變電站具有數(shù)字化變電站的所有特點。

智能變電站是實現(xiàn)智能電網(wǎng)的必備條件。只有在變電站實現(xiàn)智能化以后，才有可能實現(xiàn)智能電網(wǎng)的自診斷、自協(xié)調(diào)、自恢復，才有可能實現(xiàn)真正意義的智能電網(wǎng)，進而實現(xiàn)自愈。

智能電網(wǎng)的建設(shè)需要兩個重要基礎(chǔ)來支撐:一個是智能一次設(shè)備狀態(tài)的動態(tài)管理功能(自檢測、自診斷)，另一個是智能變電站與高級調(diào)度中心之間的互動協(xié)同。

4 智能變電站關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1 電子式互感器

與傳統(tǒng)電磁式互感器相比，電子式電流電壓互感器具有以下優(yōu)點:

① 集測量和保護于一身，能快速、完整、準確地將一次信息傳送給計算機進行數(shù)據(jù)處理或與數(shù)字化儀表等測量、保護裝置相連接，實現(xiàn)計量、測量、保護、控制、狀態(tài)監(jiān)測;

② 不含鐵芯，不會產(chǎn)生磁飽和、鐵磁諧振等問題，輸出信號中包含更多的暫態(tài)信息;

③ 電流互感器二次開路時不會產(chǎn)生高電壓，電壓互感器二次短路時不會產(chǎn)生大電流，保證了人身及設(shè)備的安全;

④ 二次輸出為小電壓信號，可方便地與數(shù)字式儀表、微機測控保護設(shè)備接口，無需進行二次轉(zhuǎn)換(將5 A，1 A或100 V轉(zhuǎn)換為小電壓)，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少了誤差源，提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確度;

⑤ 頻響范圍寬、測量范圍大、線性度好，在有效量程內(nèi)，電流互感器準確級達到0.2S/5P級，僅需2－3個規(guī)格就可以覆蓋電流互感器20 A－5 000 A的全部量程，電壓互感器測量準確級可達到0.2/3 p級;

⑥ 電壓互感器可同時作為帶電顯示裝置實現(xiàn)一次電壓數(shù)字化在線監(jiān)測，并可作為支持絕緣子使用;

⑦ 體積小、重量輕，能有效的節(jié)省空間，功耗極小，節(jié)電效果十分顯著。

但是，目前電子互感器在實際推廣應用過程中還存在下面的問題:

① 供電電源的問題:目前兩種取電方法:取能線圈取電、激光取能。取能線圈取電在變壓器空載時，可能取不到電;激光取能器件的電器壽命目前還不夠理想;

② 電子式互感器在輸入電流很小時，輸出精度不夠;

③ 電子式互感器在運行幾年后，隨著材料、器件的老化，造成磁通的偏移，影響到整個電子式互感器的性能。

以上這些問題影響著電子式互感器的進一步推廣應用。

4.2 同步對時

IEC61850中引入了簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議SNTP—Simple Network Time Protocol。作為使用最為普遍的國際互聯(lián)網(wǎng)時間傳輸協(xié)議，SNTP的應用已較為成熟，在一定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，SNTP的對時精度可在大多數(shù)情況下保持在1 ms以內(nèi)，這對于變電站內(nèi)站控層及間隔層的設(shè)備是可用的，但對于智能變電站中的合并單元則不適合，合并單元的采樣率一般都在80點/周波以上，兩個采樣點之間的時間間隔小于250 μm，1 ms相當于4個采樣間隔，1 ms誤差帶來的相位誤差就達到了18°，遠遠超出了保護容忍的范圍[6]。

智能變電站中，數(shù)采單元分散到各互感器內(nèi)部，站域保護、廣域保護以及一些供決策分析用的高級應用功能模塊需要變電站內(nèi)部或幾個相關(guān)聯(lián)的變電站的電氣量保持高精度的同步采樣。因此智能變電站的對時方式相比于常規(guī)變電站存在顯著的不同。在智能站中，站控層、間隔層設(shè)備多采用IRIG－B碼專線對時方式，過程層及合并單元則采用IEC61588精確時間協(xié)議對時方式同步。

4.3 IEC 61850 標準

變電站自動化對應的通信協(xié)議標準的制定、執(zhí)行具有一定的滯后性，導致了不同廠家自動化產(chǎn)品間通信方式和傳輸協(xié)議的差異，傳統(tǒng)變電站自動化系統(tǒng)內(nèi)不同廠商的智能電子設(shè)備(lED)之間無法直接互聯(lián)，自動化功能受到了制約。

國際電工委員會第57技術(shù)委員會(IEcTc57)制定的IEC61850標準是迄今為止最為完善的關(guān)于變電站自動化的通信標準川，它適應了變電站應用功能的分布式(distributed)實現(xiàn)和組合(composition)應用，真正意義上支持了變電站自動化相關(guān)設(shè)備的互操作性(interoperability)和信息共享。與以往的通信標準相比，IEC61850為了實現(xiàn)互操作性和信息共享，建立了完整的支持體系，對該體系作出了嚴格的規(guī)定，不再僅僅是一個傳統(tǒng)的通信協(xié)議。

如圖2所示，在IEC61850標準中，變電站系統(tǒng)被分為三層:站控層、間隔層、過程層;2層網(wǎng)絡(luò):MMS(站控層與間隔層之間的通訊網(wǎng)絡(luò))、GOOSE、SV(兩者都屬于過程層網(wǎng)絡(luò)，GOOSE網(wǎng)用于傳輸事件報文、SV網(wǎng)用于傳輸采樣值報文)[7]。IEC61850標準對每一層的邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點模型以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)模型、通訊報文幀格式都做了詳細的說明。

IEC61850功能和協(xié)議棧[8]如圖6所示。

智能站對網(wǎng)絡(luò)的要求。

以太網(wǎng)的速率與采樣率有關(guān)，可以根據(jù)下面的公式計算:

其中，DR為以太網(wǎng)速率，SR為采樣速率，TL為幀長度，nMU為合并單元數(shù)目。如果采樣率是196點/周期，APDU只包含一個ASDU時，幀長度為984位(包含96位的幀間隙)，考慮到系統(tǒng)冗余，速率選擇100 Mbps即可，計算如下:

圖6 IEC61850的功能和協(xié)議棧

物理介質(zhì)選用光纖或雙絞線。

4.4 順序控制

傳統(tǒng)變電站中，五防功能作為一個獨立的系統(tǒng)，需要配置單獨的監(jiān)控系統(tǒng)，在智能變電站中，五防系統(tǒng)可以與自動化系統(tǒng)融合，用順序控制操作實現(xiàn)五防功能，順序控制功能是智能變電站的基本系統(tǒng)功能之一[1]。

順序控制是指系統(tǒng)發(fā)出整批指令后，由系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備狀態(tài)信息變化情況判斷每步操作是否到位，確認到位后自動執(zhí)行下一條指令，直至執(zhí)行完所有指令[9]。

例如遙控合閘操作:操作人員通過監(jiān)控系統(tǒng)遙控斷路器，監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)該斷路器在系統(tǒng)中的位置，給相關(guān)聯(lián)的斷路器、接地刀、上下隔離刀發(fā)送成批指令，首先給接地刀IED發(fā)送指令—斷開接地刀，接地刀IED執(zhí)行操作后返回接地刀的狀態(tài)信息，系統(tǒng)檢查到接地刀在斷開位置，自動給上、下隔離刀IED發(fā)送合閘指令，上下隔離刀IED接收到指令后，首先檢查接地刀的位置，確保接地刀在斷開位置后執(zhí)行合閘指令，同時返回上下隔離刀的位置信息，系統(tǒng)檢查接收到上下隔離刀的位置信息后，才給斷路器發(fā)合閘指令，斷路器在接收到合閘信息后首先檢測上下隔離刀的位置，確保正確后再執(zhí)行合閘操作，同時返回斷路器的位置信息。

整個順序控制的過程如圖7所示。

圖7 順序控制邏輯

4.5 站域控制與保護

傳統(tǒng)變電站的測量、保護、控制功能是以間隔為單元配置的，裝置之間相互不直接通信，無法實現(xiàn)信息共享。智能變電站采用了3層2網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)，依托站內(nèi)高速通信網(wǎng)及發(fā)布/訂閱者通信機制，可以方便的實現(xiàn)過程層、間隔層的信息共享。這為實現(xiàn)全站級別的控制和保護提供了條件。

站域控制是指通過對站內(nèi)信息的集中處理、判斷，實現(xiàn)站內(nèi)自動控制裝置的協(xié)調(diào)工作，適應系統(tǒng)運行方式的要求[10]。在通信和數(shù)據(jù)處理速度滿足要求的情況下，變電站級的運行控制策略優(yōu)于面向單間隔的策略。所以，實現(xiàn)該功能采用的是集中式控制裝置，采集站內(nèi)全部實時運行數(shù)據(jù)、集中運算，實現(xiàn)基于全站策略的控制功能。站域保護功能包括:全站統(tǒng)一的后備保護、FACTS元件保護、分布式新能源接入保護等。

5 結(jié)束語

本文首先介紹了綜合自動化變電站、數(shù)字化變電站、智能變電站系統(tǒng)的特點、架構(gòu)，在此基礎(chǔ)上探討了110kV及以上電壓等級的智能變電站系統(tǒng)方案，隨后根據(jù)110kV以下電壓等級變電站的特點，提出了專門應用于110kV以下電壓等級的智能變電站方案。

本文最后還對智能變電站系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及存在的問題進行了分析探討。

本文提出的系統(tǒng)方案，還有待于在今后的工程項目中進一步充實完善。

[1]國家電網(wǎng)公司，Q/GDW 383－2009《智能變電站技術(shù)導則》[S].北京:中國電力出版社，2009.

[2]國家電網(wǎng)公司，Q/GDW 393－2009 110(66)kV～220kV智能變電站設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國電力出版社，2009.

[3]國家電網(wǎng)公司，Q/GDW 394－2009 330kV～750kV智能變電站設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國電力出版社，2009.

[4]國家電網(wǎng)公司，Q/GDW 441－2010《智能變電站繼電保護技術(shù)規(guī)范》[S].北京:中國電力出版社，2010.

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[8]中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會，DL/T 860.81－2006/IEC61850－8－1:2004變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)第8－1部分:特定通信服務(wù)映射(SCSM)對 MMS(ISO9506－1和 ISO9506－2)及 ISO/IEC8802－3的映射[S].

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