數(shù)字化變電站測控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

1.引言

數(shù)字化的變電站研究與建設(shè)，應(yīng)按IEC TC57技術(shù)委員會出臺的IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究與建設(shè)。其目的將變電站按統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，同一操作使各廠家之間的設(shè)備互相通信和互相操作。按統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)數(shù)字化變電站，可以優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行方式對提高設(shè)備的可靠性，保障電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)減員增效具有重要的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。我國在2008年開始執(zhí)行以IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)為藍(lán)本的數(shù)字化變電站DL/T860系列標(biāo)準(zhǔn)。

2.數(shù)字化變電站功能

數(shù)字化變電站在自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[1]上可分為：一次設(shè)備智能化、二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化。在邏輯結(jié)構(gòu)上可分為三個層次，根據(jù)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)這三個層次為“站控層”、“間隔層”、“過程層”。

2.1 數(shù)字化變電站功能

數(shù)字化變電站以數(shù)字信息傳送為對象，對數(shù)字化信息進(jìn)行統(tǒng)一建模，用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)信息構(gòu)成變電站監(jiān)控系統(tǒng)，如圖1所示；

2.2 站控層主要功能

(1)將站內(nèi)的兩級高速網(wǎng)絡(luò)的信息匯總的實(shí)時數(shù)據(jù)，信息不斷更新實(shí)時數(shù)據(jù)庫，按時登錄歷史數(shù)據(jù)庫。

(2)將站內(nèi)的有關(guān)數(shù)據(jù)、信息報(bào)送控制中心，同時將中心的有關(guān)指令下達(dá)到“間隔層”、“過程層”，

進(jìn)行執(zhí)行。

(3)具有在線編成全站的操作控制功能，和在線對“間隔層”、“過程層”的維護(hù)，在線修改參數(shù)等。

(4)具有站內(nèi)的監(jiān)控、報(bào)警，變電站故障自動分析，操作學(xué)習(xí)的功能。

2.3 間隔層功能

(1)承上啟下的通信功能，完成“過程層”及“站控層”網(wǎng)絡(luò)通信功能。上下網(wǎng)絡(luò)接口具有雙口全雙工方式，提高信息通道的冗余度，保證網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。

(2)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)運(yùn)算、發(fā)布控制命令具有優(yōu)先級別的控制與驅(qū)動。

(3)實(shí)施對一次設(shè)備保護(hù)、控制功能。

(4)實(shí)施間隔層操作閉鎖功能，進(jìn)行同期操作及其他控制功能。

2.4 過程層功能

(1)本層是一次設(shè)備與二次設(shè)備的結(jié)合面。對電力運(yùn)行實(shí)時電氣量的檢測，主要的參數(shù)有，電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率、有功電量、無功電量、功率因數(shù)、頻率、三相不平衡度、諧波含量等。

(2)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的檢測。主要參數(shù)有，溫度、壓力、密度、絕緣、機(jī)械特性等數(shù)據(jù)量。

(3)操作控制執(zhí)行與驅(qū)動。

3.數(shù)字化變電站的構(gòu)成

研究數(shù)字化變電站按IEC 61850[2]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)，能夠使變電站系統(tǒng)管理智能化，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的共享和互操作，滿足供電安全、穩(wěn)定、可靠。本文介紹一個大型的會展中心建筑面積32萬平方米，集成展覽、會議、商務(wù)、餐飲、娛樂為一體的多功能建筑物。電源來自四個方向的進(jìn)線，每個方向有兩條高壓進(jìn)線供電，共八條高壓進(jìn)線。系統(tǒng)有兩個高壓開閉所、六個變配電室，29臺變壓器(8臺2000KVA、14臺1600KVA、3臺1000KVA、4臺800KVA)，7臺冷水機(jī)組每臺1087KW，4臺1320KW備用發(fā)電機(jī)組，組成的變電系統(tǒng)。

3.1 智能化電網(wǎng)的建設(shè)

智能化的電網(wǎng)建設(shè)應(yīng)具有安全性、可靠性、開放性、支持分布式電源（DER）的接入[3]、智能化的管理。按一次化的智能設(shè)備與二次化智能設(shè)備進(jìn)行一體化的建模構(gòu)成系統(tǒng)。

會展中心的變配電系統(tǒng)，每條高壓線都配置智能電子設(shè)備(IED)可以完成智能化電網(wǎng)的功能，采用法國施耐德電氣公司生產(chǎn)的Sepam 1000+（4）系列微機(jī)保護(hù)測控裝置其功能；

(1)電力系統(tǒng)的測控裝置能監(jiān)控，電網(wǎng)和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、RMS熱保護(hù)、電流、電壓、頻率、有功功率、無功功率、視在功率、功率因數(shù)、跳閘記錄、故障波形記錄、相位角的位移、CT、VT等。

(2)診斷功能，網(wǎng)絡(luò)和電機(jī)診斷跳閘電流、不平衡比干擾記錄；開關(guān)設(shè)備診斷，累計(jì)分?jǐn)嗔髁?，跳閘電路監(jiān)視，跳閘時間；保護(hù)單元和附加模塊診斷，連續(xù)自檢及監(jiān)視等。

(3)保護(hù)功能，有方向性過載保護(hù)、方向性無功過載保護(hù)、欠壓和欠頻保護(hù)、發(fā)熱過載保護(hù)、重合閘及選擇性時間保護(hù)；相電流保護(hù)和接地故障保護(hù)、有電壓記憶和頻率及IDMT保護(hù)等。

(4)ModBus通訊，保護(hù)測控裝置的有關(guān)信息通過RS485通訊接口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，將各種檢測數(shù)據(jù)、指令通過通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交換。

(5)UMI人機(jī)界面編程，可用PLC梯形圖和程序編程，按用戶要求提供2種人機(jī)界面；一種用LCD顯示和9鍵小鍵盤顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行操作；另一種是專家級UMI，SFT2841PC軟件提供所有Sepam功能的存取，在Windous環(huán)境下進(jìn)行操作。

微機(jī)保護(hù)測控裝置是集保護(hù)、測量、控制、通訊、自檢為一體，可完成各種電流，電壓及頻率保護(hù)，并提供多種電氣參數(shù)測量集故障錄波，可通過邏輯進(jìn)行保護(hù)，控制用戶定制，裝置面板及PC整定軟件完全中文化。

3.2 分散式遠(yuǎn)程監(jiān)控

圖1 變電站IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)功能圖Fig1 transformer station IEC 61850 standard structure functional

圖2 數(shù)字化變電站控制系統(tǒng)構(gòu)成

圖3 監(jiān)控遠(yuǎn)程操作結(jié)構(gòu)圖Fig3 monitor and control remote operation structural diagram

圖4監(jiān)控畫面操作圖Fig4 monitor and control screen operation chart

圖-5 遠(yuǎn)程控制分閘/合閘邏輯圖Fig5. long-range controls Switching off/in logic diagram

系統(tǒng)中有四個變電站的主控單元采用工業(yè)級、高可靠、功能強(qiáng)大的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(MCU)進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程采集、處理、通訊控制等功能。每臺MCU有2個網(wǎng)絡(luò)接口經(jīng)以太網(wǎng)光纖收發(fā)器、光纜構(gòu)成一臺主機(jī)、一臺備用機(jī)的兩個通訊通道，分別聯(lián)接在站控層兩臺以太網(wǎng)交換機(jī)，構(gòu)成雙以太網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，達(dá)到分散式監(jiān)控。

3.3 線路智能測控

變電站采用分層式結(jié)構(gòu)，高壓計(jì)量柜有8條回路和低壓重要回路176條回路，每條回線路配置一臺網(wǎng)絡(luò)電力監(jiān)控儀表PM500。網(wǎng)絡(luò)電力監(jiān)控儀表PM500通過自帶的RS485通信接口與各變電站的間隔層通訊管理機(jī)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行測控。

法國施耐德電氣公司生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)電力監(jiān)控儀表PM500[5]主要功能為：

(1)PM500能滿足高、低壓電力安裝中電氣監(jiān)控的要求實(shí)現(xiàn)真正的有效的四象限測量為電流、電壓同時提供能量測量和THD(總諧波失真)測量，如遠(yuǎn)程操作選Modbus RS485模塊，就可以實(shí)現(xiàn)。

(2)可以同時提供5個測量數(shù)據(jù)顯示，能快速直接訪問信息，能獲得所有電氣參數(shù)的測量：電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、有功電量、無功電量、功率因數(shù)、頻率、三相不平衡度、諧波含量等。

(3)開關(guān)的操作有，本地／遠(yuǎn)方分、合控制功能。

(4)通信方式的設(shè)定(裝有通信模塊Modbus RS485)。

(5)電流互感器的變比設(shè)定；電壓互感器的二次側(cè)的電壓值的設(shè)定。

(6)運(yùn)行狀態(tài)(開關(guān)位置)監(jiān)視。

(7)布線方式的選定(三相四線制、三相三線制的平衡與不平衡的選定，兩相、單相的接線方式)。

PM500網(wǎng)絡(luò)電力監(jiān)控儀表，它能顯示的5組數(shù)據(jù)、和功能都是用儀表上的6個按鍵開關(guān)進(jìn)行編程的，6個指示燈顯示編程狀態(tài)。

4.數(shù)字化變電站分層定位

數(shù)字化變電站從整體設(shè)計(jì)是按IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分為三個層次功能：站級層、間隔層、過程層。數(shù)字化變電站分層功能構(gòu)成如圖2所示。

4.1 站控層構(gòu)成

作為變電站的控制中樞，由冗余配置的雙機(jī)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，包括兩臺服務(wù)器(采用DEIJL服務(wù)器)、2臺3Com以太網(wǎng)交換機(jī)、一臺操作員工作站，一臺工程師站，一臺打印服務(wù)器、一臺打印機(jī)。兩臺服務(wù)器以主、備方式工作，站級層所發(fā)送的指令，兩臺服務(wù)器同時接收，并以同樣的軟件處理；操作員發(fā)出的控制命令，兩臺服務(wù)器同時接收，但只有主服務(wù)器能夠發(fā)出控制輸出命令，故障時，主備機(jī)之間通過軟件自動進(jìn)行切換。

4.2 間隔層構(gòu)成

作為主控單元采用工業(yè)級、高可靠、功能強(qiáng)大的MCU，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、通訊控制等功能。l#～4#變電站各設(shè)置一臺MCU。每臺MCU有2個網(wǎng)絡(luò)接口連接以太網(wǎng)光纖收發(fā)器、光纜構(gòu)成一主、一備通訊通道，分別連接在站控層的兩臺以太網(wǎng)交換機(jī)，間隔層負(fù)責(zé)八條高壓進(jìn)線。有兩個高壓開閉所、六個變配電室，29臺變壓器。間隔層將采集到的電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)時數(shù)據(jù)和發(fā)生的事件信息上傳到站控層的通信管理機(jī)，同時接收、執(zhí)行站控層主機(jī)下達(dá)的控制命令。

4.3 過程層構(gòu)成

整個會展中心的數(shù)據(jù)采樣較多，過程層的二次回路每條回路的，開關(guān)、保護(hù)、變壓器、直流屏、發(fā)電機(jī)、10KV冷水機(jī)組等設(shè)備直接通訊，實(shí)現(xiàn)模擬信息、數(shù)字信息、電能量的信息采集、傳輸及控制等共有結(jié)點(diǎn)有17766個。

5.變電站遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)

5.1 變電站監(jiān)控操作畫面結(jié)構(gòu)

變電站監(jiān)控遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)采用圖形操作畫面進(jìn)行操作，例如圖3所示。

在變電站監(jiān)控遠(yuǎn)程操作主操作面界面中，每一種圖形都是一個控制目錄，在這個目錄下有二級目錄和更多的子目錄。例如圖4所示；點(diǎn)擊1＃變電所就將所內(nèi)的設(shè)備就會出現(xiàn)，點(diǎn)擊目錄中的10KV電氣監(jiān)控系統(tǒng)就會出現(xiàn)如下的畫面。

當(dāng)點(diǎn)擊TM25斷路器就出現(xiàn)的TM25控制的畫面，下面還有子目錄控制對象。

5.2 同期斷路器的操作

智能化監(jiān)控系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)供電自動化，保證供電質(zhì)量是十分重要的，同期斷路器的操作是數(shù)字化變電站運(yùn)行主要功能。變電站自動化系統(tǒng)中的同期功能一般由間隔層的測控裝置［6］完成，將IED測出的信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換與計(jì)算，在收到站控層的命令后進(jìn)行同期判斷，如條件滿足，輸出合閘脈沖，完成同期斷路器的操作。本系統(tǒng)采用MT框架式斷路器，是一個具有智能的斷路器。可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制操作，MT框架式斷路器具有功能；(1)通訊控制部分；(2)控制執(zhí)行部分；(3)分?jǐn)嗄芰霸O(shè)置；(4)LED顯示信號數(shù)據(jù)；(5)信號采集部分。能實(shí)現(xiàn)搖控操作，對斷路器、電動隔離開關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

監(jiān)控系統(tǒng)的安全性，在設(shè)計(jì)上有操作權(quán)限等級管理功能，只有當(dāng)具有權(quán)限操作人員在輸入正確的密碼后，才有權(quán)進(jìn)行操作控制。系統(tǒng)具有變電站操作票自動生成功能，斷路器、刀閘操作。首先在后臺監(jiān)控主機(jī)上進(jìn)行模擬試操作，當(dāng)操作正確無誤后監(jiān)控系統(tǒng)自動生成并打印操作票，工作人員按照操作票所列項(xiàng)目順序操作。操作采用二級校驗(yàn)方式，即：選擇一返校一執(zhí)行，對于每次操作系統(tǒng)均自動生成操作記錄，并將記錄存儲。監(jiān)控系統(tǒng)能防止硬件損壞及軟件飛車導(dǎo)致的誤操作，能實(shí)現(xiàn)硬件閉鎖、軟件防誤的功能，所有操作均經(jīng)閉鎖邏輯判斷無誤后方可執(zhí)行。系統(tǒng)能對操作命令進(jìn)行分析、判斷，當(dāng)發(fā)現(xiàn)誤操作時，能閉鎖該項(xiàng)操作，并提示操作人員，確保操作正確率在100%。所有斷路器都有本地和遠(yuǎn)方控制功能，為防止搖控失敗，可以進(jìn)行手動。如圖5所示。

這是遠(yuǎn)程控制分閘、合閘邏輯圖。在圖中的輸出端，都是經(jīng)過邏輯運(yùn)算確信安全后可輸出的。

(1)圖中的01端是跳閘端；輸出01上的跳閘通過；保護(hù)單元、邏輯分辯、經(jīng)過通訊完成遙控、外部保護(hù)、邏輯輸入后，執(zhí)行分閘命令。

(2)圖中011端是合閘端；通過重合閘，要經(jīng)過通訊，完成遙控，邏輯輸入后，執(zhí)行合閘命令。

(3)圖中02端是禁止合閘端；通過跳閘回路故障(TCS)、SF6故障、邏輯輸入導(dǎo)致的禁止合閘命令。

5.3 系統(tǒng)軟件配置和運(yùn)行環(huán)境

數(shù)字化變電站按IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)，實(shí)現(xiàn)變電站數(shù)字化監(jiān)控。因此要建設(shè)高速以太網(wǎng)和支持系統(tǒng)的軟件。系統(tǒng)配置軟件如下；

(1)操作系統(tǒng)windows NT簡體中文版

(2)POWER—SCADA 2000系統(tǒng)軟件

(3）事件記錄軟件SepamFix

(4)錄波采集及分析軟件SepamRec

(5)報(bào)表專用工具報(bào)表編輯軟件RptDraw

(6)報(bào)表專用工具報(bào)表瀏覽軟件RptView

在對所有的設(shè)備及各類軟件安裝完成后，建立整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫是整個系統(tǒng)的核心，將報(bào)表、事件記錄、錄波、搖控操作、動態(tài)畫面顯示等各種數(shù)據(jù)都是從數(shù)據(jù)庫調(diào)出。在系統(tǒng)調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)功率因數(shù)報(bào)警信號過頻繁，通過對軟件和功率因數(shù)補(bǔ)償器的資料分析后發(fā)現(xiàn)，監(jiān)控系統(tǒng)在處理功率因數(shù)的報(bào)警信息時，把它當(dāng)成開關(guān)信號進(jìn)行處理，只要有信號送過來就報(bào)警，整個系統(tǒng)對所有設(shè)備的掃描時間是很短的，不可能對報(bào)警信號產(chǎn)生延時現(xiàn)象。在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫有一項(xiàng)掃描周期可以編輯，整個系統(tǒng)掃描周期不到一秒鐘，掃描的時間是按設(shè)備的數(shù)量、類型而設(shè)定，功率因數(shù)補(bǔ)償器是根據(jù)負(fù)荷電流、電壓值，計(jì)算出線路的有功功率、無功功率、功率因數(shù)，再根據(jù)實(shí)際的電流值計(jì)算出投多少電容器組數(shù)，每投入一組電容器需要有40秒的時間，所以功率因數(shù)報(bào)警也是正常現(xiàn)象。在實(shí)際運(yùn)行中負(fù)荷變化很大，功率因數(shù)也是在變化，通過設(shè)定監(jiān)控軟件對功率因數(shù)上限和下限的掃描時間進(jìn)行調(diào)整，即掃描時間大于電容器補(bǔ)償器的投入時問。經(jīng)過連續(xù)幾個月的試運(yùn)行的調(diào)整，掃描時間設(shè)為60秒鐘時，功率因數(shù)報(bào)警基本得到有效的控制，系統(tǒng)基本穩(wěn)定。

6.結(jié)論

按IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的變電站系統(tǒng)投入運(yùn)行后運(yùn)行、維護(hù)的人員減少了，出現(xiàn)事故的時間瞬間就在電腦上顯示，電腦自動生成報(bào)表，從而減少勞動強(qiáng)度，而且可以隨時調(diào)用各種數(shù)據(jù)，高壓倒閘操作在計(jì)算機(jī)移動鼠標(biāo)就可以實(shí)現(xiàn)，提高了智能化的操作保證變電站的安全與可靠。

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