35kV數(shù)字化變電站關(guān)鍵技術(shù)研究

梁貴

(廣西電網(wǎng)公司柳江供電公司，廣西 柳江 545100)

35kV數(shù)字化變電站關(guān)鍵技術(shù)研究

梁貴

(廣西電網(wǎng)公司柳江供電公司，廣西 柳江 545100)

我國電網(wǎng)正處于向智能電網(wǎng)高速發(fā)展的階段，傳統(tǒng)變電站已經(jīng)不能滿足電網(wǎng)發(fā)展的需要，數(shù)字化變電站關(guān)鍵技術(shù)可以有效的解決傳統(tǒng)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸，成為智能電網(wǎng)變電、配電環(huán)節(jié)的重要技術(shù)支撐，有助于變電、配電環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)信息化、互動(dòng)化、自動(dòng)化。35kV變電站作為配電網(wǎng)(農(nóng)網(wǎng))的電源支撐，實(shí)現(xiàn)其數(shù)字化改造，對(duì)于我國的智能配電網(wǎng)發(fā)展有巨大的推動(dòng)作用。

數(shù)字化;變電站;關(guān)鍵技術(shù)

1 引言

電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展以及電力市場(chǎng)改革的不斷深化對(duì)電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和電能質(zhì)量提出了更高的要求。變電站作為輸電與配電網(wǎng)絡(luò)的執(zhí)行終端和信息源，要求提供的信息量與實(shí)現(xiàn)的集成控制越來越多，數(shù)字化、信息化以及信息模型化的要求越來越迫切［1－6］。

數(shù)字化變電站為數(shù)字化電力系統(tǒng)的建設(shè)奠定了基礎(chǔ)，與傳統(tǒng)變電站相比，數(shù)字化變電站的一次設(shè)備與二次設(shè)備實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化通信，具有全網(wǎng)統(tǒng)一的數(shù)字模型與通信平臺(tái)，最突出的特點(diǎn)是一次設(shè)備數(shù)字化、二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化［7－12］。

研究35kV數(shù)字化變電站的關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)特點(diǎn)，確立35kV數(shù)字化變電站的技術(shù)體系架構(gòu)，分析35kV數(shù)字化變電站的可靠性以及安全性，對(duì)于未來構(gòu)建數(shù)字化變電站，乃至數(shù)字化配電網(wǎng)具有非常重要的意義。

2 35kV數(shù)字化變電站構(gòu)架體系

與高電壓等級(jí)數(shù)字化變電站相似，35kV數(shù)字化變電站要求以數(shù)字方式的傳遞和共享實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備之間的通信，各種智能化一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備在IEC61850通信規(guī)范基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)信息共享和互操作。35kV數(shù)字化變電站在邏輯上采用IEC61850規(guī)定變電站層、間隔層、過程層的三層結(jié)構(gòu)，各層次內(nèi)部及層次之間采用高速網(wǎng)絡(luò)通信，三個(gè)層次關(guān)系如圖1所示。

2.1 變電站層

變電站層通過兩級(jí)高速網(wǎng)絡(luò)匯總?cè)镜膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，將有關(guān)數(shù)據(jù)信息送往電網(wǎng)調(diào)度控制中心與遠(yuǎn)方運(yùn)行中心，并且接收調(diào)度控制中心與遠(yuǎn)方運(yùn)行中心有關(guān)控制命令，并將其轉(zhuǎn)向間隔層、過程層執(zhí)行，另外，變電站層還具有對(duì)間隔層、過程層設(shè)備的在線維護(hù)、在線組態(tài)、在線修改參數(shù)等功能。

圖1 數(shù)字化變電站的構(gòu)架體系

2.2 間隔層

間隔層主要進(jìn)行信息的匯總與分流，實(shí)現(xiàn)對(duì)一次設(shè)備的保護(hù)與控制，可實(shí)施本間隔操作閉鎖功能，也可實(shí)施操作同期及其他控制功能;對(duì)數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)運(yùn)算及控制命令的發(fā)出具有優(yōu)先級(jí)別的控制，具有承上啟下的通信功能，上下網(wǎng)絡(luò)接口具備雙口全雙工方式以提高信息通道的冗余度，保證網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。

2.3 過程層

過程層是數(shù)字化變電站中的一次設(shè)備與二次設(shè)備相結(jié)合的部分，也是智能化電氣設(shè)備的智能化部分，過程層可進(jìn)行實(shí)時(shí)的電氣檢測(cè)、設(shè)備的參數(shù)檢測(cè)以及對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制執(zhí)行與驅(qū)動(dòng)。

3 35kV數(shù)字化變電站的關(guān)鍵設(shè)備

數(shù)字化變電站在電氣量采集環(huán)節(jié)采用了非常規(guī)的互感器技術(shù)，一次系統(tǒng)的電流、電壓、功率、頻率等電氣量信息通過合并單元變?yōu)榈碗娖降臄?shù)字信號(hào)，經(jīng)光纜直接傳遞給變電站二次系統(tǒng)。在數(shù)字化變電站中，一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)有效的電氣隔離。智能的數(shù)字化設(shè)備是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化變電站的前提，本小節(jié)主要研究電子式互感器、智能斷路器與電子式互感器接口設(shè)備的特點(diǎn)。

3.1 電子式互感器

在常規(guī)變電站中廣泛采用電磁式電流、電壓互感器，但是電磁式互感器具有磁飽和、鐵磁諧振、動(dòng)態(tài)范圍小等缺點(diǎn)，而且隨時(shí)電網(wǎng)電壓等級(jí)的升高，電磁式互感器的絕緣結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜、體積增加，造價(jià)也隨之大大提高，可見電磁式互感器很難適應(yīng)智能電網(wǎng)發(fā)展的需求。

數(shù)字信號(hào)處理、光纖通信以及光電子技術(shù)的迅速發(fā)展有力的推動(dòng)了電子式電壓、電流互感器(EVT/ECT)推廣應(yīng)用。目前，在數(shù)字化變電站中電子式互感器已經(jīng)逐步進(jìn)入了實(shí)用化階段。在實(shí)際工程應(yīng)用中的電子式互感器分為有源和無源兩大系列，由于其實(shí)現(xiàn)原理、構(gòu)成、關(guān)鍵技術(shù)有較大的差異，因此在一些應(yīng)用特征上也體現(xiàn)了一定的差別。

3.2 智能斷路器

智能斷路器與傳統(tǒng)斷路器不同，是一種具有較高性能的斷路器和控制設(shè)備，需要額外配備電子設(shè)備、傳感器與執(zhí)行器，除了具有傳統(tǒng)斷路器的功能還具有包括監(jiān)測(cè)與診斷方面的附加功能。一般由數(shù)據(jù)采集、智能識(shí)別和執(zhí)行裝置3個(gè)基本模塊構(gòu)成。

3.3 電子式互感器接口設(shè)備

合并單元是電子式電流、電壓互感器接口的重要組成部分，其主要功能是同步采集多路輸出的數(shù)字信號(hào)后按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的格式發(fā)給保護(hù)、測(cè)控設(shè)備。

4 全數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)的可靠性

在數(shù)字化變電站中，保護(hù)系統(tǒng)屬于全數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)，傳統(tǒng)的電磁式電流、電壓互感器以及斷路器的連接被光纖代替，信息的傳遞由模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，通過合并單元匯總到總線。

與傳統(tǒng)的模擬量保護(hù)系統(tǒng)相比，全數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)具有較多的電子裝置，而且保護(hù)裝置內(nèi)部的通信網(wǎng)絡(luò)直接參與保護(hù)與測(cè)控，通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性直接確定著數(shù)字化變電站的可靠性，因此有必要研究全數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。

利用可靠性框圖可以分析系統(tǒng)中每一個(gè)元件失效對(duì)系統(tǒng)整體可靠性的影響，系統(tǒng)之間的基本連接關(guān)系可分為串聯(lián)、并聯(lián)。由N個(gè)元件組成的串聯(lián)系統(tǒng)，在串聯(lián)系統(tǒng)中任何一個(gè)元件失效均構(gòu)成系統(tǒng)失效，即必須系統(tǒng)中所有元件均正常運(yùn)行才能保證系統(tǒng)正常運(yùn)行，如圖2所示。

圖2 串聯(lián)系統(tǒng)可靠性框圖

其可靠性計(jì)算公式如下:

式中:λs為平均停運(yùn)率;λ'i為元件i的故障停運(yùn)率;λ″i為元件i的檢修停運(yùn)率。

式中:Us為系統(tǒng)的平均年停運(yùn)時(shí)間;r'i為元件i的平均故障修復(fù)時(shí)間;r″為元件i的平均檢修持續(xù)。

式中:rs為系統(tǒng)的平均停運(yùn)時(shí)間。

圖3所示的是由N個(gè)獨(dú)立元件組成的并聯(lián)系統(tǒng)，系統(tǒng)中所有元件均失效才會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失效，即只要其中任何一個(gè)元件正常運(yùn)行，系統(tǒng)仍能保持運(yùn)行。

圖3 并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性框圖

其可靠性計(jì)算公式如下:

式中:Up為并聯(lián)系統(tǒng)的不可靠率;Ui為各元件的不可靠率;rp為并聯(lián)系統(tǒng)的平均停運(yùn)持續(xù)時(shí)間;λp為并聯(lián)系統(tǒng)的故障率。

利用可靠性框圖來研究、比較傳統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)、基于單網(wǎng)的數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)與基于PRP的保護(hù)系統(tǒng)的可靠性。傳統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)、基于單網(wǎng)的數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)與基于PRP的保護(hù)系統(tǒng)如圖4～6所示。

圖4 傳統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)

圖5 基于單網(wǎng)的數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)

圖6 基于PRP的保護(hù)系統(tǒng)

研究表明:

(1)與傳統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)相比，雖然數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)中減少了大量的二次電纜，但保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)包含了更多的電子設(shè)備，使得結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。在不考慮網(wǎng)絡(luò)冗余時(shí)，數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)的可靠性會(huì)較低。

(2)當(dāng)交換機(jī)的可靠性還不夠高時(shí)，基于PRP的保護(hù)系統(tǒng)的可靠性較低，甚至?xí)陀诔Ｒ?guī)保護(hù)系統(tǒng)。

5 35kV數(shù)字化變電站系統(tǒng)的安全性

35kV數(shù)字化變電站系統(tǒng)基于以太網(wǎng)的通信方式，大大節(jié)省了運(yùn)行成本，也帶來變電站的信息共享，但同時(shí)也會(huì)引起相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)安全問題，包括網(wǎng)絡(luò)安全威脅與人員的威脅，網(wǎng)絡(luò)安全威脅包括截獲、中斷、篡改、偽造、惡意程序、權(quán)限管理不當(dāng)、Internet安全漏洞;人員的威脅包括電力系統(tǒng)內(nèi)部人員無意識(shí)的失誤、人為的惡意攻擊。

綜合脆弱性狀態(tài)圖與可靠性理論相關(guān)知識(shí)，引入度量變電站系統(tǒng)安全性指標(biāo)的系統(tǒng)脆弱性程度函數(shù)Rs(c)，Rs(c)指系統(tǒng)在特定條件、特定攻擊代價(jià)c下處于安全狀態(tài)的概率，Rs(c)越大，說明系統(tǒng)脆弱性越小，即系統(tǒng)安全性越好。)

式中:c為供給代價(jià);C為攻擊行為達(dá)到目的的等效代價(jià)，取決于系統(tǒng)安全強(qiáng)度和入侵者的知識(shí)水平;λ為脆弱度因子，體現(xiàn)的是攻擊行為成功的難易程度。

圖7 串聯(lián)系統(tǒng)安全性框圖

串聯(lián)模型如圖7所示，如果只有一條攻擊行為可能導(dǎo)致系統(tǒng)處于不安全狀態(tài)，則該事故發(fā)生的條件等同于所有子路徑的串聯(lián)，故串聯(lián)模型可靠度函數(shù)為:

圖8 并聯(lián)系統(tǒng)安全性框圖

并聯(lián)模型如圖8所示，如果可能有多條攻擊路徑導(dǎo)致系統(tǒng)處于不安全狀態(tài)，則該事故發(fā)生的條件等同于所有子路徑的并聯(lián)。并聯(lián)系統(tǒng)可靠度函數(shù)為:

數(shù)字化變電站是通過站控層和過程層網(wǎng)絡(luò)連接而成的典型的分布式系統(tǒng)，攻擊行為利用通信系統(tǒng)脆弱性以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)間的轉(zhuǎn)移，并由此導(dǎo)致系統(tǒng)可能處于不安全狀態(tài)。

數(shù)字化變電站系統(tǒng)的安全策略具有特殊性，針對(duì)其實(shí)時(shí)要求高的特點(diǎn)，一般的安全防護(hù)措施為:安全隔離與擴(kuò)展GOOSE/SMV報(bào)文。

6 總結(jié)

以數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、光電子為應(yīng)用基礎(chǔ)的非常規(guī)互感器技術(shù)的發(fā)展，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施，以太網(wǎng)通信技術(shù)的逐漸成熟，智能斷路器技術(shù)的發(fā)展使變電站自動(dòng)化領(lǐng)域進(jìn)入了新的發(fā)展階段，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)從信息采集、傳輸、處理具備了實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化的可能，數(shù)字化變電站已成為未來變電站自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)。研究35kV數(shù)字化變電站的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)于未來構(gòu)建數(shù)字化配電網(wǎng)具有非常重要的意義。

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Key Techniques of 35 kV Digital Substation

LIANGGui
(Guangxi Power Grid Corporation Liujiang Power Supply Bureau，Yongning Nanning Guangxi，545100)

To smartgrid，power grid in China is in rapid development stage，the traditional substation cannotalready satisfy the needs of the development of grid，key technologies of digital substation can effectively solve the traditional transformer substation automation systems technology bottleneck，become an important technology of the smart grid substation and distribution support，and help to substation，distribution，interactive，automation and informatization．35 kv substation as(site)of the power distribution network，achieving its digital transformation，for the development of smart distribution network has a huge role．

digital;transformer substation;key technology

TM63

B

1004－289X(2013)03－0066－04

2013－04－25

梁貴(1984－)，男，助理工程師，從事電網(wǎng)建設(shè)工程管理。