數(shù)字化變電站帶來的思考

文／大唐國際張家口發(fā)電 劉昌華／

0 引言

“數(shù)字化”是目前變電站自動化技術(shù)發(fā)展中最炙手可熱的一個詞匯，也是相對于傳統(tǒng)理念最具有里程碑意義的一次變革，已無可爭議的成為變電站自動化系統(tǒng)的未來發(fā)展方向。數(shù)字化變電站三個主要的特征就是“一次設(shè)備智能化，二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化，運行管理系統(tǒng)自動化”，即數(shù)字化變電站內(nèi)的信息全部做到數(shù)字化，信息傳遞實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化，通信模型達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化，使各種設(shè)備和功能共享統(tǒng)一的信息平臺。使變電站在系統(tǒng)可靠性、經(jīng)濟(jì)性、維護(hù)簡便性方面得到大幅度提升。數(shù)字化變電站自2005年在我國首次投入運行以來，已從當(dāng)初的試驗、試點性質(zhì)逐漸發(fā)展為目前成熟的開發(fā)應(yīng)用，陸續(xù)有近百座變電站實現(xiàn)了數(shù)字化，電壓等級由66kV覆蓋至500kV各標(biāo)準(zhǔn)[1]。但由于數(shù)字化從根本上改變了傳統(tǒng)變電站概念，對于一次設(shè)備、二次設(shè)備和自動化系統(tǒng)每個領(lǐng)域其變化都是飛躍性的，在數(shù)字化變電站靈活、便捷、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢不斷凸顯的同時，一些問題也相應(yīng)隨之而來。

1 數(shù)字化變電站在實際運行中遇到的問題

1.1 大量使用光通道帶來的可靠性問題

數(shù)字化的一大優(yōu)點為站中的二次電纜大量減少。由于一次設(shè)備及互感器與保護(hù)裝置使用光纜通訊，保護(hù)裝置之間也使用光纜或網(wǎng)線通訊，原先保護(hù)屏柜內(nèi)及電纜溝中密集敷設(shè)的二次線纜被寥寥幾根光纜全部替代，大大減輕了二次回路的維護(hù)量。二次線纜的消失也使得常規(guī)電纜老化問題、絕緣問題、發(fā)熱問題等缺陷不復(fù)存在，設(shè)備整體可靠性得到提高。但從另一方面來看，如果把電纜看作是信息傳遞的通道，數(shù)字化過程實質(zhì)是將分散布置的多條通道匯合成一條通道，并由纖細(xì)的光纜承擔(dān)起了通道的輸送任務(wù)，如果光通道出了問題就可能面臨著信息公路的全部癱瘓。2011年3月29日，大唐國際卓資風(fēng)電場在進(jìn)行數(shù)字化改造投運近一年后，由于主變高壓側(cè)光互感器至合并單元光纜故障導(dǎo)致2號主變高壓側(cè)測量及保護(hù)電壓、電流信號全部失去，主變壓器被迫停運。經(jīng)調(diào)查，事故原因為電纜溝內(nèi)光纜破損處進(jìn)水結(jié)冰膨脹導(dǎo)致光纖斷裂。問題暴露了數(shù)字化變電站光通訊回路的脆弱之處，在實際運行條件下諸如環(huán)境變化、鼠害、電纜敷設(shè)、施工不當(dāng)?shù)纫蛩囟既菀滓鸸饫|故障。這些因素都是在之前常規(guī)變電站設(shè)計、施工及運行維護(hù)中很少考慮到的。

1.2 海量數(shù)據(jù)帶來的通訊及處理問題

數(shù)字化變電站的數(shù)據(jù)量相比常規(guī)變電站呈幾何級數(shù)增加。仍以卓資風(fēng)電場為例，數(shù)字化改造前變電站后臺僅涉及變電站“四遙”及保護(hù)報警等功能。改造后如圖1所示，后臺從不同的網(wǎng)絡(luò)層新加入了箱變測控、風(fēng)機(jī)測控、故障錄波、五防、AGC、VQC等諸多功能，測點的數(shù)量及歷史記錄能力大大增強(qiáng)，也為信息系統(tǒng)二次開發(fā)創(chuàng)造了優(yōu)越條件。但在實際應(yīng)用中還存在如下不盡如人意的地方。

首先，變電站故障錄波系統(tǒng)反應(yīng)較為遲緩，在一定程度上影響了故障處理時的分析判斷。卓資風(fēng)電場故錄系統(tǒng)采用南瑞繼保公司生產(chǎn)的PCS-996R加PCS-996R-GO-ET共兩套故障錄波裝置，前者用于站內(nèi)35kV及110kV出線等常規(guī)互感器測量信號的采集；后者用于主變壓器等采用光學(xué)互感器測量信號的采集，兩套故錄均接至SIEMENS SIMATIC IPC547C工控機(jī)來實現(xiàn)錄波存儲及分析功能。原設(shè)計中一大亮點為路障錄波信號可上傳到任一臺變電站后臺實現(xiàn)實時調(diào)取與分析，但使用后不僅未能實現(xiàn)后臺調(diào)取，即便在工控機(jī)上查詢速度也非常緩慢，經(jīng)廠家多次調(diào)試升級仍未解決問題。其次，變電站后臺在接收風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)時穩(wěn)定性還有待增強(qiáng)。卓資風(fēng)電場分一、二期工程，采用蘇司蘭S64-1250及湘電風(fēng)能Z72-2000兩種風(fēng)力機(jī)型。各風(fēng)電機(jī)組接入后臺的方式也不太一致，二期Z72-2000型風(fēng)機(jī)信號經(jīng)南瑞繼保9794通訊裝置可直接傳入后臺；而S64-1250型風(fēng)機(jī)經(jīng)風(fēng)機(jī)SCADA監(jiān)控系統(tǒng)OPC轉(zhuǎn)發(fā)到三臺工控機(jī)后再傳送至數(shù)字化后臺。這種OPC轉(zhuǎn)發(fā)模式在實際運行中經(jīng)常中斷，而且只能對風(fēng)機(jī)監(jiān)視控制方面則不夠完善，給風(fēng)電場的集中控制帶來了一定困擾。最后，變電站后臺對數(shù)據(jù)的處理能力也值得進(jìn)一步改進(jìn)。卓資風(fēng)電場采用3臺較強(qiáng)勁的Dell OptiPlex 780計算機(jī)（INTEL Core2Dou E8600 CPU，4G內(nèi)存，WIN7專業(yè)版）作為后臺SCADA工作站，在運行后臺程序時卻屢屢出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。每日隔一段時間就會出現(xiàn)文件服務(wù)進(jìn)程、五防進(jìn)程、數(shù)據(jù)庫進(jìn)程甚至SCADA、VQC及RELAY等關(guān)鍵進(jìn)程CPU占用過高、任務(wù)發(fā)生異常的報警，雖然并不影響變電站各設(shè)備的運行狀態(tài)經(jīng)重啟電腦也可以恢復(fù)，但還是說明數(shù)字化后臺在數(shù)據(jù)處理或軟件調(diào)試中存在問題。

圖1 大唐國際卓資風(fēng)電場數(shù)字化改造拓?fù)鋱D

綜合來看，數(shù)字化合并器間的數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)較為復(fù)雜，為了完成特定的保護(hù)遙測功能，一個保護(hù)測控裝置往往需要來自不同間隔的信號，而當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)水平還達(dá)不到能將整個過程層組成一個網(wǎng)絡(luò)，且滿足數(shù)據(jù)實時傳輸所需要的帶寬。為了能滿足保護(hù)及測控信號對輸入的要求，需要由合并器完成數(shù)據(jù)的分包組裝工作，這樣構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)復(fù)雜，且可靠性難以得到保證，如何進(jìn)一步提高整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目捎眯赃€有待研究[2]。

1.3 設(shè)備檢驗存在的問題

光學(xué)互感器可以說是數(shù)字化概念中變化最明顯，最令人興奮的一項。光學(xué)互感器相比于傳統(tǒng)電磁式互感器有著簡單可靠、動態(tài)范圍大、無磁飽和、無鐵磁諧振、精度高、無開路危險等絕對優(yōu)勢。由于光學(xué)互感器絕緣形式的根本性變化，相對于常規(guī)互感器來說其試驗項目顯得異常簡單。在廠家說明中光學(xué)互感器預(yù)防性試驗只需進(jìn)行接地點的檢查、光纖傳光性能檢測和互感器變比試驗三項（若GIS成套設(shè)備則需增加部分與GIS本體一同進(jìn)行的試驗項目）。而交接試驗甚至只需檢查互感器的變比及引出極性而已。試驗項目的減少有利于降低設(shè)備的維護(hù)量，但過于簡單的測試也可能將隱患留存下來。由于光學(xué)互感器本身的結(jié)構(gòu)特點和工作方式，導(dǎo)致互感器的角差、比差現(xiàn)場試驗難以進(jìn)行，甚至極性試驗也無法開展，只能等到設(shè)備投運帶電后，才能檢驗接線的準(zhǔn)確性。另外，光學(xué)互感器的局放試驗、伏安特性試驗的試驗方法和標(biāo)準(zhǔn)也與常規(guī)設(shè)備有很大的區(qū)別，這都需要設(shè)備廠家和相關(guān)部門專門制定[3]。

數(shù)字化變電站保護(hù)校驗?zāi)壳皝碚f也相對復(fù)雜，在變電站運行的條件下對部分間隔保護(hù)校驗的難度很大，目前的常規(guī)繼電保護(hù)校驗裝置無法提供數(shù)字化保護(hù)所需的電流量和電壓量，因為電流量和電壓量必須經(jīng)過合并器才能進(jìn)入保護(hù)裝置，而要完成試驗必須自帶合并器提供模擬試驗中的電流量和電壓量，要完成母差保護(hù)這類需要大量電流電壓量的保護(hù)校驗便顯得尤為困難。

對于電能計量裝置的檢驗也是一個新問題。電能計量裝置是國家強(qiáng)制檢定器具。傳統(tǒng)電能表均采用模擬方式檢定，而數(shù)字接口電能表在應(yīng)用中則會遇到表計檢定、現(xiàn)場校驗及電量計費中的種種問題。這些問題主要是由于目前對用于基于IEC61850數(shù)字接口計量器具的檢定沒有相關(guān)規(guī)定，政策指導(dǎo)性文件缺乏，檢定溯源較為困難。數(shù)字接口電能表的正常運行與否直接關(guān)系到計量的準(zhǔn)確性，對目前電能量計費管理系統(tǒng)而言，其運行狀況可能涉及位于前端的光學(xué)互感器或者通訊網(wǎng)絡(luò)，而這又不屬于電能量系統(tǒng)，存在重新劃分管理職能等問題[4]。

1.4 網(wǎng)絡(luò)安全問題

傳統(tǒng)電氣專業(yè)上的“二次”概念在數(shù)字化的進(jìn)程中已越來越向通訊方向延伸，由于數(shù)字化變電站采用了基于開放的、標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和對等的通信模式，同時也受到了被惡意侵入的可能。IEC 61850通信協(xié)議本身并沒有對變電站網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全性做任何規(guī)定，同時網(wǎng)絡(luò)協(xié)議本身的開放性和標(biāo)準(zhǔn)性給變電站的網(wǎng)絡(luò)安全帶來重大隱患。要做到二次系統(tǒng)信息的保密性、完整性、可用性和確定性，符合二次系統(tǒng)安全防護(hù)的要求，是自動化廠家仍需考慮和完善的技術(shù)環(huán)節(jié)。雖然目前已投運的變電站采取了防火墻、分層分區(qū)隔離等手段進(jìn)行防護(hù)，但防護(hù)的效果仍有待時間的考驗。

2 問題的歸納與解決

總結(jié)以上問題都是由于變電站數(shù)字化發(fā)展過快、變革過大造成的發(fā)展中的問題。大致可歸結(jié)于設(shè)計與施工、應(yīng)用以及信息安全方面的問題。要解決這些問題主要還需加深對數(shù)字化理論的理解，進(jìn)一步掌握數(shù)字化設(shè)備的特性，使之合理配合，發(fā)揮最大優(yōu)勢。例如數(shù)字化變電站對調(diào)試和運行檢測設(shè)備提出了新要求，需要盡快研究新的試驗方式、手段，制定數(shù)字化變電站技術(shù)相關(guān)試驗及檢測標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字化進(jìn)程中通信的重要性迅速上升，而目前國內(nèi)電力系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)安全性、可靠性研究還不夠深入，對通信網(wǎng)絡(luò)還缺乏實用化的監(jiān)測、控制和評估的方法及手段。應(yīng)采用有效的軟、硬件手段對整個系統(tǒng)進(jìn)行安全防護(hù)，防止來自網(wǎng)內(nèi)外的惡意攻擊以及由于設(shè)備損壞造成的系統(tǒng)破壞，確保數(shù)據(jù)安全。

3 結(jié)論

電力系統(tǒng)不同領(lǐng)域、不同學(xué)科的技術(shù)在數(shù)字化變電站中得到了充分地發(fā)揮。由于數(shù)字化變電站的高度信息化，各種系統(tǒng)已不再孤立，常規(guī)變電站的保護(hù)專業(yè)、自動化專業(yè)及通信專業(yè)工作界面完全打破；數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)工程的設(shè)計模式、調(diào)試模式、運行模式和維護(hù)模式也都不同于傳統(tǒng)變電站；對目前傳統(tǒng)專業(yè)劃分及管理模式，也提出了很大的挑戰(zhàn)。因此，如何在總結(jié)多年電力生產(chǎn)的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)字化變電站帶來的變革，改變設(shè)計方法，重新明確運維職責(zé)和范圍、指導(dǎo)運行生產(chǎn)、規(guī)范運維作業(yè)等，已成為亟待研究和解決的問題。

[1]國家電網(wǎng)公司科技部,數(shù)字化變電站技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展分析報告[R],2009-7.

[2]鄭建平,數(shù)字化變電站技術(shù)叢書 成果與展望分冊[M].北京:中國電力出版社,2010.

[3]李逸榮, 夏紅軍, 唐建民.數(shù)字化變電站技術(shù)淺析[J].農(nóng)村電氣化,2008, (01).

[4]吳琴芳,陳懇.IEC61850與數(shù)字化變電站的應(yīng)用研究[J].電氣技術(shù),2009, (02).