數(shù)字化變電站運(yùn)行優(yōu)化的研究

王志鵬，王立新，王春喜

（1.山西電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001；2.晉中供電公司，山西 晉中 030600）

某110kV變電站經(jīng)過(guò)歷年擴(kuò)建和增容改造，現(xiàn)有110kV進(jìn)線(xiàn)2回，主變壓器（主變）2臺(tái)，其中1號(hào)主變10000kVA為無(wú)載調(diào)壓，2號(hào)主變20 000 kVA為有載調(diào)壓，35 kV出線(xiàn)2回，10 kV出線(xiàn)6回，10 kV電容器2組，其中1號(hào)電容器1 200 kvar，2號(hào)電容器2 400 kvar。現(xiàn)擔(dān)負(fù)著某縣多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)及高速公路等重要負(fù)荷的供電任務(wù)。

2005年，國(guó)家電網(wǎng)公司出臺(tái)了未來(lái)5年研究和推廣數(shù)字化變電站技術(shù)的實(shí)施方案，全國(guó)先后有20多個(gè)網(wǎng)、省局申報(bào)了數(shù)字化變電站示范工程項(xiàng)目。山西省根據(jù)上級(jí)單位的部署安排，積極推出了一系列的數(shù)字化變電站的改造和推進(jìn)項(xiàng)目，其目的是通過(guò)科技創(chuàng)新打造國(guó)家電網(wǎng)公司數(shù)字化變電站的優(yōu)質(zhì)工程。該110 kV變電站作為試點(diǎn)于2008年開(kāi)始進(jìn)行數(shù)字化變電站的全面改造，不僅達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平而且對(duì)智能化變電站的建設(shè)和運(yùn)行具有一定的示范作用。

1 數(shù)字化變電站系統(tǒng)簡(jiǎn)介

變電站數(shù)字化大致可描述為“站控層數(shù)字化、間隔層數(shù)字化、過(guò)程層數(shù)字化”的漸進(jìn)模式，當(dāng)前典型的數(shù)字化變電站有三種方案。

方案一是僅站控層遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的不完全數(shù)字化變電站。一次設(shè)備仍然采用傳統(tǒng)的互感器和開(kāi)關(guān)，僅二次保護(hù)裝置和監(jiān)控系統(tǒng)遵循IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。

方案二是在繼承方案一的基礎(chǔ)上，遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，采用數(shù)字化CT/PT的不完全數(shù)字化變電站；間隔層設(shè)備通過(guò)“過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)”接收采樣及狀態(tài)量數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)間隔層設(shè)備間數(shù)據(jù)共享；對(duì)于過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)，既可以是一個(gè)簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)，也可在同一物理網(wǎng)上根據(jù)需要設(shè)子網(wǎng)，能夠靈活組網(wǎng)。

方案三是在繼承方案二的基礎(chǔ)上，遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，采用數(shù)字化CT/PT和智能一次設(shè)備的完全型數(shù)字化變電站；在繼承方案二的基礎(chǔ)上，一次設(shè)備采用電子式互感器和智能開(kāi)關(guān)，二次保護(hù)裝置和監(jiān)控系統(tǒng)遵循IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。

由于智能開(kāi)關(guān)（ESW/ECB） 目前在技術(shù)上還沒(méi)達(dá)到試運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，因此方案三只是作為今后數(shù)字化變電站的發(fā)展方向提出，故在該110 kV數(shù)字化變電站的改造當(dāng)中選取了方案二，如圖1所示。

2 過(guò)程層數(shù)字化

數(shù)字化變電站中過(guò)程層的作用是給間隔層設(shè)備提供一次設(shè)備信息，并接受間隔層設(shè)備的控制命令。過(guò)程層中的設(shè)備主要包括智能電子設(shè)備（Intelligent Electronic Device）、智能開(kāi)關(guān)等智能一次設(shè)備（目前采用的是常規(guī)開(kāi)關(guān)和智能操作箱共同工作的方案）。過(guò)程層設(shè)備具備自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)描述的功能。

圖1 不完全數(shù)字化變電站的三層網(wǎng)絡(luò)模式

隨著光電子技術(shù)的發(fā)展，一種新型的光學(xué)互感器（OCT/OVT）得以發(fā)展，根據(jù)實(shí)踐可知，光學(xué)原理互感器在110 kV及以上電壓等級(jí)線(xiàn)路中有應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。光學(xué)電流互感器對(duì)一次側(cè)電流的測(cè)量采用了法拉第 （Faraday） 效應(yīng)和塞格奈克 （Sagnac） 效應(yīng)，其結(jié)構(gòu)共分為高壓側(cè)信號(hào)采集處理單元、低壓側(cè)信號(hào)處理單元和高壓側(cè)電源供電單元三個(gè)部分。由傳感器得到的電流信號(hào)先通過(guò)高壓側(cè)信號(hào)采集處理單元中的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，再經(jīng)電光轉(zhuǎn)換器（LED）將該數(shù)字信號(hào)與時(shí)鐘信號(hào)整合成光脈沖光信號(hào)，之后光纖將信號(hào)傳輸?shù)狡鹌?，通過(guò)磁光材料后再經(jīng)由檢偏器發(fā)出，并由光纖傳輸?shù)降蛪簜?cè)信號(hào)處理單元。在該單元當(dāng)中，先是通過(guò)光電探測(cè)器（PIN）將含有電流信息的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大整形電路和邏輯控制電路將電壓信號(hào)分離成計(jì)量用電流、保護(hù)用電流、電源電壓監(jiān)測(cè)和傳感頭的溫度等實(shí)際信息，這些信息由D/A轉(zhuǎn)換器還原成模擬信號(hào)最終反饋在PC終端上。通過(guò)原理分析可以看出光學(xué)電流互感器具有良好的絕緣性能、不受電磁干擾、測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍大、頻率響應(yīng)寬和體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，并且適用于數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)的傳輸。據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，電壓等級(jí)越高，光學(xué)電流互感器制造成本的優(yōu)勢(shì)越明顯，其中110 kV鐵磁線(xiàn)圈TA與光學(xué)電流互感器的造價(jià)比約為1.4∶1，220 kV約2∶1，330 kV約2.5∶1，500 kV約4∶1，據(jù)有關(guān)互感器生產(chǎn)廠家預(yù)算，1 000 kV約6∶1。同時(shí)，利用光纖傳輸信號(hào)可顯著減少線(xiàn)路損耗，提高現(xiàn)場(chǎng)的安全性，使得光學(xué)電流互感器非常適用于超高壓和特高壓電力系統(tǒng)。該110 kV數(shù)字化變電站改造工程，其電子式電流互感器就被光學(xué)電流互感器所代替。

光學(xué)電壓互感器（OVT）采用了普克爾（Pockels）效應(yīng)，也具有不受電磁干擾、無(wú)鐵磁諧振和體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，但是光學(xué)電壓互感器對(duì)光相位變化值的測(cè)量精度要求高，目前達(dá)到理想效果是比較困難的。所以此次改造工程中采用的是光學(xué)電流互感器與電子式電壓互感器配合使用的方案。

互感器將一次采樣信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào)，通過(guò)光纖接入合并單元（Mergingunit）DMU801，合并單元再將接收到的各采集器數(shù)據(jù)進(jìn)行同步綜合處理，最后提供給間隔層的保護(hù)、測(cè)控、計(jì)量等設(shè)備。在合并單元與間隔層設(shè)備間，IEC61850建議了兩種采樣值傳輸?shù)姆绞剑篒EC61850-9-1（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸）和IEC61850-9-2（網(wǎng)絡(luò)傳輸）。

IEC61850-9-1通信標(biāo)準(zhǔn)的采樣值傳輸方式與間隔層設(shè)備之間通過(guò)光纖一對(duì)一連接，需要在過(guò)程層鋪設(shè)大量的光纜，不僅會(huì)造成合并單元的不靈活安裝而且還不便于運(yùn)行維護(hù)，作為目前數(shù)字化變電站常運(yùn)用的標(biāo)準(zhǔn)，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的缺點(diǎn)已經(jīng)日益顯現(xiàn)。隨著IEC61850-9-2通信標(biāo)準(zhǔn)采樣值傳輸方式的長(zhǎng)足發(fā)展，該110 kV數(shù)字化變電站就應(yīng)用了這種先進(jìn)的傳輸方案。改造工程中發(fā)現(xiàn)應(yīng)用這種傳輸方式，光纜的鋪設(shè)量大幅減少，其各數(shù)據(jù)在過(guò)程層上實(shí)現(xiàn)了共享，對(duì)母差、主變等保護(hù)不需再加裝其他的數(shù)據(jù)處理單元，并且全面支持ASIC模型，為智能化變電站的發(fā)展奠定了通信基礎(chǔ)。

除此以外，該110 kV數(shù)字化變電站還采用了基于GOOSE的網(wǎng)絡(luò)跳合閘方案，由變壓器智能終端單元（DTU811）將傳統(tǒng)的一次變壓器設(shè)備改造為數(shù)字化智能設(shè)備，通過(guò)發(fā)出GOOSE跳閘模式連接變壓器各側(cè)的斷路器智能終端單元DTU811實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)跳閘，該模式徹底避免了CPU的誤讀高電平導(dǎo)致非電量保護(hù)誤動(dòng)作可能。

3 間隔層數(shù)字化

數(shù)字化變電站間隔層內(nèi)是保護(hù)裝置，間隔層在對(duì)本層實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)匯總的同時(shí)，對(duì)一次設(shè)備實(shí)施保護(hù)控制功能，并且在過(guò)程層和站控層之間起到承上啟下的高速網(wǎng)絡(luò)通信功能。

該110 kV數(shù)字化變電站改造工程應(yīng)用了許繼電氣公司的CBZ-8000B智能變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的系列產(chǎn)品，在間隔層設(shè)備中，包括線(xiàn)路保護(hù)裝置、主變保護(hù)裝置、電容器保護(hù)裝置等。線(xiàn)路保護(hù)裝置分為110 kV線(xiàn)路保護(hù)裝置和低壓線(xiàn)路保護(hù)裝置。WXH811B系列主要應(yīng)用于110 kV電壓等級(jí)的數(shù)字化變電站中，該裝置有三段相間及接地距離保護(hù)、四段零序保護(hù)等功能，此外還配置有三相一次重合閘功能、分布式備投及測(cè)控功能；WXH821B主要用于10～35 kV電壓等級(jí)。WBH815B裝置由WBH815B/R1和WBH815B/R2兩部分組成，該裝置起到主變保護(hù)的作用，WBH815B/R1的主要作用是完成變壓器的主保護(hù)，實(shí)現(xiàn)五側(cè)差動(dòng)；WBH815B/R2的主要作用是完成變壓器主保護(hù)的后背保護(hù)和測(cè)量控制功能，實(shí)現(xiàn)三側(cè)保護(hù)。電容器應(yīng)用WDR821B裝置進(jìn)行保護(hù)，該裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)中低壓系統(tǒng)中裝設(shè)的并聯(lián)電容器的保護(hù)功能，并且配有閉鎖投切的功能。

4 站控層數(shù)字化

站控層的主要作用是遵循IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)與調(diào)度中心進(jìn)行信息互聯(lián)，并且將調(diào)度中心的有關(guān)控制命令通過(guò)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換到間隔層和過(guò)程層執(zhí)行。站控層內(nèi)主要包含變電站時(shí)間同步系統(tǒng)和監(jiān)控PC。變電站時(shí)間同步系統(tǒng)是在站內(nèi)配置一套GPS對(duì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間主鐘裝置，這樣就可以為系統(tǒng)故障的分析和處理提供準(zhǔn)確的時(shí)間依據(jù)，同時(shí)也是加強(qiáng)整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行管理水平的必要手段。監(jiān)控PC機(jī)作為系統(tǒng)服務(wù)器和工作站的載體，各種規(guī)約通信程序在同一服務(wù)器中并列運(yùn)行，可以使用多種端口來(lái)實(shí)現(xiàn)或監(jiān)控與下層設(shè)備的聯(lián)系。

5 數(shù)字化變電站系統(tǒng)存在的問(wèn)題

a）當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，間隔層內(nèi)的保護(hù)裝置和監(jiān)控裝置有可能不動(dòng)作，而且站內(nèi)PC也不能馬上反饋GOOSE報(bào)文記錄。由于各GOOSE信息交換機(jī)就是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)個(gè)節(jié)點(diǎn)，發(fā)生故障時(shí)，很有可能造成該節(jié)點(diǎn)與各設(shè)備接口的通信中斷，這樣就不能及時(shí)對(duì)故障做出保護(hù)，從而也達(dá)不到數(shù)字化變電站的標(biāo)準(zhǔn)。如果這種情況發(fā)生頻繁，在確定是GOOSE信息交換機(jī)的問(wèn)題后可以適當(dāng)對(duì)其節(jié)點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)對(duì)常發(fā)生類(lèi)似故障的設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，并聯(lián)系廠家人員。

b）靜態(tài)工作光強(qiáng)受環(huán)境溫度影響程度的大小決定了光學(xué)電流互感器的運(yùn)行穩(wěn)定性。因此可知光學(xué)電流互感器存在著不能穩(wěn)定運(yùn)行的隱患，進(jìn)而可能出現(xiàn)擾動(dòng)信號(hào)使得一些保護(hù)裝置出現(xiàn)誤動(dòng)作。為了避免此類(lèi)事故的發(fā)生，建議定時(shí)監(jiān)測(cè)光學(xué)電流互感器和保護(hù)裝置之間的傳輸回路中是否有不穩(wěn)定的尖脈沖波或不規(guī)則的諧波出現(xiàn)。若有此類(lèi)現(xiàn)象發(fā)生，首先應(yīng)考慮傳輸回路接口板或信號(hào)板是否存在質(zhì)量問(wèn)題；其次就是注意相關(guān)的軟件編程中是否設(shè)置相應(yīng)的波形過(guò)濾功能，但是這些都不能從根本上解決此類(lèi)問(wèn)題。目前，很多科研機(jī)構(gòu)和高校都有針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題的新型光學(xué)電流互感器的研究，例如由哈爾濱工業(yè)大學(xué)和華北電力大學(xué)聯(lián)合組成的課題組提出了“自適應(yīng)光學(xué)傳感原理和螺線(xiàn)管聚磁光路結(jié)構(gòu)”的解決方案。

c）站控層的變電站監(jiān)控系統(tǒng)仍然使用的是普通的變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，這與數(shù)字化變電站的網(wǎng)絡(luò)層不能完全匹配。因此，需要全新的監(jiān)控系統(tǒng)，將現(xiàn)有數(shù)字化變電站所監(jiān)測(cè)的信息與MIS生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)集成，通過(guò)圖形處理、數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)挖掘等手段，開(kāi)發(fā)一種基于SOA架構(gòu)的變電站監(jiān)控三維可視化系統(tǒng)。改變傳統(tǒng)的監(jiān)視模式，構(gòu)建智能可視化支撐平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)監(jiān)視、分析、預(yù)警、輔助決策的知識(shí)可視化模式，實(shí)現(xiàn)事故前電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)的可視化預(yù)警及預(yù)案，事故中的可視化故障定位，直觀提醒事故的發(fā)生，事故后的可視化事故恢復(fù)方案，涵蓋了調(diào)度員值班全過(guò)程的人機(jī)界面可視化。