淺談智能化變電站的實(shí)施和應(yīng)用

郭哲強(qiáng)

(華北電力大學(xué)，河北 保定 071003)

淺談智能化變電站的實(shí)施和應(yīng)用

郭哲強(qiáng)

(華北電力大學(xué)，河北 保定 071003)

變電站作為電網(wǎng)的重要組成部分，在電網(wǎng)智能化進(jìn)程中，得到越來越多的關(guān)注。以常規(guī)站為參考，討論變電站中數(shù)字化技術(shù)的實(shí)施和應(yīng)用，著重介紹過程層網(wǎng)絡(luò)以及過程層VLAN和GMRP組網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。數(shù)字化變電站過程層的采樣同步依賴于高精度采樣時(shí)標(biāo)，分析了時(shí)鐘系統(tǒng)異常時(shí)，對站內(nèi)智能IED設(shè)備運(yùn)行狀況和性能的影響以及現(xiàn)階段的主要解決方案。電子式互感器作為智能化變電站重要組成部分，辯證分析了其存在的先進(jìn)性和現(xiàn)階段主要存在的技術(shù)難題。

過程層;VLAN;GMRP;時(shí)鐘系統(tǒng);電子式互感器

1 數(shù)字化變電站概況

1.1 基本概念

提高電網(wǎng)運(yùn)行可靠性是電力企業(yè)研究不變的宗旨，隨著電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和信息交換標(biāo)準(zhǔn)的提高，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生，并迅速得到國內(nèi)電力自動化企業(yè)的一致認(rèn)可及廣泛應(yīng)用。如今，基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的研究在變電站的應(yīng)用中得到越來越多的關(guān)注，在這樣的背景下提出了智能化變電站概念［1-3］。

智能化變電站由智能化一次設(shè)備 (智能開關(guān)、電子式互感器)、二次保護(hù)測控設(shè)備 (新一代微機(jī)保護(hù)監(jiān)控設(shè)備)、在線監(jiān)測 (環(huán)境監(jiān)測、一次設(shè)備在線監(jiān)測等)和站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)組成，建立在IEC61850通信規(guī)范基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)變電站自動化所要求的保護(hù)、測量和控制等功能。按照物理網(wǎng)絡(luò)連接，一般分為站控層、過程層和間隔層。

1.2 特點(diǎn)和功能［4-5］

由圖1可見，智能化變電站在實(shí)現(xiàn)方式和結(jié)構(gòu)上發(fā)生了很大改變，可以清晰的比較出智能化站和常規(guī)站的不同點(diǎn)和相似之處。

智能化站在設(shè)備組成上基本和常規(guī)站類似，監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)動系統(tǒng)等以常規(guī)方式接入，站控層雙網(wǎng)配置;不同之處在于模擬量和開關(guān)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息通過光纖傳輸，采用IEC61850通信規(guī)約標(biāo)準(zhǔn)，3個(gè)網(wǎng)絡(luò)層獨(dú)立運(yùn)行，互不干擾。隨著光纖通信技術(shù)的成熟，保證這種方式可靠運(yùn)行。

監(jiān)控系統(tǒng)主機(jī)、工作站、遠(yuǎn)動主機(jī)、VQC等設(shè)備通過以太網(wǎng)連接組成過程層，基于IEC-61850-5通信規(guī)范，建立變電站內(nèi)運(yùn)行人機(jī)對話界面，實(shí)現(xiàn)對間隔層設(shè)備的監(jiān)視和控制，并可與各級調(diào)度中心、集控中心、保護(hù)信息主站通信。就站控層網(wǎng)絡(luò)而言，采用IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)，其模型描述能力和裝置互操作性都有很大提高。

圖1 數(shù)字體變電站和傳統(tǒng)變電站結(jié)構(gòu)對比圖

保護(hù)裝置、測控裝置、計(jì)量裝置及接入的其它智能設(shè)備組成間隔層。單間隔設(shè)備有線路保護(hù)、計(jì)量裝置。跨間隔設(shè)備包括母差保護(hù)、變壓器保護(hù)、備自投保護(hù)等。所有設(shè)備要求具有按IEC61850協(xié)議進(jìn)行建模與站控層進(jìn)行通信的功能。

過程層設(shè)備間通信具有支持IEC60044-8和IEC61850-9-2協(xié)議來傳輸電流電壓數(shù)據(jù) (一般稱為SMV網(wǎng)絡(luò))，支持GOOSE網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制、遙信采集等功能。

過程層主要完成開關(guān)量I/O和控制命令的接收、發(fā)送、交流采樣的傳輸?shù)扰c一次設(shè)備相關(guān)的功能。典型的過程層設(shè)備有電子互感器 (通過合并單元與間隔級設(shè)備進(jìn)行信息交互)、智能終端和具有接收和發(fā)送GOOSE功能的保護(hù)測控設(shè)備等。

數(shù)字化變電站設(shè)備之間通信具有靈活的方式，如直采直跳、網(wǎng)采網(wǎng)跳等。國內(nèi)通常選擇保護(hù)直采直跳方式，通過測控、錄波等功能組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。這種方式體現(xiàn)了數(shù)字化變電站設(shè)計(jì)的靈活性，既保證保護(hù)功能可靠實(shí)現(xiàn)，又在一定程度上簡化網(wǎng)絡(luò)、節(jié)約成本。數(shù)字化變電站和傳統(tǒng)變電站結(jié)構(gòu)對比如圖1所示。

2 數(shù)字化變電站技術(shù)構(gòu)成

按照一次設(shè)備類型的不同 (常規(guī)、智能)分2種實(shí)現(xiàn)方式。

一次設(shè)備采用常規(guī)互感器和開關(guān)，通過智能終端和合并單元就地轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，稱之為基于傳統(tǒng)互感器及過程層信息交換的數(shù)字化變電站。吉林500 kV包家變，吉林四平220 kV一次變，黑龍江220 kV拉東變等變電站依據(jù)此模式改造，如圖2所示。

一次設(shè)備采用電子式互感器，直接向IED設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)字信號，稱之為基于站控層及過程層全信息交換的數(shù)字化變電站。吉林500 kV長春南變電站依據(jù)此模式建造，如圖3所示。

圖2 基于傳統(tǒng)互感器及過程層信息交換的數(shù)字化變電站

圖3 基于站控層及過程層全信息交換的數(shù)字化變電站

2.1 時(shí)鐘系統(tǒng)

傳統(tǒng)變電站一般只需時(shí)間同步，精度要求不高。數(shù)字化變電站在要求時(shí)間同步的前提下，過程層設(shè)備數(shù)字式互感器、合并單元、保護(hù)測控裝置等均依賴于高精度的采樣時(shí)標(biāo)。要求站內(nèi)具有高精度的統(tǒng)一時(shí)鐘源，為保證時(shí)鐘系統(tǒng)的可靠性，配置GPS和北斗時(shí)鐘互為主備運(yùn)行。

目前常見的3種對時(shí)方式有SNTP、IRIG-B和IEEE1588。其中IRIG-B對時(shí)具有精度高、易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，在數(shù)字化變電站中應(yīng)用較多。

隨著以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，基于以太網(wǎng)的精確時(shí)鐘同步技術(shù)IEEE1588逐漸發(fā)展起來，IEEE1588采用專門的硬件配合以太網(wǎng)，可以精確測量和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)上的延時(shí)，實(shí)現(xiàn)高精度對時(shí)，精度可達(dá)到亞微秒級，該技術(shù)可簡化對時(shí)網(wǎng)絡(luò)，利用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠性的時(shí)鐘同步。由于該技術(shù)還有一些關(guān)鍵性問題需要解決，在國內(nèi)應(yīng)用較少，但隨著科技進(jìn)步，該技術(shù)一定會得到廣泛應(yīng)用。

按照現(xiàn)有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和時(shí)鐘技術(shù)，一般情況下，精密性都可以滿足數(shù)字化站運(yùn)行要求。主要存在的問題是當(dāng)時(shí)鐘系統(tǒng)異?；驎r(shí)鐘丟失，站內(nèi)設(shè)備處于時(shí)鐘失步狀態(tài)時(shí)對電網(wǎng)以及站內(nèi)設(shè)備運(yùn)行的影響。研究表明，組網(wǎng)獲取模擬量和開關(guān)量時(shí)基于對時(shí)功能，合并單元裝置異常時(shí)，接受設(shè)備 (測控、保護(hù))報(bào)“SMV鏈路出錯”等異常信息，要在組網(wǎng)方式下裝置可獲取信息。以合并單元為例，9-2方式4 000幀/s報(bào)文，每一幀報(bào)文都有一個(gè)報(bào)文序號，在組網(wǎng)方式下，按照報(bào)文流量不同，交換機(jī)的延時(shí)不確定，此時(shí)如果以直采直跳方式讀固有延時(shí)，則采樣數(shù)據(jù)不準(zhǔn)。所以，在同步方式下，以報(bào)文的序號為基準(zhǔn)，每一幀報(bào)文按照序號一一對應(yīng)進(jìn)行插值計(jì)算。這種方式不用考慮交換機(jī)延時(shí)的變化，完全依賴站內(nèi)的對時(shí)系統(tǒng)。時(shí)鐘系統(tǒng)異常時(shí)裝置將無法找到同一時(shí)刻的報(bào)文，若報(bào)采樣丟幀、鏈路出錯，一般會導(dǎo)致測控信息不準(zhǔn)、錄波器錄波異常、電能表計(jì)量錯誤等。

站內(nèi)需要同時(shí)讀取多個(gè)間隔數(shù)據(jù)進(jìn)行差動計(jì)算的設(shè)備如母差、主變等，目前較常用的方式是各個(gè)間隔不通過交換機(jī)，而通過直連光纖連接，稱之為直連方式。這種方式需要忽略光纖本身的延時(shí)誤差，每個(gè)合并單元提供一個(gè)準(zhǔn)確延時(shí)，接收單元依據(jù)各個(gè)間隔的延時(shí)，以接收時(shí)刻為基準(zhǔn)，向前還原數(shù)據(jù)，保證用于差動計(jì)算的數(shù)據(jù)為同一時(shí)刻采樣數(shù)據(jù)，而不基于站內(nèi)的對時(shí)系統(tǒng)，比較可靠。目前主要存在的問題是涉及到多個(gè)廠家合并單元配合時(shí)，不僅要求延時(shí)與實(shí)際相符合，還需要本合并單元44-8和9-2數(shù)據(jù)發(fā)送延時(shí)也絕對正確，否則接收單元都無法獲取同一時(shí)刻采樣數(shù)據(jù)，導(dǎo)致裝置有差流。

結(jié)合以上對時(shí)系統(tǒng)對數(shù)字化站的影響，采用較多的方式是保護(hù)直采直跳，測控、錄波等組網(wǎng)獲取。目前電能表數(shù)字化技術(shù)還不太成熟，一般還只能通過網(wǎng)絡(luò)獲取采樣數(shù)據(jù)，因此，為保證計(jì)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用傳統(tǒng)電纜單獨(dú)接入。

2.2VLAN 和 GMRP

在過程層GOOSE和SMV網(wǎng)絡(luò)中，站內(nèi)IED設(shè)備接入過程層交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)，交換機(jī)需進(jìn)行大量數(shù)據(jù)交換，其傳輸延時(shí)會受影響，為降低這種影響，如何對交換機(jī)設(shè)置流量，使交換機(jī)每一個(gè)數(shù)據(jù)口只傳輸相應(yīng)的數(shù)據(jù)十分重要。

基于這種考慮，首先對交換機(jī)進(jìn)行VLAN劃分，其核心思想是:每個(gè)數(shù)據(jù)口接收到的信息都設(shè)置一個(gè)唯一標(biāo)簽 (稱之為PVID)，然后在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置轉(zhuǎn)發(fā)需要的PVID，稱之為VLAN劃分，是對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行靜態(tài)劃分。VLAN還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是比較靈活，劃分可以簡單也可以繁瑣，只要可以滿足運(yùn)行的要求和功能就可以，這也是其目前被廣泛使用的原因。常見的交換機(jī)羅杰康、赫斯曼和南瑞繼保PCS-9882等都支持VLAN功能，從現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來看，VLAN功能滿足當(dāng)初的設(shè)想，提高了交換機(jī)工作效率，數(shù)據(jù)傳輸可靠系數(shù)高，在現(xiàn)場使用較多，推薦使用。

主要存在的問題如下。首先工作較繁瑣。其次VLAN劃分要求集成商對數(shù)字化站的結(jié)構(gòu)比較清楚，了解整個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間接收和發(fā)送的關(guān)系。各個(gè)廠家的交換機(jī)VLAN劃分方法各不相同，如赫斯曼交換機(jī)一般需要設(shè)置允許發(fā)送的數(shù)據(jù)，可以WEB網(wǎng)頁登陸，而羅杰康交換機(jī)則需設(shè)置限制發(fā)送的數(shù)據(jù)，一般需要專門的調(diào)試線串口登陸。級聯(lián)口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)處理方式也不同，國外的交換機(jī)說明書是全英文，所以VLAN劃分工作要求調(diào)試人員自己去摸索?？傊?，VLAN劃分工作要求調(diào)試人員對數(shù)字化技術(shù)比較精通，否則會影響到整個(gè)站的邏輯關(guān)系。VLAN劃分的合理性體現(xiàn)了調(diào)試人員對數(shù)字化站的理解。

GMRP組網(wǎng)在一些新建智能化變電站工程試點(diǎn)中，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動態(tài)劃分，需要使用IED裝置的MAC和端口，裝置要求支持GMRP功能，在正常運(yùn)行狀態(tài)下，向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送查詢報(bào)文，無需對交換機(jī)進(jìn)行設(shè)置。這種方式省去了對交換機(jī)劃分VLAN的工作，只需在SCD中設(shè)置，對裝置提出新要求，目前還在試驗(yàn)階段。存在的主要問題是:［6］數(shù)字化站采用GMRP組網(wǎng)時(shí)，需要采用新的開發(fā)程序，之前的程序一般都不支持該功能，增加各個(gè)廠家的研發(fā)成本;對集成商調(diào)試人員要求降低，省去了劃分VLAN的工作。由于現(xiàn)場使用較少，缺乏長期的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，其可靠性還需進(jìn)一步觀察。目前，一些廠家或一些試點(diǎn)工程熱衷GMRP組網(wǎng)，成熟變電站的設(shè)計(jì)思路一般還會選擇VLAN劃分。圖4介紹了GMRP組網(wǎng)的通信過程［7］。

圖4 GMRP組網(wǎng)通信過程

2.3 過程層

過程層實(shí)現(xiàn)智能化站的控制和測量，把每一個(gè)智能設(shè)備作為一個(gè)IED，系統(tǒng)集成商根據(jù)各廠家ICD文件，分配唯一的 IEDName、MAC地址等，通過SCD配置工具生成變電站的數(shù)據(jù)文件SCD文件，按照設(shè)計(jì)進(jìn)行虛端子連線，生成CID文件，不需要二次修改配置，文本標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一，符合61850標(biāo)準(zhǔn)的精神，并且提高了數(shù)字化站實(shí)施的效率和正確率。

考慮到電子式互感器和智能開關(guān)在現(xiàn)場使用不多，主要介紹基于傳統(tǒng)互感器和開關(guān)智能化變電站過程層信息交換的過程，如圖5所示。

圖5 過程層原理圖

智能終端就地安裝，通過短距離的電纜與一次設(shè)備相連，而與二次的保護(hù)控制裝置則通過光纖通信。智能終端用軟件邏輯取代傳統(tǒng)操作箱中復(fù)雜的繼電器回路，從根本上解決了傳統(tǒng)繼電器回路中大量分立元件的電壓、功率和時(shí)延等參數(shù)離散性的影響，具有邏輯清晰、時(shí)延確定、調(diào)試維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。輸出模塊可以提供大量輸出接點(diǎn)，完成對斷路器、隔刀和地刀等一次開關(guān)設(shè)備的分合及閉鎖操作。輸入模塊提供的大量數(shù)字/模擬量輸入接口，就地采集斷路器和刀閘等一次設(shè)備的狀態(tài)量，省去傳統(tǒng)一次設(shè)備與二次保護(hù)控制裝置之間鋪設(shè)的大量長距離電纜，降低了二次設(shè)備受電磁干擾的可能性，增強(qiáng)了二次設(shè)備運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。

2.4 電子式互感器

電流及電壓互感器是為電力系統(tǒng)進(jìn)行電能計(jì)量和繼電保護(hù)提供電流、電壓信號的重要設(shè)備，其性能指標(biāo)直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全、可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，是電力系統(tǒng)電流電壓測量的基本設(shè)備。但隨著電網(wǎng)電壓等級的提高及智能化一次、二次設(shè)備的發(fā)展，傳統(tǒng)電磁式互感器的缺點(diǎn)越來越突出，如電氣絕緣薄弱、體積笨重、動態(tài)范圍小、存在鐵心飽和、鐵磁諧振過電壓等。電磁式互感器的輸出信號以模擬量的方式傳送，不同信號需不同電纜傳送，使用電纜較多，還需要考慮二次負(fù)載情況。特別是，電流互感器鐵心飽和現(xiàn)象，已出現(xiàn)多次非故障相由飽和引起的線路保護(hù)誤動，給電網(wǎng)可靠運(yùn)行帶來隱患。

基于以上考慮，尋求一種安全、可靠、性能優(yōu)越的新方法來實(shí)現(xiàn)高電壓大電流的測量，并能有效克服傳統(tǒng)電磁式互感器固有缺陷的電子式互感器應(yīng)運(yùn)而生，且有以下優(yōu)點(diǎn):

a. 一次、二次側(cè)完全隔離，安全性高，絕緣性能好;

b. 不再使用鐵心，從根本上解決磁飽和、鐵磁諧振等問題;

c. 測量精度較高;

d. 不需要充油，解決潛在的易燃、易爆等危險(xiǎn);

e. 直接通過光纖接入保護(hù)等設(shè)備，無二次負(fù)載問題，抗干擾性能好;

f. 適應(yīng)電力系統(tǒng)數(shù)字化、智能化發(fā)展的需要。

電子式互感器的輸出為數(shù)字信號，傳輸介質(zhì)為光纖，可方便組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，而且能實(shí)現(xiàn)在線檢測和故障診斷，成為數(shù)字化變電站過程層的關(guān)鍵設(shè)備之一。

目前主要存在的問題是:高電壓等級 (500 kV及以上系統(tǒng))互感器干擾問題還需進(jìn)一步研究解決，如在投運(yùn)時(shí)，會因干擾導(dǎo)致保護(hù)無法正常工作、電子式互感器工作異常等。另外，電子式互感器一般需要通過光纜直接接入保護(hù)室，光纖的性能成為影響運(yùn)行的一個(gè)重要因素，若多次出現(xiàn)由于溫度低、光纖斷裂導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸異常的情況，一般應(yīng)更換光纜，這在運(yùn)行站工作量非常大，因此，應(yīng)尋求一種更好的技術(shù)解決干擾問題，特殊地區(qū)需使用專門光纜，并推廣電子式互感器的使用。

3 數(shù)字化變電站的發(fā)展

經(jīng)過近幾年的不斷努力，智能化技術(shù)有了很大提高。就目前已投運(yùn)的各個(gè)電壓等級的智能站運(yùn)行情況來看，智能化變電站的優(yōu)勢仍較明顯。無論是監(jiān)控系統(tǒng)的可視化、設(shè)備的互操作性，還是變電站的自動化程度。隨著技術(shù)的發(fā)展及用戶對電網(wǎng)管理提出的更高需求，數(shù)字化變電站還會有更廣闊的發(fā)展空間和前景。一些新技術(shù)將被持續(xù)研究和應(yīng)用，如同步采樣技術(shù)、高級應(yīng)用技術(shù) (智能告警、智能開票、順序控制)、在線監(jiān)測及設(shè)備智能化技術(shù)、1000M以太網(wǎng)技術(shù)、新能源信息接入技術(shù)、智能化展示及操作技術(shù)等。同時(shí)，數(shù)字化變電站的建設(shè)出發(fā)點(diǎn)及專業(yè)管理等也將發(fā)生深刻變化。

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On the Implementation of Digital Substation and Applications

GUO Zhe-qiang
(North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071003，China)

Substation as an important part of the grid，in the process of digitizing，gets more and more attention.In this paper，conventional station as a reference，substation digital technology implementation and application is discussed.It focused on the advantages and disadvantages of layer network，VLAN and GMRP.Digital substation synchronication sampling depends on the precision of the sampling time scale.When the analysis clock system is abnormal，the impact on the smart IED equipment and the main soultions to it.Electronic transformer as an important part of intelligent substation，analysis are made on it concerning the advanced nature and the technical problem at this time.

Process level;VLAN;GMRP;Clock system;Electronic transformer

TM63;TM76

A

1004-7913(2014)03-0044-05

book=4,ebook=345

郭哲強(qiáng) (1980—)，遼寧錦州人，學(xué)士，工程師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)與自動化技術(shù)。

2013-10-10)