變電所自動化技術(shù)的發(fā)展研究

雷源華（陜西延長石油巴拉素煤業(yè)有限公司，陜西 榆陽 719013）

煤礦機(jī)電設(shè)備數(shù)量多、負(fù)荷大、運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，對供電可靠性要求高，變電所是電能轉(zhuǎn)換、分配的樞紐，自動化水平關(guān)系到煤礦生產(chǎn)的安全，所以在煤礦電力系統(tǒng)中的地位和作用都非常重要[1]。常規(guī)變電所二次系統(tǒng)由繼電保護(hù)、就地監(jiān)控、遠(yuǎn)動裝置和錄波裝置等組成，存在著安全性與可靠性低、電能質(zhì)量不穩(wěn)定、控制能力差、故障維修量大等不足，對煤礦安全生產(chǎn)影響較大，所以近年來煤礦對變電所自動化技術(shù)不斷進(jìn)行升級改造，井下變電所大都實現(xiàn)了無人值守。然而變電所自動化技術(shù)發(fā)展很快，現(xiàn)在已經(jīng)開啟數(shù)字化時代，基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)體系的數(shù)字化變電站技術(shù)已進(jìn)入實用化，因此本文對煤礦變電所自動化技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了探討。

1.變電所自動化技術(shù)的發(fā)展歷程

1.1 早期的自動化技術(shù)

變電所自動化技術(shù)實際上很早就出現(xiàn)了，20世紀(jì)50年代后采用晶體管元件組成的模擬電路，應(yīng)用古典控制理論，對受控對象進(jìn)行PID調(diào)節(jié)和反饋校正，實現(xiàn)了閉環(huán)控制。主要控制功能包括自動重合閘、低頻減振、繼電保護(hù)和備用電源自投等。但是自動裝置之間缺少聯(lián)系、沒有自我診斷功能、體積大、運(yùn)行不穩(wěn)定等問題十分突出[2]。

1.2 綜合自動化技術(shù)

20世紀(jì)60年代后，控制理論有了很大發(fā)展，同時計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，形成了協(xié)控、程控、集控等功能，遠(yuǎn)動終端（RTU）也用于變電所控制中，從而提高了控制的精確性、速度和質(zhì)量，但是集中控制的風(fēng)險較大，可靠性也未得到根本改觀。70年代微處理器的誕生以及大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，監(jiān)控功能增加，故障自我診斷能力也得到應(yīng)用，并在測量精度、控制可靠性方面得到提高，但是系統(tǒng)內(nèi)部仍然缺乏有效聯(lián)系，多數(shù)功能獨立運(yùn)行，自動化孤島現(xiàn)象比較明顯。80-90年代后，計算機(jī)技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，變電所自動化技術(shù)也得到較快發(fā)展，系統(tǒng)由集中式向分布式、分散式發(fā)展，現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)、多CPU系統(tǒng)得到應(yīng)用。隨著IEC61870-5標(biāo)準(zhǔn)的實施，信息整合、聯(lián)網(wǎng)和多系統(tǒng)聯(lián)合技術(shù)得到應(yīng)用。

1.3 全面數(shù)字化技術(shù)

數(shù)字化變電所是基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一建模，并采用眾多智能技術(shù)，進(jìn)行一體化設(shè)計的單一系統(tǒng)變電站，具有數(shù)據(jù)采集數(shù)字化、系統(tǒng)分層分布化、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊化、系統(tǒng)建模標(biāo)準(zhǔn)化、信息交互網(wǎng)絡(luò)化、信息應(yīng)用集成化、設(shè)備檢修狀態(tài)化及設(shè)備操作智能化等鮮明的特征[3]，它在變電所建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)和管理方面的獨特優(yōu)勢，使其在變電所自動化技術(shù)上具有劃時代的意義。數(shù)字化變電所由站控層、間隔層和過程層構(gòu)成。其中過程層應(yīng)用了電子式互感器和智能開關(guān)設(shè)備，可實現(xiàn)對運(yùn)行電氣量檢測、設(shè)備狀態(tài)檢測和控制命令執(zhí)行等功能。間隔層配置測控裝置、保護(hù)裝置、安全自動裝置、電能計量裝置和故障錄波器等設(shè)備，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)匯總、一次設(shè)備保護(hù)控制、操作閉鎖等功能，由于網(wǎng)絡(luò)接口采用雙口全雙工方式，網(wǎng)絡(luò)通信可靠性得到保障。站控層由主機(jī)/操作員站、五防工作站、保護(hù)信息子站及遠(yuǎn)動裝置等組成，具有數(shù)據(jù)更新及時、與電網(wǎng)調(diào)度中心聯(lián)系緊密、可在線編程操作閉鎖控制、站內(nèi)監(jiān)控、人機(jī)聯(lián)系以及對間隔層、過程層在線維護(hù)、在線組態(tài)、在線修改參數(shù)等功能。因此，數(shù)字化變電所代表了當(dāng)前變電所自動化技術(shù)發(fā)展的最高水平和成就。

2.變電所自動化技術(shù)應(yīng)用

2.1 工程概況

某煤礦電網(wǎng)擁有多座35kV變電站和數(shù)座6kV變電站，承擔(dān)著礦區(qū)內(nèi)所有生產(chǎn)礦井及周邊地區(qū)供電任務(wù)。自上世紀(jì)90年代起，已陸續(xù)對部分變電所進(jìn)行了自動化改造，并且嘗試了調(diào)度自動化技術(shù)。然而各變電站內(nèi)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、傳輸規(guī)約、通信協(xié)議等各不相同，變電站的運(yùn)行維護(hù)成本高，系統(tǒng)互聯(lián)及互操作性差，也對變電所繼續(xù)升級改造形成很大阻力。為此，需要進(jìn)行較為徹底的改造，以從根本上改變目前的被動局面。如上所述，應(yīng)用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)字化改造可以較為完美解決這個問題。

2.2 改造目標(biāo)與要求

根據(jù)工程具體情況，制定了“一次規(guī)劃、分段實施”和“電力調(diào)度一體化系統(tǒng)”的原則，主要內(nèi)容包括變電站綜合自動化改造、五防系統(tǒng)建設(shè)、一體化傳輸網(wǎng)絡(luò)平臺建設(shè)等內(nèi)容，并作出以下具體要求：變電站主接線運(yùn)行可靠，操作、維護(hù)、檢修簡便；開關(guān)設(shè)備實現(xiàn)無油化；采用直流操作電源，并有可靠備用電源；遙測量、遙信量要全面、準(zhǔn)確、可靠等。

2.3 實施方法

變電站總體架構(gòu)將操作員接口、工程師接口、通用計算機(jī)接口、現(xiàn)場單元（1、2、…、n）、低級人機(jī)接口分別與通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互聯(lián)，即將物理上分散配置的各計算機(jī)、現(xiàn)場單元通過通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備有機(jī)連接在一起，實現(xiàn)信息交互、資源共享，以便集中控制。

變電站綜合自動化模塊分為中心樞紐單元和現(xiàn)場單元兩部分，并分別與通用通信網(wǎng)絡(luò)和專用通信設(shè)備（通道控制機(jī)）相連，實現(xiàn)通信和控制功能。中心樞紐單元包括調(diào)度員接口（操作員接口）、維護(hù)人員接口（工程師接口）、通用微機(jī)接口、上級調(diào)度接口，這些設(shè)備安裝在變電站（所）值班室內(nèi)，并通過站內(nèi)以太網(wǎng)連接。現(xiàn)場單元包括數(shù)據(jù)采集與處理模塊、主變保護(hù)模塊、出線保護(hù)模塊、母線保護(hù)模塊、直流保護(hù)模塊、電容器保護(hù)模塊，這些設(shè)備分布于變電站現(xiàn)場。

采用一體化通信平臺作為各變電站、電力調(diào)度中心和用戶之間的高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)平臺，并采用光纖通道實現(xiàn)高可靠性的通信要求。除保留必要的緊急操作的手動分、合閘以外，其他全部監(jiān)控、測量、報警等都由監(jiān)控計算機(jī)完成。調(diào)度自動化平臺由前置系統(tǒng)、系統(tǒng)服務(wù)器和Web服務(wù)器等設(shè)備組屏而成。

改造后的數(shù)字化變電所具有分布式結(jié)構(gòu)與集中設(shè)計相結(jié)合、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單可靠、兼容性與可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點。

3.變電所自動化技術(shù)展望

雖然數(shù)字化技術(shù)較好地解決了變電所自動化過程中存在的眾多問題，但是仍未完全成熟，目前存在的不足有：（1）IEC 61850應(yīng)用問題，如該標(biāo)準(zhǔn)基于歐美標(biāo)準(zhǔn)和習(xí)慣而制定，與我國目前使用的保護(hù)功能、方法等方面存在一些差異，在實際建模過程中受到一些限制；再如高壓保護(hù)雙重化配置，兩套保護(hù)同時動作并發(fā)送報文時存在沖突的可能。（2）設(shè)備方面的不成熟，如智能一次設(shè)備智能斷路器未完全成熟，所以采用完全數(shù)字化技術(shù)有一定困難，折中的解決方法包括設(shè)計基于IEC 61850通信協(xié)議的過渡型數(shù)字變電站或基于IEC 61850通信協(xié)議與數(shù)字化互感器的實用型數(shù)字化變電站。

無論如何，一項新技術(shù)從孕育、發(fā)展到成熟必然有一個過程，展望未來可以預(yù)計在信息安全、狀態(tài)檢修、基于GOOSE網(wǎng)絡(luò)技術(shù)新應(yīng)用、采用高端交換機(jī)冗余組網(wǎng)、高度集成、智能自愈、異地同步測量、三態(tài)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化等方面會有所突破，從而使數(shù)字化變電站運(yùn)行更加智能、可靠，并為智能電網(wǎng)的建設(shè)奠定堅實基礎(chǔ)。

4.結(jié)語

煤礦變電所進(jìn)行自動化建設(shè)不僅可降低人力、物力和財力的投入，更重要的是提高煤礦運(yùn)行的安全性，為煤礦穩(wěn)定生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展提供堅實的基礎(chǔ)保障。從變電所自動化技術(shù)的發(fā)展歷程可以看出，技術(shù)進(jìn)步是無止境的，只有保持對技術(shù)發(fā)展的敏感性，才能不落伍。

[1]李素英，薛沖，竇真蘭.基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的煤礦變電所數(shù)字化改造[J].電工技術(shù)，2012(9)：35-37.

[2]屠強(qiáng)，周迎秋，肖榮國，等.變電所自動化實用技術(shù)及應(yīng)用指南[M].北京：中國電力出版社，2004.

[3]鄭建平，蔡永智，張勇志.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.