數(shù)字化變電站應(yīng)用技術(shù)的研究

陳彥合　邱爽　陳輝

摘 要：數(shù)字化變電站應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展將突破原有變電站綜合自動化技術(shù)發(fā)展的“瓶頸”，有機地整合了變電站內(nèi)的各種信息，使自動化系統(tǒng)的集成化和信息應(yīng)用的效率大幅度提高。以光纜和以太網(wǎng)技術(shù)為媒介的通信模式將給常規(guī)變電站自動化系統(tǒng)的運行、檢修、工程實施以及模式的更新帶來翻天覆地的變化，更有效地實現(xiàn)自動化系統(tǒng)由定期檢修模式向狀態(tài)檢修模式的過渡，同時還能使電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的水平進(jìn)一步提高。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化變電站；光電技術(shù)；智能斷路器

中圖分類號：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的頒布實施，光電技術(shù)在傳感器領(lǐng)域的研究突破，智能型斷路器技術(shù)的提高，以及以太網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，給變電站綜合自動化技術(shù)帶來了新的發(fā)展機遇。數(shù)字化變電站技術(shù)工程化的推進(jìn)將為數(shù)字化電網(wǎng)的構(gòu)建奠定堅實的基礎(chǔ)，這種技術(shù)的應(yīng)用同時為調(diào)度自動化技術(shù)的發(fā)展提供了內(nèi)在推動力，對調(diào)度自動化技術(shù)向智能化程度發(fā)展起到了促進(jìn)作用。隨著各種相關(guān)應(yīng)用技術(shù)的成熟和發(fā)展，數(shù)字化變電站必將取代常規(guī)變電站，成為未來變電站自動化技術(shù)發(fā)展的主流。

1 傳統(tǒng)變電站自動化系統(tǒng)的現(xiàn)狀與不足

傳統(tǒng)變電站自動化系統(tǒng)主要分成三層：變電站層、間隔層和過程層。常規(guī)變電站自動化系統(tǒng)主要依靠常規(guī)的電磁型電流/電壓互感器進(jìn)行信息采集，然而由于傳統(tǒng)的電流互感器受其特性的限制，很難在如此寬泛的工作范圍內(nèi)同時滿足保護和測控單元的精度要求，因此，常規(guī)電流互感器分為保護級與計量級等不同等級，不同特性的電流互感器應(yīng)用于測控單元、計量系統(tǒng)和保護裝置。另外，常規(guī)互感器在二次負(fù)載方面存在問題：對于二次回路線路長，所接負(fù)載重、設(shè)備多的情況，如果超過了電流互感器的二次額定負(fù)載能力，需要串接或考慮換用負(fù)載能力強的電流互感器。所以，在現(xiàn)場中我們往往可以看見在反映同一個電流的位置上安裝了一串不同類型不同型號的電流互感器，占地面積多，投資大，與二次設(shè)備的配合比較復(fù)雜。間隔層中，在工作方式上，常規(guī)變電站自動化系統(tǒng)的邏輯關(guān)系和功能大多數(shù)都獨立運行。由于規(guī)約的限制，在數(shù)據(jù)交互方面，不同廠家的設(shè)備相互之間無法實現(xiàn)通信，無法共享資源，裝置的冗余配置也無法實現(xiàn)信息的冗余應(yīng)用。當(dāng)同時應(yīng)用不同廠家的產(chǎn)品時，系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)時間變長，穩(wěn)定性變差，給系統(tǒng)的維護及運行造成了極大的不便，在一定程度上給變電站自動化系統(tǒng)的投入率造成了影響。在常規(guī)變電站中由于二次電纜的可靠性問題引起的設(shè)備故障事件時有發(fā)生。

數(shù)字化變電站可以預(yù)期實現(xiàn)一、二次設(shè)備的信號利用遠(yuǎn)動通信技術(shù)進(jìn)行傳輸，光纜代替了傳統(tǒng)的二次控纜，數(shù)字信號代替了傳統(tǒng)的模擬信號。變電站二次回路設(shè)計更加便利，每個回路的電纜連接變成了光纜的示意連接，既節(jié)省了設(shè)計周期，同時簡潔的二次回路設(shè)計提高了變電站自動化系統(tǒng)的可靠性，給施工維護提供了方便。在數(shù)字化變電站中通信系統(tǒng)統(tǒng)一建模，實現(xiàn)信息共享，可以使變電站通信功能更加優(yōu)化。

2 數(shù)字化變電站系統(tǒng)概述

數(shù)字化變電站系統(tǒng)可以分為三層：即站控層、間隔層和過程層，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為開放式分層、分布式結(jié)構(gòu)。

站控層由計算機網(wǎng)絡(luò)連接的系統(tǒng)主機、遠(yuǎn)動主機、VQC、工作站、GPS對時系統(tǒng)等設(shè)備構(gòu)成。按照IEC-61850-5的要求，提供變電站內(nèi)運行的人機聯(lián)系界面，對間隔層設(shè)備實現(xiàn)管理控制等功能，形成了全站監(jiān)控以及管理中心，并可實現(xiàn)與集控中心、調(diào)度中心和保護信息主站之間的通信。站控層是整個變電所的設(shè)備監(jiān)視、測量、控制、管理的中心，通過光纜與間隔層設(shè)備采用IEC61850-8-1通信協(xié)議。數(shù)字化變電站與傳統(tǒng)變電站相比，由于整個站控層網(wǎng)絡(luò)采用了IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)，大大增強了其模型描述能力和裝置互操作性。站控層的設(shè)備除了通訊協(xié)議要滿足IEC61850外，其他功能與傳統(tǒng)自動化變電站沒有變化。

過程層設(shè)備包括光電式電子互感器、智能開關(guān)設(shè)備、合并單元及過程層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。模擬采樣數(shù)據(jù)、保護間配合信號、保護命令的傳輸對于要求具有非常高的實時性和可靠性，所以過程層選用基于IEC60044-8的點到點星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使用100M的光纖以太網(wǎng)，選用光纖做傳輸介質(zhì)。

間隔層設(shè)備由繼電保護、測控裝置等組成，與過程層設(shè)備單元之間采用GOOSE通信協(xié)議。保護測控設(shè)備采用IEC60044-8或IEC61850-9-1。間隔層按照不同的電氣間隔單元和電壓等級，分散在各個配電裝置室中，當(dāng)站控層及網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)失效時，間隔層仍然能獨立完成其監(jiān)測和斷路器控制功能。在普通的數(shù)字化變電站中，二次設(shè)備通常采用分層分布式結(jié)構(gòu)，功能獨立，面向間隔。這種模式雖然在可靠性方面有較大較高，但CT和PT負(fù)載重、硬件重復(fù)配置、接線復(fù)雜、缺乏整體的協(xié)調(diào)和功能優(yōu)化、信息不共享、運行維護成本高、投資成本大。這些裝置一般不具有全局視角，基于單點信息，是一種硬件冗余的系統(tǒng)模式，而非信息冗余。往往會因有效信息不夠全面而作出錯誤判斷，或者作出局部最優(yōu)而并非全局最優(yōu)的判斷，對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行造成影響。因此，該數(shù)字化變電站間隔層采用集中式保護形式，將所有保護、測控功能集中在一個裝置中實現(xiàn)，下放到GIS智能化匯控柜中，考慮可靠性問題，保護裝置可雙重配置。

3 智能化GIS匯控柜應(yīng)用技術(shù)的研究

3.1傳統(tǒng)GIS匯控柜的應(yīng)用技術(shù)

在以往的數(shù)字化變電站設(shè)計中，在66kV GIS附近安放兩面GIS匯控柜，里面安裝智能匯控裝置與開關(guān)設(shè)備配合完成一次設(shè)備的智能化。保護裝置通過GOOSE 網(wǎng)下發(fā)的分、合閘命令可通過匯控裝置轉(zhuǎn)換成硬接點，斷路器的操作也是匯控裝置通過自帶的操作回路插件實現(xiàn)的。匯控裝置就地采集刀閘、斷路器等一次設(shè)備的開關(guān)量信息并通過GOOSE 網(wǎng)絡(luò)上送給相關(guān)保護使用，并通過以太網(wǎng)將一次設(shè)備信息上送至MMS網(wǎng)，完成對一次設(shè)備的監(jiān)視、測量及控制，保護裝置與GIS匯控柜之間通過電纜進(jìn)行連接。

3.2 智能化GIS匯控柜的應(yīng)用技術(shù)的優(yōu)勢

智能化GIS匯控柜與以往數(shù)字化變電站不同，將普通的GIS匯控柜更換為保護及智能匯控柜。特點是將保護裝置由原來的二層控制室下放到該匯控柜中，同時安裝了一臺智能控制裝置，使得運行維護人員能及時了解GIS的運行情況，圖1為保護及智能控制柜與常規(guī)控制柜的比較圖 ，圖中所示，GIS設(shè)備與傳統(tǒng)匯控柜端子排之間的用二次控纜進(jìn)行連接；智能化匯控柜與GIS之間連接通過光纖用插件進(jìn)行連接。傳統(tǒng)GIS匯控柜通過二次控纜與二層的保護、測控裝置進(jìn)行連接，而智能匯控柜將保護下放到智能匯控柜中，縮短了二次控纜的長度。保護與后臺監(jiān)控系統(tǒng)之間的連接通過光纖即可完成。綜上所述，變智能化GIS匯控柜技術(shù)的應(yīng)用與傳統(tǒng)GIS匯控柜比較，優(yōu)勢如下：

（1）節(jié)約了電纜等設(shè)備投資以及相應(yīng)的施工投資

減少變電站內(nèi)控制電纜的數(shù)量是數(shù)字化變電站建設(shè)的一個主要目標(biāo)。一方面，隨著原材料價格的上漲，電纜的成本變得越來越高，另一方面，光纜的抗干擾性能遠(yuǎn)好于控纜，可以使變電站內(nèi)通信傳輸?shù)目煽啃源蟠筇岣?。另外，將模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號能大大增加傳輸?shù)膸捄托畔⒘俊?/p>

（2）GIS智能匯控柜使得二次回路更加簡潔

傳統(tǒng)匯控柜與保護裝置的功能有很多重合之處，例如壓力閉鎖、防跳、三相不一致等。GIS智能控制柜可以有效地取消和簡化這些功能重復(fù)的地方，使二次回路的可靠性大大提高。

（3）出廠前完成已完成設(shè)備聯(lián)調(diào)，減少現(xiàn)場調(diào)試工作量

通常設(shè)備的調(diào)試周期比較長，在電纜敷設(shè)并連接后進(jìn)行，而智能匯控柜中的一、二次設(shè)備在出廠之前已經(jīng)完成聯(lián)調(diào)，到現(xiàn)場后調(diào)試工作幾乎很少?？梢燥@著地縮短調(diào)試周期。

（4）聯(lián)鎖功能更為方便

智能控制柜中的斷路器及所有刀閘位置均可由智能裝置進(jìn)行采集，且間隔之間有光纜連接，所以可以方便地將一、二次設(shè)備之間聯(lián)鎖，大大地減少了機構(gòu)輔助接點的數(shù)量，從而使設(shè)備運行可靠性有所提高。

（5）減少了電流互感器的二次負(fù)擔(dān)

智能匯控柜中電流互感器與保護裝置的電氣距離相對縮短，因此可以選擇容量較小的小功率互感器。

（6）減少了保護控制室的占地面積和投資

使用GIS智能匯控柜可以使保護測控裝置下放到匯控柜上，從而能夠有效的減少保護控制室的占地面積，并減少造價。

結(jié)語

數(shù)字化變電站技術(shù)的發(fā)展將會是一個漫長的過程，方案的可行性、技術(shù)的成熟度均要與工程的實際應(yīng)用相結(jié)合逐步發(fā)展、完善，或者說采取分步走的策略是數(shù)字化變電站應(yīng)用技術(shù)發(fā)展比較可行的方案：第一階段可以根據(jù)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)實施示范性工程，積累數(shù)字化變電站網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的應(yīng)用經(jīng)驗；第二階段可以考慮選擇采用非常規(guī)互感器技術(shù)實現(xiàn)信息采集、傳輸、處理的數(shù)字化應(yīng)用，使非常規(guī)互感器的應(yīng)用技術(shù)更加成熟；第三階段結(jié)合智能斷路器技術(shù)的成熟度實現(xiàn)信息的采集、傳輸和處理，從交流量的采集到斷路器操作的全數(shù)字化應(yīng)用；通過將過程層總線與變電站總線進(jìn)行集成，實現(xiàn)數(shù)字化變電站綜合自動化的應(yīng)用。

數(shù)字化變電站的應(yīng)用技術(shù)突破了傳統(tǒng)變電站綜合自動化技術(shù)，具有顯著的技術(shù)特性，數(shù)字化變電站二次系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更多的反應(yīng)出網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的特點。因此，可以獲取更高的冗余性和可靠性。同時，對等通信模式的實現(xiàn)對于信息傳輸?shù)陌踩蕴岢隽烁叩囊?，?yīng)該考慮基于IED信息安全的實現(xiàn)模式，以建立變電站綜合自動化系統(tǒng)、調(diào)度自動化系統(tǒng)的信息安全機制，為電網(wǎng)安全可靠運行提供保障。

數(shù)字化變電站應(yīng)用技術(shù)在技術(shù)、經(jīng)濟上具有明顯的綜合效益，數(shù)字化變電站的應(yīng)用技術(shù)可以兼容傳統(tǒng)變電站技術(shù)，這表明數(shù)字化變電站技術(shù)可以在傳統(tǒng)變電站自動化技術(shù)的基礎(chǔ)上穩(wěn)步發(fā)展、逐步突破，實現(xiàn)新技術(shù)的應(yīng)用與智能電網(wǎng)的發(fā)展的有機結(jié)合，在數(shù)字化變電站技術(shù)成熟的基礎(chǔ)上建設(shè)新一代智能化電網(wǎng)。

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