變電站數(shù)字化改造技術(shù)分析

欒　暉 敖子榮

（神華準格爾能源集團公司供電公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

變電站數(shù)字化改造技術(shù)分析

欒暉 敖子榮

（神華準格爾能源集團公司供電公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的進步，電網(wǎng)建設(shè)也取得了很大的成就，在數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用之后，對變電站的功能提出了更多的要求。數(shù)字化變電站建設(shè)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，對常規(guī)變電站進行數(shù)字化改造也已經(jīng)成為未來的發(fā)展趨勢，通過數(shù)字化改造，能提高變電站的質(zhì)量，工作效率也有很大提升。

變電站；數(shù)字化；改造技術(shù)

對于數(shù)字化變電站而言，就是在正常運行過程中，無論是進行信息的處理、信息傳輸、信息采集等，都是由傳統(tǒng)模擬信息轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化信息，在此基礎(chǔ)上，建立一個相互適應(yīng)的系統(tǒng)變電站和通信網(wǎng)絡(luò)，和常規(guī)變電站最大的不同就是數(shù)字化變電站的一次設(shè)備具備智能化，二次設(shè)備擁有網(wǎng)絡(luò)化，而管理系統(tǒng)具備自動化等特點，這些先進技術(shù)的應(yīng)用，極大地提高了其運行效率，保證整個電網(wǎng)運行的安全性和穩(wěn)定性。

一、對數(shù)字化變電站的整體結(jié)構(gòu)進行分析

在對數(shù)字化變電站進行設(shè)計的時候，對一次設(shè)備和二次設(shè)備，以及其他系統(tǒng)都有一定的要求，例如一次設(shè)備一定要具備智能化，而二次設(shè)備要擁有網(wǎng)絡(luò)化的特點。對于變電站而言，設(shè)計中分成3部分進行考慮，有過程層、間隔層和站控層，在過程層中主要利用模擬量對終端的合并單元進行收集，在此基礎(chǔ)上，由開關(guān)的輸入，開關(guān)的輸出等構(gòu)成。對于間隔層而言，構(gòu)成部分主要包括測控裝置和保護裝置。對于站控層而言，其功能模塊中主要涉及到故障信息的子系統(tǒng)，運動子系統(tǒng)，以及監(jiān)控子系統(tǒng)等，結(jié)構(gòu)并不十分復(fù)雜。

二、分析過程層數(shù)字化改造技術(shù)

對于常規(guī)使用的變電站而言，其內(nèi)部的保護裝置，測量控制裝置，以及一次設(shè)備之間，都是利用電纜直接進行連接，這樣就可以很好地完成電氣量的采集工作，有效控制刀閘和開關(guān)。在進行一次設(shè)備的數(shù)字化改造過程中，必須利用智能終端的功能，主要涉及到常規(guī)智能操作箱，變壓器智能單元，以及合并單元等，使用電纜連接一次設(shè)備和智能終端，有效把電信號變?yōu)楣庑盘枺浇槭枪饫w網(wǎng)絡(luò)可以很好地進行信息之間的交互。

1.對合并單元的改造分析

安裝常規(guī)互感器時，要遵循就地安裝原則，利用交流頭的作用，對電纜傳送模擬信號進行采樣，然后對收集到的數(shù)據(jù)進行處理，再通過IEC60044-8的協(xié)議借助光纖通道裝置，將這些數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)交換機中，其主要作用就是為測控裝置提供共享數(shù)據(jù)，或者為模擬量進行保護。在實踐中應(yīng)該得知，1臺合并單元可以對12路的模擬量數(shù)據(jù)進行收集，這12路模擬量主要包括4路的測量電壓，3路測量電流，以及5路的保護電流，保證數(shù)據(jù)的準確性，為以后的工作打好基礎(chǔ)。

2.分析變壓器中的智能單元情況

對于變壓器智能單元而言，其會受到傳統(tǒng)變壓器制造特點的限制，由于制造時沒有進行實際試驗，導(dǎo)致其有一定的制造缺陷，因此二者之間的配合有一定問題，對于變壓器中的各種設(shè)備，傳輸裝置等，都是利用電纜進行連接的，然后對繼電器進行驅(qū)動，進而完成整個信息的交流過程。而對于這種新型的數(shù)字化變電站中，間隔層和過程層之間是利用光纖連接的，通過網(wǎng)絡(luò)進行各自信息的共享和交換，根據(jù)變壓器非電氣量相對獨立的特點，使用變壓器本體智能單元，可以實現(xiàn)非電氣量保護和測控一體化。對于本體智能單元而言，其會結(jié)合常規(guī)變電站的方式，完成變壓器非電量保護和本體測控功能，在此基礎(chǔ)上，還會利用光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，把變壓器非電氣量信息輸送給間隔層裝置，實現(xiàn)二者信息之間的共享。

3.分析系統(tǒng)中智能操作箱的情況

對于智能化操作箱而言，其解決了傳統(tǒng)變電站的接口問題，例如數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)接口，以及一次設(shè)備接口等，對于智能操作箱而言，其是整個設(shè)備的操作終端，可以使用網(wǎng)絡(luò)將測量控制裝置，一次設(shè)備的保護裝置很好地連接到一起，有效控制刀閘和斷路器。在具體運行過程中，智能操作箱根據(jù)上述兩個裝置所發(fā)送的信號，然后利用GOOSE網(wǎng)絡(luò)，向刀閘和斷路器下發(fā)命令，這樣就能很好地對其分合進行控制，之后這些操作就會轉(zhuǎn)變?yōu)槔^電器的輸出。對于控制斷路器操作時，需要將刀閘分合的節(jié)點接入到操作回路中，在其中設(shè)置一個插件，這樣插件就可以完成這些操作，而且都是自動化控制，還具備一定的防跳以及壓力閉鎖等功能。該裝置還可以對刀閘、變壓器設(shè)備，以及斷路器的信息進行收集，同時借助GOOSE網(wǎng)絡(luò)，將信息傳遞給測控裝置和保護裝置。

三、分析間隔層數(shù)字化改造技術(shù)

常規(guī)變電站在二次系統(tǒng)中，設(shè)備運行的基本情況信息，以及保護裝置的一些模擬量信息，都需要使用電纜來傳送，對于其中的動作邏輯，要在不同裝置之間啟動和封閉，因此不同裝置不同設(shè)備之間都需要進行電纜連接，由此可見，在傳統(tǒng)方式當中，二次回路的設(shè)置非常復(fù)雜，線路較多，因此無論在安裝過程中還是在運行過程中，都容易出現(xiàn)問題，進而產(chǎn)生故障，不利于整體運行的安全性和可靠性，基于這一點需要進行改造。對其常規(guī)的間隔層進行技術(shù)改造時，要求必須滿足變電站的通信標準IEC61850，在改造的時候，間隔層之間的連接，摒棄了傳統(tǒng)方式，使用雙重的以太網(wǎng)進行連接，通過網(wǎng)絡(luò)中的開關(guān)量信息，以及共享模擬技術(shù)，就能完成保護動作邏輯，以及不同裝置間隔之間的封鎖功能，對于開關(guān)量的傳輸，以及模擬量的傳輸中，都要使用單播采樣值服務(wù)，利用變電站事件服務(wù)來完成整個工作。

1.分析對SMV的改造情況

在數(shù)字化變電站中，其中安裝了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在進行電力模擬量采樣的時候要遵循一定的要求，必須按照規(guī)定的采樣率來完成，使用GPS對時系統(tǒng)，再利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，就可以達到采樣的同步化，對于模擬量信息而言，使用了SMV報文形式進行信息的傳送，在實際應(yīng)用中，SMV可以為全站模擬量提供可靠的傳輸服務(wù)，和傳統(tǒng)站的相關(guān)技術(shù)對比，傳統(tǒng)變電站設(shè)置了多個裝置，而且其都共同享用同一個電氣量，為了達到這一目的，就要依靠互感器多個繞組技術(shù)。這種數(shù)字化變電站的采樣操作，利用對單元格的合并，再使用IEC61850-9-2協(xié)議將信息發(fā)送到交換機上，這樣在網(wǎng)絡(luò)上的很多保護裝置，錄波裝置，以及管控裝置就能進行信息共享，做到傳遞信息的及時性，提高整體的工作效率，在實踐中由于優(yōu)勢明顯，因此受到廣大技術(shù)人員的青睞。

2.對GOOSE的改造技術(shù)分析

由于IEC61850中明確規(guī)定，在應(yīng)用GOOSE時，要有以太網(wǎng)多播報文傳輸作為基礎(chǔ)，其替代了傳統(tǒng)IED設(shè)備，傳統(tǒng)的通信中需要使用電纜進行各個裝置接口的連接，這樣就可以很好的對聯(lián)鎖信息、斷路器位置、保護跳閘等動作進行控制，在這些數(shù)據(jù)傳輸中，其對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求很高，技術(shù)人員都清楚電纜質(zhì)量與連接準確的重要性，但是由于其有一定的復(fù)雜性，因此問題肯定會出現(xiàn)，影響整體的運行質(zhì)量。對于GOOSE服務(wù)的信息交換技術(shù)而言，是以發(fā)布、訂閱機制作為技術(shù)基礎(chǔ)的，在同一個GOOSE網(wǎng)中，任何一個IED要在訂閱端很好地接收數(shù)據(jù)，如果情況需要，其還可以作為一個發(fā)布端，進而為其他的IED傳輸有效的數(shù)據(jù)，利用這一技術(shù)，在實際操作中，如果IED之間所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)有所增加，或者出現(xiàn)錯誤需要進一步更改，操作流程就更加方便。對于GOOSE報文而言，使用了ASN.1語法編碼，其和基本的編碼規(guī)則相符合，具體而言，應(yīng)用了變位報文和心跳報文，兩種快速重發(fā)相互結(jié)合的方式，這樣就能直接在以太網(wǎng)鏈路層上進行信息傳輸，與此同時，GOOSE在接收過程中，還應(yīng)該結(jié)合報文中所規(guī)定的允許生存時間，對鏈路的中斷情況進行檢測，結(jié)合報文中測試標志對檢修裝置做相應(yīng)的處理，極大地提高了GOOSE服務(wù)的及時性和可靠性。

四、分析站控層數(shù)字化改造技術(shù)

對于在站控層應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)，直接使用網(wǎng)線進行連接，對于應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)使用了雙重化的配置，在站控層和間隔層之間，根據(jù)制造報文的相關(guān)規(guī)范，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行不同數(shù)據(jù)的傳輸，由于該技術(shù)的支持，可以很好地完成對變電站的控制工作和監(jiān)視工作。在數(shù)字化變電站中站控層中，MMS表示ISOTC184開發(fā)和維護在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，IED和計算機進行數(shù)據(jù)實時交換的一套獨立的國際標準報文規(guī)范。

1.對信號上送技術(shù)的分析

利用具有緩沖報告功能的控制塊就能完成開入、事件、報警等信號類數(shù)據(jù)的上送，然后再映射到MMS中，通過BRCB功能，就可以完成總召、事件緩存、周期上送、遙信和開入的上送等。使用了多可視的實現(xiàn)方案，不同的事件可以同時送到多個后臺中，這樣就提高了工作效率，節(jié)省了傳輸?shù)臅r間，提高了數(shù)據(jù)傳遞的及時性，更好地讓技術(shù)人員進行分析和判斷，時間非常充裕。

2.對測量上送技術(shù)的分析

在操作過程中，利用無緩沖報告控制塊就可以完成對遙測、保護測量類數(shù)據(jù)的上送，然后再將數(shù)據(jù)映射到MMS的讀寫和報告服務(wù)中。利用URCB裝置就可以對遙測的變化進行上送，很好的對零漂和死區(qū)進行對比，除此之外，還可以實現(xiàn)總召和周期上送，進而把事件傳輸?shù)讲煌暮笈_中。

3.對控制技術(shù)的分析

使用IEC61850的控制相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)就可以很好地完成遙控、遙調(diào)等操作動作，然后再將其映射到MMS中。對于IEC61850而言，可以提供很多不同的控制類型，例如PCS系列裝置，就可以完成增強型SBOW功能和直控功能，除此之外，還能達到閉鎖邏輯檢查、檢無壓、檢同期等功能。

4.對故障報告實現(xiàn)的分析

利用RDRE邏輯節(jié)點就可以實行故障報告功能，然后將其映射到MMS的報告和文件操作服務(wù)中，當出現(xiàn)了錄波文件之后，就可以利用報告上送到后臺，很好的完成這些功能。

五、實際案例的分析

1.某110kV變電站的數(shù)字化改造分析

該變電站為常規(guī)變電站，屬于110kV，對于其一次設(shè)備而言，是傳統(tǒng)的電磁型設(shè)備，而其自動化系統(tǒng)和保護系統(tǒng)配置情況，都是普通的綜自站，間隔層、過程層都是利用電纜完成連接，對于站控層而言，使用了以太網(wǎng)組網(wǎng)，保證其和間隔層之間的數(shù)據(jù)交換，整個變電站一共有2臺110kV的變壓器，都應(yīng)用了線變組的接線方式，10kV使用了單母分段的接線方式，正常的運行情況下，每一臺主變壓器都會帶一段10kV的母線，與此同時，其還母聯(lián)了一個500A的熱備用，主變壓器高壓側(cè)開關(guān)分別是151和152，從911-923屬于10kV饋線小車的開關(guān)。

2.數(shù)字化改造方案的具體落實

結(jié)合實際情況，以及對設(shè)備改造之后的要求，在改造后需要建立起一個數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)，在間隔層和過程層進行數(shù)據(jù)傳輸時，必須使用雙重化的光纖網(wǎng)絡(luò)連接，提高整體的工作效率，同時也為了達到數(shù)字化改造的實際要求。在傳送開關(guān)量和模擬量的時候，要使用GOOSE和SMV的服務(wù)形式，然后在利用雙重化的MMS技術(shù)進行網(wǎng)絡(luò)信息的共享。在設(shè)置的改造方案中，在10kV側(cè)間隔層的所有設(shè)備，在進行信息傳輸時，都是利用GOOSE/SMV技術(shù)來實現(xiàn)的，由于間隔層之間的設(shè)備相互的配合，避免在安裝中使用大量的繼電器和電纜，對于該站的五防閉鎖，使用GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸開關(guān)量就可以完成，GOOSE網(wǎng)絡(luò)可以對網(wǎng)絡(luò)進行實時自檢，規(guī)避傳統(tǒng)變電站在這一環(huán)節(jié)容易出現(xiàn)錯誤的問題，自檢技術(shù)的優(yōu)勢很明顯，和傳統(tǒng)技術(shù)相比，保證了變電站的安全性。只用簡單的母差保護技術(shù)，就可以將該功能分散到不同間隔的保護單元中，和常規(guī)的變電站相比，對交流信息不會重復(fù)的采集，利用GOOSE機制就是將不同的故障信息傳遞給間隔層的設(shè)備中，該技術(shù)可以對母線故障進行綜合分析與科學(xué)判斷，可以及時切除母線故障，保護動作迅速，將損失降低到最小。本案例變電站系統(tǒng)運行超過10年，設(shè)備老化，經(jīng)政府投資，應(yīng)用原一次設(shè)備。在主變壓器、35kV斷路器、10kV高壓柜中加裝終端采集裝置，實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)換開關(guān)量、模擬量。數(shù)據(jù)服務(wù)器和智能終端采集裝置中應(yīng)用雙光纖網(wǎng)絡(luò)通信，保護測控服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器應(yīng)用雙重化配置，確保變電站數(shù)字化可靠運行。

結(jié)語

通過以上對變電站數(shù)字化改造技術(shù)的分析，先闡述了數(shù)字化變電站的整體架構(gòu)，然后分析了過程層的數(shù)字化改造，分析了間隔層的數(shù)字化改造，同時對站控層的數(shù)字化改造進行了分析，詳細系統(tǒng)地了解了改造技術(shù)，最后結(jié)合相關(guān)變電站的實際案例，分析具體的改造過程，希望給相關(guān)人士一些啟發(fā)，希望在以后的發(fā)展中，該技術(shù)會有新的突破。

［1］胡曉娟.數(shù)字化變電站自動化技術(shù)的應(yīng)用［J］.科技資訊，2011（17）：124.

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