數(shù)字化變電站設(shè)備配置與保護控制策略研究

金鑫，向豐，羅鐘，孫斯逸

（1.湖北工業(yè)大學，湖北 武漢 430000；2.國網(wǎng)湖北省電力有限公司物資公司，湖北 武漢 430000；3.國網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司，湖北 武漢 430000；4.國電資本控股有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

變電站作為整個電網(wǎng)與電力系統(tǒng)的核心配置，擔負為電力系統(tǒng)穩(wěn)定工作保駕護航的重任，在電網(wǎng)與電力系統(tǒng)智能化的進程中是首要考慮進行升級改革的目標。傳統(tǒng)的變電站在沒有導入智能化概念之前，所采用的設(shè)備功能比較單一，相互之間也沒什么聯(lián)系，常會出現(xiàn)各式各樣的傳感問題，從而使得保護設(shè)置失去效用而導致出現(xiàn)各種風險事件危及電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定[1-3]。智能變電站是充分運用科技智能化技術(shù)，對傳統(tǒng)電站從設(shè)備到系統(tǒng)進行升級改革，由于其智能自動化的功能特性，對于傳統(tǒng)變電站的保護裝置所存在的安全隱患，可以做到最大限度的排除，可對電網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)全天候無死角的密切監(jiān)控與保護，減少了工作人員的在崗時間也降低了人為因素而導致的錯誤率，為整個電力系統(tǒng)的安全運行提供強力的保障[4]。

1 數(shù)字化變電站構(gòu)成與工作原理

數(shù)字化信息類包括兩個組成部分，分別是組件與單元的數(shù)字化化。

1.1 信息采集

圖1 信息釆集圖Fig.1 lnformation acquisition chart

如圖1所示，信息匯總的部分的類型分為傳感器設(shè)備類信息、內(nèi)部交換信息類、外部信息。設(shè)備信息類：通過狀態(tài)接口，并將數(shù)據(jù)以此傳入傳感器，將數(shù)據(jù)提供給電氣接口；內(nèi)部交換信息類：由專項接口進行連接以達到內(nèi)部獲得信息；外部信息類：通過網(wǎng)絡(luò)接口的連接來獲取更高權(quán)限的設(shè)備信息，與此同時還需要兼顧到時間校準與各種其他類型的設(shè)備信息。

1.2 信息處理

圖2 信息處理圖Fig.2 lnformation processing diagram

如圖2所示，第一是確定所有通過接口獲取的數(shù)據(jù)信息是否都具備一致性屬性，將其規(guī)范處理。第二是按照設(shè)備記錄、狀態(tài)監(jiān)控以及繼電保護等不同類型的設(shè)備的功能，進行合理的數(shù)字化化設(shè)備數(shù)據(jù)分析與處理。通過輸出部分將再將數(shù)據(jù)分析處理結(jié)果進行下一環(huán)節(jié)處理。由于保護單元數(shù)據(jù)處理平臺跟通信平臺各不相同，但是數(shù)據(jù)必須統(tǒng)一處理，需要增加標準化的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口。與此同時，為了讓數(shù)據(jù)快速進入數(shù)字化設(shè)備單元，將通信接口設(shè)置在保護單元上比較合理。但是功能各異的數(shù)字化設(shè)備單元只具有不同的工作能力，而數(shù)據(jù)采集必須需要所有數(shù)字化組件組合使用，由此開放式的數(shù)字化組件應(yīng)用而生。

1.3 信息發(fā)布

以輸出部分為主體，為了執(zhí)行規(guī)范操作、數(shù)據(jù)上傳可以通過保護單元運行產(chǎn)生的操作建議及其計算結(jié)論匯總進行下一個環(huán)節(jié)。對于解決設(shè)備內(nèi)部信息冗長問題：①通過操作建議直接于一次設(shè)備CPU，以保護動作類信息的時效性并通過外部接口將信息傳送給站控層信息，實時調(diào)整命令；②通過縱聯(lián)差動保護由各個專項接口直接發(fā)送給相連設(shè)備，以達到數(shù)據(jù)的共享性，相比于操作建議，這種方案適用于實時性監(jiān)測類信息。

2 數(shù)字化變電站設(shè)備配置

數(shù)字化組件與設(shè)備組合方式：1：1組合關(guān)系：單獨負責一臺一次設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、分析處理、輸出結(jié)論；

優(yōu)點：符合以此設(shè)備的數(shù)字化化發(fā)展方向，能夠?qū)υO(shè)備的數(shù)字化化需求進行不斷深化，并且未來的發(fā)展空間非常巨大[5]。

缺點：經(jīng)濟效果較低。數(shù)字化組件沒有發(fā)揮配合其他數(shù)字化組件使用本可以同時滿足多臺設(shè)備，造成資源浪費，讓電站實現(xiàn)數(shù)字化化改造工程變得極其繁瑣。

評價：綜上所訴，在變壓器、斷路器這類比較重要的一次設(shè)備中，1：1組合關(guān)系值得推廣，相對于結(jié)構(gòu)簡單，操作簡單的設(shè)備來說，這種單一的數(shù)字化組件與單一的一次設(shè)備組合不值得推廣，不適用于當前變電站的數(shù)字化改進工作，但隨著未來技術(shù)的發(fā)展，這類組合能夠仍有較大的發(fā)展空間[6]。

3 保護單元的協(xié)同策略

保護單元是由數(shù)字化的獨立工作單元。由于設(shè)置裝備擺設(shè)的需求各異，保護單元分為兩種特殊形式，一種是固有單元，其是將所有設(shè)備中設(shè)置統(tǒng)一的功能性單元，如信息傳遞通選與信息記錄以及信息同步的單元，設(shè)為固有單元；而那些因?qū)ο蟛煌溆胁灰粯拥呐渲糜媱澋?，如監(jiān)測、操作、測量計元、繼電保護單元等，設(shè)為特殊單元[7]。

3.1 通訊單元

設(shè)置裝備擺設(shè)的內(nèi)外信息聯(lián)系都要以通訊單元為基礎(chǔ)，其有傳達信息與變換的效能，應(yīng)設(shè)為固有單元。以下幾類是通訊單元中傳達信息的內(nèi)容 ：

（1）全天候?qū)ΡO(jiān)測信息進行傳輸：具體訊息包括電位差、電流強度與功率具體數(shù)值以及頻率訊息等，各種保護系統(tǒng)包括短路保護、繼電保護等的實時工作狀況，對變壓器與防雷裝置的實時狀態(tài)變化的監(jiān)控數(shù)據(jù)[8]；

（2）事故突變發(fā)生的訊息：事變時短路設(shè)備所在位置的訊號，繼電保護在一般運作時選取的方式，繼電保護在設(shè)備故障時運作的狀態(tài)訊號與事故次序的記載，主要記載有時間標志的干擾數(shù)據(jù)；

（3）傳感器通過訊息傳遞給執(zhí)行設(shè)備：數(shù)字化互感器所獲得的直接與間接的數(shù)字訊息，實時監(jiān)測的設(shè)備具體狀況還有運作狀態(tài)變化的數(shù)字信息；

（4）失時訊息：應(yīng)及時通過GOOSE報文發(fā)送守衛(wèi)行為類的信息，這類信息實時性要求高，只有用前者的方法才能保證信息快速安全的傳遞出去，才能防止延遲所帶來的不必要的麻煩。而采用MMS將那些對于時間要求不緊迫的監(jiān)察信息及時進行數(shù)據(jù)傳輸，分散數(shù)據(jù)傳輸量以保證信息上傳成功[9]。

3.2 設(shè)備記錄單元

該單元的作用主要體現(xiàn)在對于設(shè)備原始狀態(tài)的信息以及平時運行的信息進行記錄。一般情況下，設(shè)備在出廠前都會有一個原始出廠設(shè)置，這個設(shè)置里記錄了該設(shè)備的各種基本原始參數(shù)，方便維修員工通過這些原始形態(tài)信息來察驗設(shè)備在發(fā)展進程中所一直存在的不足之處。設(shè)備運行的信息根據(jù)時間與數(shù)量來記錄，包含自動運行的設(shè)備運作變化、守衛(wèi)行為記載等，方便對設(shè)備的資產(chǎn)生存年限進行定時檢測。這些設(shè)備的固有信息與其他設(shè)備單元還具有一定的聯(lián)系，隨時能提出來進行調(diào)遣利用與修正，以此全面拓展信息[10]。

3.3 同步單元

同步單元能在同一時間接收不同的數(shù)據(jù)信息，以較快的速度分析出其是否產(chǎn)生變動，防止數(shù)據(jù)信息傳遞錯誤，這樣才能加強對設(shè)備的監(jiān)控與維護。它能實現(xiàn)和遠方的時間一致，還可以接收GPS傳遞的時間同步訊號，能將時間都及時予以校正，即系統(tǒng)時間也都能實現(xiàn)同步，只有具有同步的標準才能確保變電站能發(fā)揮其應(yīng)有的效用。此外，時間統(tǒng)一與精準了，也方便了那些對時間有高要求的監(jiān)控及能通過短路器的運作狀態(tài)、調(diào)整次序的先后來對故障的原因和過程進行實時分析。

3.4 監(jiān)測單元

監(jiān)測單元能判定被察驗設(shè)備的各種信息包括被監(jiān)測狀態(tài)時的所屬狀態(tài)。運作形態(tài)有：正常與非正常的運作形態(tài)。正常運作形態(tài)含有穩(wěn)定運作形態(tài)與運作方式變化。非正常運作形態(tài)含有故障、異常兩種狀況。正常運作形態(tài)中，根據(jù)實際的情況來對主機設(shè)備進行相應(yīng)的信息發(fā)送行為。假設(shè)有更高層次的執(zhí)行指令要求提取信息發(fā)給主機，便可把設(shè)備中的進入、退出、電壓電流的位差發(fā)給主機，以此來與非正常運作形態(tài)判定出的信息進行區(qū)分。在非正常運作形態(tài)中，如果設(shè)備出現(xiàn)故障時會有對應(yīng)的緊急狀態(tài)出現(xiàn)，切除發(fā)生故障的部位與網(wǎng)絡(luò)的連接命令會由保護系統(tǒng)發(fā)出，以防止風險性時間的發(fā)生。如果只是顯示狀態(tài)異常而沒有其他保護性動作產(chǎn)生，則表示電路設(shè)備中沒有明顯的故障發(fā)生，但是有危險因素，繼續(xù)運作將可能導致故障，應(yīng)傳達警報訊號、停止運作或進行維修的命令，并且不能中斷對其運作變化的監(jiān)控。

4 結(jié)論

本文針對數(shù)字化變電站，研究其構(gòu)成和工作原理，在此基礎(chǔ)上圍繞保護單元的協(xié)同控制提出對應(yīng)的硬件設(shè)備配置方案以及協(xié)同控制策略，分別從同步、檢測、通信等多個方面進行了控制策略的論述。