330kV變電站智能化改造方案研究

程智

摘? 要：隨著通信技術(shù)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，智能電網(wǎng)的建設(shè)已成為未來電網(wǎng)的發(fā)展趨勢。智能變電站是構(gòu)建智能電網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是智能電網(wǎng)建設(shè)的重點。文章主要通過330kV變電站智能化改造，對基于變電站運行可靠性進(jìn)行了一系列研究，分析了智能變電站與常規(guī)變電站的主要技術(shù)差異，確定了常規(guī)變電站智能化改造的主要技術(shù)，針對傳統(tǒng)變電站的整體功能，提出了變電站改造方案，并結(jié)合智能變電站技術(shù)可靠性的發(fā)展要求，提出了變電站智能化改造方案。

關(guān)鍵詞：變電站;智能化;改造

中圖分類號：TM63? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）27-0134-02

Abstract： With the development of communication technology and power electronics technology， the construction of smart grid has become the development trend of power grid in the future. Smart substation is the key link in the construction of smart grid and the focus of smart grid construction. Through the intelligent transformation of 330kV substation， this paper makes a series of studies on the reliability of substation operation， analyzes the main technical differences between intelligent substation and conventional substation， and determines the main technology of intelligent transformation of conventional substation. According to the overall function of the traditional substation， the transformation scheme of the substation is put forward， and the intelligent transformation scheme of the substation is put forward according to the development requirements of the technical reliability of the intelligent substation.

Keywords： substation; intelligence; transformation

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力需求日益旺盛，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，對供電可靠性的要求越來越高。常規(guī)變電站事故的主要原因有電纜老化、CT特性惡化、季節(jié)性開關(guān)壓力盤故障等。此外，計算機信息技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展以及現(xiàn)有的成熟技術(shù)也為智能化技術(shù)在電力工業(yè)中的應(yīng)用做出了貢獻(xiàn)。近年來，一次智能設(shè)備的產(chǎn)品質(zhì)量提高很快，智能設(shè)備已達(dá)到基本水平，滿足了現(xiàn)場應(yīng)用的穩(wěn)定性。工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用于微機保護(hù)的電力系統(tǒng)，是近年來變電站智能化系統(tǒng)的主要方式。

2 傳統(tǒng)變電站存在的問題及智能化變電站的優(yōu)勢

2.1 傳統(tǒng)變電站存在的問題和不足

（1）對于采用電磁式互感器和二次電纜接線的變電站，電流互感器二次電纜相對較長，二次負(fù)載較重，容易引起飽和。二次電纜長、配電面積大、線路復(fù)雜、對地電容大、干擾和絕緣問題嚴(yán)重，導(dǎo)致電氣二次回路故障概率高，影響系統(tǒng)可靠性，此外，傳統(tǒng)變電站二次回路的設(shè)計、施工、調(diào)試、維護(hù)、檢修、改造和擴(kuò)建涉及大量工作。

（2）許多變電站，尤其是城市變電站負(fù)荷大、設(shè)備多，受到經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、規(guī)劃空間等方面的嚴(yán)重制約。

（3）一次設(shè)備正在向智能化發(fā)展，可通過集成通常安裝在主設(shè)備附近的測量、控制、監(jiān)控和保護(hù)等智能組件來實現(xiàn)。傳統(tǒng)的方式是二次設(shè)備安裝在主控室或繼電保護(hù)柜內(nèi)，不符合一次設(shè)備智能化和一次設(shè)備與二次設(shè)備更緊密集成的要求。

（4）電磁互感器二次側(cè)的電流和電壓信號通過二次電纜傳遞到保護(hù)裝置。因此，二次設(shè)備的增加需要增加用于連接互感器的二次電纜。二次設(shè)備之間的聯(lián)鎖和閉鎖信號以及保護(hù)和斷路器之間的命令和信號也通過二次電纜接線以一對一的特性進(jìn)行傳輸。繼電器保護(hù)和次級電路根據(jù)機架進(jìn)行配置。每個機架自然且物理獨立，因此相對容易實現(xiàn)故障二次設(shè)備和電路的隔離，因此系統(tǒng)將具有相對高的可靠性。另一方面，相對難以實現(xiàn)所有機架之間的信息互通、電流和電壓量的重復(fù)利用、聯(lián)鎖和阻塞信息以及操作信息。為了利用多機架信息實現(xiàn)保護(hù)功能，需要增加許多二次電纜，因此實現(xiàn)起來比較困難，這將制約現(xiàn)有保護(hù)系統(tǒng)的功能改進(jìn)、優(yōu)化和補充。

（5）當(dāng)使用單端電量的分段保護(hù)用作線路或部件的遠(yuǎn)程后備保護(hù)時，時間延遲相對較長。預(yù)計有些技術(shù)可以縮短后備保護(hù)的運行時間。

（6）當(dāng)電網(wǎng)運行方式或被保護(hù)設(shè)備運行狀態(tài)發(fā)生變化時，繼電保護(hù)的設(shè)置需要很大的工作量。一個典型的例子是，如果一些母線保護(hù)停止，母線上所有線路的相對側(cè)保護(hù)第二區(qū)的延時設(shè)置需要縮短。

在智能變電站建設(shè)中，通過綜合利用IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)、電子式互感器、過程級光纖以太網(wǎng)和廣域光纖通信等基礎(chǔ)支撐技術(shù)，可以構(gòu)建智能變電站的分級保護(hù)控制系統(tǒng)，提高繼電保護(hù)系統(tǒng)的整體性能。

2.2 智能化變電站的基本內(nèi)涵及優(yōu)勢

智能化變電站是現(xiàn)代化的變電站，包括智能預(yù)備設(shè)備、電子互感器、智能開關(guān)，聯(lián)網(wǎng)二次設(shè)備層，基于標(biāo)準(zhǔn)IEC61850可實現(xiàn)電氣設(shè)備間的信息共享和智能互操作。

通過利用先進(jìn)的傳感器、信息、通信、控制、人工智能技術(shù)，智能化變電站建立了一個統(tǒng)一的所有信息采集、傳輸、分析、處理的應(yīng)用平臺。它使變電站信息化、自動化、交互式。全數(shù)字信息、網(wǎng)絡(luò)化通信平臺、共享信息是其基本要求。自動信息采集、測量、控制、保護(hù)、監(jiān)控是其基本功能。它可以支持電網(wǎng)的實時自動控制，根據(jù)需要實現(xiàn)智能控制、在線分析決策、協(xié)同交互等高級功能。為了保證供電的可靠性，智能變電站與相鄰變電站和電網(wǎng)調(diào)度的其他變電站進(jìn)行聯(lián)系和通信。

物理角度來看，智能化變電站仍然包括初步設(shè)備和二次設(shè)備（包括保護(hù)設(shè)備、測控設(shè)備、通信設(shè)備等）。由于智能初步設(shè)備和聯(lián)網(wǎng)二次設(shè)備，它們之間的結(jié)合比以前更加緊密。從邏輯角度來看，智能化變電站在各層之間采用高速網(wǎng)絡(luò)通信，各層可分為三個部分：過程層、間隔層和站控層。智能化變電站的主要設(shè)備有電子式互感器、合并單元和智能斷路器等。電子互感器的使用使結(jié)構(gòu)清晰簡潔，采樣點變得簡單，實現(xiàn)傳輸智能化。進(jìn)行保護(hù)性調(diào)試時，我們不需要進(jìn)行模擬測試，只做邏輯測試，不僅可以大大減少設(shè)備調(diào)試的工作量，還可以降低電纜的維護(hù)成本。

3 變電站智能化改造方案

3.1 智能化改造方案設(shè)計

330kV變電站智能化改造采用三層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，智能變電站的數(shù)據(jù)采集與傳輸與傳統(tǒng)變電站有很大的不同。經(jīng)過多年的理論研究和產(chǎn)品開發(fā)，被稱為“三層兩網(wǎng)”的二次設(shè)備的典型配置，證明了這種配置適合于考慮穩(wěn)定性和安全性的智能變電站。330kV智能變電所自動化系統(tǒng)包括三個功能級：站控層、間隔層和過程層，信息通過通信光纖在IED之間進(jìn)行交換。

在站控層，控制站和保護(hù)故障信息站通過雙工100M以太網(wǎng)收集所有間隔層智能電力監(jiān)測裝置的實時信息，采用MMS協(xié)議。在智能變電站中，采用電子變壓器、智能變壓器和智能斷路器可以很容易地解決這兩個問題。變電站改造可以完全保留傳統(tǒng)的儀表變壓器和一次設(shè)備，采用新型的合并單元和智能終端解決了上述兩個問題。包含A/D轉(zhuǎn)換器的合并單元將來自常規(guī)儀表變壓器的電流或電壓信息數(shù)字化。智能終端與常規(guī)一次設(shè)備相結(jié)合，可以部分替代智能一次設(shè)備，負(fù)責(zé)設(shè)備的監(jiān)控。

3.2 變電站智能化改造的具體方案

3.2.1 監(jiān)控系統(tǒng)改造方案

智能化變電站在原有通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過對硬件和軟件的升級，將后臺監(jiān)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為綜合監(jiān)控系統(tǒng)，構(gòu)建智能變電站監(jiān)控系統(tǒng)。變電站通信協(xié)議統(tǒng)一為IEC61850協(xié)議，如果保護(hù)測控裝置不具備IEC61850協(xié)議的功能，可通過協(xié)議轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)，同時規(guī)范和豐富各種先進(jìn)的智能化信息訪問的應(yīng)用，優(yōu)化高級應(yīng)用的功能，實現(xiàn)信息共享的標(biāo)準(zhǔn)化和高級應(yīng)用的智能化，這樣才能滿足智能電網(wǎng)在變電站信息方面的需求。通過在線監(jiān)測系統(tǒng)對變電站設(shè)備狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行自動采集和分析，實現(xiàn)狀態(tài)可視化。同時，還可以根據(jù)設(shè)備狀態(tài)對數(shù)據(jù)進(jìn)行評估和分析，從而實現(xiàn)變電站的智能化。在線監(jiān)測斷路器的開閉電流、動觸頭位置、開關(guān)狀態(tài)，以診斷電氣壽命狀態(tài)和常規(guī)機械故障，從而提高斷路器的運行管理水平。

3.2.2 變壓器保護(hù)改造方案

變壓器保護(hù)使用冗余配置主保護(hù)和后備保護(hù)。主保護(hù)和后備保護(hù)分開，后備保護(hù)必須集成到測量設(shè)備上。當(dāng)使用冗余保護(hù)配置時，合并單元和智能終端需要使用冗余配置。變壓器的非電保護(hù)要求直接就地跳閘，相關(guān)延遲也要求就地跳閘，智能終端上傳非電量動作信息、接地開關(guān)控制信息。

3.2.3 GOOSE技術(shù)的應(yīng)用

智能化變電站中的智能斷路器實現(xiàn)智能電子操作，將機械能存儲變?yōu)殡娙菽艽鎯?，也將機械驅(qū)動變?yōu)槟孀兤魍ㄟ^電機直接驅(qū)動。在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中，智能斷路器提高了系統(tǒng)的可靠性，可以打開和關(guān)閉電路，根據(jù)GOOSE/GSSE通信信息傳輸位置信息。智能斷路器具有連接到間隔層的通信接口，接收和發(fā)送符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的GOOSE消息。

3.2.4 輔助系統(tǒng)改造方案

智能變電站遙視可用于監(jiān)視設(shè)備運行，提供事故的圖像資料，對變電站的安全防護(hù)等起到保障作用。在遙視控制中心可以通過實時的視頻信息觀察現(xiàn)場，控制攝像頭旋轉(zhuǎn)、錄像、回放視頻資料等。同時配置火災(zāi)報警系統(tǒng)，報警信號接入監(jiān)控系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

我國現(xiàn)有大量常規(guī)變電站投入運行，這些變電站的智能化改造面臨著更加突出的問題，有必要對智能配電網(wǎng)的各項技術(shù)進(jìn)行不斷探索，提高智能化變電站的可靠性，同時快速構(gòu)建高水平的創(chuàng)新載體和服務(wù)平臺，擴(kuò)大智能配電網(wǎng)的應(yīng)用規(guī)模，提升電網(wǎng)整體競爭力，實現(xiàn)信息建模標(biāo)準(zhǔn)化、全站通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化，為變電站和電網(wǎng)之間的溝通提供標(biāo)準(zhǔn)可靠的解決方案。

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