數(shù)字化變電站的建設(shè)

周嫣蕾，傅笑梅

國(guó)網(wǎng)鎮(zhèn)江供電公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000

0 引言

數(shù)字化變電站中的相關(guān)電氣設(shè)備（包括一次電氣設(shè)備、二次電氣設(shè)備）都實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化通信，并以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部智能裝置的互操作。近年來(lái)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在變電站領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，數(shù)字化變電站的建設(shè)與發(fā)展取得了一定的成績(jī)，且其建設(shè)思路也獲得了較高的認(rèn)可度，ABB、西門(mén)子等知名電氣公司陸續(xù)開(kāi)展數(shù)字變電站技術(shù)的試驗(yàn)分析。如果一次電氣設(shè)備投運(yùn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化通信，變電站中將會(huì)安裝更多的智能設(shè)備，傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信形式不能滿足站內(nèi)的通信需求，網(wǎng)絡(luò)化的通信形式將是唯一的解決方案。智能裝置采用統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)模型與通信平臺(tái)，配合既有的數(shù)字變電站技術(shù)及IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化通信。

1 數(shù)字化變電站概述

電壓轉(zhuǎn)換、電力流向調(diào)控、電壓調(diào)節(jié)、電能配置等均是電力系統(tǒng)運(yùn)作中需要執(zhí)行的任務(wù)，變電站參與其中并發(fā)揮重要作用。變電站關(guān)系著電網(wǎng)運(yùn)行的安全性、可靠度及經(jīng)濟(jì)性。數(shù)字化變電站具備一次設(shè)備智能化與二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化的雙重屬性，應(yīng)用于基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)規(guī)范建設(shè)的變電站項(xiàng)目中。其中，智能電氣設(shè)備的主要功能是實(shí)現(xiàn)一體化信息共享與互操作。

數(shù)字化變電站的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)為如下幾點(diǎn)：能高效采集信號(hào)，電力設(shè)備利用效率高，互操作性強(qiáng)及調(diào)試操作簡(jiǎn)單。和傳統(tǒng)變電站相比，數(shù)字化變電站設(shè)備實(shí)際使用效率明顯提升，故障檢修次數(shù)較少且耗時(shí)更短暫；增強(qiáng)了不同電力設(shè)備之間的互操作性，縮短了設(shè)備的投運(yùn)時(shí)間，提升了實(shí)際工作效率；提升了信息資源共享化水平，有益于壓縮變電站早期建設(shè)及運(yùn)行維護(hù)成本，實(shí)現(xiàn)真正意義上的電力設(shè)備操控智能化、通信過(guò)程網(wǎng)絡(luò)化及運(yùn)維管理自動(dòng)化。

2 傳統(tǒng)變電站的局限性

大部分傳統(tǒng)變電站內(nèi)配置的是常規(guī)電力設(shè)備，尤其是繼電保護(hù)、自動(dòng)化設(shè)施基本上運(yùn)用的是電磁型設(shè)備，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行可靠度不足，并且自我檢測(cè)、診斷能力整體偏低。傳統(tǒng)變電站主要依賴人工或記錄儀器記錄大量的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)、檢修操作（異常事件）數(shù)據(jù)等。基于電線電纜執(zhí)行模擬量、開(kāi)關(guān)量及動(dòng)作邏輯信號(hào)的傳輸任務(wù)，不同保護(hù)裝置之間的硬接線繁多，特別是二次回路接線更是錯(cuò)綜復(fù)雜、可靠性差；記錄的有關(guān)運(yùn)行歷史信息無(wú)法滿足調(diào)度中心的工作需求，實(shí)際運(yùn)行管理水平及自動(dòng)化程度偏低，設(shè)備運(yùn)維工作量大，成本高。

3 數(shù)字化變電站的功能分層

3.1 過(guò)程層

過(guò)程層為一次電氣設(shè)備和二次智能裝置之間的接口設(shè)施，即設(shè)備的數(shù)字化接口，該層的功能如下[1]。（1）實(shí)時(shí)檢測(cè)電流、電壓及諧波分量。運(yùn)用間隔層的設(shè)備檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)，能運(yùn)算得到有功、無(wú)功、頻率等電氣量值。與常規(guī)方式比較，數(shù)字化變電站過(guò)程層采用電流互感器（TA）、電壓互感器（TV）代替常規(guī)電磁式互感器，基于數(shù)字化形式傳送采集值模擬量。（2）在線檢測(cè)與統(tǒng)計(jì)運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)。變壓器、母線、電抗器等是需要檢測(cè)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的設(shè)備，在線檢測(cè)指標(biāo)以溫度、壓力、密度、機(jī)械特性等為主。（3）執(zhí)行和驅(qū)動(dòng)操控過(guò)程。管理對(duì)象以變壓器設(shè)備的分接接頭與電容器或電抗器的投切動(dòng)作、控制開(kāi)關(guān)分合閘及電源充放電等為主。過(guò)程層執(zhí)行控制命令時(shí)體現(xiàn)出智能化特性，可以精準(zhǔn)識(shí)別命令真假及合理程度，也能準(zhǔn)確調(diào)控即將發(fā)出的動(dòng)作，把操作時(shí)間控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

3.2 間隔層

為了全面提升間隔層內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行效率與安全性，推薦在該層設(shè)置一個(gè)面向過(guò)程層的接口，前期試驗(yàn)表明這類接口不會(huì)干擾間隔層的功能發(fā)揮[2]。間隔層的功能如下：（1）匯聚間隔層各過(guò)程層實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)；（2）針對(duì)一次設(shè)備，采用統(tǒng)一的維護(hù)、調(diào)控、測(cè)量等措施；（3）運(yùn)行間隔層中的操作閉鎖及各間隔之間的聯(lián)合式閉鎖程序；（4）精準(zhǔn)操控同期及其他控制單元；（5）管理信息收集、統(tǒng)計(jì)測(cè)算及調(diào)控指令發(fā)出的優(yōu)先級(jí)；（6）承接上下的通信，可以快速與過(guò)程層、變電站層進(jìn)行通信。

3.3 變電站層

變電站層的功能如下：（1）在兩級(jí)高速網(wǎng)絡(luò)的支撐下，聚集變電站運(yùn)行期間實(shí)時(shí)采集的所有數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)信息處于持續(xù)更新的狀態(tài)，嚴(yán)格依照設(shè)計(jì)周期登錄歷史數(shù)據(jù)庫(kù)；（2）基于現(xiàn)行協(xié)議要求，把部分?jǐn)?shù)據(jù)輸送至調(diào)度或控制中心；（3）快速接收來(lái)自調(diào)度或控制中心的調(diào)控命令，并把其轉(zhuǎn)送到間隔層、過(guò)程層；（4）可線上編程的閉鎖式調(diào)控功能；（5）當(dāng)?shù)乇O(jiān)控本地、人機(jī)互聯(lián)互動(dòng)，如展現(xiàn)、操控、印刷、預(yù)警信息，呈現(xiàn)聲像等多媒體；（6）在線維護(hù)間隔層和過(guò)程層設(shè)備，修正部分運(yùn)行參數(shù)；（7）全站故障智能分析與操作技術(shù)培訓(xùn)[3]。

4 數(shù)字化變電站的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和主要裝置

4.1 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)

IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)是電力行業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域唯一的全球通用型標(biāo)準(zhǔn)，其是智能變電站的工程設(shè)計(jì)、運(yùn)轉(zhuǎn)標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)，可以提升工程實(shí)施過(guò)程的規(guī)范性、統(tǒng)一性與透明度[4]。在電力工程實(shí)施期間，不同系統(tǒng)集成商構(gòu)建的智能變電站項(xiàng)目都能應(yīng)用SCD（系統(tǒng)配置）文件來(lái)了解變電站整體的結(jié)構(gòu)與部署特征，對(duì)智能變電站的持久發(fā)展起到推動(dòng)作用，同時(shí)輔助提高變電站技術(shù)的應(yīng)用水平。

文章提及的智能設(shè)備包括任何具備通信功能的一次電氣設(shè)備、二次電氣設(shè)備?？v觀當(dāng)前技術(shù)發(fā)展情況，一次電氣設(shè)備內(nèi)僅有電子式互感器具有局部支持IEC 61850的功能，這也是近些年中IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)主要被用在二次電氣設(shè)備領(lǐng)域的主要原因。

廣義層面上的二次電氣設(shè)備包括的類型較多，如繼電保護(hù)、測(cè)控、計(jì)量、故障錄波裝置等，當(dāng)前尚無(wú)計(jì)量、故障錄波裝置可以支持IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)報(bào)道。ABB、西門(mén)子、GE等電氣機(jī)械企業(yè)陸續(xù)對(duì)外推出了具有IEC 61850功能的繼電保護(hù)與測(cè)控裝置。

4.2 主要裝置

4.2.1 智能斷路器

智能斷路器可以看成是微電子、微機(jī)科技與新式傳感器構(gòu)成的斷路器二次操作系統(tǒng)，數(shù)字化控制裝置是智能斷路器執(zhí)行單元的主體構(gòu)成。智能斷路器無(wú)須配置傳統(tǒng)斷路器的輔助開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)與繼電器設(shè)施，在傳感器和數(shù)字化控制裝置的協(xié)助下能夠?qū)崟r(shí)收集設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)信息、監(jiān)測(cè)器故障及缺陷，參照故障電流的檢出情況，提前運(yùn)用防控措施。智能斷路器以常規(guī)斷路器為基礎(chǔ)增配了智能控制單元，數(shù)據(jù)采集、智能辨識(shí)與調(diào)節(jié)裝置是該單元的主要構(gòu)成模塊。

未來(lái)幾年，可以預(yù)見(jiàn)智能斷路器的技術(shù)發(fā)展方向如下：

（1）新型傳感器更加小型化，動(dòng)作更加敏捷；

（2）總線技術(shù)被用到智能斷路器領(lǐng)域，基于串行模式的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與主控制器進(jìn)行雙向通信，顯著增加信息的傳輸量，提升傳輸精準(zhǔn)度。

4.2.2 組合式開(kāi)關(guān)

氣體絕緣金屬封閉式開(kāi)關(guān)是在一個(gè)充有SF6氣體的罐中合并了互感器、避雷器、隔離及接地開(kāi)關(guān)、斷路器的結(jié)構(gòu)緊湊的開(kāi)關(guān)設(shè)備。ABB公司推出的插接式開(kāi)關(guān)（PASS）是代表性極強(qiáng)的湊型組合式開(kāi)關(guān)，這種開(kāi)關(guān)最大的特點(diǎn)是減少了氣罐的投用數(shù)目，縮短了實(shí)際密封長(zhǎng)度，壓縮了設(shè)備自身體積，明顯節(jié)約變電站項(xiàng)目的占地面積，精簡(jiǎn)了設(shè)備運(yùn)輸及組裝過(guò)程，降低了運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，提升了變電站的建設(shè)速度，引領(lǐng)著其數(shù)字化發(fā)展進(jìn)程。

4.2.3 電子式互感器

電子式互感器的經(jīng)典結(jié)構(gòu)如圖1所示。電子式互感器中，電流互感器（TA）的工作原理主要是法拉第磁光效應(yīng)，其組成包括羅氏線圈、低功率電流互感器等；電壓互感器（TV）分為電壓互感器OVT、電容及電阻分壓傳感器等。

圖1 電子式互感器的經(jīng)典結(jié)構(gòu)

（1）采集器單元。不同類型的傳感器的運(yùn)作原理有一定差別，要為其配置不同的采集器單元[5]。例如，對(duì)于無(wú)源型傳感器，電壓、電流傳感器是唯一的采集器單元；如果是有源型互感器，除了電壓、電流傳感器，還要安裝帶有信號(hào)搜集、光電轉(zhuǎn)換功能的電子線纜，且要額外為這些線纜提供電源。現(xiàn)階段，通常運(yùn)用如下幾種形式供電：①懸浮電源，直接選擇高壓母線作為電源來(lái)源，通過(guò)調(diào)整磁通量或輸入電流輸出穩(wěn)定電壓；②太陽(yáng)能供電，采用太陽(yáng)能—電能轉(zhuǎn)換器與鋰電池構(gòu)成的電源，這種電源提供的功率偏低，氣候等環(huán)境因素易影響其供電效率；③激光供電，相比之下，激光供電的成熟度較高，但使用成本也較高，當(dāng)前大部分有源型互感器均運(yùn)用這種供電形式。

（2）合并單元。電子式互感器的合并單元能成功聚集12路采樣數(shù)據(jù)，不同通道為不同采樣測(cè)量值服務(wù)。合并單元具備很多功能，包括采集處置、同步化、串口發(fā)送多路數(shù)據(jù)信息等?；ジ衅髂芤院喜卧鳛槊浇橹苯訛槎坞姎庠O(shè)備提供信息，使變電站二次接線形式更加精簡(jiǎn)化。羅氏線圈、阻容分壓等均是互感器傳感模塊模型，鑒于電磁式傳感模塊具備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的特性，可以在該模塊內(nèi)利用電磁原理，運(yùn)用合并單元采集模塊信號(hào)，運(yùn)用光纖將信號(hào)傳送到變電站控制平臺(tái)上。

不同類型互感器的合并單元結(jié)構(gòu)可能存在差異，但是其實(shí)現(xiàn)的主要功能大體一致：①完整接收并處置數(shù)個(gè)采集器傳輸?shù)男畔?；②接收站端同步信?hào)，并將其反饋到各采集器，同步各路A/D采樣過(guò)程；③把激光電源提供給有源型互感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)采集器的電源運(yùn)作狀態(tài)；④合并處置采集器的數(shù)據(jù)后，以網(wǎng)絡(luò)通信的形式將其提供給繼電保護(hù)及相關(guān)監(jiān)控設(shè)備。

5 建設(shè)案例

鎮(zhèn)江電力設(shè)計(jì)院參照IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)建設(shè)的單個(gè)220 kV變電站二次系統(tǒng)如圖2所示，站中多數(shù)保護(hù)、測(cè)控、變電站層設(shè)備均依照IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)建模及通信，選用光纖以太環(huán)網(wǎng)作為物理通信介質(zhì)[6]。直流屏等不支持IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備統(tǒng)一運(yùn)用了串行通信形式被接進(jìn)主控單元，因?yàn)镮EC 61850至今尚未提供遠(yuǎn)方調(diào)度中心的標(biāo)準(zhǔn)，故而遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)依然沿用IEC 60870-5-101規(guī)約的要求。

圖2 基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)的變電站二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該建設(shè)方案的最大特點(diǎn)是完整地闡述了各類型接口的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)的變電站層及間隔層的功能。

6 結(jié)束語(yǔ)

雖然近些年國(guó)內(nèi)外陸續(xù)開(kāi)始將數(shù)字化變電站項(xiàng)目投入運(yùn)行，但是這些實(shí)體工程僅有數(shù)字化變電站的局部特征。

為了充分發(fā)揮數(shù)字變電站在實(shí)際工程中的作用，要積極運(yùn)用電子式互感器，基于IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)完成二次設(shè)備建模及通信，打造有機(jī)系統(tǒng)，全面提升變電站運(yùn)行的可靠性，創(chuàng)造更理想的經(jīng)濟(jì)效益。