智能變電站智能測(cè)控裝置性能測(cè)試研究

杜昕楊， 屠雯鳳

（南瑞集團(tuán)有限公司， 江蘇 南京 210000）

0 引言

智能化變電站是構(gòu)建強(qiáng)大的智能電網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，不同地域建設(shè)的不同電壓等級(jí)的智能變電站已經(jīng)有數(shù)百個(gè)，涵蓋了66～750 kV 的電壓等級(jí)。對(duì)已投入運(yùn)行的智能變電站項(xiàng)目分析發(fā)現(xiàn)，各變電站的測(cè)控布置模式有明顯的差別，測(cè)控設(shè)備接口數(shù)量、過(guò)程層數(shù)據(jù)處理模式等問(wèn)題，對(duì)測(cè)控設(shè)備的開通和實(shí)施都造成了很大的影響。及時(shí)全面總結(jié)智能變電站測(cè)控裝置的性能，把握其發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于智能變電站的建設(shè)和電力系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定運(yùn)行具有重要作用。

1 智能變電站的特點(diǎn)

智能變電站以先進(jìn)、節(jié)能、環(huán)保和安全為主要手段，其信息傳輸以高速網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)為基礎(chǔ)。智能化變電站具有信息采集、控制、計(jì)量、測(cè)量、保護(hù)以及檢測(cè)等多種功能，能極大地降低變電站的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用，顯著提高其工作效率和工作質(zhì)量[1]。

1）智能變電站包括系統(tǒng)級(jí)和設(shè)備級(jí)兩個(gè)層面。智能變電站的系統(tǒng)層，通過(guò)智能裝置獲取智能變電站所需的資料，并對(duì)其進(jìn)行綜合處理，保障智能變電站與國(guó)家電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行，并對(duì)其各設(shè)備層的功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控，保證各項(xiàng)功能的有效實(shí)施，為國(guó)家用電工作提供有力的技術(shù)支持。

2）智能化變電站設(shè)備層由高壓設(shè)備、智能設(shè)備和智能設(shè)備三部分組成，可以有效地實(shí)現(xiàn)智能化變電站的過(guò)程級(jí)和間隔級(jí)的功能，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)智能化變電站的測(cè)量、控制、計(jì)量、保護(hù)以及檢測(cè)等功能。

3）智能裝置是智能變電站中較為靈活的一種物理設(shè)備，具體包括測(cè)量單元、控制單元、保護(hù)單元、計(jì)算單元和監(jiān)測(cè)單元。各單元的功能實(shí)現(xiàn)，為確保智能化變電站的總體功能提供技術(shù)支持。

2 變電站裝置系統(tǒng)測(cè)量與控制

2.1 變電站中智能測(cè)控裝置的地位

測(cè)控設(shè)備是變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的一種隔離層設(shè)備，其主要作用可以歸納為“四遙”，即遙信、遙測(cè)、遙控和遙調(diào)[2]。此外，現(xiàn)有的測(cè)控設(shè)備普遍具有同步、間歇式和合閘等功能。采用基于測(cè)控裝置的間斷聯(lián)鎖功能，可以充分發(fā)揮測(cè)控設(shè)備的分布式、網(wǎng)絡(luò)化的優(yōu)點(diǎn)，在一定時(shí)間內(nèi)完成全站點(diǎn)數(shù)據(jù)共享，從而彌補(bǔ)其他防誤閉鎖方法的缺陷，同時(shí)，還可以與后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)五防序列控制的集成。IEC61850 的同期控制，取決于合閘兩側(cè)的系統(tǒng)狀況，有兩種方法，一是不檢查（強(qiáng)合），二是檢查（強(qiáng)合）。在我國(guó)，通常有三種方法，即：合閘（強(qiáng)合）、檢無(wú)壓、檢同期（準(zhǔn)同期和捕獲同期）。

2.2 傳統(tǒng)變電站和智能變電站測(cè)量與控制對(duì)比

在傳統(tǒng)變電站和智能化變電站的工程應(yīng)用中，進(jìn)行了測(cè)量與控制對(duì)比，如圖1 所示。

圖1 常規(guī)變電站和智能變電站測(cè)控對(duì)比

1）傳統(tǒng)變電站測(cè)控設(shè)備普遍支持RS232、RS485 和Ethernet 等通信接口，具有國(guó)際上常用的IEC60870-5-103/104 規(guī)范，并具有交流取樣、開進(jìn)和進(jìn)出等功能。智能變電站在測(cè)控裝置與處理層裝置間，采用了分發(fā)/定單機(jī)制，對(duì)來(lái)自合并單元的電流和電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行同步取樣，并且單向定時(shí)更新測(cè)量控制的接收緩沖，以GOOSE 機(jī)制在過(guò)程層裝置和測(cè)控裝置之間進(jìn)行雙向傳送。智能裝置獲取變壓器切換和斷路器的遙信狀況，將遠(yuǎn)程信狀態(tài)傳送至后臺(tái)，或者進(jìn)行邏輯閉鎖關(guān)系的計(jì)算，GOOSE 機(jī)制確保了關(guān)鍵信息的實(shí)時(shí)性。

2）傳統(tǒng)變電站測(cè)控設(shè)備的同步電壓信號(hào)采集、開關(guān)位置信號(hào)和同步控制輸出都是在設(shè)備內(nèi)進(jìn)行的，而同期控制過(guò)程僅考慮開關(guān)機(jī)構(gòu)的工作時(shí)間與設(shè)備內(nèi)的時(shí)間配合，這一過(guò)程用實(shí)際的試驗(yàn)比較方便。在智能化變電站的流程層進(jìn)行數(shù)字化之后，采集的數(shù)據(jù)都要通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綔y(cè)量設(shè)備。因此，系統(tǒng)的通信可靠性和設(shè)備之間的協(xié)作穩(wěn)定性直接影響到系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

3）傳統(tǒng)變電站的測(cè)控設(shè)備之間的數(shù)據(jù)采集、邏輯和控制執(zhí)行系統(tǒng)都集中在測(cè)控設(shè)備上，各個(gè)生產(chǎn)廠家之間的數(shù)據(jù)交換都是通過(guò)各自的專用接口來(lái)完成，無(wú)法滿足不同測(cè)量設(shè)備之間的協(xié)作。智能化變電站的智能化、原始數(shù)據(jù)采集與控制執(zhí)行單元被劃分為集成單元和智能終端，測(cè)控系統(tǒng)的主要工作是數(shù)據(jù)的計(jì)算和邏輯部件的識(shí)別。同時(shí)，在IEC61850 GOOSE 服務(wù)的實(shí)際應(yīng)用中，各廠商之間的測(cè)控設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享、統(tǒng)一了交互接口，從而有效解決了設(shè)備之間的互聯(lián)問(wèn)題。

目前，我國(guó)大部分變電站系統(tǒng)構(gòu)架都是“三層兩網(wǎng)”或“三層三網(wǎng)”（增加了間隔層網(wǎng)絡(luò)）。因此，在不同的電壓等級(jí)變電站中，過(guò)程層組網(wǎng)模式的多樣化和間隔層設(shè)備的配置差異，實(shí)現(xiàn)了各類型變電站測(cè)控性能的多樣性。

3 新時(shí)期智能變電站測(cè)控裝置

傳統(tǒng)的電力設(shè)備采用傳統(tǒng)的電流、電壓互感器來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)變換，并采用測(cè)控設(shè)備進(jìn)行模數(shù)變換，再由網(wǎng)絡(luò)將所得到的數(shù)據(jù)傳遞給變電站后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。在一次設(shè)備中，通過(guò)電纜傳輸模擬信號(hào)控制后臺(tái)的監(jiān)測(cè)和測(cè)量設(shè)備，其操作過(guò)程十分煩瑣，還存在著一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。與常規(guī)變電站相比，智能化變電站的測(cè)控設(shè)備能夠克服常規(guī)變電站測(cè)控設(shè)備存在的缺陷，從而有效發(fā)揮作用。

智能化變電站通過(guò)對(duì)電能的智能化采集和控制，將一次裝置采集到的電能轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，再通過(guò)光纖傳輸技術(shù)來(lái)完成[3]。

1）自動(dòng)輸出電力信息。通過(guò)自動(dòng)輸出電力，保證了主、副系統(tǒng)之間的電絕緣，減少了開關(guān)場(chǎng)、感應(yīng)和電容耦合等對(duì)二次系統(tǒng)的干擾。

2）簡(jiǎn)化工作流程。智能測(cè)控設(shè)備的數(shù)據(jù)采集來(lái)自于數(shù)字量，與傳統(tǒng)的變電站的測(cè)量設(shè)備相比，降壓和濾波等工作變得更加容易，智能變電站的測(cè)控設(shè)備的結(jié)構(gòu)也更加簡(jiǎn)單。

3）測(cè)量誤差小。常規(guī)變電站的測(cè)控設(shè)備都是由電纜向二次設(shè)備傳送，由于二次系統(tǒng)負(fù)載的變化，電能的測(cè)量誤差也很難保持。而智能變電站的測(cè)量誤差主要來(lái)自于電子變壓器，對(duì)電能計(jì)量精度的影響不大，因此，智能測(cè)控設(shè)備的檢測(cè)精度得到了較大的提高。

4 智能化變電站中對(duì)測(cè)控裝置的新要求

智能變電站采用“三層兩網(wǎng)”的架構(gòu)[4]，充分發(fā)揮了資源共享的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了智能化變電站一體化發(fā)展。智能化變電站的間歇功能是將智能元件與高壓設(shè)備結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)的。隨著智能變電站的綜合測(cè)控技術(shù)不斷發(fā)展，對(duì)智能變電站的測(cè)控設(shè)備提出了新的要求。

新的要求包括：太網(wǎng)通訊接口的多樣化、信息處理能力與接通光電互感器智能切換設(shè)備的能力、硬件平臺(tái)的一體化、可行性條件、事故通報(bào)和間隔記錄的能力以及各種輔助設(shè)備。只有滿足這6 個(gè)新的要求，智能變電站的測(cè)控設(shè)備才能真正發(fā)揮其應(yīng)有的作用，為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)的發(fā)展提供能源。6 個(gè)新的要求，也是推進(jìn)智能變電站測(cè)控技術(shù)發(fā)展的根本需求，隨著技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，智能變電站的測(cè)控技術(shù)將會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展。

5 智能變電站智能測(cè)控裝置發(fā)展方向

目前，由于技術(shù)的制約，智能測(cè)控設(shè)備的性能較為簡(jiǎn)單，只能在穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)控，而在其他項(xiàng)目中，還不能進(jìn)行有效測(cè)控。盡管各試點(diǎn)工程的測(cè)控與同步相量測(cè)量功能集成，確保了測(cè)控設(shè)備數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性。但是，穩(wěn)定狀態(tài)下采集數(shù)據(jù)是通過(guò)后臺(tái)采用不同的物理端口和規(guī)則來(lái)實(shí)現(xiàn)的。從這一點(diǎn)可以看出，目前，智能變電站的測(cè)控設(shè)備并未真正地實(shí)現(xiàn)一體化。為推動(dòng)變電站智能化測(cè)控設(shè)備的發(fā)展，必須開展如下工作。

1）遠(yuǎn)程測(cè)量技術(shù)。模擬量遙測(cè)是一種針對(duì)模擬量輸入進(jìn)行遙測(cè)的方法，利用模擬源探測(cè)技術(shù)，在該平臺(tái)上生成三相可調(diào)節(jié)幅值、頻率和相位的電壓、電流，并將其送至測(cè)控設(shè)備，進(jìn)行仿真，分析和評(píng)估試驗(yàn)數(shù)據(jù)。數(shù)字遙測(cè)指一種用于測(cè)量數(shù)字量時(shí)的遙測(cè)技術(shù)，可以模擬并聯(lián)元件的電壓和電流，并將其輸入到智能測(cè)控設(shè)備中進(jìn)行分析和評(píng)定。遙測(cè)技術(shù)是一種伴隨著電子技術(shù)發(fā)展而飛速發(fā)展的綜合性技術(shù)。采用遙測(cè)試驗(yàn)技術(shù)，不但可以獲取資料，而且可以為遠(yuǎn)距離測(cè)量對(duì)象提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

2）諧振試驗(yàn)方法。諧波檢測(cè)技術(shù)是一種用于測(cè)量和控制設(shè)備的輸入波形失真的方法。建立交流電壓和電流的諧波疊加體系，并將其輸出至測(cè)控設(shè)備，以驗(yàn)證諧波檢測(cè)功能。諧波檢測(cè)技術(shù)由于其結(jié)構(gòu)靈活、功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)便和效率高的特點(diǎn)，在變電站測(cè)控中得到廣泛應(yīng)用，可有效提高測(cè)控設(shè)備的檢測(cè)精度和科學(xué)性。

3）抗抖動(dòng)試驗(yàn)方法。測(cè)控系統(tǒng)的遙信可以單獨(dú)設(shè)定防抖時(shí)間，通過(guò)研究防抖測(cè)試技術(shù)，可以對(duì)其進(jìn)行有效檢測(cè)。目前，在變電站測(cè)控設(shè)備的測(cè)控系統(tǒng)中，還沒有統(tǒng)一的測(cè)試程序和方法，但是采用防抖測(cè)試技術(shù)，可以對(duì)測(cè)控時(shí)間進(jìn)行科學(xué)的預(yù)測(cè)。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著智能化變電站技術(shù)的飛速發(fā)展，各層次智能變電站的建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大?；诖?，對(duì)智能變電站核心技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)控與研究，提高變電站智能測(cè)控裝置的檢測(cè)精度和科學(xué)性，確保智能變電站安全、穩(wěn)定運(yùn)行。