自動化控制系統(tǒng)在變電站智能調(diào)度中的應(yīng)用研究

[摘 要]文章以陜西某220 kV變電站為例，設(shè)計了適合該變電站的自動化控制系統(tǒng)，探究了自動化控制系統(tǒng)在變電站智能調(diào)度中的應(yīng)用效果。研究結(jié)果表明，該系統(tǒng)中的光纖通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)延遲低于設(shè)計目標，差動保護裝置及過電流保護裝置的響應(yīng)時間均優(yōu)于設(shè)計要求，且調(diào)度效率與系統(tǒng)運行的可靠性大幅提升。

[關(guān)鍵詞]自動化控制系統(tǒng)；變電站；智能調(diào)度

[中圖分類號]TM621 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）12–0013–03

Research on the Application of Automation Control System in Intelligent Dispatch of Substation

PAN Shuyang，ZHANG Xinyuan

[Abstract]The article takes a 220 kV substation in Shaanxi Province as an example to design an automation control system suitable for the substation and explore the application effect of the automation control system in intelligent dispatching of the substation. The research results indicate that the data delay of the fiber optic communication system in this system is lower than the design target， and the response time of the differential protection device and overcurrent protection device is better than the design requirements. Moreover， the scheduling efficiency and system operation reliability are greatly improved.

[Keywords]automation control system； substation； intelligent scheduling

1 工程概況

陜西省某220 kV變電站，總裝機容量為500 MVA，包含4臺主變壓器，每臺容量為125 MVA，主變壓器高壓側(cè)為220 kV，低壓側(cè)為110 kV和35 kV電壓等級。作為區(qū)域電網(wǎng)的重要節(jié)點，該變電站承擔(dān)著為周邊多個城市和工業(yè)區(qū)穩(wěn)定供電的重任。雖然現(xiàn)有設(shè)備運行較穩(wěn)定，但變電站的調(diào)度系統(tǒng)仍依賴傳統(tǒng)的人工監(jiān)控和半自動控制模式，無法滿足當(dāng)今電力系統(tǒng)對智能化、高效化、精細化調(diào)度的需求。因此，本工程圍繞提升變電站調(diào)度系統(tǒng)的智能化水平展開，重點通過自動化控制系統(tǒng)的引入，實現(xiàn)調(diào)度的全面升級。

2 變電站智能調(diào)度中的自動化控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 自動化控制系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

自動化控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計（圖1）分為以下3個主要層次，共同實現(xiàn)對變電站設(shè)備的全面監(jiān)測、控制與調(diào)度。

2.1.1 數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集層主要通過各類高精度傳感器和監(jiān)測設(shè)備對變電站內(nèi)的關(guān)鍵設(shè)備進行實時數(shù)據(jù)采集。其中，電壓互感器（PT）主要用于實時監(jiān)測主變壓器高壓側(cè)和低壓側(cè)的電壓，精度為0.2級，額定二次電壓為100 V。電流互感器（CT）主要用于監(jiān)測變電站內(nèi)設(shè)備的電流情況，額定電流比為1 000 A/5 A，精度為0.2級，具有過載測量能力，短時電流耐受能力為40 kA（1 s）。溫度傳感器主要用于監(jiān)測主變壓器和其他設(shè)備的工作溫度，量程為0～200℃，測量精度為±0.5℃。油位傳感器主要用于監(jiān)測主變壓器油箱內(nèi)的油位，量程為0～5 m，精度為±0.1%FS，輸出信號為420 mA。避雷器監(jiān)測裝置主要用于監(jiān)測避雷器的泄漏電流，測量范圍為0～10 mA，精度為±1%。為了確保數(shù)據(jù)采集的精度和實時性，系統(tǒng)配備了高速數(shù)據(jù)采集終端，采集速率為1 000次/s。

2.1.2 控制執(zhí)行層

控制執(zhí)行層主要負責(zé)完成關(guān)鍵設(shè)備的控制任務(wù)。其中，開關(guān)控制器主要負責(zé)控制220 kV和110 kV開關(guān)設(shè)備的分合閘操作，具備手動和遠程控制模式，響應(yīng)時間小于50 ms，額定操作電壓為220 V DC，帶有狀態(tài)反饋功能。自動調(diào)壓裝置主要用于主變壓器的自動調(diào)節(jié)負載電壓，調(diào)節(jié)范圍為±10%，調(diào)節(jié)步長為0.5%，反應(yīng)時間為≤2 s，配備自動和手動切換功能。自動無功補償裝置主要負責(zé)實時調(diào)整無功功率，容量為20 MVar，補償電壓為35 kV，調(diào)節(jié)精度為±1%，反應(yīng)時間為≤1 s。故障檢測與隔離設(shè)備主要負責(zé)快速故障檢測與隔離任務(wù)，故障響應(yīng)時間小于1 ms，具備自動切除和隔離功能，以確保故障發(fā)生時對電網(wǎng)的影響最小化。

2.1.3 調(diào)度管理層

調(diào)度管理層主要負責(zé)總體協(xié)調(diào)和平衡變電站運行狀態(tài)的相關(guān)工作。其中，SCADA系統(tǒng)主要負責(zé)實時監(jiān)控變電站的運行狀態(tài)，采集設(shè)備的運行數(shù)據(jù)并展示在調(diào)度中心。SCADA系統(tǒng)的刷新頻率為1 s，具備實時告警、數(shù)據(jù)存儲和歷史數(shù)據(jù)回溯功能。其可以與自動化控制系統(tǒng)進行無縫集成，確保調(diào)度人員能夠及時掌握變電站的運行情況。高級數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)則具備負荷預(yù)測、故障診斷和設(shè)備狀態(tài)評估功能，其主要采用優(yōu)化算法進行數(shù)據(jù)處理，可以生成優(yōu)化的運行策略，支持自動化調(diào)度決策。

2.2 硬件配置設(shè)計

自動化控制系統(tǒng)的硬件配置是確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵，其主要涵蓋以下核心設(shè)備。

（1）遠動終端裝置（RTU）。每臺主變壓器都配置了1個RTU，支持多種通信協(xié)議（IEC 61850、DNP3等），數(shù)據(jù)采集精度為0.5%，具備冗余電源設(shè)計，支持雙電源輸入，額定電壓為220 V AC或110 V DC。數(shù)據(jù)傳輸速率為100 Mbps，具備存儲和緩沖能力，可在通信中斷時保存至少24 h的運行數(shù)據(jù)。

（2）智能保護裝置。其主要包括差動保護裝置、過電流保護裝置、過壓保護裝置等，其中，差動保護裝置主要用于保護主變壓器，電流差動保護的啟動電流為0.2～2.5倍額定電流，反應(yīng)時間小于20 ms。過電流保護裝置的啟動電流為1.2倍額定電流，動作時間小于100 ms。過壓保護裝置的啟動電壓為110%額定電壓，動作時間小于200 ms。

（3）可編程邏輯控制器（PLC）。PLC系統(tǒng)負責(zé)執(zhí)行自動化控制指令，具備32路輸入和32路輸出接口，響應(yīng)時間為20 ms，運行電壓為24 V DC，其支持多種通信接口（Modbus、Profibus），并與上位系統(tǒng)進行無縫連接。

2.3 軟件設(shè)計

自動化控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括以下方面。

（1）數(shù)據(jù)處理軟件。其采用實時數(shù)據(jù)庫，支持1 s級的刷新頻率，具備數(shù)據(jù)分類、存儲和自動化處理能力。系統(tǒng)能夠識別異常數(shù)據(jù)，觸發(fā)報警功能，如負荷電流超出800 A時觸發(fā)告警，并生成故障記錄。

（2）調(diào)度控制軟件。其具備實時負荷預(yù)測和電網(wǎng)狀態(tài)分析功能，該軟件響應(yīng)時間小于1 s，能夠自動調(diào)整主變壓器和無功補償設(shè)備的運行狀態(tài)，實現(xiàn)經(jīng)濟調(diào)度。同時，該軟件與SCADA系統(tǒng)集成，具備自動化故障定位功能，故障定位精度為±100 m。調(diào)度控制軟件工作原理如圖2所示。

（3）人機界面（HMI）軟件。HMI負責(zé)提供設(shè)備運行狀態(tài)的可視化界面，支持多視圖展示（設(shè)備狀態(tài)視圖、負荷曲線圖、運行告警視圖等），刷新頻率為2 s，具備歷史數(shù)據(jù)回放和故障回溯功能。

2.4 通信協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

為了確保系統(tǒng)內(nèi)外部設(shè)備之間的通信穩(wěn)定，自動化控制系統(tǒng)采用高效、可靠的通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計。在通信協(xié)議上，系統(tǒng)采用IEC 61850標準，支持設(shè)備之間的互操作性。通過GOOSE消息機制，系統(tǒng)可以實現(xiàn)毫秒級的事件傳輸，傳輸時間小于4 ms，確保故障情況下的快速響應(yīng)。同時，系統(tǒng)還額外支持MMS（Manufacturing Message Specification）協(xié)議，用于變電站內(nèi)部設(shè)備與調(diào)度中心之間的通信。在網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計上，網(wǎng)絡(luò)采用雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，光纖通信系統(tǒng)支持1 Gbps帶寬，具備低延時特性，延時不超過10 ms。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備采用冗余設(shè)計，如某一路通信線路失效，系統(tǒng)會自動切換至備用鏈路，設(shè)定切換時間小于50 ms。

2.5 系統(tǒng)安全與防護設(shè)計

自動化控制系統(tǒng)的安全部分主要考慮了網(wǎng)絡(luò)安全、設(shè)備冗余和自檢維護功能。系統(tǒng)布署了雙層防火墻、入侵檢測系統(tǒng)（IDS）和加密技術(shù)（AES 256–bit），可以確保外部攻擊無法干擾系統(tǒng)運行。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采用加密傳輸，確保通信數(shù)據(jù)的完整性和機密性。RTU、PLC等關(guān)鍵設(shè)備均采用冗余配置，確保在單一設(shè)備故障時，系統(tǒng)能夠無縫切換至備份設(shè)備。系統(tǒng)還具備自動自檢功能，能夠每隔24 h進行1次設(shè)備健康檢測，檢測結(jié)果會自動生成報告并及時存檔。

3 自動化控制系統(tǒng)在變電站智能調(diào)度中的應(yīng)用效果

3.1 系統(tǒng)集成測試結(jié)果

在陜西該220 kV變電站中，自動化控制系統(tǒng)通過系統(tǒng)集成測試，光纖通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)延遲為8.2 ms，低于10 ms的設(shè)計目標。差動保護裝置的響應(yīng)時間為18.4 ms，過電流保護裝置的響應(yīng)時間為92.7 ms，均優(yōu)于設(shè)計要求，確保了系統(tǒng)在故障情況下的快速響應(yīng)與穩(wěn)定運行。

3.2 自動化控制系統(tǒng)的調(diào)度性能分析

系統(tǒng)上線后，SCADA系統(tǒng)的監(jiān)測與預(yù)測功能使負載預(yù)警提前5 min，主變壓器負載均衡提高14.7%。無功補償裝置的調(diào)節(jié)時間為0.95 s，降低了無功損耗。自動化調(diào)度減少了67.3%的人工干預(yù)，供電可靠性提高3.5%，年均故障次數(shù)從4.2次降至1.4次。

3.3 故障響應(yīng)與恢復(fù)能力評估

系統(tǒng)優(yōu)化后，故障響應(yīng)時間為0.92 ms，恢復(fù)時間從27.5 min縮短至13.2 min，減少了52.0%。在220 kV短路故障中，系統(tǒng)在30 ms內(nèi)定位故障點，并控制供電中斷時間至3.6 s。

3.4 數(shù)據(jù)傳輸與通信穩(wěn)定性分析

系統(tǒng)通過雙環(huán)網(wǎng)冗余設(shè)計，24 h內(nèi)未出現(xiàn)通信中斷，傳輸成功率達99.98%。在一次網(wǎng)絡(luò)中斷情況下，系統(tǒng)在38 ms內(nèi)切換至備用鏈路，數(shù)據(jù)丟包率為0.000 2%，通信延遲為7.9 ms，均優(yōu)于設(shè)計標準。

4 結(jié)束語

陜西某220 kV變電站實施的自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)的引入顯著提升了變電站的智能調(diào)度能力，不僅減少了故障發(fā)生后的恢復(fù)時間，還增強了系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，為今后更大規(guī)模的智能調(diào)度系統(tǒng)應(yīng)用提供了技術(shù)參考。

參考文獻

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