數(shù)字化變電站技術(shù)分析

國(guó)網(wǎng)北京通州供電公司 張國(guó)瑞 何方明 李志超

現(xiàn)階段，眾多國(guó)家已經(jīng)就智能電網(wǎng)發(fā)展達(dá)成了共識(shí)，有關(guān)其研究成果層出不窮。而數(shù)字化變電站作為智能電網(wǎng)的重要組成部分，具有采集、傳輸和處理數(shù)據(jù)的功能，可為電網(wǎng)運(yùn)行提供支持。

1 數(shù)字化變電站關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字化變電站屬于多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用融合的產(chǎn)物，主要包括一次設(shè)備、二次設(shè)備和通信協(xié)議技術(shù)，可以使信息共享和相互操作目標(biāo)達(dá)成，本電站在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)下述技術(shù)進(jìn)行了應(yīng)用。

1.1 電子互感器

電子互感器是現(xiàn)代科技下的產(chǎn)物，其運(yùn)用了微電子、光學(xué)和微機(jī)技術(shù)。通過將光纖傳感作為測(cè)量手段，電子互感器能夠準(zhǔn)確地測(cè)量電壓和電流值。與傳統(tǒng)的互感器相比，能夠避免諸如短路、開路等問題，而且更易于攜帶，不易受到各種外部因素的影響。以有源電子互感器為例，該電子互感器由兩部分組成，分別為電壓和電流互感器，其中前者對(duì)電阻、電容或電感分壓方式進(jìn)行了應(yīng)用，后者對(duì)羅柯夫基線圈加以運(yùn)用。在該裝置中，傳感頭會(huì)在接通電源后，將模擬量進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使其成為數(shù)字信號(hào)，同時(shí)對(duì)光線傳輸?shù)姆绞郊右赃\(yùn)用，向各種系統(tǒng)傳遞數(shù)字信號(hào)，如保護(hù)或測(cè)控系統(tǒng)[1]。

此類裝置的工作原理與CT相同，均利用電磁感應(yīng)原理，利用裝置上的元件完成對(duì)一次電流的測(cè)量，這里所說的元件包括空芯圈和低功率線圈。但二者也存在一定的差別，具體為該裝置對(duì)輸出功率的要求，遠(yuǎn)小于CT，故無須過大的鐵芯截面。在電流經(jīng)過線圈中心后，感應(yīng)電壓會(huì)隨之產(chǎn)生，其所處位置為線圈的兩端，若線圈截面積和匝數(shù)密度均勻，可以利用下述公式，對(duì)線圈所輸出的電壓信號(hào)和被測(cè)電流之間的關(guān)系加以表示：。

式中：真空磁導(dǎo)率由μ0表示；線圈的匝數(shù)密度由n表示；線圈截面積由s表示。采取積分的方式，計(jì)算e（t），即可求出電流。通過上述公式可知，電流變化率，能夠被線圈兩端的電壓所反映出來，故在應(yīng)用范圍上存在局限性，難以對(duì)穩(wěn)定的直流電流準(zhǔn)確測(cè)量。無源電子式電流互感器的測(cè)量原理為光學(xué)測(cè)量，其特點(diǎn)是無須提供高壓部分，在測(cè)量過程中，此類裝置所采用的方法為法拉第磁光效應(yīng)，通過傳感元件之間的差別，可將其分為不同的類型。相較于上一種裝置，該裝置具有良好的線性度，且無須對(duì)電源進(jìn)行使用，但系統(tǒng)復(fù)雜，其使用容易被外界因素所限制。

1.2 合并單元

在采集電流電壓值后，在被三相合并處理后，使之成為統(tǒng)一的格式，方能將處理后的信號(hào)進(jìn)行輸出，且保證其符合相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求。在研究后得知，合并單元內(nèi)的二次變換數(shù)據(jù)通道多達(dá)12個(gè)，其中5個(gè)通道負(fù)責(zé)采集電壓值，7個(gè)通道則采集電流量。在裝置運(yùn)行過程中，對(duì)電流電壓信號(hào)進(jìn)行打包編碼處理時(shí)，確保采集器與合并單元之間的數(shù)據(jù)同步是一項(xiàng)至關(guān)重要的任務(wù)。

現(xiàn)階段，常用措施如下：對(duì)線性插值法進(jìn)行應(yīng)用，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)值的統(tǒng)一處理，此類方法雖然可以擺脫GPS和秒脈沖傳輸系統(tǒng)，但對(duì)設(shè)備要求較高，故難以達(dá)成；依托于GPS，將同步采集命令，發(fā)送到采集裝置，在接收命令后，采集裝置會(huì)做出動(dòng)作，從而完成預(yù)期的目的。雖然此類方法實(shí)現(xiàn)難度低，但存在失去步驟的隱患。

1.3 IEC61850

該標(biāo)準(zhǔn)屬于現(xiàn)階段完善程度高，應(yīng)用效果顯著的標(biāo)準(zhǔn)，究其原因，主要是該標(biāo)準(zhǔn)采取了分層通信方法，能夠協(xié)調(diào)不同類型的設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)各設(shè)備IED之間的相互操作目標(biāo)。相較于傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，以對(duì)象為基準(zhǔn)構(gòu)建模型，是IEC61850的創(chuàng)新點(diǎn)。在完成各類設(shè)備、服務(wù)器和節(jié)點(diǎn)設(shè)備模型創(chuàng)建后，即可統(tǒng)一設(shè)備數(shù)據(jù)模型，為后續(xù)數(shù)據(jù)采集、分析和處理創(chuàng)造有利的條件。

1.4 數(shù)字化變電站組網(wǎng)

對(duì)于數(shù)字化變電站，網(wǎng)絡(luò)是其核心要素，缺之不可。如果沒有網(wǎng)絡(luò)，變電站的各種功能將無法正常運(yùn)作。為了滿足這一需求，必須選擇適當(dāng)?shù)慕M網(wǎng)方式。與常規(guī)變電站相比，數(shù)字化變電站的基本結(jié)構(gòu)依然采用分層分布式設(shè)計(jì)。其功能主要集中在三個(gè)層級(jí)：站控層、過程層和間隔層。其中，站控層和過程層的網(wǎng)絡(luò)是連接這三個(gè)層級(jí)設(shè)備的核心網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)階段，變電站通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湮锢斫Y(jié)構(gòu)主要包括以下三種。

總線型：此類結(jié)構(gòu)是指全部設(shè)備之間，均依靠一條總線相連接，各連接設(shè)備在地位上并無差別。此類結(jié)構(gòu)由于不具備中心節(jié)點(diǎn)，故具有良好的擴(kuò)充性，且安裝難度低。但存在適應(yīng)性差和故障難以定位的問題；星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：該結(jié)構(gòu)僅存在一個(gè)節(jié)點(diǎn)，位于網(wǎng)絡(luò)中心，其余設(shè)備均需要連接該節(jié)點(diǎn)。此類結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，維護(hù)難度低，且故障定位快，但會(huì)導(dǎo)致硬件資源被大量浪費(fèi)，再加上所有信息都由中心節(jié)點(diǎn)處理，致使分布式處理能力弱；環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：此類結(jié)構(gòu)無須使用過多的交換機(jī)，故成本低廉，且在傳播速度上，具有顯著的優(yōu)勢(shì)。但存在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不易于維護(hù)、擴(kuò)展性不足。在經(jīng)過綜合比較后，本電站應(yīng)用了環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2 數(shù)字化變電站一次設(shè)計(jì)

本公司所建設(shè)的數(shù)字變電站為110kV智能變電站，其主變?nèi)萘繛?×63MVA，需要一次建設(shè)完成。在無功補(bǔ)償方面，各工程主變所配置2組并聯(lián)電容器，其容量為6000kVA。本工程最終所配置的電容器，其數(shù)量為9組，同時(shí)對(duì)自動(dòng)分組投切開關(guān)的方式進(jìn)行了應(yīng)用[2]。

2.1 電氣主接線、計(jì)算短路電流

本公司建設(shè)的數(shù)字變電站，本期出線為3回，其中2回分別與其他回路相連接，1回留作備用。設(shè)備會(huì)一次上齊。本電站的接線方式以線變組的方式為主，所設(shè)置的站變電數(shù)量為兩臺(tái)，分別與10kV I段與HB段母線相連接。在電氣主接線方面，所設(shè)計(jì)的方案主要包括兩個(gè)，二者之間的區(qū)別為電流互感器配置，方案1對(duì)電子式電流互感器的使用范圍僅局限于主變進(jìn)線，其余回路所使用的互感器，主要以常規(guī)電流互感器為主。而方案2，其余回路，則對(duì)電流電壓互感器加以運(yùn)用。本電站基于系統(tǒng)阻抗，對(duì)110kV單相、三相以及10kV短路電流加以計(jì)算，最終結(jié)果表明，上述短路電流值分別為15.08kA、15.19kA、19.14kA，在設(shè)備選型過程中，需要將上述數(shù)值作為依據(jù)。

2.2 選擇電氣設(shè)備

在電氣設(shè)備選擇過程中，需要將損耗、體積、噪聲小作為重要條件，同時(shí)還要保證設(shè)備運(yùn)行安全，在10kV開關(guān)柜電流互感器選擇上，本電站在經(jīng)過綜合對(duì)比后選擇了方案1。其他設(shè)備選用如下所述。

主變壓器。由于數(shù)字化變電站無須人工值班管理，在主變壓器選擇方面，對(duì)三相雙卷自冷型降油浸變壓器加以使用。該變壓器具有低損耗的特點(diǎn)，且適應(yīng)環(huán)境的能力強(qiáng)。將電網(wǎng)運(yùn)行情況作為依據(jù)，為使供電電壓質(zhì)量得到保證，本電站采用了調(diào)壓開關(guān)，將其用于變壓器電壓控制。其中，主變?nèi)萘繛?3MVA，型號(hào)為SZ11-63000/110，電壓比如下：8×1.5%/10.5kV，阻抗電壓達(dá)到了Uk=16%。

GIS設(shè)備。本電站所使用的GIS設(shè)備，且電流為2000安倍，開斷電流為40kA，動(dòng)穩(wěn)電流為100kA?？紤]到應(yīng)用成效和經(jīng)濟(jì)性。在1號(hào)主變進(jìn)出線處，所應(yīng)用的裝置主要包括光電式電流和間隔電子式電壓兩類互感器。而在2號(hào)和3號(hào)間隔，則對(duì)組合裝置進(jìn)行應(yīng)用；開關(guān)柜。本電站在配置開關(guān)柜時(shí)，還配置了其他裝置，包括操作機(jī)構(gòu)、真空斷路器、接地開關(guān)，通過上述裝置的配置，使遠(yuǎn)程控制目標(biāo)達(dá)成。

2.3 防雷接地

本電站主體全部位于室內(nèi)，簡(jiǎn)言之就是各類電氣設(shè)備的安裝點(diǎn)是變電站內(nèi)部，故在避雷措施選擇上采取了敷設(shè)避雷帶的措施，其材質(zhì)為熱鍍鋅圓鋼。與此同時(shí)，還要將均壓網(wǎng)敷設(shè)到站層樓板內(nèi)完成接地。在經(jīng)過檢驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)本電站的土壤電阻率為每米640Ω，考慮到本站面積偏小，故采取水平和垂直接地相結(jié)合的接地方式，其中以前者為主，所采用的接地材料為銅絞線，其尺寸為TJ-120mm2，后者為輔，所采用的材料為紫銅棒。

3 數(shù)字化變電站二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)組成、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本電站所建立的基礎(chǔ)為ICE 61850通信標(biāo)準(zhǔn)，其目的在于發(fā)揮數(shù)字化變電站的功能，具體為數(shù)據(jù)共享和相互操作。本次設(shè)計(jì)，主要通過分布式結(jié)構(gòu)的使用，將變電站架構(gòu)分為三層，分別為站控層、間隔層和過程層。其中，以網(wǎng)絡(luò)為媒介，使各層結(jié)構(gòu)中的設(shè)備相互連接。以太網(wǎng)星型雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)，是本電站站控層所應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其主要被分為兩個(gè)部分，包括A和B網(wǎng)，無須設(shè)立第三個(gè)網(wǎng)絡(luò)，上述所述的網(wǎng)均屬于監(jiān)控網(wǎng)，主要作用為集成保護(hù)故障信息，為保信子站獲取信息提供支持。本電站在經(jīng)過綜合比較后，針對(duì)過程層，所采用的方案為三網(wǎng)合一，本文所說的三網(wǎng)，分別是指SV、G00SE、IEEE1588，并通過雙網(wǎng)配置的方式，保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

3.2 站控層、間隔層、過程層

站控層內(nèi)的電氣設(shè)備較多，包括系統(tǒng)主機(jī)、駕駛艙、記錄分析裝置。本電站將實(shí)際需求作為依據(jù)，構(gòu)建站內(nèi)運(yùn)行系統(tǒng)，將多個(gè)子系統(tǒng)相結(jié)合，完成對(duì)一體化信息平臺(tái)的打造，使各種功能集于一體，提升信息分析和處理效率。同時(shí)，賦予平臺(tái)多項(xiàng)功能，如狀態(tài)檢修、故障分析和視頻聯(lián)動(dòng)等。本站的主要操作方式為主機(jī)控制和工作站；間隔層內(nèi)的電氣設(shè)備數(shù)量較少，主要以電能計(jì)量、測(cè)控和電壓等級(jí)保護(hù)裝置為主。本電站所采用的測(cè)控一體化裝置，屬于主后保護(hù)裝置，配置方式為雙重配置。其中，獲取采樣數(shù)據(jù)的來源為SV網(wǎng)，并向智能終端發(fā)送報(bào)文，值得注意的是，在發(fā)送報(bào)文時(shí)，會(huì)采用GOOSE，之后，跳閘操作即可完成。

采集、監(jiān)測(cè)、執(zhí)行命令是過程層的主要功能，采集主要是指對(duì)電氣量加以采集、監(jiān)測(cè)對(duì)象為開關(guān)量和各類設(shè)備的運(yùn)行情況，而執(zhí)行的對(duì)象為控制命令。本電站在合并單元設(shè)置上，對(duì)一體化配置方案加以落實(shí)，所涉及的裝置除合并單元外，還包括智能終端。在安裝階段，本工程遵循就近安裝的原則，將一次設(shè)備和裝置布置到GIS室。其中，一體化裝置之間通過光纖相互聯(lián)系，并通過對(duì)DL/T860.92規(guī)約的應(yīng)用，使間隔層內(nèi)各二級(jí)設(shè)備之間的傳輸目標(biāo)達(dá)成[3]。

3.3 在線防護(hù)

本電站對(duì)在線防護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)用，其配置方式為一體化配置，簡(jiǎn)言之，就是與自動(dòng)化系統(tǒng)相互結(jié)合。在線防護(hù)系統(tǒng)軟件，主要由兩部分構(gòu)成，分別為操作票和實(shí)時(shí)庫(kù)。其操作方式由主機(jī)和工作人員共同控制，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，應(yīng)用三層防護(hù)結(jié)構(gòu)。

防護(hù)原理如下：站控層防護(hù)。閉鎖方式分為兩種，分別為利用操作票完成閉鎖以及基于防誤邏輯完成閉鎖。同時(shí)，本站還構(gòu)建了與之相匹配的數(shù)據(jù)庫(kù)，其組成信息較多，比如閉鎖節(jié)點(diǎn)位置、設(shè)備遙信、鎖具狀態(tài)等。其中，監(jiān)控后臺(tái)實(shí)時(shí)庫(kù)是該數(shù)據(jù)庫(kù)的建立依托，究其原因主要是防護(hù)系統(tǒng)，可以直接調(diào)取監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)；間隔層防護(hù)。系統(tǒng)以GOOSE報(bào)文為媒介，傳遞防護(hù)閉鎖信息。若監(jiān)控后臺(tái)發(fā)生問題，位于監(jiān)控層的防護(hù)裝置，依然可以正常運(yùn)行，向終端傳輸各類與防護(hù)有關(guān)的信號(hào)，同時(shí)還能完成全站設(shè)備五防閉鎖操作；過程層。通過對(duì)在線專用鎖具的應(yīng)用，針對(duì)各類手動(dòng)設(shè)備實(shí)施閉鎖。

3.4 狀態(tài)檢修

為了滿足設(shè)備狀態(tài)檢修的需求，本電站構(gòu)建了一套狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這套系統(tǒng)能夠有效地獲取和處理變電站內(nèi)各設(shè)備的信息。與此同時(shí)，通過引入專家系統(tǒng)，對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行專業(yè)評(píng)估，進(jìn)而提高狀態(tài)檢修的效率和品質(zhì)。在檢修后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成檢修報(bào)告，并向相關(guān)部門和平臺(tái)發(fā)送，為工作人員確定故障類型和制定解決措施，創(chuàng)造有利的條件。

綜上所述，本變電站屬于典型的數(shù)字化變電站，在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)電子互感器、合并單元和IEC61850通信協(xié)議等技術(shù)加以運(yùn)用，并在一次設(shè)備和二次系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最終打造了集多種功能于一體的信息平臺(tái)。依托該平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站全部信息的匯集和處理，使故障告警、遠(yuǎn)程操作、輔助決策等功能的作用被充分發(fā)揮。