kv數(shù)字化變電站設(shè)計

1、35 kV數(shù)字化變電站設(shè)計方案探討 目前，變電站綜合自動化技術(shù)已經(jīng)在我國得到廣泛的應(yīng)用，但是，目前的變電站綜合自動化技術(shù)的運用還存在一些技術(shù)上的局限性，另外，隨著電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，電壓等級越來越高，對系統(tǒng)運行管理也提出了更高的要求。隨著數(shù)字式互感器技術(shù)和智能一次電氣設(shè)備技術(shù)的日臻成熟并開始實用化，以及計算機(jī)高速網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)實時網(wǎng)絡(luò)中的開發(fā)應(yīng)用，數(shù)字化變電站技術(shù)開始在我國逐步得到應(yīng)用。數(shù)字化變電技術(shù)代表著變電站自動化技術(shù)的發(fā)展方向。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)為數(shù)字化變電站技術(shù)奠定了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字化一次設(shè)備以及數(shù)字化通信技術(shù)的發(fā)展及實用化，也使得按IEC61850建設(shè)數(shù)字化變電站成為可能。1

2、數(shù)字化變電站的關(guān)鍵技術(shù) 就目前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀而言，數(shù)字化變電站是建立于IEC61850通信規(guī)范基礎(chǔ)上，由電子式互感器(ECT，EVT)、智能化開關(guān)等智能化一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備按變電站層、間隔層、過程層分層構(gòu)建而成，能夠?qū)崿F(xiàn)變電站內(nèi)智能電氣設(shè)備間信息共享和互操作的現(xiàn)代化變電站。它的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾個方面。11 IEC61850標(biāo)準(zhǔn) 就概念而言，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)主要圍繞以下四個方面展開： (1)功能建模。從變電站自動化通信系統(tǒng)的通信性能(PICOM)要求出發(fā)，定義了變電站自動化系統(tǒng)的功能模型(Part5)。 (2)數(shù)據(jù)建模。采用面向?qū)ο蟮姆椒?，定義了基于客戶機(jī)服務(wù)器結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模(Par

3、t7-34)。 (3)通信協(xié)議。定義了數(shù)據(jù)訪問機(jī)制(通信服務(wù))和向通信協(xié)議棧的映射，如在變電站層和間隔層之間的網(wǎng)絡(luò)采用抽象通信服務(wù)接口映射到MMS(IEC61850-8-1)，在間隔層和過程層之間的網(wǎng)絡(luò)映射成串行單向多點或點對點傳輸網(wǎng)絡(luò)(IEC61850-9-1)或映射成基于IEEE8023標(biāo)準(zhǔn)的過程總線(IEC61850-9-2)(Part 7-2，Part89)。 (4)變電站自動化系統(tǒng)工程和一致性測試。定義了基于XML(Extensible Make up Language)的結(jié)構(gòu)化語言(Part 6)，描述變電站和自動化系統(tǒng)的拓?fù)湟约癐ED結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。為了驗證互操性，Part 10描述

4、了IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)一致性測試。12 電子式互感器 電子式互感器分為兩大類：有源電子式互感器和無源電子式互感器。有源電子式互感器利用Rogowski空芯線圈或低功率鐵芯線圈感應(yīng)被測電流，利用電容(電阻、電感)分壓器感應(yīng)被測電壓。遠(yuǎn)端模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后經(jīng)通信光纖傳送。無源電子式互感器利用Faraday磁光效應(yīng)感應(yīng)被測電流信號，利用Pockels電光效應(yīng)感應(yīng)被測電壓信號，通過光纖傳輸傳感信號。13 智能化一次設(shè)備 根據(jù)IEC 62063：1999的定義，智能開關(guān)設(shè)備是指具有較高性能的開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備，配有電子設(shè)備、傳感器和執(zhí)行器，不僅具有開關(guān)設(shè)備的基本功能，還具有附加功能，尤其在

5、監(jiān)測和診斷方面。14 網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備 將IEC 61850應(yīng)用于變電站內(nèi)的通信，以充分利用網(wǎng)絡(luò)通信的最新技術(shù)，實現(xiàn)二次設(shè)備的信息共享、互操作和功能的靈活配置。2 系統(tǒng)設(shè)計原則 按照數(shù)字化變電站的要求和各層所需要達(dá)到的功能，針對一個典型接線的35 kV變電站，建立數(shù)字化變電站模型，并給出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及配置方案。設(shè)計方案應(yīng)具有先進(jìn)性，同時作為一種實際應(yīng)用，還應(yīng)充分考慮目前國內(nèi)外高壓電氣設(shè)備和二次設(shè)備(IED)的發(fā)展情況和運行經(jīng)驗。 設(shè)計過程分以下幾個步驟實現(xiàn)： (1)建立35 kV變電站模型，給出電氣主接線和IED配置。 (2)分析數(shù)字化變電站的分層網(wǎng)絡(luò)特點，建立全數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。 (3)

6、針對已建立全數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，選擇數(shù)字化變電站高壓電氣設(shè)備和二次設(shè)備。3 系統(tǒng)設(shè)計方案31 變電站主接線及IED配置 以下設(shè)計中按照常規(guī)的35 kV變電站考慮：配備有載調(diào)壓變壓器2臺；35 kV單母線分段，兩路進(jìn)線一主一備；#1進(jìn)線所帶35 kV直配變一臺，作為所用備用電源；10 kV單母線分段，每段母線各六路出線；集中無功補(bǔ)償分兩臺，分別接于10 kV I，母線。電氣接線如圖1所示。 本方案中，35 kV變電站采用保護(hù)及測控一體化設(shè)計，#1，#2主變壓器各配置一臺主變差動保護(hù)測控裝置，提供雙斜率雙拐點差動制動特性的比率式電流差動保護(hù)和差流速斷保護(hù)功能。此外，這兩臺保護(hù)還可為變壓器高

7、、低壓側(cè)提供過流后備保護(hù)功能。測控方面的功能包括差動和制動電流、二次和五次諧波、電流等測量值，以及事件及故障錄波、數(shù)據(jù)記錄等功能。35 kV#1，#2進(jìn)線、母聯(lián)配置一臺線路保護(hù)裝置，主要提供完整的過流，速斷和線路差動保護(hù)。兩臺主變保護(hù)各組一個屏，兩條進(jìn)線和母聯(lián)的保護(hù)組一個屏。對于10 kV饋線系統(tǒng)(含進(jìn)線、變壓器、電動機(jī)、母聯(lián)等)，有兩種配置方式，第一種是分散安裝模式，在每條10 kV饋線上配置一臺綜合饋線保護(hù)裝置，提供過流和速斷保護(hù)，其他保護(hù)功能包括電壓和頻率保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)等。測控方面的功能包括重合閘、故障測距、斷路器操作次數(shù)及開斷電流統(tǒng)計、同期檢測、事件及故障錄波、各種電量及需量的測

8、量功能，10 kV饋線保護(hù)安裝在相應(yīng)的饋線開關(guān)柜上。第二種方式是組屏方式安裝模式，在10 kV每段母線處各配置一臺多饋線保護(hù)裝置，一臺這樣的保護(hù)可同時為5條10 kV饋線提供監(jiān)控保護(hù)功能，并為母聯(lián)提供保護(hù)，這里選用后一種安裝方式，多饋線保護(hù)通過組屏安裝在35 kV主控室或10 kV配電室，10 kV I，兩段母線只需兩臺多饋線保護(hù)裝置即可為各饋線，變壓器及母聯(lián)提供保護(hù)，這兩套保護(hù)各組一個屏。 變電站層配置主備兩個遠(yuǎn)動主機(jī)和主備兩個后臺監(jiān)控主機(jī)以及工程師站、人機(jī)工作站等設(shè)備，整個系統(tǒng)共組五個屏放在主控室。 為了使得變電站可以兼容部分不支持IEC61850的智能設(shè)備(如UPS、直流屏、消弧系統(tǒng)，電

9、度表等)，所以方案中設(shè)置了單獨的IEC61850通信管理機(jī)、對時設(shè)備等輔助設(shè)備，其功能是將這些智能設(shè)備轉(zhuǎn)換成符合IEC61850規(guī)范，同時實現(xiàn)統(tǒng)一對時。32 變電站網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)321 過程層網(wǎng)絡(luò) 過程層上最大的數(shù)據(jù)流出現(xiàn)在電子式互感器和保護(hù)、測控之間的采樣值傳輸過程中，采樣值傳輸有很高的實時性要求。此外，保護(hù)、測控裝置之間的互鎖、保護(hù)和智能開關(guān)之間的跳合閘命令也有很高的實時性和可靠性要求。因此，過程層通信的實時性和可靠性是最為關(guān)鍵的問題。 過程層組網(wǎng)有四種方案，分別為面向間隔原則，面向位置原則，單一總線原則和面向功能原則。其中面向間隔組網(wǎng)方案結(jié)構(gòu)清晰，易于維護(hù)，互操作性甚至互換性既可在IED層面獲

10、得，也可在間隔層面獲得。在IEC61850實施初期，由于缺乏足夠的互操作性實踐經(jīng)驗，該方案使間隔層的互操作性更容易得到保證，所以在本設(shè)計中采用此方案組網(wǎng)，并采用100MB光纖冗余的過程總線環(huán)網(wǎng)，保證采樣值報文和跳閘GOOSE報文傳輸?shù)膶崟r性、可靠性，具體構(gòu)建如下： 35 kV部分和10 kV部分各為一間隔進(jìn)行組網(wǎng)，這兩部分的ECTEVT從一次側(cè)采集到電流電壓信號后，分別接入本間隔內(nèi)設(shè)置的合并單元中，合并單元采用IEC61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)對采樣值進(jìn)行處理，處理后的采樣信息經(jīng)過本間隔內(nèi)的一臺工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)接入過程層環(huán)網(wǎng)中，這樣，采樣值信息就可以在過程層環(huán)網(wǎng)上被共享，傳至保護(hù)和測控設(shè)備里。智能開

11、關(guān)設(shè)備如同合并單元一樣，經(jīng)本間隔內(nèi)的一臺工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)接入過程層環(huán)網(wǎng)中，傳至保護(hù)和測控設(shè)備中，合并單元及智能開關(guān)設(shè)備分別接入這兩臺交換機(jī)中，這樣的話，同一間隔內(nèi)的兩臺交換機(jī)可達(dá)到網(wǎng)絡(luò)冗余功能，如果有其中一臺交換機(jī)故障也不會影響過程層重要數(shù)據(jù)的傳輸安全。322 變電站層網(wǎng)絡(luò) 變電站站級網(wǎng)絡(luò)主要處理間隔層之間IED的通信，同時要與后臺人機(jī)工作站、工程師站進(jìn)行信息交換，并通過遠(yuǎn)動裝置與各級調(diào)度進(jìn)行雙向信息交換，變電站網(wǎng)絡(luò)也可以通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備直接接入電力數(shù)據(jù)網(wǎng)。 由于間隔層設(shè)備之間以及間隔層和變電站層之間需要共享電壓、電流值及狀態(tài)信號，而且間隔層IED數(shù)量較多，數(shù)據(jù)傳輸量大，為避免出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)堵塞，保證通

12、信可靠性，變電站層網(wǎng)絡(luò)采用1 000 MB雙光纖交換式以太環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，來保證帶寬和可靠性。間隔層為支持IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字式智能電子設(shè)備保護(hù)、控制、測量，集中組屏安裝。分別有#1主變屏，#2主變屏，35 kV兩條進(jìn)線、母聯(lián)屏，兩面10 kV饋線保護(hù)屏，每一單元為一獨立網(wǎng)絡(luò)單位，相互之間可以交換信息，基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與環(huán)網(wǎng)總線相連，與其他各單元、主站和調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行交換信息。后臺控制室通過變電站網(wǎng)絡(luò)向保護(hù)和測控裝置下達(dá)控制命令，GPS裝置也通過變電站網(wǎng)絡(luò)向全站統(tǒng)一授時，另外，遠(yuǎn)動系統(tǒng)也由變電站層網(wǎng)絡(luò)經(jīng)路由器與外部電力調(diào)度網(wǎng)絡(luò)相連。根據(jù)以上對35 kV數(shù)字化變電站過程層和變電站層的組

13、網(wǎng)分析，具體網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建如圖2所示。4 電氣設(shè)備設(shè)備配置41 電流電壓互感器及合并單元 如前文所講，電子式電流電壓互感器分為有源和無源兩種，由于有源互感器簡單可靠，穩(wěn)定性較好，國內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)運行的以有源互感器居多，光學(xué)互感器在超高壓系統(tǒng)中優(yōu)勢較大，但還處在不斷改進(jìn)過程中。因此在目前的技術(shù)條件下，35 kV變電站各電壓等級的互感器選用有源互感器。具體選擇配置方案如下： 在35 kV#1，#2進(jìn)線部分各選擇一對帶有一個保護(hù)級和一個測量級輸出的電子式電流互感器；在35 kVI，段饋線部分各選擇一對帶有一個保護(hù)級和一個測量級輸出的電子式電流互感器；在35 kV I，段母線處設(shè)置帶有一個保護(hù)級(測量)和

14、一個用于零序電壓的電子式電壓互感器；35 kV母聯(lián)部分選擇一個帶有一個保護(hù)級和一個測量級輸出的電子式電流互感器。 在10 kV I，段母線進(jìn)線部分各選擇有一個保護(hù)級和一個測量級的電子式電流互感器；在10 kV I，段母線的每條饋線部分同樣選擇有一個保護(hù)級和一個測量級的電子式電流互感器；在10 kV I，段母線部分各選擇一個有一個保護(hù)級(測量)和一個用于零序電壓的電子式電壓互感器；10 kV母聯(lián)部分選擇一個帶有一個保護(hù)級和一個測量級輸出的電子式電流互感器。 合并單元負(fù)責(zé)將有源互感器采集的35 kV和10 kV線路上電流，電壓信號經(jīng)IEC61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)光纖以太網(wǎng)傳輸至過程總線所需保護(hù)，具

15、體配置方案如下： 在35 kV I，段母線處各設(shè)備一臺合并單元，采集35 kV#1，#2進(jìn)線和出線部分的三相線路保護(hù)和測量電流值，同時采集35 kV I，段母線的單相線路電壓值和零序電壓值，其中35 kV段母線處的合并單元也負(fù)責(zé)采集35 kV母聯(lián)部分電流值。在10 kVI，段母線處各設(shè)備一臺合并單元，采集10 kV I，段母線的進(jìn)線和10條饋線部分的三相線路保護(hù)和測量電流值，同時采集10 kV I，段母線的單相線路電壓值和零序電壓值，其中10 kV段母線處的合并單元也負(fù)責(zé)采集10 kV母聯(lián)部分電流值。42 智能斷路器 在數(shù)字化變電站中，智能開關(guān)設(shè)備的研究和現(xiàn)場應(yīng)用相對滯后一步。因此在目前的技術(shù)

16、條件下，可供選擇的智能開關(guān)設(shè)備不是很多，目前主要的還是一些國外廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品，國內(nèi)的廠家也已經(jīng)在開發(fā)適用于各種電壓等級的智能開關(guān)設(shè)備，其中35 kV和10 kV的智能開關(guān)柜已經(jīng)開始試用。 本方案中，35 kV和10 kV智能開關(guān)設(shè)備選用智能化的成套開關(guān)柜，配備智能保護(hù)(控制)裝置，這種裝置應(yīng)具有自動采集交流量和監(jiān)視斷路器狀態(tài)等功能，并以IEC61850標(biāo)準(zhǔn)與站內(nèi)其他IED進(jìn)行通信。另一種方案是采用常規(guī)的開關(guān)柜，再在開關(guān)柜上加裝基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)、測控一體化裝置及智能操作箱來實現(xiàn)智能開關(guān)柜的功能。43 交換機(jī) 以太網(wǎng)交換機(jī)在過程層通信的主要網(wǎng)絡(luò)部件，由于過程層通信所處的惡劣電磁環(huán)境，

17、以及采樣值和GOOSE信息對實時性的要求，方案中選擇工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)。 這種工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)應(yīng)滿足IEC61850-3中變電站環(huán)境對設(shè)備的要求，較普通交換機(jī)更加堅固，可安裝在標(biāo)準(zhǔn)DIN導(dǎo)軌上，并有冗余電源供電，接插件采用牢固的DB-9結(jié)構(gòu)或者更加堅固的具有IP67防護(hù)等級的M-12接口，用以滿足苛刻的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境，可以抵抗震動，腐蝕和電磁干擾，大大提高了設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的可靠性。交換機(jī)采用雙全工交換模式，支持IEEE8021q(虛擬局域網(wǎng))和IEEE8021p(優(yōu)先級標(biāo)簽)這兩個與網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)質(zhì)量密切相關(guān)的協(xié)議。其中，IEEE8021q定義了基于端口的虛擬局域網(wǎng)(VLAN)，IEEE8021p定義了

18、報文傳輸優(yōu)先級，后者對于過程總線上采樣值報文和跳閘GOOSE報文的實時傳輸十分重要，因為當(dāng)過程總線上數(shù)據(jù)通信負(fù)荷較大時，通過給采樣值報文和跳閘GOOSE報文置上高優(yōu)先級標(biāo)簽，可以保證這兩類報文會在交換機(jī)內(nèi)優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)出去。 在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上，工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)利用光纖雙環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和環(huán)網(wǎng)冗余協(xié)議，光纖網(wǎng)絡(luò)具有很高的抗干擾性，環(huán)網(wǎng)冗余協(xié)議相對于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的STP(生成樹協(xié)議)及RSTP(快速生成樹協(xié)議)的斷路恢復(fù)時間有了明顯提高，如業(yè)界領(lǐng)先的工業(yè)交換機(jī)制造商MOXA公司的專有環(huán)網(wǎng)冗余協(xié)議MOXA Turbo Ring協(xié)議，能夠在環(huán)網(wǎng)線路出現(xiàn)故障時在20 ms內(nèi)切換到備份路徑，保持通訊的不間斷運行，大大提

19、高了網(wǎng)絡(luò)的可恢復(fù)性。并可根據(jù)需要靈活選配光端口和電端口的數(shù)目。 此外，由于合并單元、保護(hù)設(shè)備和開關(guān)控制器所傳輸信息的重要性，它們均應(yīng)直接和交換機(jī)端口相連，即保證各自享有獨立的帶寬。5 數(shù)字化變電站建設(shè)過渡方案 目前，國內(nèi)數(shù)字化變電站系統(tǒng)的應(yīng)用和實施尚處于起步階段，尤其是非常規(guī)互感器還需攻克一些技術(shù)難題，國內(nèi)滿足要求、可推廣應(yīng)用的智能一次設(shè)備太少；就交換機(jī)和嵌入式智能裝置而言，在過程層應(yīng)用1 000 MB以太網(wǎng)的技術(shù)還不成熟；諸如此類問題決定了數(shù)字化變電站的推廣不可能一步到位，必須根據(jù)各地實際情況分階段按不同的工程方案實施。 第一階段：變電站自動化系統(tǒng)在變電站層和間隔層真正實現(xiàn)IEC 61850，實現(xiàn)不同廠家IED之間的互聯(lián)和互操作；而過程層設(shè)備采用常規(guī)設(shè)備，間隔層設(shè)備采用傳統(tǒng)的點對點硬接線聯(lián)結(jié)方式接入