數(shù)字化變電站的技術分析

1、61850數(shù)字化變電站的技術分析摘 要隨著計算機信息處理與網(wǎng)絡技術的大力發(fā)展，以其為應用基礎的數(shù)字化變電站技術也在不斷發(fā)展，隨著電子式互感器、智能開關技術的應用，使得數(shù)字化變電站的系統(tǒng)結構又有了不同于常規(guī)變電站的革命性變化。針對目前數(shù)字技術的普遍應用，本文研究了其中若干關鍵技術，分析數(shù)字化控制技術的發(fā)展方向。關鍵詞：數(shù)字變電站，智能電網(wǎng)，電子式互感器，智能開關技術第1章 數(shù)字化技術相關理論11 數(shù)字化變電站的意義數(shù)字化變電站是智能電網(wǎng)的物理基礎，是高級調(diào)度中心的信息采集和命令執(zhí)行單元，IEC61850的推出和應用，推進了變電站的標準化，使得各類二次設備以邊準的方式建模和通信，第一次在變電站內(nèi)能

2、夠完成統(tǒng)一的信息交互，二次設備融合成為一種趨勢。最初的建設以光電式互感器、智能化集成開關、職能變壓器等數(shù)字化一次設備。現(xiàn)今越來越多的客戶，將智能電子設備為基礎的新型變電站自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)字化變電站站內(nèi)各層間的無縫通訊，最大限度地滿足信息共享和系統(tǒng)集成的要求，則是數(shù)字化變電站技術的發(fā)展方向。12 IEC 61850標準IEC 61850標準是由國際電工委員會(International Electro technical Commission)第57技術委員會于2004年頒布的、應用于變電站通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)的國際標準。作為基于網(wǎng)絡通訊平臺的變電站唯一的國際標準，IEC61850標準吸收了IEC6

3、0870系列標準和UCA的經(jīng)驗，同時吸收了很多先進的技術，對保護和控制等自動化產(chǎn)品和變電站自動化系統(tǒng)（SAS）的設計產(chǎn)生深刻的影響。針對傳統(tǒng)變電站信息難以共享等不足，IEC 61850 提出了基于以太網(wǎng)的解決方案，這不僅大大節(jié)省了變電站建設和運行成本，也大大提高了數(shù)字化變電站內(nèi)設備的互操作性。但是隨著計算機和網(wǎng)絡技術的廣泛應用以及標準化和互操作技術的逐漸推廣，尤其過程總線的應用使通信網(wǎng)絡從二次系統(tǒng)延伸到了一次系統(tǒng)，數(shù)字化變電站系統(tǒng)內(nèi)的模擬量采集、跳合閘命令均通過網(wǎng)絡實時實現(xiàn)，電力系統(tǒng)所面臨的電子安全（包括信息安全、計算機系統(tǒng)安全和網(wǎng)絡安全）風險也日益加劇。13數(shù)字化變電站特點數(shù)字化變電站是由智

4、能化一次設備（電子式互感器、智能化開關等）和網(wǎng)絡化二次設備分層（過程層、間隔層、站控層）構建，建立在IEC61850通信規(guī)范基礎上，能夠實現(xiàn)變電站內(nèi)智能電氣設備間信息共享和互操作的現(xiàn)代化變電站。數(shù)字化變電站是應用IEC61850進行建模和通信的變電站，數(shù)字化變電站體現(xiàn)在過程層設備的數(shù)字化，整個站內(nèi)信息的網(wǎng)絡化，以及開關設備實現(xiàn)智能化。智能化的一次設備一次設備被檢測的信號回路和被控制的操作驅動回路采用微處理器和光電技術設計，簡化了常規(guī)機電式繼電器及控制回路的結構，數(shù)字程控器及數(shù)字公共信號網(wǎng)絡取代傳統(tǒng)的導線連接。換言之，變電站二次回路中常規(guī)的繼電器及其邏輯回路被可編程序代替，常規(guī)的強電模擬信號和控

5、制電纜被光電數(shù)字和光纖代替。 網(wǎng)絡化的二次設備 變電站內(nèi)常規(guī)的二次設備，如繼電保護裝置、防誤閉鎖裝置、測量控制裝置、遠動裝置、故障錄波裝置、電壓無功控制、同期操作裝置以及正在發(fā)展中的在線狀態(tài)檢測裝置等全部基于標準化、模塊化的微處理機設計制造，設備之間的連接全部采用高速的網(wǎng)絡通信，二次設備不再出現(xiàn)常規(guī)功能裝置重復的IO現(xiàn)場接口，通過網(wǎng)絡真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、資源其享，常規(guī)的功能裝置在這里變成了邏輯的功能模塊。 自動化的運行管理系統(tǒng) 變電站運行管理自動化系統(tǒng)應包括電力生產(chǎn)運行數(shù)據(jù)、狀態(tài)記錄統(tǒng)計無紙化；數(shù)據(jù)信息分層、分流交換自動化；變電站運行發(fā)生故障時能及時提供故障分析報告，指出故障原因，提出故障處理意

6、見；系統(tǒng)能自動發(fā)出變電站設備檢修報告，即常規(guī)的變電站設備“定期檢修”改變?yōu)椤盃顟B(tài)檢修”。 第2章 數(shù)字化變電站的關鍵技術14數(shù)字化變電站的結構1.4.1 基本結構對于一個數(shù)字化變電站而言，其基本結構應當包括基礎數(shù)據(jù)層、間隔層、網(wǎng)絡層與站控層四級結構，其結構如圖所示：數(shù)字化變電站系統(tǒng)結構圖（1）基礎數(shù)據(jù)層數(shù)字化變電站的過程層是一次設備與二次設備的結合點。其主要功能有： 系統(tǒng)實時運行電氣量檢測：即利用非常規(guī)互感器檢測系統(tǒng)電流，電壓，相位和諧波分量等電氣量；運行設備狀態(tài)檢測：在線檢測變壓器，斷路器，母線等設備的溫度，壓力，密度，絕緣，機械特性以及工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)；操作控制命令執(zhí)行：過程層在執(zhí)行控制命令

7、時具有智能性，能判斷命令的真?zhèn)渭捌浜侠硇?。?）間隔層間隔層的主要功能：匯總本間隔過程層的實時數(shù)據(jù)信息；對一次設備實施保護控制功能；對本間隔執(zhí)行操作閉鎖功能；實施操作同期及其它控制功能；對數(shù)據(jù)采集發(fā)出具有優(yōu)先級別控制等等。（3）網(wǎng)絡層網(wǎng)絡層的主要任務是：通過兩級高速網(wǎng)絡匯總全站的實時數(shù)據(jù)信息；將有關數(shù)據(jù)信息送往電網(wǎng)調(diào)度或控制中心；接受電網(wǎng)調(diào)度或控制中心有關控制命令，并轉向間隔層和過程層執(zhí)行；具有在線可編程的全站操作閉鎖控制功能；具有對間隔層和過程層設備的在線維護等功能。（4）站控層站控層的主要任務是：運行中的前端數(shù)據(jù)，最后匯總于站控層，作為數(shù)字化變電站的重要信息匯集處，通過站控層，所有站內(nèi)外的

8、數(shù)據(jù)可以在此進行整理。內(nèi)部的數(shù)據(jù)通過此向外傳送，外部的數(shù)據(jù)也從此入口進入到站內(nèi)進行處理與控制。15 數(shù)字化變電站的應用技術數(shù)字化變電站的電子互感器將高電壓、大電流信號直接變換為數(shù)字信號；設備之間信息交互全部采用高速以太網(wǎng)的網(wǎng)絡通信，二次設備之間不再出現(xiàn)常規(guī)功能裝置重復的 I/O 接口；通過以太網(wǎng)技術真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、資源共享。1.5.1 電子式互感器電子式互感器的誕生是互感器傳感準確化、傳輸光纖化和輸出數(shù)字化發(fā)展趨勢的必然結果。電子式互感器是數(shù)字變電站的關鍵裝備之一。電子互感器具有優(yōu)良的絕緣性能，不含鐵芯，消除了磁飽和及鐵磁諧振等問題。電子互感器將高壓側信號通過絕緣性能很好的光纖傳輸?shù)蕉卧O備

9、，這使得其絕緣結構大大簡化，電壓等級越高其性價比優(yōu)勢越明顯。電子互感器利用光纜而不是電纜作為信號傳輸工具，實現(xiàn)了高低壓的徹底隔離，不存在電壓互感器二次回路短路或電流互感器二次回路開路給設備和人身造成的危害，安全性和可靠性大大提高。1.5.2 智能電子設備智能電子裝置是由一個或多個處理器組成，具有從外部源接收和傳送數(shù)據(jù)或控制外部源的設備，即電子多功能儀表、微機保護、控制器，在特定環(huán)境下在接口所限定范圍內(nèi)能夠執(zhí)行一個或多個邏輯接點任務的實體。數(shù)字化變電站系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)往往是由多個數(shù)字裝置組成，如間隔保護系統(tǒng)中有變壓器保護裝置、線路保護裝置以及母線保護裝置等。在數(shù)字化變電站系統(tǒng)內(nèi)，保護裝置的主要功

10、能是用于數(shù)據(jù)采集、處理，并對隔離開關、斷路器等一次設備進行控制及防誤閉鎖等重要任務；變電站層通過保護裝置獲取現(xiàn)場信息，進行處理與分析，同時通過對斷路器、隔離開關等一次設備進行操作來執(zhí)行變電站層發(fā)布的控制命令，開關量等變位時能夠按照設定值發(fā)告警信號向后臺傳送標志。第2章 當前數(shù)字化變電站技術的應用與發(fā)展21智能斷路器技術非常規(guī)傳感器技術的出現(xiàn)以及計算機的發(fā)展，對于斷路器設備內(nèi)部的電磁、溫度、斷路器機械、機構動作狀態(tài)監(jiān)測已經(jīng)成為可能?？梢愿鶕?jù)所檢測到的電網(wǎng)中斷路器開斷前一瞬間的各種工作狀態(tài)信息，自動選擇和調(diào)整操動機構以及與滅弧室狀態(tài)相適應的合理預定工作條件，改變現(xiàn)有斷路器單一分閘特性。在無載時以較

11、低的分閘速度開斷，在系統(tǒng)故障時以較高的分閘速度開斷，這樣，斷路器在實現(xiàn)正常運行監(jiān)視的基礎上可獲得電氣和機構性能上的最佳開斷效果。22數(shù)字化保護系統(tǒng)與傳統(tǒng)保護系統(tǒng)相比，數(shù)字化保護系統(tǒng)內(nèi)具有更多其它的電子裝置，且數(shù)字化保護系統(tǒng)內(nèi)的通信網(wǎng)絡直接參與保護與測控的功能，通信網(wǎng)絡可靠性也將直接決定變電站自動化系統(tǒng)的可靠性。通訊系統(tǒng)的安全性認證機制主要分為兩大類：基于網(wǎng)關的認證機制以及將用戶的數(shù)據(jù)流和控制信息分開的方法。認證服務只需要對用戶的認證信息進行校驗，用戶在通過驗證之后，用戶數(shù)據(jù)包就不需要通過認證服務器而直接由交換機處理。電力系統(tǒng)內(nèi)部人員無意識的失誤：內(nèi)部工作人員安全意識不強，口令選擇強度不夠，或者

12、隨意將自己的賬號轉借給他人或者安全配置不當造成的安全漏洞等行為都會給電力系統(tǒng)網(wǎng)絡安全帶來威脅。23五防總體要求 在數(shù)字變電站的生產(chǎn)管理工作中，變電站的“五防”措施（即防止誤拉、誤合斷路器，防止帶負荷誤拉、誤合隔離開關，防止帶電合接地開關，防止帶接地開關送電，防止誤入帶電間隔）至關重要。隔離開關電磁鎖的主要作用就是防止帶負荷誤拉、誤合隔離開關，防止帶電合接地開關。 變電站在線式五防系統(tǒng)是充分利用變電站自動化系統(tǒng)全站監(jiān)控功能，經(jīng)集成在自動化系統(tǒng)后臺軟件中，通過五防模塊及測控裝置中，對電氣操作防誤閉鎖實時判斷，對滿足防誤閉鎖操作條件的電氣設備，逐步開放操作的一套防誤閉鎖系統(tǒng)。在線式五防系統(tǒng)取消了電腦

13、鑰匙和相關的掛鎖、機械鎖及電氣編碼鎖，原設備操作回路中電氣編碼鎖由測控裝置輸出控制接點相應替代，網(wǎng)門、刀閘機構箱、臨時接地樁的掛鎖由測控裝置輸出接點控制的在線式五防專用鎖具相應替代。在線式五防系統(tǒng)通過對全站電氣設備（一、二次設備，刀閘電機電源狀態(tài)等）、在線式五防專用鎖具，以及現(xiàn)場實際操作情況的在線監(jiān)視，結合經(jīng)預演成功保留在五防主機中的操作票序列，按票依次開放每步電氣操作，一旦操作對象的操作條件改變不滿足操作要求，自動中斷余下操作步驟，實現(xiàn)全程實時在線閉鎖。在線式五防系統(tǒng)能實時監(jiān)視并控制所有閉鎖設備狀態(tài)（包括接地鎖、網(wǎng)門鎖、刀閘電機電源開關等）。 在線式五防系統(tǒng)能閉鎖全站電氣設備操作，僅對符合操

14、作條件的當前操作票項電氣設備進行開放操作；操作正確后自動閉鎖該設備，并自動開放符合操作條件的下步操作。 在運行中的數(shù)字變電站，在進行操作票執(zhí)行過程中，若操作對象的操作條件發(fā)生變化不滿足操作要求時，監(jiān)控五防及間隔五防均能實時閉鎖并停止繼續(xù)操作，提示錯誤信息。操作票執(zhí)行中止后，開放的電氣操作應能即時閉鎖（包括接地鎖、網(wǎng)門鎖、刀閘電機電源開關等）。24當前數(shù)字化的問題和發(fā)展遇到的困難現(xiàn)在數(shù)字化遇到的最大的問題就是技術方向發(fā)展，不光是技術方面的還有管理、維護方面的技術的問題有很多，例如數(shù)字化的穩(wěn)定程度、動作的準確程度，這些都是需要時間去驗證。光電互感器主要特點有絕緣簡單，體積小、重量輕、動態(tài)范圍寬，無

15、飽和現(xiàn)象，無諧振、二次輸出不怕開路，數(shù)字量輸出的特點。由于其利用光纖傳輸數(shù)據(jù)，易于實現(xiàn)高精度、高可靠，難點是電源的遠端取電技術和電源的管理，有源光電互感器易受電磁干擾等問題。無源光電互感器即不需要外加電源的自勵源式互感器，難點是如何減小“喚醒電流”的死角，易受溫度影響等。在當前的應用場面上，常規(guī)互感器與光電互感器同時存在，由于保護的要求，數(shù)字變電站需要點對點的光纖網(wǎng)絡數(shù)據(jù)收集和分發(fā)，使得合并器的出現(xiàn)就尤為重要。 25數(shù)字化變電站與普變電站的區(qū)別智能化一次設備的數(shù)字化傳感器，數(shù)字化控制回路代替了常規(guī)繼電保護裝置，測控等裝置的IO部分；而在中低壓變電站則將保護，監(jiān)控裝置小型化，緊湊化，完整地安裝在

16、開關柜上，實現(xiàn)了變電站機電一體化設計。在數(shù)字變電站中，通過過程總線接口給間隔層設備提供電氣信息，接受間隔層設備的跳合閘等控制命令；各斷路器的智能終端輸入開關位置、低氣壓、刀閘位置等狀態(tài)量，輸出跳合閘命令，含操作回路；本體智能終端輸入非電量、中性點刀閘位置、檔位等信號，輸出檔位控制、中性點刀閘控制和風扇控制等接點。在執(zhí)行控制命令時具有智能性，且將操作時間限制在規(guī)定的參數(shù)內(nèi)。在這樣的情況下，數(shù)字變電站能夠實現(xiàn)遠程控制，無人值守。在當前智能電網(wǎng)中，能夠起到關鍵控制樞紐作用，為建設堅強電網(wǎng)打下堅實的基礎。第3章 數(shù)字化變電站實踐與發(fā)展趨勢現(xiàn)在從2000年，中國第一座數(shù)字化變電站在蘇州落成，越來越多的數(shù)

17、字變電站運用了國際領先的光CT技術和程序化操作系統(tǒng)。數(shù)字化變電站符合IEC61850標準,即數(shù)字化變電站內(nèi)的信息全部做到數(shù)字化,信息傳遞實現(xiàn)網(wǎng)絡化,通信模型達到標準化,使各種設備和功能共享統(tǒng)一的信息平臺。這使得數(shù)字化變電站在系統(tǒng)可靠性、經(jīng)濟性、維護簡便性方面均比常規(guī)變電站有大幅度提升。 31數(shù)字化變電站的一體化目前，國家電網(wǎng)公司正積極開展智能化電網(wǎng)“三集五大”體系的建設，這對我國智能電網(wǎng)發(fā)展將產(chǎn)生深遠影響。數(shù)字化變電站將實現(xiàn)調(diào)控一體化，即將原來的變電監(jiān)控、變電運行維護業(yè)務全面分離，將監(jiān)控業(yè)務與調(diào)度業(yè)務融合，實現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)度與電網(wǎng)監(jiān)控一體化管理。這種新的管理模式顯著提高了電網(wǎng)故障處理效率和

18、日常操作效率，保證了運行人員統(tǒng)籌調(diào)配，為實現(xiàn)智能電網(wǎng)的全面發(fā)展，打下堅實的基礎。數(shù)字化變電站是把變電站的一、二次設備作為數(shù)字化對象，以高速的以太網(wǎng)絡通信平臺作為基礎，將物理性的設備虛擬化，將信息標準化，實現(xiàn)變電站內(nèi)信息的共享和互操作，滿足安全可靠、經(jīng)濟運行要求的變電站。數(shù)字化變電站為調(diào)控一體化管理模式提供了硬件支持，而這種新型管理模式正逐步實現(xiàn)電網(wǎng)的智能調(diào)度控制。32運行實踐據(jù)了解,我國微機保護在原理和技術上已相當成熟,常規(guī)變電站發(fā)生事故的主要原因在于電纜老化接地造成誤動、CT特性惡化和特性不一致引起故障、人員操作易出錯等。而這些問題在數(shù)字化變電站中都能得到根本性的解決,數(shù)字化變電站將是我國變電站技術的發(fā)展方向。國際上數(shù)字化變電站的研究已從實驗室階段進入實際工程應用階段,實用的全數(shù)字化變電站已有一些先例。33發(fā)展趨勢數(shù)字化變電站現(xiàn)階段總體上應遵循三層兩網(wǎng)的體系結構。信息可以通過網(wǎng)絡方式傳輸，并且已有了成功運行經(jīng)驗。變電站在電壓等級較低，結構相對簡單時，采樣值可采用組網(wǎng)方式傳輸。數(shù)字化變電站的根本目的是解決常規(guī)變電站存在的問題，數(shù)字化設計方案要兼顧先進性和經(jīng)濟性。電子式互感器在高電壓等級變電站值得推廣應用，對成熟的電子式互感器可以推廣應用，對光學互感器可以適當加大試點；但在低電壓等級