數(shù)字化變電站的技術(shù)分析

1、61850數(shù)字化變電站的技術(shù)分析摘 要隨著計(jì)算機(jī)信息處理與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的大力發(fā)展，以其為應(yīng)用基礎(chǔ)的數(shù)字化變電站技術(shù)也在不斷發(fā)展，隨著電子式互感器、智能開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，使得數(shù)字化變電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shù)的普遍應(yīng)用，本文研究了其中若干關(guān)鍵技術(shù)，分析數(shù)字化控制技術(shù)的發(fā)展方向。關(guān)鍵詞：數(shù)字變電站，智能電網(wǎng)，電子式互感器，智能開關(guān)技術(shù)第1章 數(shù)字化技術(shù)相關(guān)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(chǔ)，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(yīng)用，推進(jìn)了變電站的標(biāo)準(zhǔn)化，使得各類二次設(shè)備以邊準(zhǔn)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(shè)備融合成為一種趨勢。最初的建設(shè)以光電式互感器、智能化集成開關(guān)、職能變壓器等數(shù)字化一次設(shè)備?，F(xiàn)今越來越多的客戶，將智能電子設(shè)備為基礎(chǔ)的新型變電站自動化系統(tǒng)，實(shí)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(shù)的發(fā)展方向。12 IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)是由國際電工委員會(International Electro technical Commission)第57技術(shù)委員會于2004年頒布的、應(yīng)用于變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的國際標(biāo)準(zhǔn)。作為基于網(wǎng)絡(luò)通訊平臺的變電站唯一的國際標(biāo)準(zhǔn)，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)吸收了IEC6

3、0870系列標(biāo)準(zhǔn)和UCA的經(jīng)驗(yàn)，同時吸收了很多先進(jìn)的技術(shù)，對保護(hù)和控制等自動化產(chǎn)品和變電站自動化系統(tǒng)（SAS）的設(shè)計(jì)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(shè)和運(yùn)行成本，也大大提高了數(shù)字化變電站內(nèi)設(shè)備的互操作性。但是隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及標(biāo)準(zhǔn)化和互操作技術(shù)的逐漸推廣，尤其過程總線的應(yīng)用使通信網(wǎng)絡(luò)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(luò)實(shí)時實(shí)現(xiàn)，電力系統(tǒng)所面臨的電子安全（包括信息安全、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)安全和網(wǎng)絡(luò)安全）風(fēng)險也日益加劇。13數(shù)字化變電站特點(diǎn)數(shù)字化變電站是由智

4、能化一次設(shè)備（電子式互感器、智能化開關(guān)等）和網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備分層（過程層、間隔層、站控層）構(gòu)建，建立在IEC61850通信規(guī)范基礎(chǔ)上，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。數(shù)字化變電站是應(yīng)用IEC61850進(jìn)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(shè)備的數(shù)字化，整個站內(nèi)信息的網(wǎng)絡(luò)化，以及開關(guān)設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能化。智能化的一次設(shè)備一次設(shè)備被檢測的信號回路和被控制的操作驅(qū)動回路采用微處理器和光電技術(shù)設(shè)計(jì)，簡化了常規(guī)機(jī)電式繼電器及控制回路的結(jié)構(gòu)，數(shù)字程控器及數(shù)字公共信號網(wǎng)絡(luò)取代傳統(tǒng)的導(dǎo)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(qiáng)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(luò)化的二次設(shè)備 變電站內(nèi)常規(guī)的二次設(shè)備，如繼電保護(hù)裝置、防誤閉鎖裝置、測量控制裝置、遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的微處理機(jī)設(shè)計(jì)制造，設(shè)備之間的連接全部采用高速的網(wǎng)絡(luò)通信，二次設(shè)備不再出現(xiàn)常規(guī)功能裝置重復(fù)的IO現(xiàn)場接口，通過網(wǎng)絡(luò)真正實(shí)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(yùn)行管理系統(tǒng) 變電站運(yùn)行管理自動化系統(tǒng)應(yīng)包括電力生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)、狀態(tài)記錄統(tǒng)計(jì)無紙化；數(shù)據(jù)信息分層、分流交換自動化；變電站運(yùn)行發(fā)生故障時能及時提供故障分析報(bào)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(shè)備檢修報(bào)告，即常規(guī)的變電站設(shè)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(guān)鍵技術(shù)14數(shù)字化變電站的結(jié)構(gòu)1.4.1 基本結(jié)構(gòu)對于一個數(shù)字化變電站而言，其基本結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、間隔層、網(wǎng)絡(luò)層與站控層四級結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖所示：數(shù)字化變電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（1）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層數(shù)字化變電站的過程層是一次設(shè)備與二次設(shè)備的結(jié)合點(diǎn)。其主要功能有： 系統(tǒng)實(shí)時運(yùn)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(yùn)行設(shè)備狀態(tài)檢測：在線檢測變壓器，斷路器，母線等設(shè)備的溫度，壓力，密度，絕緣，機(jī)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(shí)時數(shù)據(jù)信息；對一次設(shè)備實(shí)施保護(hù)控制功能；對本間隔執(zhí)行操作閉鎖功能；實(shí)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(luò)層網(wǎng)絡(luò)層的主要任務(wù)是：通過兩級高速網(wǎng)絡(luò)匯總?cè)镜膶?shí)時數(shù)據(jù)信息；將有關(guān)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(guān)控制命令，并轉(zhuǎn)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(shè)備的在線維護(hù)等功能。（4）站控層站控層的主要任務(wù)是：運(yùn)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(jìn)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(jìn)入到站內(nèi)進(jìn)行處理與控制。15 數(shù)字化變電站的應(yīng)用技術(shù)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(shè)備之間信息交互全部采用高速以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信，二次設(shè)備之間不再出現(xiàn)常規(guī)功能裝置重復(fù)的 I/O 接口；通過以太網(wǎng)技術(shù)真正實(shí)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(zhǔn)確化、傳輸光纖化和輸出數(shù)字化發(fā)展趨勢的必然結(jié)果。電子式互感器是數(shù)字變電站的關(guān)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(cè)信號通過絕緣性能很好的光纖傳輸?shù)蕉卧O(shè)備

9、，這使得其絕緣結(jié)構(gòu)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(shí)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(shè)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(shè)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(shè)備，即電子多功能儀表、微機(jī)保護(hù)、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(diǎn)任務(wù)的實(shí)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(hù)系統(tǒng)中有變壓器保護(hù)裝置、線路保護(hù)裝置以及母線保護(hù)裝置等。在數(shù)字化變電站系統(tǒng)內(nèi)，保護(hù)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(guān)、斷路器等一次設(shè)備進(jìn)行控制及防誤閉鎖等重要任務(wù)；變電站層通過保護(hù)裝置獲取現(xiàn)場信息，進(jìn)行處理與分析，同時通過對斷路器、隔離開關(guān)等一次設(shè)備進(jìn)行操作來執(zhí)行變電站層發(fā)布的控制命令，開關(guān)量等變位時能夠按照設(shè)定值發(fā)告警信號向后臺傳送標(biāo)志。第2章 當(dāng)前數(shù)字化變電站技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展21智能斷路器技術(shù)非常規(guī)傳感器技術(shù)的出現(xiàn)以及計(jì)算機(jī)的發(fā)展，對于斷路器設(shè)備內(nèi)部的電磁、溫度、斷路器機(jī)械、機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)以及與滅弧室狀態(tài)相適應(yīng)的合理預(yù)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(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行監(jiān)視的基礎(chǔ)上可獲得電氣和機(jī)構(gòu)性能上的最佳開斷效果。22數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)與傳統(tǒng)保護(hù)系統(tǒng)相比，數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)具有更多其它的電子裝置，且數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)的通信網(wǎng)絡(luò)直接參與保護(hù)與測控的功能，通信網(wǎng)絡(luò)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(rèn)證機(jī)制主要分為兩大類：基于網(wǎng)關(guān)的認(rèn)證機(jī)制以及將用戶的數(shù)據(jù)流和控制信息分開的方法。認(rèn)證服務(wù)只需要對用戶的認(rèn)證信息進(jìn)行校驗(yàn)，用戶在通過驗(yàn)證之后，用戶數(shù)據(jù)包就不需要通過認(rèn)證服務(wù)器而直接由交換機(jī)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(qiáng)，口令選擇強(qiáng)度不夠，或者

12、隨意將自己的賬號轉(zhuǎn)借給他人或者安全配置不當(dāng)造成的安全漏洞等行為都會給電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)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(fù)荷誤拉、誤合隔離開關(guān)，防止帶電合接地開關(guān)，防止帶接地開關(guān)送電，防止誤入帶電間隔）至關(guān)重要。隔離開關(guān)電磁鎖的主要作用就是防止帶負(fù)荷誤拉、誤合隔離開關(guān)，防止帶電合接地開關(guān)。 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(shí)時判斷，對滿足防誤閉鎖操作條件的電氣設(shè)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(guān)的掛鎖、機(jī)械鎖及電氣編碼鎖，原設(shè)備操作回路中電氣編碼鎖由測控裝置輸出控制接點(diǎn)相應(yīng)替代，網(wǎng)門、刀閘機(jī)構(gòu)箱、臨時接地樁的掛鎖由測控裝置輸出接點(diǎn)控制的在線式五防專用鎖具相應(yīng)替代。在線式五防系統(tǒng)通過對全站電氣設(shè)備（一、二次設(shè)備，刀閘電機(jī)電源狀態(tài)等）、在線式五防專用鎖具，以及現(xiàn)場實(shí)際操作情況的在線監(jiān)視，結(jié)合經(jīng)預(yù)演成功保留在五防主機(jī)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(shí)現(xiàn)全程實(shí)時在線閉鎖。在線式五防系統(tǒng)能實(shí)時監(jiān)視并控制所有閉鎖設(shè)備狀態(tài)（包括接地鎖、網(wǎng)門鎖、刀閘電機(jī)電源開關(guān)等）。 在線式五防系統(tǒng)能閉鎖全站電氣設(shè)備操作，僅對符合操

14、作條件的當(dāng)前操作票項(xiàng)電氣設(shè)備進(jìn)行開放操作；操作正確后自動閉鎖該設(shè)備，并自動開放符合操作條件的下步操作。 在運(yùn)行中的數(shù)字變電站，在進(jìn)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(shí)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(yīng)能即時閉鎖（包括接地鎖、網(wǎng)門鎖、刀閘電機(jī)電源開關(guān)等）。24當(dāng)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(shù)方向發(fā)展，不光是技術(shù)方面的還有管理、維護(hù)方面的技術(shù)的問題有很多，例如數(shù)字化的穩(wěn)定程度、動作的準(zhǔn)確程度，這些都是需要時間去驗(yàn)證。光電互感器主要特點(diǎn)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(diǎn)。由于其利用光纖傳輸數(shù)據(jù)，易于實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠，難點(diǎn)是電源的遠(yuǎn)端取電技術(shù)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(diǎn)是如何減小“喚醒電流”的死角，易受溫度影響等。在當(dāng)前的應(yīng)用場面上，常規(guī)互感器與光電互感器同時存在，由于保護(hù)的要求，數(shù)字變電站需要點(diǎn)對點(diǎn)的光纖網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(hù)裝置，測控等裝置的IO部分；而在中低壓變電站則將保護(hù)，監(jiān)控裝置小型化，緊湊化，完整地安裝在

16、開關(guān)柜上，實(shí)現(xiàn)了變電站機(jī)電一體化設(shè)計(jì)。在數(shù)字變電站中，通過過程總線接口給間隔層設(shè)備提供電氣信息，接受間隔層設(shè)備的跳合閘等控制命令；各斷路器的智能終端輸入開關(guān)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(diǎn)刀閘位置、檔位等信號，輸出檔位控制、中性點(diǎn)刀閘控制和風(fēng)扇控制等接點(diǎn)。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?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制，無人值守。在當(dāng)前智能電網(wǎng)中，能夠起到關(guān)鍵控制樞紐作用，為建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。第3章 數(shù)字化變電站實(shí)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(yùn)用了國際領(lǐng)先的光CT技術(shù)和程序化操作系統(tǒng)。數(shù)字化變電站符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn),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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化,通信模型達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)化,使各種設(shè)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(jì)性、維護(hù)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(shè)，這對我國智能電網(wǎng)發(fā)展將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。數(shù)字化變電站將實(shí)現(xiàn)調(diào)控一體化，即將原來的變電監(jiān)控、變電運(yùn)行維護(hù)業(yè)務(wù)全面分離，將監(jiān)控業(yè)務(wù)與調(diào)度業(yè)務(wù)融合，實(shí)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(yùn)行人員統(tǒng)籌調(diào)配，為實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的全面發(fā)展，打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。數(shù)字化變電站是把變電站的一、二次設(shè)備作為數(shù)字化對象，以高速的以太網(wǎng)絡(luò)通信平臺作為基礎(chǔ)，將物理性的設(shè)備虛擬化，將信息標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)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(jì)運(yùn)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(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的智能調(diào)度控制。32運(yùn)行實(shí)踐據(jù)了解,我國微機(jī)保護(hù)在原理和技術(shù)上已相當(dāng)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(shù)的發(fā)展方向。國際上數(shù)字化變電站的研究已從實(shí)驗(yàn)室階段進(jìn)入實(shí)際工程應(yīng)用階段,實(shí)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(yīng)遵循三層兩網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)。信息可以通過網(wǎng)絡(luò)方式傳輸，并且已有了成功運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。變電站在電壓等級較低，結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)方案要兼顧先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)性。電子式互感器在高電壓等級變電站值得推廣應(yīng)用，對成熟的電子式互感器可以推廣應(yīng)用，對光學(xué)互感器可以適當(dāng)加大試點(diǎn)；但在低電壓等級