數(shù)字化變電站

數(shù)字化變電站綜述目錄1.研究背景及意義2.發(fā)展歷程及現(xiàn)狀3.數(shù)字化變電站的特點(diǎn)4.數(shù)字化變電站的幾個(gè)技術(shù)問題一.研究背景及意義近年來,變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展和微機(jī)保護(hù)的廣泛應(yīng)用極大地提高了電網(wǎng)的自動(dòng)化水平和管理水平，但是由于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)和保護(hù)設(shè)備的通信協(xié)議不統(tǒng)一，造成系統(tǒng)無縫集成困難，生命周期縮短；設(shè)備之問互操作性差，維護(hù)工作量大,改造升級(jí)困難。同時(shí)變電站的高壓電氣設(shè)備和保護(hù)、監(jiān)控等二次設(shè)備的控制、信號(hào)發(fā)送、模擬量采集還需要靠大量的電纜連接來實(shí)現(xiàn)，不僅浪費(fèi)了大量的財(cái)力，而且高、低壓設(shè)備之間不能實(shí)現(xiàn)電氣隔離。由于變電站數(shù)量大，分布廣，變電站自動(dòng)化水平對(duì)提高整個(gè)電力系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性、保障電網(wǎng)安全起著重大的作用。隨著現(xiàn)代電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大,無人值班變電站的應(yīng)用推廣，各級(jí)調(diào)度和站內(nèi)保護(hù)、控制裝置對(duì)正常運(yùn)行和異常事故時(shí)的各種信息需求量也成幾何級(jí)數(shù)增加，變電站的自動(dòng)化采集和處理系統(tǒng)也要求有足夠的能力來儲(chǔ)存、處理和傳送這些信息。在各種新技術(shù)的推動(dòng)下，數(shù)字化變電站乃至數(shù)字化電網(wǎng)的概念被逐漸提出來。即在目前綜合自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)上，變電站內(nèi)的一次設(shè)備實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，各種IED之間和IED與一次設(shè)備之間通過光纜用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行信息的數(shù)字化交互，取消了各種控制電纜。數(shù)字化變電站將成為未來變電站建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)模式。國(guó)際電工委員會(huì)TC57技術(shù)委員會(huì)制定的IEC61850標(biāo)準(zhǔn)使變電站站內(nèi)通信采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，解決了設(shè)備之間的互操作性和無縫集成等問題，使通信可靠性得到提高。智能化電氣設(shè)備的發(fā)展，特別是智能化開關(guān)設(shè)備、電子式電壓和電流互感器、智能電子裝置等在變電站系統(tǒng)中的逐漸推廣應(yīng)用，電氣設(shè)備在線狀態(tài)檢測(cè)、變電站運(yùn)行操作培訓(xùn)仿真等技術(shù)日趨成熟，以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，使得建設(shè)數(shù)字化變電站具備了必要的技術(shù)條件。1.1數(shù)字化變電站應(yīng)用技術(shù)背景非常規(guī)互感器IEC61850標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)智能斷路器技術(shù)1.1.1非常規(guī)互感器非常規(guī)互感器主要有兩種：一種是基于Rogowski線圈原理的電子式互感器，一種是基于法拉第效應(yīng)的光電式互感器，其最大特點(diǎn)就是可以輸出低壓模擬量和數(shù)字量信號(hào)，直接用于微機(jī)保護(hù)和電子式計(jì)量設(shè)備，適應(yīng)電力系統(tǒng)數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的需要，由于其動(dòng)態(tài)范圍比較大，能同時(shí)適用于測(cè)量和保護(hù)兩種功能應(yīng)用。非常規(guī)互感器充分利用了電光晶體的各種優(yōu)異特性和現(xiàn)代光電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的絕緣性能、較強(qiáng)的抗電磁干擾能力、測(cè)量頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大等特點(diǎn),這些特點(diǎn)對(duì)于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展提供了信息集成應(yīng)用的基礎(chǔ)。1.1.2IEC61850標(biāo)準(zhǔn)IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是關(guān)于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的第一個(gè)完整的通信標(biāo)準(zhǔn)體，國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)TC57工作組(WGIO/11/12)從1995年開始制定，2002年提出草案，2004年大部分內(nèi)容正式頒布。其核心可歸納為信息建模、抽象服務(wù)、具體映射三部分。與傳統(tǒng)通信協(xié)議體系相比,具有以下特點(diǎn):1.采用分層體系;2.信息傳輸采用與網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立的抽象通信服務(wù)接口(ACSI)和特定通信服務(wù)接口(scsl);3.信息模型采用面向?qū)ο蟆⒚嫦驊?yīng)用的自描述;4.具有互操作性。它的制定和發(fā)布為構(gòu)建數(shù)字化變電站的通信網(wǎng)絡(luò)提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)依據(jù),將逐步成為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)也正在將該標(biāo)準(zhǔn)等同引用為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T860。1.1.4智能斷路器技術(shù)非常規(guī)互感器的出現(xiàn)以及計(jì)算機(jī)的發(fā)展,對(duì)于斷路器設(shè)備內(nèi)部的電、磁、溫度、機(jī)械、機(jī)構(gòu)動(dòng)作狀態(tài)監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為可能。智能化一次設(shè)備采用數(shù)字化的監(jiān)視和控制手段,機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,體積小。既減少了設(shè)備停電檢修的幾率和時(shí)間,減少了運(yùn)行成本,也減少人為因素造成的設(shè)備損壞。智能操作斷路器根據(jù)所檢測(cè)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(dòng)選擇和調(diào)整操動(dòng)機(jī)構(gòu)以及與滅弧室狀態(tài)相適應(yīng)的合理工作條件,以改變現(xiàn)有斷路器的單一分閘特性。在無載時(shí)以較低的分閘速度開斷,而在系統(tǒng)故障時(shí)又以較高的分閘速度開斷等。這樣,就可獲得開斷時(shí)電氣和機(jī)構(gòu)性能上的最佳開斷效果。二、發(fā)展歷程及現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外數(shù)字化變電站的研究和建設(shè)均處于起步階段。我國(guó)的數(shù)字化變電站建設(shè)基本上按照先在11OkV及以下變電站中進(jìn)行試點(diǎn),然后往高的電壓等級(jí)發(fā)展的思路,當(dāng)然這中間還需要進(jìn)行大量的研究?！笆晃濉逼陂g作為數(shù)字化電網(wǎng)基礎(chǔ)的數(shù)字化變電站工程試點(diǎn)應(yīng)用將成為電網(wǎng)建設(shè)和變電站控制技術(shù)發(fā)展的新熱點(diǎn)。至今有云南、山東、江蘇、陜西等省已進(jìn)行11OkV電壓等級(jí)的數(shù)字化變電站的改造、建設(shè)并投入運(yùn)行,取得了一定的經(jīng)驗(yàn)。國(guó)家電網(wǎng)公司制定了未來5年內(nèi)研究和推廣數(shù)字化變電站技術(shù)的實(shí)施方案,在《國(guó)家電網(wǎng)公司新技術(shù)推廣一綱要》提出了數(shù)字化變電站的實(shí)施進(jìn)度表:2007年在無錫1IOkV苑石變電站示范應(yīng)用(己投運(yùn)),2009年在銅陵220kV南郊變電站示范應(yīng)用,2009年吉林公司安排500kV電子式互感器示范應(yīng)用;“十一五”后期開展500kv變電站了范應(yīng)用。2.1IEC61850相關(guān)智能設(shè)備研制國(guó)外廠家在制定IEC61850標(biāo)準(zhǔn)時(shí)就展開了基于IEC61850的IED研制,并進(jìn)行了互操作性試驗(yàn),目前己積累了不少經(jīng)驗(yàn)。國(guó)內(nèi)IED廠家從前幾年就已經(jīng)積極開展基于JEC61850標(biāo)準(zhǔn)的IED研制和實(shí)際應(yīng)用,目前國(guó)內(nèi)規(guī)模較大的幾個(gè)廠家都推出了相關(guān)產(chǎn)品,但在國(guó)內(nèi)應(yīng)用的數(shù)量不是很多,量產(chǎn)還需要一定的時(shí)間。2.2電子式互感器及接口設(shè)備的應(yīng)用電子式互感器指有別于傳統(tǒng)的電磁型電壓/電流互感器的新一代互感器,簡(jiǎn)稱ECT/EVT,主要包括以羅柯夫斯基(Rogowski)線圈為代表的有源電子式電流互感器和采用法拉第效應(yīng)光學(xué)測(cè)量原理的無源(光電式)電流互感器。電子式互感器具有無磁飽和,抗電磁干擾能力強(qiáng),動(dòng)態(tài)范圍大、測(cè)量精度高,無二次開路危險(xiǎn)、絕緣結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。國(guó)外幾家大公司從上世紀(jì)50年代就開始研制電子式互感器,目前已經(jīng)研制出115—756kv精度達(dá)到0.2級(jí)的電子式互感器并進(jìn)行了掛網(wǎng)運(yùn)行,取得了較豐富的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),部分電子式互感器已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)行。我國(guó)自二十世紀(jì)九十年代以來有多家科研機(jī)構(gòu)開始進(jìn)行研制工作,目前有多種電子式和光電式互感器樣機(jī)研制出來,取得了一定的試運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),并逐步進(jìn)入實(shí)用化階段。電子式互感器與斷路器設(shè)備集成技術(shù)將是今后的研究方向。2.3智能斷路器技術(shù)的應(yīng)用國(guó)外己經(jīng)研制出了50OkV及以下等級(jí)的智能斷路器,日本三菱公司55OkvMITS智能化開關(guān),它通過將斷路器、隔離開關(guān)/接地開關(guān)及測(cè)量互感器集成在一個(gè)裝配單元實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的一體化?？梢砸种崎_關(guān)分、合閘過程中產(chǎn)生的過電壓,使系統(tǒng)的電壓波動(dòng)減至最低,并且可以省略合閘電阻、延長(zhǎng)觸頭壽命。三、數(shù)字化變電站的特點(diǎn)數(shù)據(jù)采集數(shù)字化系統(tǒng)分層分布化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊化系統(tǒng)建模標(biāo)準(zhǔn)化信息交互網(wǎng)絡(luò)化信息應(yīng)用集成化設(shè)備檢修狀態(tài)化設(shè)備操作智能化主要特點(diǎn)3.1數(shù)據(jù)采集數(shù)字化數(shù)字化變電站的主要標(biāo)志是采用數(shù)字化電氣量測(cè)系統(tǒng)(如光電式互感器或電子式互感器)采集電流、電壓等電氣量，實(shí)現(xiàn)了一、二次系統(tǒng)在電氣上的有效隔離，增大了電氣量的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍并提高了測(cè)量精度，從而為實(shí)現(xiàn)常規(guī)變電站裝置冗余向信息冗余的轉(zhuǎn)變以及信息集成化應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。3.2系統(tǒng)分層分布化IEC61850提出了變電站過程層、間隔層、站控層的三層結(jié)構(gòu)模型，建議采用面向?qū)ο蠼！④浖?fù)用、高速以太網(wǎng)、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(real-timeoperatingsystem，RTOS)以及XML(extensiblemarkuplanguage)等技術(shù)，以便滿足電力系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性的要求，同時(shí)有效地解決異構(gòu)系統(tǒng)之間的信息互通、裝置的自我描述和互操作以及系統(tǒng)的擴(kuò)展性等問題，為實(shí)施變電站分層分布式方案提供了可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊化圖中是結(jié)構(gòu)緊湊化或近過程化設(shè)計(jì)的一個(gè)示例，其中LN為邏輯節(jié)點(diǎn)(logicalnode)，代表自動(dòng)化系統(tǒng)的基本功能單元。斷路器IED中集成了斷路器(XCBR)及監(jiān)視(SCBR)功能；合并單元/保護(hù)IED中集成了電流采樣(TCTR)、電壓采樣(TVTR)以及作為后備的過流保護(hù)(PTOC)功能；間隔控制器/保護(hù)IED中集成了開關(guān)控制(CSWI)以及作為主保護(hù)的距離保護(hù)(PDIS)功能。3.4系統(tǒng)建模標(biāo)準(zhǔn)化IEC61850確立了電力系統(tǒng)的建模標(biāo)準(zhǔn)，為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)定義了統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的信息模型和信息交換模型，其意義主要體現(xiàn)在：（1）實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備的互操作性。（2）實(shí)現(xiàn)變電站的信息共享。（3）簡(jiǎn)化系統(tǒng)的維護(hù)、配置和工程實(shí)施。3.5信息交互網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字化變電站采用低功率、數(shù)字化的新型互感器代替常規(guī)互感器，將高電壓、大電流直接變換為數(shù)字信號(hào)。變電站內(nèi)設(shè)備之間通過高速網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，二次設(shè)備不再出現(xiàn)功能重復(fù)的I/O接口，常規(guī)的功能裝置變成了邏輯的功能模塊，即通過采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)及資源共享。網(wǎng)絡(luò)化的信息流如圖所示，具體包括：①過程層與間隔層之間的信息交換，即過程層的各種智能傳感器和執(zhí)行器可以自由地與間隔層的裝置交換信息；②間隔層內(nèi)部的信息交換；③間隔層之間的通信；④間隔層與變電站層的通信；⑤變電站層不同設(shè)備之間的通信。信息交互網(wǎng)絡(luò)化的主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：（1）能根據(jù)實(shí)際需要靈活選擇網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，易于利用冗余技術(shù)提高系統(tǒng)可靠性，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變不會(huì)影響變電站功能的實(shí)現(xiàn)。（2）當(dāng)過程層采用基于IEC61850-9-2的過程總線時(shí)，傳感器的采樣數(shù)據(jù)可利用多播(multicasting)技術(shù)同時(shí)發(fā)送至測(cè)控、保護(hù)、故障錄波及相角測(cè)量等單元，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享。（3）利用網(wǎng)線代替導(dǎo)線可大大減少變電站內(nèi)二次回路的連接線數(shù)量，從而提高系統(tǒng)的可靠性。3.6信息應(yīng)用集成化常規(guī)變電站的監(jiān)視、控制、保護(hù)、故障錄波、量測(cè)與計(jì)量等裝置幾乎都是功能單一、相互獨(dú)立的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)往往存在硬件配置重復(fù)、信息不共享及投資成本大等缺點(diǎn)。而數(shù)字化變電站則對(duì)原來分散的二次系統(tǒng)裝置進(jìn)行了信息集成及功能優(yōu)化處理，因此有效地避免了上述問題的發(fā)生。3.7設(shè)備檢修狀態(tài)化以往的設(shè)備狀態(tài)檢修主要是針對(duì)一次設(shè)備，二次設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)象不是單一的元件，而是一個(gè)單元或系統(tǒng)。雖然IED裝置本身具備狀態(tài)檢修的實(shí)施基礎(chǔ)，但二次設(shè)備的狀態(tài)檢修必須作為一個(gè)系統(tǒng)性的問題來考慮，狀態(tài)監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)應(yīng)包含交流輸入、直流及操作回路等，因此在常規(guī)變電站內(nèi)很難實(shí)施二次系統(tǒng)的狀態(tài)檢修。

在數(shù)字化變電站中，可以有效地獲取電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)以及各種IED裝置的故障和動(dòng)作信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)操作及信號(hào)回路狀態(tài)的有效監(jiān)視。數(shù)字化變電站中幾乎不再存在未被監(jiān)視的功能單元，設(shè)備狀態(tài)特征量的采集沒有盲區(qū)。設(shè)備檢修策略可以從常規(guī)變電站設(shè)備的“定期檢修”變成“狀態(tài)檢修”，從而大大提高系統(tǒng)的可用性。3.8設(shè)備操作智能化新型高壓斷路器二次系統(tǒng)是采用微機(jī)、電力電子技術(shù)和新型傳感器建立起來的，如ABB公司的PASS(plug&switchsystem)和SIEMENS公司的HIS(highlyintegratedswitchgear)等，其主要特點(diǎn)包括：（1）執(zhí)行單元采用微機(jī)控制及電力電子技術(shù)代替常規(guī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的輔助開關(guān)和輔助繼電器，按電壓波形控制跳、合閘角度，精確控制跳、合閘的時(shí)間，減小暫態(tài)過電壓幅值。（2）斷路器內(nèi)部的微機(jī)可直接處理設(shè)備信息并獨(dú)立執(zhí)行本地功能，而不依賴于變電站級(jí)的控制系統(tǒng)。（3）非常規(guī)傳感器采用微機(jī)技術(shù)，可獨(dú)立采集