對數(shù)字化變電站設(shè)計(jì)技術(shù)的探析數(shù)字化變電站

對數(shù)字化變電站設(shè)計(jì)技術(shù)的探析數(shù)字化變電站摘要:本文筆者通過對數(shù)字化變電站技術(shù)的建設(shè)設(shè)計(jì)運(yùn)行及傳統(tǒng)變電站的改造中出現(xiàn)的若干問題進(jìn)行簡要的闡述和分析，供各位同仁參考及借鑒。關(guān)鍵詞：數(shù)字化變電站設(shè)計(jì)建設(shè)技術(shù)安全層面升級改造

0引言

當(dāng)前，數(shù)字化技術(shù)已成為科學(xué)發(fā)展的前沿技術(shù)，變電站數(shù)字化對進(jìn)一步提升變電站綜合自動(dòng)化水平將起到極大促進(jìn)作用。數(shù)字化變電站是一個(gè)不斷發(fā)展的概念，目前它是由電子式互感器、智能化一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備在IEC61850通信規(guī)范基礎(chǔ)上分層構(gòu)建，能夠?qū)崿F(xiàn)智能設(shè)備間信息共享和互操作的現(xiàn)代化變電站。

隨著2006年1月8日，我國的第一座完整意義上的數(shù)字化變電站―一云南省曲靖市翠峰110kV數(shù)字化變電站通過鑒定驗(yàn)收。該變電站的落成填補(bǔ)了我國在數(shù)字化變電站建設(shè)中的多項(xiàng)空白，也為國內(nèi)電力系統(tǒng)的數(shù)字化建設(shè)邁出了重要的一步。國內(nèi)部分省市已經(jīng)開始進(jìn)行試點(diǎn)建設(shè)，積累經(jīng)驗(yàn)，為大規(guī)模推廣奠定基礎(chǔ)?？梢灶A(yù)見，數(shù)字化變電站是大勢所趨，是未來變電站模式的發(fā)展方向。

1數(shù)字化變電站基本概念

作為現(xiàn)代化變電站，數(shù)字化變電站指的是變電站內(nèi)一次電氣設(shè)備和二次電子裝置均實(shí)現(xiàn)數(shù)字化通信，并具有全站統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)通信平臺，在此平臺的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)智能裝置之間信息共享和互操作。

數(shù)字化變電站的優(yōu)點(diǎn)有：數(shù)據(jù)共享、信息全面、安裝、運(yùn)行、維護(hù)、升級方便、底層數(shù)據(jù)格式相同、設(shè)備成本低、便于提供先進(jìn)的應(yīng)用功能，主要特征有：數(shù)字化的TV/TA、二次設(shè)備、開關(guān)設(shè)備、無縫通信協(xié)議(IEC61850)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸(G00SE)等。

在數(shù)字化變電站中，自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在物理上可分為2個(gè)部分，即智能化的一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備;在邏輯結(jié)構(gòu)上可分為3個(gè)層次，根據(jù)IEC關(guān)于變電站的結(jié)構(gòu)規(guī)范，將變電站分為3個(gè)層次，即變電站層、間隔層以及過程層。各層次內(nèi)部及層次之間采用高速網(wǎng)絡(luò)通信。

在數(shù)字化變電站中，其主要的核心技術(shù)體現(xiàn)在電子式互感器以及IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用上。電子式互感器的應(yīng)用是數(shù)字化變電站發(fā)展的核心與基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)的電磁式電流互感器相比，電子式互感器無絕緣油，不會有安全隱患;無鐵芯，無鐵磁共振、磁滯效應(yīng)及沒有磁飽和現(xiàn)象;測量帶寬和精度高;體積小、重量輕、運(yùn)行時(shí)無噪音，高電壓等級時(shí)性價(jià)比好;二次系統(tǒng)無電流，不存在TA開路的問題;數(shù)字化通信，可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測互感器工作狀態(tài)。這些優(yōu)點(diǎn)為傳統(tǒng)的變電站帶來了巨大的革命性影響。

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)比起以往的電力系統(tǒng)規(guī)約，無論在標(biāo)準(zhǔn)制定思想和結(jié)構(gòu)定義上都有了很大的進(jìn)步。比如標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范一致性，IEC61850標(biāo)準(zhǔn)在MMS的基礎(chǔ)之上建立了一套適用于電力系統(tǒng)的通用通信接口ACSI，符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的各個(gè)廠家產(chǎn)品可以非常方便的實(shí)現(xiàn)互操作。在IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中，它的每個(gè)數(shù)據(jù)都是自帶名字和數(shù)據(jù)類型，為了防止傳統(tǒng)規(guī)約中使用點(diǎn)號和數(shù)據(jù)包類型號帶來的混淆;規(guī)約調(diào)試的工作量減少，因此，IEC61850特別強(qiáng)調(diào)一致性測試，理想情況下各個(gè)不同廠家裝置及后臺系統(tǒng)可以無縫組網(wǎng)。

2數(shù)字化變電站建設(shè)設(shè)計(jì)常見問題

2.1技術(shù)層面問題

(1)電子式互感器帶來的相關(guān)問題

根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)，從測量原理分類，電子式電流互感器包含了光學(xué)電流互感器、空芯電流互感器(又稱為Rogowki線圈)及低功率型電流互感器3種。由于在光學(xué)電流互感器的溫度穩(wěn)定性研究方面遇到的困難，現(xiàn)階段實(shí)用化的高壓電子式電流互感器主要是以空芯線圈為傳感單元，低壓側(cè)的半導(dǎo)體激光器通過供能光纖給高壓側(cè)的調(diào)制電路供電，將高壓側(cè)的含有被測電流信息的電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，通過信號傳輸光纖以光脈沖的形式傳輸至低壓側(cè)。在電子式互感器應(yīng)用方面，需要關(guān)注以下問題:互感器的安裝位置，合并單元的配置方案，各個(gè)二次設(shè)備如何共享數(shù)字信號，差動(dòng)保護(hù)(變壓器、母線、線路等)采樣數(shù)據(jù)的同步，數(shù)字化過程層設(shè)備的測量精度，多個(gè)過程層接口的保護(hù)測控設(shè)備的應(yīng)用等如何解決。

(2)支持IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中存在的問題

國外實(shí)現(xiàn)IEC61805的變電站層和間隔層部分規(guī)約已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，功能也已相當(dāng)完整。由于制定IEC61850時(shí)，具體的保護(hù)功能和類型是按照歐美的標(biāo)準(zhǔn)及習(xí)慣制定的，國內(nèi)使用的保護(hù)功能和方法與其有一定的差異，完整實(shí)現(xiàn)站層和間隔層部分規(guī)約包括GOOSE時(shí)，由于存在網(wǎng)絡(luò)沖突，可能會造成GOOSE報(bào)文的延遲;而且目前國內(nèi)高壓保護(hù)全部是雙重化配置，當(dāng)雙套保護(hù)同時(shí)動(dòng)作的時(shí)候，會同時(shí)發(fā)送緊急事件報(bào)文，此時(shí)可能會發(fā)生沖突。因此國內(nèi)急需建立一個(gè)完整全面的IEC61850數(shù)字式設(shè)備測試環(huán)境，從科研試點(diǎn)的角度出發(fā)，數(shù)字化變電站中有必要配置專用的網(wǎng)絡(luò)分析儀。網(wǎng)絡(luò)分析儀主要用于詳細(xì)記錄網(wǎng)絡(luò)上的報(bào)文信息，實(shí)現(xiàn)檢索、排序、分類等基本數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能和針對IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的高級報(bào)文分析功能。目前，國外有一些分析MMS報(bào)文和GOOSE報(bào)文的軟件，但價(jià)格昂貴而且長期運(yùn)行穩(wěn)定性差。

(3)其他技術(shù)層面的一些問題

除了以上兩大核心技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)外，其他技術(shù)層面如數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，操作箱數(shù)字化的配置，時(shí)間同步和閉鎖功能的實(shí)現(xiàn)，智能開關(guān)耐壓等級及短路電流開斷能力的完善，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下傳輸延時(shí)不確定等已經(jīng)成為數(shù)字化變電站建設(shè)中關(guān)注的焦點(diǎn)問題。

2.2安全層面問題

先前的SCADA和其他的控制系統(tǒng)都是一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，由于硬件平臺和邏輯結(jié)構(gòu)都與外界不同，因此具有較高的安全性。而開放式變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)基于開放的、標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之上，供應(yīng)商都能開發(fā)基于因特網(wǎng)的應(yīng)用程序來監(jiān)測、控制或遠(yuǎn)方診斷，可能導(dǎo)致計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的安全性降低。對于要求高可靠性和安全穩(wěn)定性的電力系統(tǒng)而言，安全問題尤其突出。因此，可以嘗試從兩方面著手。

(1)物理安全性方面

一種方法是采用虛擬網(wǎng)技術(shù)。VLAN(虛擬網(wǎng)絡(luò))技術(shù)，即將一個(gè)物理的LAN邏輯地劃分成不同的廣播域(即VLAN)，使每一個(gè)VLAN都包含一組有著相同需求的計(jì)算機(jī)工作站。這樣就可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)以及各種調(diào)度信息存儲于不同的節(jié)點(diǎn)，降低了人為破壞或者自然災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。另一種方法是采用多智能體技術(shù)。多智能體是分布式人工智能DAI(DitributedArtificiallntelligence)研究的前沿領(lǐng)域，是由多個(gè)智能體組成的系統(tǒng)。這種方法的基礎(chǔ)與上一措施相同，都是分布式網(wǎng)絡(luò)。不同的是，多智能體技術(shù)賦予每一個(gè)受監(jiān)控點(diǎn)一定的決策及協(xié)調(diào)能力。這樣就比單純的分布式網(wǎng)絡(luò)更為靈活，并且安全系數(shù)更高，通過策略庫，可以應(yīng)對出現(xiàn)的復(fù)雜的情況。

(2)軟件安全性方面

對于變電站網(wǎng)絡(luò)安全體系主要有以下兩種方法：一是采用數(shù)字簽名技術(shù)，因?yàn)閿?shù)字簽名是基于保密算法的程序式安全措施。它的安全程度取決于算法的復(fù)雜和精準(zhǔn)程度。數(shù)字化變電站可考慮對變電站運(yùn)行信息(遙控信息、遙調(diào)信息、保護(hù)裝置和其他安全自動(dòng)裝置的整定信息等)應(yīng)用數(shù)字簽名。二是采用防火墻技術(shù)，因?yàn)樵诨ヂ?lián)網(wǎng)上廣泛應(yīng)用的防火墻技術(shù)可以在有數(shù)據(jù)溝通的終端之間，通過TCP/IP協(xié)議完成對數(shù)據(jù)流的安全保護(hù)。而且這種措施還可以根據(jù)實(shí)際情況采用不同的安全等級策略，方便靈活。數(shù)字化變電站的信息安全防護(hù)是整體的、動(dòng)態(tài)的過程，同時(shí)也是多種技術(shù)的總和。應(yīng)當(dāng)綜合考慮變電站的網(wǎng)絡(luò)安全策略，建立起一套真正適合變電站的網(wǎng)絡(luò)安全體系。

3數(shù)字化變電站變電運(yùn)行時(shí)的一些問題

基于IEC61850通信協(xié)議的數(shù)字化變電站引起了一、二次設(shè)備的變革，也必將給變電運(yùn)行及檢修工作帶來新的挑戰(zhàn)。

3.1智能開關(guān)的調(diào)試技術(shù)

數(shù)字化變電站的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)就是智能開關(guān)的使用，因此，智能開關(guān)的性能直接關(guān)系到數(shù)字化變電站的操作智能型。智能開關(guān)的調(diào)試要考慮兩方面因素:一是物理性能，如絕緣性能，機(jī)械靈活程度等;二是二次設(shè)備配合度，即要滿足精密二次設(shè)備監(jiān)視、控制及信息傳輸速度的需要。

3.2間隔層的改造

由于數(shù)字化變電站中的繼電保護(hù)是直接以數(shù)字量輸入和輸出的，內(nèi)部無需A/D轉(zhuǎn)換過程，因此就拋棄了以往的笨重的A/D轉(zhuǎn)換設(shè)備，新式校驗(yàn)設(shè)備更加輕便小巧易于攜帶;更重要的是將不再直接檢測高強(qiáng)度的模擬量，提高了檢測人員和設(shè)備的安全系數(shù)。其次，由于數(shù)字化變電站的繼電器可以進(jìn)行暫態(tài)檢測，因此數(shù)據(jù)可以常備常新，隨時(shí)檢測，更準(zhǔn)確迅速地反映電能參數(shù)的變化和異常，因此與以前的穩(wěn)態(tài)校驗(yàn)在校驗(yàn)方法上大大不同。

3.3傳統(tǒng)變電站與數(shù)字化變電站故障分析及排查

傳統(tǒng)變電站與數(shù)字化變電站有個(gè)很大的區(qū)別是內(nèi)部連接方式的不同。傳統(tǒng)變電站主要是靠復(fù)雜的二次電纜群傳遞模擬信號，因此誤操作的概率較大，而數(shù)字化變電站的過程層與間隔層之間、間隔層與變電站層之間都是通過光纖以太網(wǎng)相連接，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部通過自我檢測的方式進(jìn)行故障排查，方便快捷且不易出現(xiàn)誤操作。數(shù)字化變電站在早期檢測方面也有了一個(gè)突破，即將新型傳感器和計(jì)算機(jī)配合使用，連續(xù)自我檢測和監(jiān)視開關(guān)設(shè)備的一次和二次系統(tǒng)，在缺陷變?yōu)楣收现鞍l(fā)出預(yù)警提示，及早解決，盡可能減小損失。但是，目前尚無一個(gè)符合實(shí)際的預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)，如何制定出精確的臨界值是其中的難點(diǎn)。通過以上的分析不難看出，數(shù)字化變電站的運(yùn)行工作比傳統(tǒng)變電站簡單方便，也對變電運(yùn)行提出了新的挑戰(zhàn)。作為運(yùn)行單位必須及早著手準(zhǔn)備，加快人才培養(yǎng)，加快對新設(shè)備、新技術(shù)的消化和吸收，以便積極應(yīng)對。

4傳統(tǒng)型變電站升級改造

數(shù)字化變電站具有更加靈活，更加方便的調(diào)控手段，也具有更高的安全性和穩(wěn)定性。這種技術(shù)將在以后的電力系統(tǒng)中得到普及。但是已建成的大量傳統(tǒng)變電站的整體一次性升級必將產(chǎn)生沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，因此，建議通過以下幾個(gè)措施逐步升級傳統(tǒng)型變電站。

4.1變電站層的改造

若變電站內(nèi)與控制中心都支持IEC61850標(biāo)準(zhǔn)，可以拋棄101、104直接采用IEC61850與IEC61970完成升級;否則需進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換，即在變電站層實(shí)現(xiàn)IEC61850與101、104的網(wǎng)關(guān)。具體工程則應(yīng)