數(shù)字化變電站研究報告

深圳市國電南思系統(tǒng)控制有限公司 張結(jié) 關(guān)于數(shù)字化變電站的研究 數(shù)字化變電站的特征 一次設(shè)備的智能化 二次設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化 變電站的信息化 數(shù)字化變電站的實質(zhì) 數(shù)字化變電站的價值 數(shù)字化變電站的技術(shù)路線 設(shè)計、運行、維護管理的變革 需要的準備工作 數(shù)字化變電站所涉及的技術(shù) 過程數(shù)據(jù)的獲取和過程通信 變電站信息建模和信息交換 運行、維護中的通信監(jiān)視 報告內(nèi)容 進一步發(fā)揮變電站效益的有效途徑 “ 變電站自動化各專業(yè)技術(shù)的界線越來越模糊 ， 對變電站自動化采集的信息進行進一步處理 ， 加以充分利用 ， 是進一步提高變電站自動化效益的主要途徑 ” 。 “ 信息技術(shù)和自動化技術(shù)相結(jié)合是降低成本 ， 提高供電可靠性 ， 提高供電部門競爭能力的重要因素 。 ” 技術(shù)進步提供的條件和帶來的挑戰(zhàn) 通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展 基于全面的信息共享和信息交換的變電站自動化系統(tǒng) 目前的狀況 適合于數(shù)字化變電站的自動化裝臵 數(shù)字化變電站的通信網(wǎng)絡(luò) 變電站自動化系統(tǒng)的形態(tài) （ 進步緩慢 ） 變電站的發(fā)展 過 程 層 間 隔 層 站 控 層 數(shù)字化變電站特征 與傳統(tǒng)的變電站相比，數(shù)字化變電站具有的特點 采用新型互感器 ， 通過過程總線實現(xiàn)測量信息的全面共享 間隔層 ， 甚至站控層自動化功能突破智能裝置的 “ 邊界 ” ，實現(xiàn)自由分布和應(yīng)用集成 取消傳統(tǒng)的 “ 硬接線 ” ， 自動化功能之間的邏輯配合關(guān)系建立在信息交換的基礎(chǔ)上 變電站作為電力自動化系統(tǒng)的信息源和控制終端 ， 通過信息傳輸為控制中心系統(tǒng)提供更加完整和豐富的信息 ， 例如一次設(shè)備監(jiān)測信息 、 二次設(shè)備監(jiān)測信息 、 電網(wǎng)運行狀態(tài)信息 、 電網(wǎng)故障信息 、 計量信息等 變電站自動化系統(tǒng)成為整體電力自動化系統(tǒng)的有機組成部分 ， 通過變電站信息傳輸可以實現(xiàn)如區(qū)域無功優(yōu)化策略 、區(qū)域防誤策略 、 區(qū)域備自投策略 、 電網(wǎng)故障分析系統(tǒng)等控制中心功能 。 數(shù)字化變電站特征 數(shù)字化變電站特征 一次設(shè)備的智能化 數(shù)字接口的電子式互感器 智能終端 = A D 1 7 - KB2S t e u e r u n g / S c h u t zF l l a n d e nF e l d s t e u e r g e r t R E C 2 1 6 m i t M e s s u n g u n d S y n c h r o c h e c kL E I T U N G S H A U P T S C H U T Z R E L 3 1 6 * 4 P R F S T E C K E RI0S C H U T Z E I N / A U SI0WE - B L O C KI0S T U F E N V E R L .R e s e tA U SS A M M E L S C H I E N E N S C H U T Z R E B 5 0 0 R E S E R V E S C H U T ZS C H U T Z E I N / A U SA U S2 2 0 V D C S P A N N U N G S Y S 1 2 2 0 V D C S P A N N U N G S Y S 2S Y N C H R O N I S I E R U N G H A N DV E R R I E G E L U N G2 x 2 2 0 / 2 4 V D C / D C S P A N N U N G S V E R S O R G U N G- X1C o n t r o l / P r o t e c t i o n C u b i c l e s= A D 1 7 - KB2S t e u e r u n g / S c h u t zF l l a n d e n= A D 1 7 F L L A N D E N2a1a100 3002000M E S S A N W A H LS P A N N U N G- 240+ 4 8 0- 480B L I N D L E I S T U N GW I R K L E I S T U N G+ 2 4 0- JA1( L21)- JA2( L21)- JA5( L216)- JA6( L2136)LS HYDRAUIKPUMEZU VIELANFLEISTUNGCHAREINSCHALTKRBLOCKIERT ()ANTRIEBSMODULAUSGNRELISTRUNGSCHALTNDUGUNVOLSTDIGSAMELCHINSCHUTZGERSTRUNGACHTUNG !SCHALTNDUGVERIGLTSAMELCHIN-/SCHALTERVG-SCHUTZ AGELLEITUNGS-RESERVESCHUTZAUSGELTLS AUEKRI-BERWACHNUG 2ANGESPROCHLEISTUNGCHARPHASEN-DISKREPANZAUSGELTLEISTUNGCHARAUSSCHALTKREISBLOCKIERT ()LS HYDRAUIKPUMENLAFZITBERSCHITNHORNQUITLAMPENTESTZUSTANDEINEIN AUSRCK-STELNAUS-FHRENANTRIEBSUGNORMALDIREKTFERNLOKALEISTUNGCHAR/TREN/DPOSITN GER20V DC/3ASCHUTZ-STEUERSPG. 0 -SPANNUGLEISTUNGCHARSF -GAS NACHFLELEITUNGS-HAUPTSCZSTRUNGLEITUNGS-HAUPTSCZ AUSGELT24V DCPROZES INTFACSPG. TRUNLS HYDRAUIKFEDRSPANUGSTRUNG (OC)LS AUEKRI-BERWACHNUG 1ANGESPROCH100 3002000100 3002000FERNLOKA /NRMLOKA /DIRETS A M M E L S C H I E N E N S P A N N U N G- JA4( L21)PUMENRCK-STELNRSTSAMELR BETRISZUANDRST- J F 1( L215)( L214)SPANNUGSWANDLERSICHERUNGBW.ANGESPROCHFELDSTURGALRMQUITSIGNAL-/RMETREN/DMOTRSCHUZANGESPROCH500 150010000RTSS T R O MRELAISHU 2RELAISHU 3RELAISHU 4500 150010000500 150010000WANDLERMGASCHUTZKOMBIWANDLERFEDR /SEIN-BLOCKRTAUS-BLOCKIERTI n t e r b a ybusS t a r c o u p l e rA B BP o w e r A u t o m a t i o n A GR E R 1 1 15 0 0 S C M01R x 3T x 3R x 2T x 2R x 1T x 15 0 0 S C M01R x 3T x 3R x 2T x 2R x 1T x 15 0 0 S C M01R x 3T x 3R x 2T x 2R x 1T x 15 0 0 S C M01R x 3T x 3R x 2T x 2R x 1T x 15 0 0 S C MR x 3T x 3R x 2T x 2R x 1T x 1N e t w o r k c o n t r o l c e n t r e A B BP o w e r A u t o m a t i o n A GC O M 5 8 1CC o m m u n i c a t i o nC o n v e r t e r d g t a ld g i t a l- Q1- Q0- Q8Process Interface- Q9- Q2P r o c e s sH V L i n e b a y S u b s t a t i o n A u t o m a t i o n S y s t e mCTVTRESERVESCHUTZALTEISTSSTZST. 0 SFLSRESERVESCHUTZALTEISTSSTZST. 0 SFLSRESERVESCHUTZALTEISTSSRESERVESCHUTZALTEISTSSTZST. 0 SFLTZST. 0 SFLSSProcess InterfaceProcess Interface數(shù)字化變電站特征 一次設(shè)備的智能化 數(shù)字接口的電子式互感器 智能終端 I n t e r b a ybusS t a r c o u p l e rA B BP o w e r A u t o m a t i o n A GR E R 1 1 15 0 0 S C M01R x 3T x 3R x 2T x 2R x 1T x 15 0 0 S C M01R x 3T x 3R x 2T x 2R x 1T x 15 0 0 S C M01R x 3T x 3R x 2T x 2R x 1T x 15 0 0 S C M01R x 3T x 3R x 2T x 2R x 1T x 15 0 0 S C M01R x 3T x 3R x 2T x 2R x 1T x 1d g a lN e t w o r kC e n t r eA B BP o w e r A u t o m a t i o n A GC O M 5 8 1CC o m m u n i c a t i o nC o n v e r t e rd g a- Q 1- Q 0- Q 8FeederMarsha l l ing- Q 9- Q 2P I S AP I S AAP I S ABP I S AA- Q 1- Q 2- Q 5 1- Q 0- T 1- Q 9- Q 8P r o c e s sB u sP r o c e s s b u sS t a r c o u p l e rA B BP o w e r A u t o m a t i o n A GR E R 1 1 15 0 0 S C M01R x 3T x 3R x 2T x 2R x 1T x 15 0 0 S C M01R x 3T x 3R x 2T x 2R x 1T x 15 0 0 S C M01R x 3T x 3R x 2T x 2R x 1T x 15 0 0 S C M01R x 3T x 3R x 2T x 2R x 1T x 15 0 0 S C M01R x 3T x 3R x 2T x 2R x 1T x 1S a m p l i n gA D - C o n v e r s i o nS i g n a l P r o c e s s i n gS i g n a l F i l t e r i n g= D 0 4 + R 0 12 2 5 k V L I G N E A B O B O 1A B B 1 2 5 V D C D i s t r i b u t u i o n B a t t e r y A1 2 5 V D C D i s t r i b u t u i o n B a t t e r y BB A Y C O N T R O L R E L A Y R E C 3 1 6 * 41A B BA B B N e t w o r k P a r t n e rR E L 3 1 6 * 42435678912111314151610L O C A L C O N T R O L M E T E R I N GL I N E P R O T E C T I O N R E L A Y R E L 3 1 6 * 41A B BA B B N e t w o r k P a r t n e rR E L 3 1 6 * 42435678912111314151610B U S B A R P R O T E C T I O N R E B 5 0 0A B BA B B N e t w o r k P a r t n e rR E B 5 0 0A B B= D 0 4 A B O B O 1- Q 2SEL- Q 1SEL- Q 0SEL= W 1= W 2F E R M E RO U V R I REXEESCL A M P ET E S T ED I S T A N C EL O CA B BP O W E R M O N I T O R I N G U N I T? L O C A LR E M O T ESETO P E R A T I O NMMMD r i v e c o n t r o l & m o n i t o r i n g c i r c u i t r yI n t e l l i g e n t P r i m a r y E q u i p m e n tS u b s t a t i o n A u t o m a t i o n S y s t e mLN for process images (process equipment) LN for bay level functions LN for station level functions YLTC ATCC GAPC IHMI GGIO CALH XCBR CSWI XSWI CILO CILO IHMI Generic Automatic Process Control means a generic node for all not pre-defined functions Generic Input and Output means a generic node for all not pre-defined process devices Interlocking (on station level) Interlocking (on bay level) Circuit Breaker Tap Changer Automatic Tap Changer Controller Isolator Human Machine Interface Alarm Handler Circuit Breaker Controller 數(shù)字化變電站特征 二次設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化 信息流取代硬接線 自動化功能的分布和集成 Technical Services Remote control (NCC) CONTR. PROT. FCT. A FCT. B PROT. CONTR. Sensors Actuators Remoteprotection BAY/UNIT LEVEL STATION LEVELPROCESS LEVEL HV Equipment Remoteprotection Process Interface 1,63 37981,63 34,54,5數(shù)字化變電站特征 二次設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化 基于通信的信號流 控制中心 HMI 工程維護 以太交換機 路由器 保護 A 間隔控制 常規(guī)開關(guān) 常規(guī) CT / VT 保護 B 保護 A 間隔控制 常規(guī)開關(guān) 保護 B 常規(guī) CT / VT 數(shù)字化變電站特征 二次設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化 星型結(jié)構(gòu) 控制中心 HMI 工程維護 路由器 保護 A 間隔控制 常規(guī)開關(guān) 常規(guī) CT / VT 保護 B 保護 A 間隔控制 常規(guī)開關(guān) 保護 B 常規(guī) CT / VT 以太交換環(huán)網(wǎng) 數(shù)字化變電站特征 二次設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化 環(huán)型結(jié)構(gòu) 控制中心 HMI 工程維護 路由器 保護 A 間隔控制 新型開關(guān) 新型 CT / VT 保護 B 保護 A 間隔控制 新型開關(guān) 新型 CT / VT 保護 B 以太交換環(huán)網(wǎng) 數(shù)字化變電站特征 二次設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化 環(huán)行 +過程共享結(jié)構(gòu) 一次系統(tǒng)或設(shè)備 繼電保護 安自裝置 繼電保護 安自裝置 故障錄波 故障錄波 專用通道 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（ WAN） 遠方保護維護 故障信息處理 遠動、計量 遠動、計量 調(diào)度自動化系統(tǒng) 電能量計量計費 廠站 LAN 廠站 LAN 數(shù)字化變電站特征 自動化系統(tǒng)的信息化 數(shù)字化變電站的價值 簡化二次回路設(shè)計 ,使變電站自動化系統(tǒng)的可靠性得到了進一步提高 減少自動化設(shè)備數(shù)量 ， 節(jié)省建設(shè)投資 ， 提高變電站自動化的整體可靠性 利用新型互感技術(shù) ， 提高保護正確動作率 減少信號電纜 ， 節(jié)省建設(shè)投資 方便設(shè)備的維護檢修 ， 減少二次設(shè)備的退出次數(shù)和退出時間 ， 提高設(shè)備的使用效率 ， 降低運行維護成本 采用統(tǒng)一建模技術(shù)和通信接口 ， 系統(tǒng)不再依賴于設(shè)備制造商 ， 方便了設(shè)備的升級維護 ， 方便變電站的擴建及自動化系統(tǒng)的擴充 變電站信息得到統(tǒng)一規(guī)劃、充分共享，發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢、提高電力系統(tǒng)運行和管理效率 數(shù)字化變電站的實質(zhì) 技術(shù)路線 將通信與功能配合進行分離 功能配合 邏輯的信號交換 不依賴于物理的接線 （代價 不可見了） 自由分布和優(yōu)化組合 依賴于過程數(shù)據(jù)共享 （代價 時效的保證方法） IEC61850 作為協(xié)議 優(yōu)勢為自身服務(wù) 作用并沒有跨越 103 作為信息交換模型 可設(shè)計、支持功能配合的修改 代替了對端子的定義，及二次回路設(shè)計。 過程數(shù)據(jù)的數(shù)字化 必須的技術(shù)條件 數(shù)字化變電站的實質(zhì) 數(shù)字化變電站的實質(zhì) （ 1） 一致的約定 面向?qū)ο蠓庋b（ 2） 面向?qū)ο蠼＃?3） 通訊服務(wù) 通訊協(xié)議 數(shù)據(jù) 服務(wù)約定 語義約定 信息 互操作性 功能分解（ 4） 過程數(shù)據(jù) 最小信息語義 可共享的過程 信息 功能自由分布 模型結(jié)構(gòu) 數(shù)字化 信息化 自動化功能的徹底分布和集成應(yīng)用 設(shè)計、運行、維護管理的變革 使信息交換過程可見 設(shè)計、 運行、事后 使自動化功能的完備性可見 通信原因 對信息交換設(shè)計過程的支持和可控 對功能配合 互操作性的支持和可控 技術(shù)、管理 數(shù)字化變電站的實質(zhì) 自動化產(chǎn)品 活的 功能范圍確定 但可選擇（設(shè)計階段、運行階段） 物理通信方法唯一 沒有端子 邏輯通信（信息交換方法） 依賴設(shè)計可自動調(diào)整 功能及可交換信息、所獲取信息 必須公布 ICD模型文件 根據(jù)設(shè)計結(jié)果 SCD、 CID文件 決定運行狀態(tài) 設(shè)計 決定作用 以自動化整體性能的最優(yōu)為目標 決定著自動化產(chǎn)品的實際運行能力 以自動化產(chǎn)品提供的 ICD模型文件為輸入 以變電站模型 SCD文件為輸出 過程數(shù)據(jù)的共享范圍 物理的、邏輯的 通信產(chǎn)品的選擇 時效保證、可監(jiān)視、可控制 運行 變電站運行 變電站整體、自動化裝臵局部 功能的完備性 是否出現(xiàn)降級 通信、信息交換的可靠性 監(jiān)視 管理 調(diào)試、投運 自動化系統(tǒng)故障分析 通信、信息交換、功能配合 互操作性 信息模型、信息語義 數(shù)字化變電站的實質(zhì) IED配置 IED 數(shù)據(jù)庫 當(dāng)?shù)匚募鬏?遠程文件傳輸 IED能力描述 (LN, DO, 等 ) 采用 IEC61850服務(wù)進行文件傳輸和參數(shù)初始化 工程制作環(huán)境 變電站自動化系統(tǒng) IED IED IED IED 變電站網(wǎng)關(guān) 單線圖，預(yù)制報表等的關(guān)聯(lián) 工程工作站 系統(tǒng)配置 數(shù)字化變電站的實質(zhì) 需要的準備工作 數(shù)字化變電站功能規(guī)范和相關(guān)設(shè)備技術(shù)條件 對數(shù)字接口的電子式互感器 、 繼電保護裝置 、測控裝置和計量儀表的調(diào)試和校驗規(guī)程 數(shù)字化變電站的設(shè)計 、 施工 、 驗收 、 管理規(guī)程或指導(dǎo)書 數(shù)字化變電站安全性 、 可靠性評價規(guī)程 數(shù)字化變電站信息模型及信息語義一致性評價規(guī)程 數(shù)字化變電站的實質(zhì) 過程數(shù)據(jù)的獲取 新型 non-conventional instrument transformer (NCIT)互感器 合并單元 Merging Unit (MU)， 它可以提供所有相，或整條線路的采樣數(shù)據(jù)。 輔助 執(zhí)行機構(gòu) 也可被智能化為 Breaker IED. 組網(wǎng)方式（ IEC61850-9-1、 IEC61850-9-2） 同步技術(shù) 時效保證 數(shù)字化變電站所涉及的技術(shù) 組網(wǎng)方式 站控層網(wǎng)絡(luò) 間隔網(wǎng)絡(luò) 間隔間網(wǎng)絡(luò) 過程網(wǎng)絡(luò) 數(shù)字化變電站所涉及的技術(shù) 數(shù)字化變電站所涉及的技術(shù) OSI模型的基本準則包括： 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間如何聯(lián)系，使用不同協(xié)議的設(shè)備如何通信。 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如何獲知何時傳輸或不傳輸數(shù)據(jù)。 如何安排、連接物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。 確保網(wǎng)絡(luò)傳輸被正確接收的方法。 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備如何維持數(shù)據(jù)流的恒定速率。 電子數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)上如何表示。 OSI模型的組成，如右圖。 數(shù)字化變電站所涉及的技術(shù) 數(shù)字化變電站所涉及的技術(shù) 基于 IEEE802.3傳統(tǒng)交換機的弊端 秒級線路故障恢復(fù)，可靠性低 逐級交換，報文傳輸時延長且不確定 沒有對業(yè)務(wù)的通道隔離，服務(wù)質(zhì)量差 無法有效承載包括 RS232/485信號在內(nèi)的多種業(yè)務(wù) 數(shù)字化變電站的要求 毫秒級環(huán)切換和線路故障恢復(fù)，可靠性高 快速轉(zhuǎn)發(fā)，端到端時延、抖動高可控性 按業(yè)務(wù)類型分類并分道傳輸，服務(wù)質(zhì)量高 可以同時有效承載多種業(yè)務(wù)，如 E1、 RS232/485等 雙向傳輸，動態(tài)分配帶寬，帶寬利用率和傳輸效率高 數(shù)字化變電站所涉及的技術(shù) 新的線路傳輸協(xié)議 線路故障恢復(fù)時間小于 10毫秒 業(yè)務(wù)分道傳輸，傳輸通道可以物理隔離 結(jié)合波分復(fù)用技術(shù)，可實現(xiàn)納秒級端到端傳輸時延 可提供從協(xié)議鏈路層到 IP層的通訊記錄，以及對設(shè)備自身性能的報告 可提供以太網(wǎng)、 E1、 RS232/485等多種業(yè)務(wù)接口 可對每個傳輸通道端到端的業(yè)務(wù)流量進行控制 數(shù)字化變電站所涉及的技術(shù) 以太網(wǎng)、 E1、 RS232/485等業(yè)務(wù)接口 光纖或雙絞線 100M-2.5G線路帶寬 數(shù)字化變電站所涉及的技術(shù) 重點在于共享、可靠、同步 自動化裝臵信息模型 IEC61850信息模型 缺失的信息語義 :選相功能 PSEP、間隙接地保護 PIEF、合閘于故障的保護 PCOF、非全相保護 PNCP、非全相運行中故障保護 PONC、充電保護 PCAG、死區(qū)保護 PDEZ、匝間故障保護 PCIR、失磁保護 PLEX、無電壓檢測功能 RTUV、收信跳閘功能 PPOS、非電量保護 PNED 變電站互操作模型 二次信號流 對互操作語義的集中管理 一致性維護 語義字典、裝臵模型 裝臵模型的建立和集中管理 模型合法性、合理性分析