數字化變電站課件

1、 目錄1.研究背景及意義2.發(fā)展歷程及現狀3.數字化變電站的 特點4.數字化變電站的幾個技術問題 近年來近年來, ,變電站綜合自動化技術的變電站綜合自動化技術的發(fā)展和微機保護的廣泛應用極大地提高了電網發(fā)展和微機保護的廣泛應用極大地提高了電網的自動化水平和管理水平，但是由于變電站自的自動化水平和管理水平，但是由于變電站自動化系統和保護設備的通信協議不統一，造成動化系統和保護設備的通信協議不統一，造成系統無縫集成困難，生命周期縮短；設備之問系統無縫集成困難，生命周期縮短；設備之問互操作性差，維護工作量大互操作性差，維護工作量大, ,改造升級困難。改造升級困難。同時變電站的高壓電氣設備和保護、監(jiān)控等

2、二同時變電站的高壓電氣設備和保護、監(jiān)控等二次設備的控制、信號發(fā)送、模擬量采集還需要次設備的控制、信號發(fā)送、模擬量采集還需要靠大量的電纜連接來實現，不僅浪費了大量的靠大量的電纜連接來實現，不僅浪費了大量的財力，而且高、低壓設備之間不能實現電氣隔財力，而且高、低壓設備之間不能實現電氣隔離。離。 由于變電站數量大，分布廣，變電站自動化由于變電站數量大，分布廣，變電站自動化水平對提高整個電力系統的可靠性和經濟性、保障電水平對提高整個電力系統的可靠性和經濟性、保障電網安全起著重大的作用。隨著現代電網規(guī)模不斷擴大網安全起著重大的作用。隨著現代電網規(guī)模不斷擴大, ,無人值班變電站的應用推廣，各級調度和站內保

3、護、無人值班變電站的應用推廣，各級調度和站內保護、控制裝置對正常運行和異常事故時的各種信息需求量控制裝置對正常運行和異常事故時的各種信息需求量也成幾何級數增加，變電站的自動化采集和處理系統也成幾何級數增加，變電站的自動化采集和處理系統也要求有足夠的能力來儲存、處理和傳送這些信息。也要求有足夠的能力來儲存、處理和傳送這些信息。 在各種新技術的推動下，數字化變電站乃在各種新技術的推動下，數字化變電站乃至數字化電網的概念被逐漸提出來。即在目前綜合自至數字化電網的概念被逐漸提出來。即在目前綜合自動化技術的基礎上，變電站內的一次設備實現了數字動化技術的基礎上，變電站內的一次設備實現了數字化，各種化，各種

4、IEDIED之間和之間和IEDIED與一次設備之間通過光纜用統與一次設備之間通過光纜用統一的標準進行信息的數字化交互，取消了各種控制電一的標準進行信息的數字化交互，取消了各種控制電纜。數字化變電站將成為未來變電站建設的標準模式。纜。數字化變電站將成為未來變電站建設的標準模式。 國際電工委員會國際電工委員會TC57TC57技術委員會技術委員會制定的制定的IEC61850IEC61850標準使變電站站內通信標準使變電站站內通信采用統一的標準，解決了設備之間的互采用統一的標準，解決了設備之間的互操作性和無縫集成等問題，使通信可靠操作性和無縫集成等問題，使通信可靠性得到提高。智能化電氣設備的發(fā)展，性得

5、到提高。智能化電氣設備的發(fā)展，特別是智能化開關設備、電子式電壓和特別是智能化開關設備、電子式電壓和電流互感器、智能電子裝置等在變電站電流互感器、智能電子裝置等在變電站系統中的逐漸推廣應用，電氣設備在線系統中的逐漸推廣應用，電氣設備在線狀態(tài)檢測、變電站運行操作培訓仿真等狀態(tài)檢測、變電站運行操作培訓仿真等技術日趨成熟，以及計算機網絡技術的技術日趨成熟，以及計算機網絡技術的高速發(fā)展，使得建設數字化變電站具備高速發(fā)展，使得建設數字化變電站具備了必要的技術條件。了必要的技術條件。非常規(guī)互感器非常規(guī)互感器IEC61850IEC61850標準標準網絡通信技術網絡通信技術智能斷路器技術智能斷路器技術 非常規(guī)互

6、感器主要有兩種：一種是基于非常規(guī)互感器主要有兩種：一種是基于RogowskiRogowski線圈原理的電子式互感器，一種是基于法拉線圈原理的電子式互感器，一種是基于法拉第效應的光電式互感器，其最大特點就是可以輸出低第效應的光電式互感器，其最大特點就是可以輸出低壓模擬量和數字量信號，直接用于微機保護和電子式壓模擬量和數字量信號，直接用于微機保護和電子式計量設備，適應電力系統數字化、智能化和網絡化的計量設備，適應電力系統數字化、智能化和網絡化的需要，由于其動態(tài)范圍比較大，能同時適用于測量和需要，由于其動態(tài)范圍比較大，能同時適用于測量和保護兩種功能應用。保護兩種功能應用。 非常規(guī)互感器充分利用了電光

7、晶體的各種非常規(guī)互感器充分利用了電光晶體的各種優(yōu)異特性和現代光電技術的優(yōu)點，具有良好的絕緣性優(yōu)異特性和現代光電技術的優(yōu)點，具有良好的絕緣性能、較強的抗電磁干擾能力、測量頻帶寬、動態(tài)范圍能、較強的抗電磁干擾能力、測量頻帶寬、動態(tài)范圍大等特點大等特點, ,這些特點對于變電站自動化系統的發(fā)展提供這些特點對于變電站自動化系統的發(fā)展提供了信息集成應用的基礎。了信息集成應用的基礎。 IEC61850 IEC61850標準是關于變電站自動化系統的第一個標準是關于變電站自動化系統的第一個完整的通信標準體，國際電工委員會完整的通信標準體，國際電工委員會(IEC)TC57(IEC)TC57工作組工作組(WGIO/

8、11/12)(WGIO/11/12)從從19951995年開始制定，年開始制定，20022002年提出草案，年提出草案，20042004年年大部分內容正式頒布。其核心可歸納為信息建模、抽象服務、大部分內容正式頒布。其核心可歸納為信息建模、抽象服務、具體映射三部分。與傳統通信協議體系相比具體映射三部分。與傳統通信協議體系相比, ,具有以下特點具有以下特點: : 1. 1. 采用分層體系采用分層體系; ; 2. 2. 信息傳輸采用與網絡獨立的抽象通信服務接口信息傳輸采用與網絡獨立的抽象通信服務接口(ACSI)(ACSI)和特定通信服務接口和特定通信服務接口(scsl);(scsl); 3. 3.

9、信息模型采用面向對象、面向應用的自描述信息模型采用面向對象、面向應用的自描述; ; 4. 4. 具有互操作性。具有互操作性。 它的制定和發(fā)布為構建數字化變電站的通信網絡它的制定和發(fā)布為構建數字化變電站的通信網絡提供了理論基礎和技術依據提供了理論基礎和技術依據, ,將逐步成為變電站自動化系統統將逐步成為變電站自動化系統統一的國際標準。我國也正在將該標準等同引用為國家標準一的國際標準。我國也正在將該標準等同引用為國家標準GB/T860GB/T860。 電力系統二次系統作為一次系統的輔助回電力系統二次系統作為一次系統的輔助回路路, ,主要是由測量儀表、控制及信號裝置、繼電保護主要是由測量儀表、控制及

10、信號裝置、繼電保護裝置、自動控制及監(jiān)測或反饋裝置、遠動裝置及相裝置、自動控制及監(jiān)測或反饋裝置、遠動裝置及相關控制回路等組成。二次系統包括信號回路和控制關控制回路等組成。二次系統包括信號回路和控制回路。隨著光纖通信技術、網絡技術的飛速發(fā)展及回路。隨著光纖通信技術、網絡技術的飛速發(fā)展及其在變電站自動化系統中的不斷深入應用其在變電站自動化系統中的不斷深入應用, ,用數字通用數字通信手段傳遞電量信號信手段傳遞電量信號, ,用光纖作為傳輸介質取代傳統用光纖作為傳輸介質取代傳統的金屬電纜具備了實現的可能。的金屬電纜具備了實現的可能。 以太網技術正被廣泛引入變電站自動化以太網技術正被廣泛引入變電站自動化系統

11、過程層的采集、測量單元和間隔層保護、控制系統過程層的采集、測量單元和間隔層保護、控制單元中單元中, ,構成了分布式變電站自動化系統應用基礎。構成了分布式變電站自動化系統應用基礎。 非常規(guī)互感器的出現以及計算機的發(fā)展非常規(guī)互感器的出現以及計算機的發(fā)展, ,對對于斷路器設備內部的電、磁、溫度、機械、機構動作于斷路器設備內部的電、磁、溫度、機械、機構動作狀態(tài)監(jiān)測已經成為可能。智能化一次設備采用數字化狀態(tài)監(jiān)測已經成為可能。智能化一次設備采用數字化的監(jiān)視和控制手段的監(jiān)視和控制手段, ,機械結構簡單機械結構簡單, ,體積小。既減少了體積小。既減少了設備停電檢修的幾率和時間設備停電檢修的幾率和時間, ,減少

12、了運行成本減少了運行成本, ,也減少也減少人為因素造成的設備損壞。人為因素造成的設備損壞。 智能操作斷路器根據所檢測到的電網中斷智能操作斷路器根據所檢測到的電網中斷路器開斷前一瞬間的各種工作狀態(tài)信息路器開斷前一瞬間的各種工作狀態(tài)信息, ,自動選擇和調自動選擇和調整操動機構以及與滅弧室狀態(tài)相適應的合理工作條件整操動機構以及與滅弧室狀態(tài)相適應的合理工作條件, ,以改變現有斷路器的單一分閘特性。在無載時以較低以改變現有斷路器的單一分閘特性。在無載時以較低的分閘速度開斷的分閘速度開斷, ,而在系統故障時又以較高的分閘速度而在系統故障時又以較高的分閘速度開斷等。這樣開斷等。這樣, ,就可獲得開斷時電氣和

13、機構性能上的最就可獲得開斷時電氣和機構性能上的最佳開斷效果。佳開斷效果。 國內外數字化變電站的研究和建設均處于起步國內外數字化變電站的研究和建設均處于起步階段。我國的數字化變電站建設基本上按照先在階段。我國的數字化變電站建設基本上按照先在11OkV11OkV及以及以下變電站中進行試點下變電站中進行試點, ,然后往高的電壓等級發(fā)展的思路然后往高的電壓等級發(fā)展的思路, ,當然當然這中間還需要進行大量的研究。這中間還需要進行大量的研究?！笆晃迨晃濉逼陂g作為數字化期間作為數字化電網基礎的數字化變電站工程試點應用將成為電網建設和變電網基礎的數字化變電站工程試點應用將成為電網建設和變電站控制技術發(fā)展的

14、新熱點。至今有云南、山東、江蘇、陜電站控制技術發(fā)展的新熱點。至今有云南、山東、江蘇、陜西等省已進行西等省已進行11OkV11OkV電壓等級的數字化變電站的改造、建設電壓等級的數字化變電站的改造、建設并投入運行并投入運行, ,取得了一定的經驗。國家電網公司制定了未來取得了一定的經驗。國家電網公司制定了未來5 5年內研究和推廣數字化變電站技術的實施方案年內研究和推廣數字化變電站技術的實施方案, ,在在國家電國家電網公司新技術推廣一綱要網公司新技術推廣一綱要提出了數字化變電站的實施進度提出了數字化變電站的實施進度表表:2007:2007年在無錫年在無錫1IOkV1IOkV苑石變電站示范應用苑石變電站

15、示范應用( (己投運己投運),2009),2009年在銅陵年在銅陵220kV220kV南郊變電站示范應用南郊變電站示范應用,2009,2009年吉林公司安排年吉林公司安排500kV500kV電子式互感器示范應用電子式互感器示范應用;“;“十一五十一五”后期開展后期開展500kv500kv變變電站了范應用。電站了范應用。 國外廠家在制定國外廠家在制定IEC61850IEC61850標準時標準時就展開了基于就展開了基于IEC61850IEC61850的的IEDIED研制研制, ,并進行了互并進行了互操作性試驗操作性試驗, ,目前己積累了不少經驗。國內目前己積累了不少經驗。國內IEDIED廠家從前幾

16、年就已經積極開展基于廠家從前幾年就已經積極開展基于JEC61850JEC61850標標準的準的IEDIED研制和實際應用研制和實際應用, ,目前國內規(guī)模較大的目前國內規(guī)模較大的幾個廠家都推出了相關產品幾個廠家都推出了相關產品, ,但在國內應用的但在國內應用的數量不是很多數量不是很多, ,量產還需要一定的時間。量產還需要一定的時間。 電子式互感器指有別于傳統的電磁型電壓電子式互感器指有別于傳統的電磁型電壓/ /電流互電流互感器的新一代互感器感器的新一代互感器, ,簡稱簡稱ECT/EVT,ECT/EVT,主要包括以羅柯夫斯基主要包括以羅柯夫斯基(Rogowski)(Rogowski)線圈為代表的有

17、源電子式電流互感器和采用法拉線圈為代表的有源電子式電流互感器和采用法拉第效應光學測量原理的無源第效應光學測量原理的無源( (光電式光電式) )電流互感器。電子式互電流互感器。電子式互感器具有無磁飽和感器具有無磁飽和, ,抗電磁干擾能力強抗電磁干擾能力強, ,動態(tài)范圍大、測量精動態(tài)范圍大、測量精度高度高, ,無二次開路危險、絕緣結構簡單等優(yōu)點。無二次開路危險、絕緣結構簡單等優(yōu)點。 國外幾家大公司從上世紀國外幾家大公司從上世紀5050年代就開始研制電年代就開始研制電子式互感器子式互感器, ,目前已經研制出目前已經研制出115756kv115756kv精度達到精度達到0.20.2級的電級的電子式互感

18、器并進行了掛網運行子式互感器并進行了掛網運行, ,取得了較豐富的運行經驗取得了較豐富的運行經驗, ,部部分電子式互感器已經進入商業(yè)化運行。我國自二十世紀九十分電子式互感器已經進入商業(yè)化運行。我國自二十世紀九十年代以來有多家科研機構開始進行研制工作年代以來有多家科研機構開始進行研制工作, ,目前有多種電子目前有多種電子式和光電式互感器樣機研制出來式和光電式互感器樣機研制出來, ,取得了一定的試運行經驗取得了一定的試運行經驗, ,并逐步進入實用化階段。電子式互感器與斷路器設備集成技并逐步進入實用化階段。電子式互感器與斷路器設備集成技術將是今后的研究方向。術將是今后的研究方向。 國外己經研制出了國外

19、己經研制出了50OkV50OkV及以下等及以下等級的智能斷路器級的智能斷路器, ,日本三菱公司日本三菱公司55OkvMITS55OkvMITS智能智能化開關化開關, ,它通過將斷路器、隔離開關它通過將斷路器、隔離開關/ /接地開關接地開關及測量互感器集成在一個裝配單元實現了設備及測量互感器集成在一個裝配單元實現了設備的一體化?？梢砸种崎_關分、合閘過程中產生的一體化。可以抑制開關分、合閘過程中產生的過電壓的過電壓, ,使系統的電壓波動減至最低使系統的電壓波動減至最低, ,并且可并且可以省略合閘電阻、延長觸頭壽命。以省略合閘電阻、延長觸頭壽命。數據采集數字化數據采集數字化系統分層分布化系統分層分布

20、化系統結構緊湊化系統結構緊湊化系統建模標準化系統建模標準化信息交互網絡化信息交互網絡化信息應用集成化信息應用集成化設備檢修狀態(tài)化設備檢修狀態(tài)化設備操作智能化設備操作智能化 主主要要特特點點 數字化變電站的主要標志是采用數字化變電站的主要標志是采用數字化電氣量測系統數字化電氣量測系統( (如光電式互感器或電子如光電式互感器或電子式互感器式互感器) )采集電流、電壓等電氣量，實現了采集電流、電壓等電氣量，實現了一、二次系統在電氣上的有效隔離，增大了電一、二次系統在電氣上的有效隔離，增大了電氣量的動態(tài)測量范圍并提高了測量精度，從而氣量的動態(tài)測量范圍并提高了測量精度，從而為實現常規(guī)變電站裝置冗余向信息

21、冗余的轉變?yōu)閷崿F常規(guī)變電站裝置冗余向信息冗余的轉變以及信息集成化應用提供了基礎。以及信息集成化應用提供了基礎。 IEC61850 IEC61850 提出了變電站過程層、提出了變電站過程層、間隔層、站控層的三層結構模型，建議采用間隔層、站控層的三層結構模型，建議采用面向對象建模、軟件復用、高速以太網、嵌面向對象建模、軟件復用、高速以太網、嵌入式實時操作系統入式實時操作系統(real-time operating (real-time operating systemsystem，RTOS)RTOS)以及以及 XML (extensible XML (extensible markup langu

22、age)markup language)等技術，以便滿足電力系等技術，以便滿足電力系統對實時性、可靠性的要求，同時有效地解統對實時性、可靠性的要求，同時有效地解決異構系統之間的信息互通、裝置的自我描決異構系統之間的信息互通、裝置的自我描述和互操作以及系統的擴展性等問題，為實述和互操作以及系統的擴展性等問題，為實施變電站分層分布式方案提供了可靠的技術施變電站分層分布式方案提供了可靠的技術基礎。基礎。 圖中是結構緊湊化或近過程化設計的一個示例，其中 LN 為邏輯節(jié)點(logical node)，代表自動化系統的基本功能單元。斷路器 IED 中集成了斷路器(XCBR)及監(jiān)視(SCBR)功能；合并單元

23、/保護 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(PTOC)功能；間隔控制器/保護 IED 中集成了開關控制(CSWI)以及作為主保護的距離保護(PDIS)功能。 IEC61850 確立了電力系統的建模標準，為變電站自動化系統定義了統一、標準的信息模型和信息交換模型，其意義主要體現在：（1）實現智能設備的互操作性。（2）實現變電站的信息共享。（3）簡化系統的維護、配置和工程實施。 數字化變電站采用低功數字化變電站采用低功率、數字化的新型互感器代替常規(guī)互率、數字化的新型互感器代替常規(guī)互感器，將高電壓、大電流直接變換為感器，將高電壓、大電流直接變換為數字信號。

24、變電站內設備之間通過高數字信號。變電站內設備之間通過高速網絡進行信息交互，二次設備不再速網絡進行信息交互，二次設備不再出現功能重復的出現功能重復的 I/O I/O 接口，常規(guī)的接口，常規(guī)的功能裝置變成了邏輯的功能模塊，即功能裝置變成了邏輯的功能模塊，即通過采用標準以太網技術真正實現了通過采用標準以太網技術真正實現了數據及資源共享。網絡化的信息流如數據及資源共享。網絡化的信息流如圖所示，具體包括：過程層與間隔圖所示，具體包括：過程層與間隔層之間的信息交換，即過程層的各種層之間的信息交換，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；間隔層內部隔

25、層的裝置交換信息；間隔層內部的信息交換；間隔層之間的通信；的信息交換；間隔層之間的通信；間隔層與變電站層的通信；變電間隔層與變電站層的通信；變電站層不同設備之間的通信。站層不同設備之間的通信。信息交互網絡化的主要優(yōu)點表現在：信息交互網絡化的主要優(yōu)點表現在： （1 1）能根據實際需要靈活選擇網絡拓撲結構，）能根據實際需要靈活選擇網絡拓撲結構，易于利用冗余技術提高系統可靠性，網絡拓撲易于利用冗余技術提高系統可靠性，網絡拓撲結構的改變不會影響變電站功能的實現。結構的改變不會影響變電站功能的實現。 （2 2）當過程層采用基于）當過程層采用基于 IEC 61850-9-2 IEC 61850-9-2 的

26、過的過程總線時，傳感器的采樣數據可利用多播程總線時，傳感器的采樣數據可利用多播(multicasting)(multicasting)技術同時發(fā)送至測控、保護、技術同時發(fā)送至測控、保護、故障錄波及相角測量等單元，進而實現了數據故障錄波及相角測量等單元，進而實現了數據共享。共享。 （3 3）利用網線代替導線可大大減少變電站內）利用網線代替導線可大大減少變電站內二次回路的連接線數量，從而提高系統的可靠二次回路的連接線數量，從而提高系統的可靠性。性。 常規(guī)變電站的監(jiān)視、控制、保護、常規(guī)變電站的監(jiān)視、控制、保護、故障錄波、量測與計量等裝置幾乎都是功能單故障錄波、量測與計量等裝置幾乎都是功能單一、相互獨

27、立的系統，這些系統往往存在硬件一、相互獨立的系統，這些系統往往存在硬件配置重復、信息不共享及投資成本大等缺點。配置重復、信息不共享及投資成本大等缺點。而數字化變電站則對原來分散的二次系統裝置而數字化變電站則對原來分散的二次系統裝置進行了信息集成及功能優(yōu)化處理，因此有效地進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。避免了上述問題的發(fā)生。 以往的設備狀態(tài)檢修主要是針對一次設備，以往的設備狀態(tài)檢修主要是針對一次設備，二次設備的狀態(tài)監(jiān)測對象不是單一的元件，而是一個單二次設備的狀態(tài)監(jiān)測對象不是單一的元件，而是一個單元或系統。雖然元或系統。雖然 IED IED 裝置本身具備狀態(tài)檢修的實施

28、基裝置本身具備狀態(tài)檢修的實施基礎，但二次設備的狀態(tài)檢修必須作為一個系統性的問題礎，但二次設備的狀態(tài)檢修必須作為一個系統性的問題來考慮，狀態(tài)監(jiān)測環(huán)節(jié)應包含交流輸入、直流及操作回來考慮，狀態(tài)監(jiān)測環(huán)節(jié)應包含交流輸入、直流及操作回路等，因此在常規(guī)變電站內很難實施二次系統的狀態(tài)檢路等，因此在常規(guī)變電站內很難實施二次系統的狀態(tài)檢修。修。 在數字化變電站中，可以有效地獲取電網運在數字化變電站中，可以有效地獲取電網運行狀態(tài)數據以及各種行狀態(tài)數據以及各種 IED IED 裝置的故障和動作信息，實裝置的故障和動作信息，實現對操作及信號回路狀態(tài)的有效監(jiān)視。數字化變電站中現對操作及信號回路狀態(tài)的有效監(jiān)視。數字化變電站中幾乎不再存在未被監(jiān)視的功能單元，設備狀態(tài)特征量的幾乎不再存在未被監(jiān)視的功能單元，設備狀態(tài)特征量的采集沒有盲區(qū)。設備檢修策略可以從常規(guī)變電站設備的采集沒有盲區(qū)。設備檢修策略可以從常規(guī)變電站設備的“定期檢修定期檢修”變成變成“狀態(tài)檢修狀態(tài)檢修”，從而大大提高系統的，從而大大提高系統的可用性?？捎眯?。 新