智能變電站的發(fā)展與展望

智能變電站的發(fā)展與展望

一、智能電網的樞紐作用智能區(qū)塊是智能電網的重要基礎和支柱。位于智能電網的整個中心節(jié)點上，接收著高壓電網上的電源輸入和各種新能源的連接。然后，完成連接裝置和大型用戶的電源分配，并具有接受上級調度中心的信息傳輸、自動控制、智能控制和線段分析等功能。因此智能變電站必將是今后變電站的發(fā)展方向。1.變電站綜合自動化系統(tǒng)的應用和發(fā)展現(xiàn)狀變電站的主要電氣設備由電力變壓器、高壓開關、電壓互感器、電流互感器、避雷器、母線、相關設備的保護裝置、自動裝置以及無功補償裝置等組成。電力變壓器、高壓開關、互感器等直接生產、轉換電能的設備被稱為一次設備,而對一次設備進行監(jiān)測、測量、控制、繼電保護、調節(jié)的輔助設備稱為二次設備。變電站綜合自動化核心就是利用自動化控制技術、信息處理和傳輸技術,通過計算機軟硬件系統(tǒng)或自動裝置代替人工進行各種變電站運行操作,對變電站執(zhí)行自動監(jiān)視、測量、控制和協(xié)調的一種綜合性的自動化系統(tǒng)。變電站綜合自動化的范疇主要是二次設備,如控制、保護、測量、信號、自動裝置和遠動裝置等。用計算機控制的二次設備代替和簡化了非計算機設備,數(shù)字化的處理和邏輯運算代替了模擬運算和繼電器邏輯。在架構體系上增加了變電站主計算機和系統(tǒng)通信控制管理系統(tǒng),負責對整個系統(tǒng)的管理和控制,對斷路器的跳合閘操作,數(shù)據的采集、處理、記錄、統(tǒng)計等。目前,全國有85%以上變電站采用變電站綜合自動化系統(tǒng)。雖然變電站綜合自動化系統(tǒng)在變電站的發(fā)展中起到十分積極作用,但是它還是存在不足,主要表現(xiàn)為:(1)信息難以共享;(2)設備之間不具備互操作性;(3)系統(tǒng)的可擴展性差;(4)系統(tǒng)可靠性受二次電纜影響。2.全站信息數(shù)字化隨著光電技術在傳感器應用領域研究的突破,IEC61850標準的頒布實施,以太網通信技術的應用以及智能斷路器技術的發(fā)展,使變電站自動化技術又向著數(shù)字化技術延伸,使數(shù)字化技術在變電站工程化應用中得到了進一步拓展,綜合自動化系統(tǒng)的變電站邁向了數(shù)字化變電站。數(shù)字化變電站的技術特征就是利用高速以太網構成變電站數(shù)據采集和傳輸系統(tǒng)和新型智能設備,實現(xiàn)全站信息數(shù)字化。利用IEC61850標準的統(tǒng)一信息建模,實現(xiàn)智能設備的互操作性和全站信息共享。數(shù)字化變電站其他優(yōu)點有:(1)數(shù)字化變電站的本質特點在于就地數(shù)字化和光纜傳輸,光纜是一、二次設備間信息傳輸最為合適的載體,具有帶寬高、不受電磁干擾的顯著優(yōu)點。(2)在數(shù)字化變電站條件下,用光纜通信代替控制電纜硬連接,由于同一根光纖介質可以傳輸?shù)男畔⒎N類不受限制,完全取決于報文的內容,用一根光纖可以傳遞很多根電纜表達的信息。所以,可以將二次回路大為簡化。(3)通過光纖傳輸,使用通信校驗和自檢技術,可提高信號的可靠性。(4)電子式互感器杜絕了傳統(tǒng)互感器的TA斷線導致高壓危險、TA飽和影響差動飽和、CVT暫態(tài)過程影響距離保護、鐵磁諧振、絕緣油爆炸、SF6泄漏等問題;解決了傳統(tǒng)電流互感器當電壓等級越高,短路電流越大時,必然將增大體積,使設備變得更加笨重,安裝運輸不方便等問題。3.智能變電站智能電網智能變電站以數(shù)字化變電站作為技術基礎,采用先進、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設備,以全站信息數(shù)字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化為基本要求,自動完成信息采集、測量、控制、保護計量和監(jiān)測等基本功能,并可根據需要支持電網實時自動控制、智能調節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能的變電站。智能變電站是智能電網建設的重要節(jié)點之一,其主要作用就是為智能電網提供標準的、可靠的節(jié)點(包含一、二次設備和系統(tǒng))支撐。智能變電站作為智能電網的重要基礎和支撐,智能變電站設備具有信息數(shù)字化、功能集成化、結構緊湊化、狀態(tài)可視化等主要技術特征,智能變電站系統(tǒng)應建立站內全景數(shù)據的統(tǒng)一信息平臺,供各子系統(tǒng)標準化、規(guī)范化存取訪問以及和智能電網調度等其他系統(tǒng)進行標準化交互。二、智能變電站的信息服務智能變電站與常規(guī)變電站相比能夠完成范圍更寬、層次更深、結構更復雜的信息采集和信息處理。變電站內、站與調度、站與站之間,站與大用戶和分布式能源的互動能力更強,信息的交換和融合更方便快捷,控制手段更靈活可靠。圖1所示為智能變電站示意。由于智能變電站在整個智能電網中占有重要地位,因此智能電網對智能變電站的要求如下:1.智能變電站的安全需求變電站應用于智能電網,可靠性無疑是最主要的要求,除了站內設備及變電站本身可靠性外,智能變電站更應該關注自身的自診斷和自治功能,做到設備故障提早預防、預警,并可以在故障發(fā)生時,自動將設備故障帶來的供電損失降低到最小程度。2.設備信息與環(huán)境信息的集成變電站是電網基礎信息的主要提供者之一,變電站服務于智能電網的一個主要作用就是提高可靠、準確、充分、實時、安全的信息,提供的信息應不僅僅局限于傳統(tǒng)“四遙”的電氣量信息,還應包括設備信息,如變壓器色譜分析結果、冷卻散熱系統(tǒng)情況等,斷路器的動作次數(shù)、傳動機構儲能情況、開斷電流的情況等,環(huán)境信息,圖像信息等,最終達到信息描述數(shù)字化、信息采集集成化、信息傳輸網絡化、信息處理智能化、信息展現(xiàn)可視化和生產決策科學化的目的。在信息安全方面,遵循國家及國際標準,以保證站內與站外的通信安全及站內信息存儲及信息訪問的安全,實現(xiàn)與上級調度中心通信的認證及加密,實現(xiàn)站內各系統(tǒng)之間的安全分區(qū)及安全隔離。3.自動化電路設計變電站自動化是實現(xiàn)電網自動化最直接的窗口,智能變電站應最大可能地實現(xiàn)自動化功能為智能電網提供服務。實現(xiàn)根據工程配置文件生成系統(tǒng)工程數(shù)據、二次設備在線、自動校驗、變電站狀態(tài)檢修、變電站系統(tǒng)和設備系統(tǒng)模型的自動重構等功能,進一步提高變電站自動化水平。4.電網實時數(shù)據的采集和命令的執(zhí)行友好互動是智能電網的主要運行特征,變電站服務于智能電網應充分體現(xiàn)互動化要求。一方面,它擔負著各類電源與用戶的接入與退出,電網實時數(shù)據的采集和命令的執(zhí)行,變電站的繼電保護設備還擔負著電網“三道防線”中第一道防線的重任。另一方面,變電站統(tǒng)一信息平臺改變了以往變電站信息孤島系統(tǒng),改變了電力系統(tǒng)橫向系統(tǒng)多、縱向層次多的業(yè)務孤立格局,實現(xiàn)與控制中心之間、與相鄰變電站之間以及與用戶之間的雙向交互式的信息溝通,優(yōu)化了資源配置,大大提高真實性和有效性,減少重復浪費現(xiàn)象,滿足對智能電網建設的需求。三、智能區(qū)塊檢測和體系的特點1.智能電站的技術特點一次設備(如變壓器、互感器、高壓開關等)智能化、信息交互標準化、運行控制智能化和功能應用互動化,是智能變電站最主要的技術特征。(1)電子式整體控制器目前真正意義上的智能化一次設備還沒有,工程上采用比較多地是數(shù)字輸出的電子式互感器(如圖2,圖3)、智能開關(如圖4)和一次設備+智能組件等智能一次設備。一次設備和二次設備間用光纖傳輸數(shù)字編碼信息的方式交換采樣值、狀態(tài)量、控制命令等信息。(1)電子式整體傳感技術傳統(tǒng)電磁式互感器由于使用了鐵芯,不可避免地存在飽和及鐵磁諧振等問題,難以實現(xiàn)大范圍測量,同一互感器很難同時滿足測量和繼電保護的需要。電磁式電流互感器二次回路不能開路,電壓互感器二次回路不能短路,否則將危及人身及設備安全。電磁式互感器由于絕緣降低,運行中經常發(fā)生爆炸現(xiàn)象,危及電力系統(tǒng)安全運行。電磁式互感器鋼材、變壓器油、SF6氣體等消耗量較大,不符合節(jié)能、環(huán)保要求。針對傳統(tǒng)電磁式互感器的缺陷,電子式互感器逐漸受到國內外的廣泛關注。電子式互感器分為有源與無源兩種,其中全光纖電流互感器為無源型,它基于磁光法拉第效應原理,采用光纖作為傳感介質,不存在鐵磁共振和磁滯后飽和,同時具有頻帶寬、動態(tài)范圍大、體積小、重量輕等優(yōu)點。電子式電流/電壓互感器(ECT/EVT)與保護設備的接口實現(xiàn)途徑,從系統(tǒng)可靠性和技術發(fā)展兩個方面考慮,一般采用數(shù)字化。即:對ECT/EVT所輸出的電流、電壓信號進行就地數(shù)字化后,通過光纖、合并單元、網絡設備等傳輸至保護、測控設備。采樣值數(shù)字化傳輸是數(shù)字化變電站區(qū)別于當前變電站自動化系統(tǒng)的重要技術特征之一。數(shù)字互感器的敏感元件和傳輸元件都是光纖,安裝維護相對于其他電子式互感器簡單。輸入輸出光路為統(tǒng)一路徑,提高了抗干擾能力,安全可靠性高。以電流互感器為例,純光纖式電流互感器主要由三相敏感環(huán)、電氣單元和連接光纜組成。采用獨特的閉環(huán)控制技術,動態(tài)范圍大,精度高。(2)智能濾波器和智能控制所謂智能開關是指斷路器操作所需的各種信息由裝在斷路器設備內的智能控制裝置直接處理,使斷路器裝置能獨立地執(zhí)行其當?shù)毓δ?而不依賴于站控層的控制系統(tǒng)。智能開關的發(fā)展趨勢是用微電子、計算機技術和新型傳感器建立新的斷路器二次系統(tǒng),開發(fā)具有智能化操作功能的斷路器。其主要特點是由電力電子技術、智能控制裝置組成執(zhí)行單元,代替常規(guī)機械結構的輔助開關和輔助繼電器。智能斷路器與常規(guī)斷路器的區(qū)別在于斷路器的跳閘方式發(fā)生了根本變化。從以往電纜傳輸跳合閘電流操作方式變?yōu)橥ㄓ崍笪牟僮鞣绞?在技術和觀念上的變化都是巨大的。鑒于IEC61850標準的快速報文傳遞跳合閘命令的可靠性、實時性需要時間來驗證,斷路器跳、合閘回路在變電站的二次系統(tǒng)內是非常重要的,所以智能斷路器在研發(fā)和使用中都應給予高度重視。(2)智能變電站調度中心智能變電站從過程層到控制中心均采用統(tǒng)一的IEC61850規(guī)約進行信息交互,即變電站內采用IEC61850規(guī)約,智能變電站到調度中心將采用IEC61850代替104或DNP3.0規(guī)約。因此智能變電站的信息交換及管理將遵循IEC61850的要求,變電站內各種設備的信息建模應在IEC61850框架下統(tǒng)一進行,以統(tǒng)一標準方式實現(xiàn)變電站內、外的信息交互和信息共享,最終實現(xiàn)跨系統(tǒng)間的數(shù)據與信息的無縫交換。(3)監(jiān)控中心、調度中心操作智能變電站應具備程序化操作功能,同時還可接收和執(zhí)行監(jiān)控中心、調度中心的操作指令,自動完成相關運行方式變化要求的設備操作。在變電站層和遠端均可實現(xiàn)可視化的閉環(huán)控制,滿足無人值班及區(qū)域監(jiān)控中心站管理模式的要求。(4)事故預案的基礎信息與調度系統(tǒng)互動,智能設備將其自診斷結果報送到調度系統(tǒng),使其成為調度決策和制定設備事故預案的基礎信息之一。與設備運行管理系統(tǒng)互動,包括智能組件自主從設備運行管理系統(tǒng)獲取宿主設備其他狀態(tài)信息以及將自診斷結果報送到設備運行管理系統(tǒng)兩個方面。2.網絡化二次設備的邏輯結構智能變電站的結構在物理上可分為兩類,即智能化的一次設備和網絡化的二次設備;在邏輯結構上可分為三個層次即過程層、間隔層和站控層。各層次內部及層次之間采用高速網絡通信。智能變電站體系結構如圖5所示。(1)光電電流和電能量與傳統(tǒng)的功能一樣,主要是電流、電壓、相位以及諧波分量的檢測。其他電氣量如有功、無功、電能量可通過間隔層的設備運算得出。與常規(guī)方式相比所不同的是傳統(tǒng)的電磁式電流互感器、電壓互感器被光電電流互感器、光電電壓互感器取代;采集傳統(tǒng)模擬量被直接采集數(shù)字量所取代,這樣做的優(yōu)點是抗干擾性能強,絕緣和抗飽和特性好,開關裝置實現(xiàn)了小型化、緊湊化。(2)直流電源系統(tǒng)變電站需要進行狀態(tài)參數(shù)檢測的設備主要有變壓器、斷路器、刀閘、母線、電容器、電抗器以及直流電源系統(tǒng)。在線檢測的內容主要有溫度、壓力、密度、絕緣、機械特性以及工作狀態(tài)等數(shù)據。(3)控制執(zhí)行和驅動程序(2)分布式數(shù)據采集間隔層設備一般指繼電保護裝置、系統(tǒng)測控裝置、監(jiān)測功能組的主智能電子裝置(IntelligentElectronicDevice,IED)等二次設備,實現(xiàn)使用一個間隔的數(shù)據并且作用于該間隔一次設備的功能,即與各種遠方輸入/輸出、傳感器和控制器通信。間隔層的主要功能是:(a)匯總本間隔過程層實時數(shù)據信息;(b)實施對一次設備保護控制功能;(c)實施本間隔操作閉鎖功能;(d)實施操作同期及其他控制功能;(e)對數(shù)據采集、統(tǒng)計運算及控制命令的發(fā)出具有優(yōu)先級別的控制;(f)承上啟下的通信功能,即同時高速完成與過程層及站控層的網絡通信功能。必要時,上下網絡接口具備雙口全雙工方式,以提高信息通道的冗余度,保證網絡通信的可靠性。(3)站控層功能站控層包括自動化站級監(jiān)視控制系統(tǒng)、站域控制、通信系統(tǒng)、對時系統(tǒng)等,實現(xiàn)面向全站設備的監(jiān)視、控制、報警及信息交互功能,完成數(shù)據采集和監(jiān)視控制、操作閉鎖以及同步相量采集、電能量采集、保護信息管理等相關功能。站控層功能高度集成,可在一臺計算機或嵌入式裝置實現(xiàn),也可分布在多臺計算機或嵌入式裝置中實現(xiàn)。站控層主要功能是:(a)通過兩級高速網絡匯總全站的實時數(shù)據信息,不斷刷新實時數(shù)據庫,按時登錄歷史數(shù)據庫;(b)按既定規(guī)約將有關數(shù)據信息送向調度或控制中心;(c)接收調度或控制中心有關控制命令并轉間隔層、過程層執(zhí)行;(d)具有在線可編程的全站操作閉鎖控制功能;(e)具有(或備有)站內當?shù)乇O(jiān)控,人機聯(lián)系功能,如顯示、操作、打印、報警,甚至圖像、聲音等多媒體功能;(f)具有對間隔層、過程層諸設備的在線維護、在線組態(tài),在線修改參數(shù)的功能;(g)具有(或備有)變電站故障自動分析和操作培訓功能。四、智能變電站中國電力為推進國內智能變電站的研究與建設,國家電網公司首批安排7個智能變電站試點工程,電壓等級上涵蓋了110kV、220kV、500kV及750kV變電站;建設方式上既有新建站,也有需進行技術改造的老站。如上海首座智能變電站——110kV蒙自變電站于2009年年底正式投運,標志著上海建成首座智能變電站服務世博會、上海電網7項世博電力核心工程的基建任務圓滿完成。蒙自變電站是世博浦西園區(qū)電力能源的“心臟”。蒙自地下變電站與國家電網公司企業(yè)館一體化建設,全站采用可靠、低碳、環(huán)保的智能設備,并實現(xiàn)全部國產化,采用的通訊網絡技術和新型自動控制系統(tǒng),達到全站信息數(shù)字化、通信平臺網絡化、信息共享標準化、功能應用互動化的要求。作為首座集成環(huán)保節(jié)能技術的智能變電站,該站國產化的主變壓器具有較強的適應性和低損耗、低噪聲、絕緣性能好、無毒、不燃、不爆等特點。同時,主變壓器余熱利用和冰蓄冷技術運用,有效降低了二