數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布

數(shù)字化變電站研究設計QC-08327發(fā)布2024/3/11數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布發(fā)布單位：河北省電力勘測設計研究院小組名稱：數(shù)字化變電站QC小組發(fā)布人：張志鵬發(fā)布日期：二零零八年三月數(shù)字化變電站研究設計成果報告數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布一、小組概況企業(yè)名稱河北省電力勘測設計研究院小組名稱數(shù)字化變電站QC小組注冊日期2006.08課題名稱數(shù)字化變電站研究設計組長張志鵬課題類型創(chuàng)新型輔導員韓月榮活動時間2006.08-2007.12活動次數(shù)16小組人數(shù)8人注冊編號2006-004出勤率出勤率100%QC教育人均60小時以上小組登記序號姓名性別年齡文化程度職稱小組分工1張志鵬男30工程碩士工程師組長，制定總體方案和工作計劃，組織協(xié)調，方案確定，檢查指導，設計實施、成果總結。2朱萍女39本科高工組織協(xié)調，方案確定，進度控制，質量把關。3林榕男39本科高工制定方案，審核，質量把關。4賈俊英女42本科高工方案論證，審核，質量把關。5邵華男31本科工程師制定方案，收集資料和校核。6王維男33本科高工方案論證、對策實施。7梁猛男33工程碩士工程師方案論證、對策實施。8李凌睿

女29本科工程師方案論證、對策實施。小組成員數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布

當前的變電站均采用綜合自動化系統(tǒng)。系統(tǒng)采用“兩層一網”結構：站控層、間隔層，站控層網絡。

二、選擇課題1課題背景

站控層站控層網絡間隔層一次設備數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布

常規(guī)的綜合自動化系統(tǒng)特點：實現(xiàn)了信息處理的數(shù)字化；實現(xiàn)了從站控層到間隔層信息輸出、傳輸?shù)臄?shù)字化；一次、二次設備之間仍采用電氣回路連接。變電站自動化的發(fā)展趨勢—數(shù)字化變電站！隨著電子式互感器、智能化開關、狀態(tài)在線檢測等技術的日趨成熟及高速網絡在實時系統(tǒng)中的應用、標準的通信協(xié)議IEC61850的頒布，信息采集、傳輸、處理和輸出過程全數(shù)字化的變電站將成為自動化技術發(fā)展的必然趨勢。數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布設備智能化：包括智能一次設備，電子式互感器、數(shù)字化二次設備。通信網絡化：智能設備之間采用計算機高速網絡通信。模型和通信協(xié)議統(tǒng)一化運行管理自動化理想目標：“同一個世界，同一個標準”，智能一次、二次設備可在網絡上實現(xiàn)“即插即用”。數(shù)字化變電站特點數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布數(shù)字化變電站系統(tǒng)結構三層兩網：站控層、間隔層、過程層，站控層網絡和過程層網絡。站控層站控層網絡間隔層過程層網絡過程層一次設備數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布數(shù)字化變電站工程實踐技術的發(fā)展，使數(shù)字化變電站的建設已經走向工程實踐階段；河北省電力公司已將河北南網的數(shù)字化變電站建設項目列入公司“十一五”科技發(fā)展規(guī)劃中；確定石家莊富村110kV變電站作為河北南網第一個數(shù)字化變電站的示范項目，由河北省電力勘測設計研究院承擔研究和設計工作，計劃2007年12月底投運；富村110kV變電站一期工程建設2臺50MVA三卷變壓器，2回110kV出線、6回35kV出線及20回10kV出線。數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布上級要求選擇課題常規(guī)綜自系統(tǒng)不能滿足數(shù)字化變電站要求數(shù)字化變電站技術基礎基本具備2選題理由

河北省電力公司確定將富村站作為數(shù)字化變電站試點工程，并列為科技項目沒有過程層，數(shù)字化程度低；對象建模的差異導致互操作性不夠，信息難以共享；難以適應難以技術的發(fā)展；二次接線復雜，控制電纜用量大，不利于可持續(xù)性發(fā)展。智能一次設備已被逐步采用；電子式互感器的已進入實用階段；光纖通信及以太網技術已被普遍采用無縫通信體系IEC61850基本完成。國內已有數(shù)字化變電站的試點工程。數(shù)字化變電站研究設計數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布三、設定目標國內目前已投運了兩座數(shù)字化變電站：云南翠峰110kV變電站和內蒙古杜爾伯特220kV變電站，建設模式基本相同。1提出目標

1.1數(shù)字化變電站架構研究設計目標調查分析數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布調查分析站控層站控層網絡間隔層過程層網絡過程層一次設備數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布調查分析云南翠峰110kV變電站具有較高的數(shù)字化水平，基本實現(xiàn)了信號的傳輸、處理的數(shù)字化及電流電壓采集的數(shù)字化，但明顯存在以下不足：(1)控制命令的輸出、開關量的采集和輸出沒有數(shù)字化，仍采用常規(guī)電氣回路；(2)計算機監(jiān)控系統(tǒng)沒有基于IEC61850通信協(xié)議構建，間隔層設備的互操作性較差；IEC61850的重要特色-GOOSE服務沒有得到應用。根據(jù)以上調查分析，小組制定了第一個目標：完成數(shù)字化變電站架構研究，設計出基于IEC61850通信協(xié)議構建的，信息采集、傳輸、處理、輸出過程全部數(shù)字化的變電站，實現(xiàn)數(shù)字化變電站的技術創(chuàng)新。制定目標數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布河北省電力公司110kV變電站典型設計中控制電纜用量統(tǒng)計如下：

1.2降低變電站控制電纜用量目標調查分析控制電纜類型110kV變電站典型設計電纜用量（A1方案，與富村站同規(guī)模）ZR-kVVP22-4*1.53000米ZR-kVVP22-4*2.53000米ZR-kVVP22-8*1.52000米ZR-kVVP22-14*1.51000米ZR-kVVP22-4*43000米合計12000米

220kV變電站典型設計中控制電纜約需50千米（2臺主變）。數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布數(shù)字化變電站中大量采用光纖和網線作為信息交換的介質，控制電纜用量將明顯降低，小組制定了第二個目標：

制定目標120008000富村站控制電纜用量較典型設計降低33.3%，即控制電纜用量降低至8000米以內。數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布根據(jù)河北省電力公司的投運計劃，小組制定了第三個目標：2007年10月中旬前完成富村站的施工圖設計工作，做好工代服務，保障工程順利投運。1.3設計進度目標數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布2目標可行性分析序號有利條件不利條件1數(shù)字化變電站的技術基礎已經具備；國內已有個別地區(qū)進行了數(shù)字化變電站建設的初步嘗試，可吸收部分經驗；數(shù)字化變電站技術發(fā)展日新月異，為創(chuàng)新帶來了機會。當前數(shù)字化變電站的建設沒有成熟的模式，全數(shù)字化的變電站國內沒有實踐經驗；理想的數(shù)字化變電站模式目前無法實現(xiàn)。2院、部領導層高度重視和支持，多次組織小組成員參加國內數(shù)字化變電站技術交流會議。數(shù)字化變電站是全新概念，涉及到最先進的自動化及網絡技術，掌握難度大3小組成員積極跟蹤、學習、研究數(shù)字化變電站的技術，具備了一定的理論基礎對數(shù)字化變電站認知度及理解較淺。4小組成員對變電站二次系統(tǒng)設計的核心有較深的認識，有助于利用新技術建設數(shù)字化變電站新技術的使用將帶來風險，需認真論證結論：目標雖極具挑戰(zhàn)，但憑借主客觀有利因素，我們堅信有能力設計出全新的數(shù)字化變電站方案，按期按成任務。數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布四、提出方案并確定最佳方案

1數(shù)字化變電站術語解釋IEC61850國際電工委員會TC57制定的《變電站通信網絡和系統(tǒng)》系列標準，是基于通用網絡通信平臺的變電站自動化系統(tǒng)唯一國際標準。IEC61850-9-1

IEC61850通信協(xié)議的一部分，適用于單向多路點對點通信傳輸電流電壓采樣值。

IEC61850-9-2

IEC61850通信協(xié)議的一部分，適用于通過以太網絡以多播的方式傳輸電流電壓采樣值。GOOSE（通用面向對象的變電站事件）是IEC61850的服務之一，也是IEC61850的精華所在，提供了網絡通訊條件下快速信息傳輸和交換的手段。GOOSE服務允許高速傳送跳合閘等開關量信號。數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布2提出方案數(shù)字化變電站架構設計網絡結構設計智能設備選擇通信規(guī)約選擇數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布2.1智能設備選擇智能設備網絡化的二次設備智能開關電子式互感器

選擇1：理想的智能開關選擇2：傳統(tǒng)開關+智能終端選擇1：無源電子式互感器

選擇2：有源電子式互感器

無需選擇數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布2.1.1智能開關選擇分析智能開關理想的智能開關傳統(tǒng)開關+智能終端設備特點具有智能控制、在線監(jiān)測及自診斷功能；機構的電子化操動；具有數(shù)字接口；常規(guī)的控制及操動方式，無在線監(jiān)測及自診斷功能；具有數(shù)字接口；應用業(yè)績目前國內沒有較多可靠性未知一般設備費用很高一般可實施性差好結論：選擇傳統(tǒng)開關+智能終端作為智能開關的實現(xiàn)方案數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布2.1.2電子式互感器選擇分析

電子式互感器無源電子式互感器有源電子式互感器構成原理基于Faraday磁光效應電流互感器及Pockels電光效應電壓互感器基于Rogowski線圈或低功率線圈的電子式電流互感器；電阻、電容、電感分壓的電壓互感器。設備特點基于有關光學傳感技術，一次側光學電流、電壓傳感器無需工作電源，是獨立安裝的互感器的理想解決方案，正在進行實用化研究?；ジ衅鱾鞲蓄^部分具有需用電源的電子電路，采用激光供能的辦法，可較好的解決電源問題，已獲得較多應用應用業(yè)績少較多可靠性差高設備費用高一般可實施性差好結論：選擇有源式電子互感器數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布2.2通信規(guī)約選擇網絡通信規(guī)約站控層網絡規(guī)約過程層網絡規(guī)約選擇1：IEC61850選擇1：IEC61850選擇2：網絡化的103選擇2：IEC60044-8

數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布2.2.1站控層網絡規(guī)約的選擇分析站控層網絡通信規(guī)約網絡化的103IEC61850特點IEC60870-5-103規(guī)約的網絡版，采用傳統(tǒng)的面向功能的設計方式基于通用網絡通信平臺的變電站自動化系統(tǒng)唯一國際標準，面向對象設計應用業(yè)績較少較少接口類型以太網以太網互操作性差好適用范圍對實時性要求不高的以太網通信各種實時和非實時以太網通信軟件費用較低較高可實施性好較好結論：選擇IEC61850規(guī)約數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布2.2.2過程層網絡規(guī)約的選擇分析過程層網絡通信規(guī)約IEC60044-8IEC61850特點電子式互感器傳輸采樣值的國際標準，采用FT3幀格式，實時性極好，傳輸延時固定基于通用網絡通信平臺的變電站自動化系統(tǒng)唯一國際標準，面向對象設計。接口類型串行口以太網互操作性差好適用范圍對實時性要求高的串口通信，如三相電流電壓數(shù)據(jù)之間的同步，差動保護數(shù)據(jù)之間的同步等?？刹捎貌逯捣▽崿F(xiàn)自同步。各種實時和非實時以太網通信。傳輸延時不固定，用于采樣數(shù)據(jù)同步時需依賴于外部同步器，不能自同步。軟件費用較低較高應用業(yè)績較多較少可實施性好好結論：采用IEC61850與IEC60044-8相結合的方式，各取所長。對于單間隔不需要數(shù)據(jù)同步的二次設備，采用IEC61850規(guī)約傳輸，對于跨間隔需進行數(shù)據(jù)同步的二次設備，采用IEC60044-8規(guī)約傳輸。數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布2.3網絡結構設計

網絡結構設計站控層網絡方案過程層網絡方案單星以太網選擇1：完全基于點對點技術選擇2：點對點技術+GOOSE服務

選擇3：過程總線方式

數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布選擇1：完全基于點對點技術站控層站控層網絡間隔層過程層網絡過程層一次設備多路點對點光纖跳閘輸出數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布選擇2：點對點技術+GOOSE服務

站控層站控層網絡間隔層過程層網絡過程層一次設備多路點對點光纖跳閘輸出取消！數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布選擇3：過程總線方式

站控層站控層網絡間隔層過程層網絡過程層一次設備數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布三種網絡方案的對比分析過程層網絡方案選擇1選擇2選擇3優(yōu)點可靠性很高，協(xié)議簡單，技術相對成熟，實施難度較小可靠性高，應用了先進的GOOSE服務實現(xiàn)過負荷聯(lián)切等裝置的跳閘，簡化了網絡接線網絡結構簡單，裝置硬件接口最少，代表了數(shù)字化變電站發(fā)展的方向缺點對于跨間隔設備光纖聯(lián)系較為復雜GOOSE跳閘首次用于工程實踐，存在風險協(xié)議復雜，可靠性較差是否達到目標是是是先進性較高，國內首次采用高，國內首次采用很高，國內首次采用可實施性較好好較差結論：采用選擇2，即點對點技術+GOOSE服務方式數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布3確定最佳方案數(shù)字化變電站架構設計站控層網絡方案智能設備選擇站控層網絡規(guī)約傳統(tǒng)開關+智能終端有源式電子互感器網絡化的二次設備IEC61850規(guī)約過程層網絡規(guī)約IEC61850+IEC60044星型以太網過程層網絡方案點對點技術+GOOSE通信規(guī)約選擇網絡結構設計電子式互感器智能開關數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布五、制定對策對策表

序號對策目標措施地點計劃完成時間責任人1確定數(shù)字化變電站架構設計總體方案設計方案通過河北省力公司的技術評審1、到數(shù)字化設備供貨廠家及投運的數(shù)字化站調研；2、編寫數(shù)字變電站設計技術方案專題報告。南京云南曲靖院內2006.11張志鵬林榕2進行設備招標確定數(shù)字化設備供貨廠家1、編寫技術規(guī)范書2、由省公司招標訂貨3、簽訂技術協(xié)議院內石家莊供電公司2007.3張志鵬林榕3進行變電站各間隔、功能具體實施方案研究確定具體實施方案，可指導施工圖設計1、召開設計聯(lián)絡會2、確定實施細則南京2007.7張志鵬林榕4進行施工圖設計按期完成設計任務，保障投運1、編制卷冊設計計劃，組織人員設計2、工代服務院內2007.10張志鵬林榕數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布六、對策實施1調研

2006年10月初，QC小組成員林榕、張志鵬到國內生產數(shù)字化變電站設備的主要廠家-國電南京自動化股份有限公司及南京南瑞繼保電氣有限公司進行了調研。然后到國內的第一個數(shù)字化變電站-云南曲靖翠峰110kV變電站進行了實地考察。通過調研和考察，獲得了寶貴的信息和直觀認識。實施一：確定架構設計總體方案

翠峰變電站外觀數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布2編寫技術方案專題報告

2006年11月初，由張志鵬起草，林榕審核的富村110kV變電站數(shù)字化技術方案專題報告完成。2006年11月中旬，河北省電力公司組織基建處、保護處、自動化處、生計處、營銷處及石家莊供電公司相關部門的領導和專家在河北省電力招待處進行了富村站數(shù)字化技術方案評審。實施一：確定架構設計總體方案

經過認證討論，領導和專家一致通過了設計院推薦的最佳設計方案。評審結果寫在河北省電力公司基建[2006]41號文件（富村110kV數(shù)字化變電站設計技術方案研討會議紀要）中。數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布實施二：進行設備招標

1編寫技術規(guī)范書

2007年2月3日，由張志鵬負責編寫了富村110kV數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)技術規(guī)范書。2招標訂貨

2007年3月初，河北華瑞電力物資公司組織完成了招標工作，確定了供貨廠家--國電南京自動化股份有限公司。3簽訂技術協(xié)議

2007年3月31日，省電力公司、省設計院、石家莊供電公司及廠家有關專業(yè)人員簽訂了技術協(xié)議，設計院代表為張志鵬。技術協(xié)議書數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布實施三：進行具體實施方案研究

1召開設計聯(lián)絡會

2007年7月22日，在南京召開了富村110kV數(shù)字化變電站設計聯(lián)絡會。河北省電力公司自動化處、省設計院、石家莊供電公司相關領導和專業(yè)人員參加了會議，設計院代表為張志鵬。

2確定實施細則

根據(jù)設計聯(lián)絡會的討論結果，確定了實施細則，主要如下：(1)主變保護、測控雙重化配置，保護與測控采用一體化設計，測控數(shù)據(jù)雙重化，在變電站端進行處理，用一組數(shù)據(jù)上傳調度端；(2)主變非電量保護采用就地跳閘方式，并通過主變本體智能終端直接上送給站控層；(3)主變過負荷聯(lián)切跳閘按照輪次發(fā)GOOSE報文，GOOSE報文中含有輪次的信息，各間隔智能終端收到GOOSE報文后根據(jù)預設的輪次確定是否跳閘。數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布實施四：進行施工圖設計

1編制卷冊設計計劃序號卷冊檢索號卷冊名稱計劃交出時間設計人校核人審核人1B3061S-R0101二次線總的部分2007.10.10張志鵬邵華林榕2B3061S-R0102主變壓器二次線2007.9.31張志鵬邵華林榕3B3061S-R0103直流系統(tǒng)二次線2007.9.31張志鵬邵華林榕4B3061S-R0104安全監(jiān)視系統(tǒng)2007.9.10邵華張志鵬林榕5B3061S-R0201110kV橋聯(lián)二次線2007.9.20朱萍張志鵬林榕6B3061S-R0202110kV公用設備二次線2007.9.20賈俊英張志鵬林榕7B3061S-R030135kV線路及分段二次線2007.9.15梁猛張志鵬林榕8B3061S-R030235kV公用設備二次線2007.9.15梁猛張志鵬林榕9B3061S-R0401電容器二次線2007.9.10李凌睿張志鵬林榕10B3061S-R040210kV線路及分段二次線2007.9.10李凌睿張志鵬林榕11B3061S-R040310kV公用設備二次線2007.9.10李凌睿張志鵬林榕數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布實施四：進行施工圖設計

2工代服務本站為河北省第一個數(shù)字化變電站，新技術大量應用給施工方也帶來了不少難題，QC小組派成員密切跟蹤施工進程，到現(xiàn)場做好工代服務，保障了工程的順利實施。2007年10月8日，富村站施工圖設計工作全部完成，出版后施工圖設計目錄如下圖：

數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布七、效果檢查目標一：完成數(shù)字化變電站架構研究，設計出基于IEC61850通信協(xié)議構建的，信息采集、傳輸、處理、輸出過程全部數(shù)字化的變電站，實現(xiàn)數(shù)字化變電站的技術創(chuàng)新。目標一實現(xiàn)！配置微機型二次設備信息處理實現(xiàn)數(shù)字化采用電子式互感器采樣信息的采集、傳輸實現(xiàn)數(shù)字化

配置智能終端開關量的采集、傳輸實現(xiàn)數(shù)字化

保護輸出數(shù)字編碼信息控制命令、開關量的輸出實現(xiàn)數(shù)字化

采用IEC61850監(jiān)控系統(tǒng)規(guī)約和模型標準化1目標檢查數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布目標二：富村站控制電纜用量較典型設計降低33.3%，至8000米以內。目標二實現(xiàn)！控制電纜類型富村站電纜用量典型設計電纜用量ZR-kVVP22-4*1.52367米3000米ZR-kVVP22-4*2.52821米3000米ZR-kVVP22-8*1.51239米2000米ZR-kVVP22-14*1.5292米1000米ZR-kVVP22-4*41153米3000米合計7872米12000米787212000目標二實現(xiàn)！數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布富村站的施工圖設計工作于2007年10月8日全面完成，變電站于2007年12月28日順利投運，滿足了省公司的要求。目標三：2007年10月中旬前完成富村站的施工圖設計工作，做好工代服務，保障工程順利投運。目標三實現(xiàn)！數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布現(xiàn)場照片富村站投運現(xiàn)場富村站大門數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布保護測控及合并器柜電子式互感器保護柜后的光纜接線保護裝置的光纖接線數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布富村站與常規(guī)綜自站保護柜后接線對比富村站柜后接線綜自站柜后接線數(shù)字化變電站研究設計QC08327發(fā)布2效益確認

富村站實現(xiàn)了數(shù)字化變電站的技術創(chuàng)新：河北省第一座數(shù)字化變電站，全國第一座全數(shù)字化變電站！富村站具有以下技術優(yōu)點：提高了變電站信息共享和自動化水平提高變電站運行的可靠性簡化了二次設備裝置的結構擺脫了電磁兼容的難題完全不受負載影響，消除了測量數(shù)據(jù)傳輸過