數(shù)字化變電站

數(shù)字化變電站綜述目錄1.研究背景及意義2.發(fā)展歷程及現(xiàn)狀3.數(shù)字化變電站的特點4.數(shù)字化變電站的幾個技術(shù)問題一.研究背景及意義近年來,變電站綜合自動化技術(shù)的發(fā)展和微機保護的廣泛應用極大地提高了電網(wǎng)的自動化水平和管理水平，但是由于變電站自動化系統(tǒng)和保護設(shè)備的通信協(xié)議不統(tǒng)一，造成系統(tǒng)無縫集成困難，生命周期縮短；設(shè)備之問互操作性差，維護工作量大,改造升級困難。同時變電站的高壓電氣設(shè)備和保護、監(jiān)控等二次設(shè)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(xiàn)，不僅浪費了大量的財力，而且高、低壓設(shè)備之間不能實現(xiàn)電氣隔離。由于變電站數(shù)量大，分布廣，變電站自動化水平對提高整個電力系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性、保障電網(wǎng)安全起著重大的作用。隨著現(xiàn)代電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大,無人值班變電站的應用推廣，各級調(diào)度和站內(nèi)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也成幾何級數(shù)增加，變電站的自動化采集和處理系統(tǒng)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(shù)的推動下，數(shù)字化變電站乃至數(shù)字化電網(wǎng)的概念被逐漸提出來。即在目前綜合自動化技術(shù)的基礎(chǔ)上，變電站內(nèi)的一次設(shè)備實現(xiàn)了數(shù)字化，各種IED之間和IED與一次設(shè)備之間通過光纜用統(tǒng)一的標準進行信息的數(shù)字化交互，取消了各種控制電纜。數(shù)字化變電站將成為未來變電站建設(shè)的標準模式。國際電工委員會TC57技術(shù)委員會制定的IEC61850標準使變電站站內(nèi)通信采用統(tǒng)一的標準，解決了設(shè)備之間的互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(shè)備的發(fā)展，特別是智能化開關(guān)設(shè)備、電子式電壓和電流互感器、智能電子裝置等在變電站系統(tǒng)中的逐漸推廣應用，電氣設(shè)備在線狀態(tài)檢測、變電站運行操作培訓仿真等技術(shù)日趨成熟，以及計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，使得建設(shè)數(shù)字化變電站具備了必要的技術(shù)條件。1.1數(shù)字化變電站應用技術(shù)背景非常規(guī)互感器IEC61850標準網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)智能斷路器技術(shù)1.1.1非常規(guī)互感器非常規(guī)互感器主要有兩種：一種是基于Rogowski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壓模擬量和數(shù)字量信號，直接用于微機保護和電子式計量設(shè)備，適應電力系統(tǒng)數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的需要，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。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(xiàn)代光電技術(shù)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)范圍大等特點,這些特點對于變電站自動化系統(tǒng)的發(fā)展提供了信息集成應用的基礎(chǔ)。1.1.2IEC61850標準IEC61850標準是關(guān)于變電站自動化系統(tǒng)的第一個完整的通信標準體，國際電工委員會(IEC)TC57工作組(WGIO/11/12)從1995年開始制定，2002年提出草案，2004年大部分內(nèi)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(tǒng)通信協(xié)議體系相比,具有以下特點:1.采用分層體系;2.信息傳輸采用與網(wǎng)絡(luò)獨立的抽象通信服務接口(ACSI)和特定通信服務接口(scsl);3.信息模型采用面向?qū)ο蟆⒚嫦驊玫淖悦枋?4.具有互操作性。它的制定和發(fā)布為構(gòu)建數(shù)字化變電站的通信網(wǎng)絡(luò)提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)依據(jù),將逐步成為變電站自動化系統(tǒng)統(tǒng)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/T860。1.1.4智能斷路器技術(shù)非常規(guī)互感器的出現(xiàn)以及計算機的發(fā)展,對于斷路器設(shè)備內(nèi)部的電、磁、溫度、機械、機構(gòu)動作狀態(tài)監(jiān)測已經(jīng)成為可能。智能化一次設(shè)備采用數(shù)字化的監(jiān)視和控制手段,機械結(jié)構(gòu)簡單,體積小。既減少了設(shè)備停電檢修的幾率和時間,減少了運行成本,也減少人為因素造成的設(shè)備損壞。智能操作斷路器根據(jù)所檢測到的電網(wǎng)中斷路器開斷前一瞬間的各種工作狀態(tài)信息,自動選擇和調(diào)整操動機構(gòu)以及與滅弧室狀態(tài)相適應的合理工作條件,以改變現(xiàn)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,而在系統(tǒng)故障時又以較高的分閘速度開斷等。這樣,就可獲得開斷時電氣和機構(gòu)性能上的最佳開斷效果。二、發(fā)展歷程及現(xiàn)狀國內(nèi)外數(shù)字化變電站的研究和建設(shè)均處于起步階段。我國的數(shù)字化變電站建設(shè)基本上按照先在11OkV及以下變電站中進行試點,然后往高的電壓等級發(fā)展的思路,當然這中間還需要進行大量的研究?！笆晃濉逼陂g作為數(shù)字化電網(wǎng)基礎(chǔ)的數(shù)字化變電站工程試點應用將成為電網(wǎng)建設(shè)和變電站控制技術(shù)發(fā)展的新熱點。至今有云南、山東、江蘇、陜西等省已進行11OkV電壓等級的數(shù)字化變電站的改造、建設(shè)并投入運行,取得了一定的經(jīng)驗。國家電網(wǎng)公司制定了未來5年內(nèi)研究和推廣數(shù)字化變電站技術(shù)的實施方案,在《國家電網(wǎng)公司新技術(shù)推廣一綱要》提出了數(shù)字化變電站的實施進度表:2007年在無錫1IOkV苑石變電站示范應用(己投運),2009年在銅陵220kV南郊變電站示范應用,2009年吉林公司安排500kV電子式互感器示范應用;“十一五”后期開展500kv變電站了范應用。2.1IEC61850相關(guān)智能設(shè)備研制國外廠家在制定IEC61850標準時就展開了基于IEC61850的IED研制,并進行了互操作性試驗,目前己積累了不少經(jīng)驗。國內(nèi)IED廠家從前幾年就已經(jīng)積極開展基于JEC61850標準的IED研制和實際應用,目前國內(nèi)規(guī)模較大的幾個廠家都推出了相關(guān)產(chǎn)品,但在國內(nèi)應用的數(shù)量不是很多,量產(chǎn)還需要一定的時間。2.2電子式互感器及接口設(shè)備的應用電子式互感器指有別于傳統(tǒng)的電磁型電壓/電流互感器的新一代互感器,簡稱ECT/EVT,主要包括以羅柯夫斯基(Rogowski)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(光電式)電流互感器。電子式互感器具有無磁飽和,抗電磁干擾能力強,動態(tài)范圍大、測量精度高,無二次開路危險、絕緣結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。國外幾家大公司從上世紀50年代就開始研制電子式互感器,目前已經(jīng)研制出115—756kv精度達到0.2級的電子式互感器并進行了掛網(wǎng)運行,取得了較豐富的運行經(jīng)驗,部分電子式互感器已經(jīng)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(gòu)開始進行研制工作,目前有多種電子式和光電式互感器樣機研制出來,取得了一定的試運行經(jīng)驗,并逐步進入實用化階段。電子式互感器與斷路器設(shè)備集成技術(shù)將是今后的研究方向。2.3智能斷路器技術(shù)的應用國外己經(jīng)研制出了50OkV及以下等級的智能斷路器,日本三菱公司55OkvMITS智能化開關(guān),它通過將斷路器、隔離開關(guān)/接地開關(guān)及測量互感器集成在一個裝配單元實現(xiàn)了設(shè)備的一體化?？梢砸种崎_關(guān)分、合閘過程中產(chǎn)生的過電壓,使系統(tǒng)的電壓波動減至最低,并且可以省略合閘電阻、延長觸頭壽命。三、數(shù)字化變電站的特點數(shù)據(jù)采集數(shù)字化系統(tǒng)分層分布化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊化系統(tǒng)建模標準化信息交互網(wǎng)絡(luò)化信息應用集成化設(shè)備檢修狀態(tài)化設(shè)備操作智能化主要特點3.1數(shù)據(jù)采集數(shù)字化數(shù)字化變電站的主要標志是采用數(shù)字化電氣量測系統(tǒng)(如光電式互感器或電子式互感器)采集電流、電壓等電氣量，實現(xiàn)了一、二次系統(tǒng)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，從而為實現(xiàn)常規(guī)變電站裝置冗余向信息冗余的轉(zhuǎn)變以及信息集成化應用提供了基礎(chǔ)。3.2系統(tǒng)分層分布化IEC61850提出了變電站過程層、間隔層、站控層的三層結(jié)構(gòu)模型，建議采用面向?qū)ο蠼?、軟件復用、高速以太網(wǎng)、嵌入式實時操作系統(tǒng)(real-timeoperatingsystem，RTOS)以及XML(extensiblemarkuplanguage)等技術(shù)，以便滿足電力系統(tǒng)對實時性、可靠性的要求，同時有效地解決異構(gòu)系統(tǒng)之間的信息互通、裝置的自我描述和互操作以及系統(tǒng)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(shù)基礎(chǔ)。3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊化圖中是結(jié)構(gòu)緊湊化或近過程化設(shè)計的一個示例，其中LN為邏輯節(jié)點(logicalnode)，代表自動化系統(tǒng)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/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(guān)控制(CSWI)以及作為主保護的距離保護(PDIS)功能。3.4系統(tǒng)建模標準化IEC61850確立了電力系統(tǒng)的建模標準，為變電站自動化系統(tǒng)定義了統(tǒng)一、標準的信息模型和信息交換模型，其意義主要體現(xiàn)在：（1）實現(xiàn)智能設(shè)備的互操作性。（2）實現(xiàn)變電站的信息共享。（3）簡化系統(tǒng)的維護、配置和工程實施。3.5信息交互網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字化變電站采用低功率、數(shù)字化的新型互感器代替常規(guī)互感器，將高電壓、大電流直接變換為數(shù)字信號。變電站內(nèi)設(shè)備之間通過高速網(wǎng)絡(luò)進行信息交互，二次設(shè)備不再出現(xiàn)功能重復的I/O接口，常規(guī)的功能裝置變成了邏輯的功能模塊，即通過采用標準以太網(wǎng)技術(shù)真正實現(xiàn)了數(shù)據(jù)及資源共享。網(wǎng)絡(luò)化的信息流如圖所示，具體包括：①過程層與間隔層之間的信息交換，即過程層的各種智能傳感器和執(zhí)行器可以自由地與間隔層的裝置交換信息；②間隔層內(nèi)部的信息交換；③間隔層之間的通信；④間隔層與變電站層的通信；⑤變電站層不同設(shè)備之間的通信。信息交互網(wǎng)絡(luò)化的主要優(yōu)點表現(xiàn)在：（1）能根據(jù)實際需要靈活選擇網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，易于利用冗余技術(shù)提高系統(tǒng)可靠性，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的改變不會影響變電站功能的實現(xiàn)。（2）當過程層采用基于IEC61850-9-2的過程總線時，傳感器的采樣數(shù)據(jù)可利用多播(multicasting)技術(shù)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(xiàn)了數(shù)據(jù)共享。（3）利用網(wǎng)線代替導線可大大減少變電站內(nèi)二次回路的連接線數(shù)量，從而提高系統(tǒng)的可靠性。3.6信息應用集成化常規(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一、相互獨立的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)往往存在硬件配置重復、信息不共享及投資成本大等缺點。而數(shù)字化變電站則對原來分散的二次系統(tǒng)裝置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。3.7設(shè)備檢修狀態(tài)化以往的設(shè)備狀態(tài)檢修主要是針對一次設(shè)備，二次設(shè)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(tǒng)。雖然IED裝置本身具備狀態(tài)檢修的實施基礎(chǔ)，但二次設(shè)備的狀態(tài)檢修必須作為一個系統(tǒng)性的問題來考慮，狀態(tài)監(jiān)測環(huán)節(jié)應包含交流輸入、直流及操作回路等，因此在常規(guī)變電站內(nèi)很難實施二次系統(tǒng)的狀態(tài)檢修。

在數(shù)字化變電站中，可以有效地獲取電網(wǎng)運行狀態(tài)數(shù)據(jù)以及各種IED裝置的故障和動作信息，實現(xiàn)對操作及信號回路狀態(tài)的有效監(jiān)視。數(shù)字化變電站中幾乎不再存在未被監(jiān)視的功能單元，設(shè)備狀態(tài)特征量的采集沒有盲區(qū)。設(shè)備檢修策略可以從常規(guī)變電站設(shè)備的“定期檢修”變成“狀態(tài)檢修”，從而大大提高系統(tǒng)的可用性。3.8設(shè)備操作智能化新型高壓斷路器二次系統(tǒng)是采用微機、電力電子技術(shù)和新型傳感器建立起來的，如ABB公司的PASS(plug&switchsystem)和SIEMENS公司的HIS(highlyintegratedswitchgear)等，其主要特點包括：（1）執(zhí)行單元采用微機控制及電力電子技術(shù)代替常規(guī)機械結(jié)構(gòu)的輔助開關(guān)和輔助繼電器，按電壓波形控制跳、合閘角度，精確控制跳、合閘的時間，減小暫態(tài)過電壓幅值。（2）斷路器內(nèi)部的微機可直接處理設(shè)備信息并獨立執(zhí)行本地功能，而不依賴于變電站級的控制系統(tǒng)。（3）非常規(guī)傳感器采用微機技術(shù)，可獨立采集