智能電網(wǎng)之數字化變電站技術(shù)

隨著(zhù)智能化電氣設備的發(fā)展，特別是智能化開(kāi)關(guān)、光電式互感器等機電一體化設備的出現，數字化變電站從理論變?yōu)楝F實(shí)，一個(gè)數字化變電站時(shí)代即將來(lái)臨。該文主要從數字化變電站自動(dòng)化系統的技術(shù)特征、系統組成、網(wǎng)絡(luò )結構及應用中存在的問(wèn)題等幾個(gè)方面進(jìn)行論述。

變電站自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展直接表現為變電站自動(dòng)化系統結構的變遷，從集中式到分層分布式。廠(chǎng)站自動(dòng)化技術(shù)在結構上增強了變電站自動(dòng)化系統功能的同時(shí)，提高了系統的實(shí)時(shí)性、可靠性、可擴展性和靈活性，基本達到了節省投資、簡(jiǎn)化維護等目的。數字化變電站的系統結構繼承并發(fā)展了分層分布式變電站結構的特點(diǎn)，同時(shí)隨著(zhù)電子式互感器、智能開(kāi)關(guān)技術(shù)的應用，使得數字化變電站的系統結構又有了不同于常規變電站的革命性變化，也呈現了與常規變電站迥異的鮮明的技術(shù)特征。

1 數字化變電站的技術(shù)特征

各類(lèi)數據從源頭實(shí)現數字化，真正實(shí)現信息集成、網(wǎng)絡(luò )通信、數據共享。在電流、電壓的采集環(huán)節采用數字化電氣測量系統，如光電/電子式互感器，實(shí)現了電氣量數據采集的數字化應用，并為實(shí)現常規變電站裝置冗余向信息冗余的轉變，為實(shí)現信息集成化應用提供了基礎。打破常規變電站的監視、控制、保護、故障錄波、量測與計量等幾乎都是功能單一、相互獨立的裝置的模式，改變了硬件重復配置、信息不共享、投資成本大的局面。數字化變電站使得原來(lái)分散的二次系統裝置，具備了進(jìn)行信息集成和功能合理優(yōu)化、整合的基礎。

系統結構更加緊湊，數字化電氣量監測系統具有體積小、重量輕等特點(diǎn)，可以有效地集成在智能開(kāi)關(guān)設備系統中，按變電站機電一體化設計理念進(jìn)行功能優(yōu)化組合和設備布置。

系統建模實(shí)現標準化，IEC 61850確立了電力系統的建模標準，為變電站自動(dòng)化系統定義了統一的、標準的信息模型和信息交換模型，實(shí)現智能設備的互操作，實(shí)現變電站信息共享。對一、二次設備進(jìn)行統一建模，資源采用全局統一命名規則，變電站內及變電站與控制中心之間實(shí)現了無(wú)縫通信，從而簡(jiǎn)化系統維護、配置和工程實(shí)施。

設備實(shí)現廣泛在線(xiàn)監測，使得設備狀態(tài)檢修更加科學(xué)可行。在數字化變電站中，可以有效地獲取電網(wǎng)運行狀態(tài)數據、各種智能電子裝置IED(Intelligent ElectronicDevice)的故障和動(dòng)作信息及信號回路狀態(tài)。數字化變電站中將幾乎不再存在未被監視的功能單元，在設備狀態(tài)特征量的采集上沒(méi)有盲區。設備檢修策略可以從常規變電站設備的“定期檢修”變成“狀態(tài)檢修”，這將大大提高系統的可用性。

2 數字化變電站的系統組成

數字化變電站是智能化的一次設備、網(wǎng)絡(luò )化的二次設備在IEC62850通信協(xié)議技術(shù)上分層構建的，能夠實(shí)現智能設備間信息共享和互操作。下面分別對三個(gè)組成部分進(jìn)行介紹。

2.1 智能化的一次設備

智能化的一次設備包括光電/電子式互感器，智能化斷路器等。光電/電子式互感器的最大特點(diǎn)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計量設備，適應電子系統數字化、智能化和網(wǎng)絡(luò )化的需要，由于其動(dòng)態(tài)范圍比較大，能同時(shí)適用于測量和保護兩種功能的應用。光電/電子式互感器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(dòng)態(tài)范圍大等特點(diǎn)。

智能化斷路器由微機、電力電子組成執行單元，代替常規機械結構的輔助開(kāi)關(guān)和輔助繼電器，實(shí)現按電壓波形控制跳、合閘角度，精確控制跳、合閘時(shí)間，減少暫態(tài)過(guò)電壓幅值。檢測電網(wǎng)中斷路器開(kāi)斷前一瞬間的各種工作狀態(tài)信息，自動(dòng)選擇和調節操動(dòng)機構以及滅弧室狀態(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。在輕載時(shí)以較低的分閘速度開(kāi)斷，而在系統故障時(shí)又以較高的分閘速度開(kāi)斷等，這樣就可獲得開(kāi)斷時(shí)電氣和機構性能上的最佳開(kāi)斷效果。斷路器設備的信息由設備內微機直接處理，并獨立執行當地功能，而不依賴(lài)于變電站級的控制系統。

2.2 變電站內的二次設備

變電站內的二次設備，如繼電保護裝置、測量控制裝置、防誤閉鎖裝置、遠動(dòng)裝置、故障錄波裝置及正在發(fā)展中的在線(xiàn)狀態(tài)監測裝置，全部基于標準化、模塊化的微處理器設計制造，二次設備不再出現常規功能裝置重復的I/O現場(chǎng)接口，它們之間的連接全部采用高速的網(wǎng)絡(luò )通信，并且通過(guò)網(wǎng)絡(luò )真正實(shí)現數據共享、資源共享。

2.3 IEC 61850

IEC 61850是國際電工委員會(huì )TC57工作組制定的《變電站通信網(wǎng)絡(luò )和系統》系列標準，它是基于網(wǎng)絡(luò )通信平臺的變電站自動(dòng)化系統唯一的國際標準，它不僅規范保護測控裝置的模型和通信接口，而且還定義了數字式TA、TV、智能式開(kāi)關(guān)等一次設備的模型和通信接口。它將變電站通信體系分為3層：變電站層、間隔層、過(guò)程層。在變電站層和間隔層之間的網(wǎng)絡(luò )采用抽象通信服務(wù)接口映射到制造報文規范(MMS)、傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議(TCP/IP)以太網(wǎng)或光纖網(wǎng)。在間隔層和過(guò)程層之間的網(wǎng)絡(luò )采用單點(diǎn)向多點(diǎn)的單向傳輸以太網(wǎng)。變電站內的智能電子設備(IED，測控單元和繼電保護)均采用統一的協(xié)議,通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行信息交換。

該標準通過(guò)對變電站自動(dòng)化系統中的對象統一建模，采用面向對象技術(shù)和獨立于網(wǎng)絡(luò )結構的抽象通信服務(wù)接口，增強了設備之間的互操作性，可以在不同廠(chǎng)家的設備之間實(shí)現無(wú)縫連接。它解決了變電站自動(dòng)化系統產(chǎn)品的互操作性和協(xié)議轉換問(wèn)題。采用該標準還可使變電站自動(dòng)化設備具有自描述、自診斷和即插即用的功能，極大的方便了系統的集成，降低了變電站自動(dòng)化系統的工程費用。在我國采用該標準系列將大大提高變電站自動(dòng)化系統的技術(shù)水平，提高變電站自動(dòng)化系統安全穩定運行水平，節約檢修維護的人力物力、實(shí)現完全的互操作性。

3 數字化變電站的網(wǎng)絡(luò )結構

根據IEC61850通信協(xié)議定義，數字化變電站自動(dòng)化系統分為三層網(wǎng)絡(luò )結構。這三個(gè)層次分別稱(chēng)為“過(guò)程層”、“間隔層”、“站控層”。各層次內部及層次之間采用高速網(wǎng)絡(luò )通信，通信媒介為網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)或光纖，見(jiàn)圖1。

3.1 過(guò)程層

過(guò)程層是一次設備與二次設備的結合面，或者說(shuō)過(guò)程層是指智能化電氣設備的智能化部分。過(guò)程層的主要功能分三類(lèi)：電力運行實(shí)時(shí)的電氣量檢測;運行設備的狀態(tài)參數檢測;操作控制執行與驅動(dòng)。電力運行的實(shí)時(shí)電氣量檢測，主要包括電流和電壓幅值、相位以及諧波分量的檢測，與常規方式相比所不同的是傳統的電磁式互感器被光電/電子式互感器取代，傳統模擬量被直接采集數字量所取代。 運行設備的狀態(tài)參數在線(xiàn)監測與統計，變電站需要進(jìn)行狀態(tài)參數檢測的設備主要有變壓器、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、母線(xiàn)、電容器、電抗器以及直流電源系統。在線(xiàn)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)等數據。操作控制的執行與驅動(dòng)包括變壓器分接頭調節控制，電容、電抗器投切控制，斷路器、隔離開(kāi)關(guān)合分控制，直流電源充放電控制。

3.2 間隔層

間隔層設備的主要功能是：匯總本間隔過(guò)程層實(shí)時(shí)數據信息，實(shí)施對一次設備保護控制功能，和本間隔操作閉鎖、操作同期及其他控制功能;對數據采集、統計運算及控制命令的發(fā)出具有優(yōu)先級別的控制;承上啟下的通信功能，即同時(shí)高速完成與過(guò)程層及站控層的網(wǎng)絡(luò )通信功能。必要時(shí)，上下網(wǎng)絡(luò )接口具備雙口全雙工作方式，以提高信息通道的冗余度，保證網(wǎng)絡(luò )通信的可靠性。

3.3 站控層

站控層設備的主要功能是：通過(guò)兩級高速網(wǎng)絡(luò )匯總全站的實(shí)時(shí)數據信息，不斷刷新實(shí)時(shí)數據庫，按時(shí)登錄歷史數據庫;按既定規約將有關(guān)數據信息送向調度或控制中心;接收調度或控制中心有關(guān)控制命令并轉間隔層、過(guò)程層執行;具有在線(xiàn)可編程的全站操作閉鎖控制功能;具有站內當地監控，人機聯(lián)系功能，如顯示、操作、打印、報警、圖像、聲音等多媒體功能;具有對間隔層、過(guò)程層諸設備的在線(xiàn)維護、在線(xiàn)組態(tài)、在線(xiàn)修改參數的功能。

4 數字化變電站應用中存在的問(wèn)題

目前光電/電子式互感器的生產(chǎn)廠(chǎng)家數量有限，產(chǎn)品可選型號相對較少，部分高電壓等級的電流互感器變比較大，不能滿(mǎn)足現場(chǎng)運行需要。如內蒙古220 kV杜爾伯特數字化變電站，線(xiàn)路電流互感器變比為1200/5，為滿(mǎn)足現場(chǎng)實(shí)際需要，只能在合并器(作用是將各電流互感器傳回的電流數據和由電壓互感器傳來(lái)的電壓數據處理后打包輸出，供各保護和測控裝置使用)上采用軟件的方法修改變比，使得TA的輸出精度可能無(wú)法滿(mǎn)足要求，給變電站的計量、保護都帶來(lái)一定的負面影響。

由于光電/電子式互感器本身的結構特點(diǎn)和工作方式，導致互感器的角差、比差現場(chǎng)試驗難以進(jìn)行，甚至極性試驗也無(wú)法開(kāi)展，只能等到設備投運帶電后，才能檢驗接線(xiàn)的準確性。另外，光電/電子式互感器的局放試驗、伏安特性試驗的試驗方法和標準也與常規設備有很大的區別，這都需要設備廠(chǎng)家和運行主管單位專(zhuān)門(mén)制定。

數字化變電站保護校驗相對復雜，在變電站運行的條件下對部分間隔保護校驗的難度很大，目前的常規繼電保護校驗裝置無(wú)法提供數字化保護所需的電流量和電壓量，因為電流量和電壓量必須經(jīng)過(guò)合并器才能進(jìn)入保護裝置，而要完成試驗必須自帶合并器提供模擬試驗中的電流量和電壓量，要完成母差保護這類(lèi)需要