變電站綜合自動(dòng)化的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)

引言

變電站是電力系統(tǒng)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，它擔(dān)負(fù)著電能轉(zhuǎn)換和電能重新分配的繁重任務(wù)，對(duì)電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著舉足輕重的作用。為了提高變電站安全穩(wěn)定運(yùn)行水平，降低運(yùn)行維護(hù)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，向用戶提供高質(zhì)量電能服務(wù)，變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)開(kāi)始興起并得到廣泛應(yīng)用。

變電站綜合自動(dòng)化是將變電站的二次設(shè)備(包括控制、信號(hào)、測(cè)量、保護(hù)、自動(dòng)裝置及遠(yuǎn)動(dòng)裝置等)應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)，經(jīng)過(guò)功能組合和優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)變電站實(shí)施自動(dòng)監(jiān)視、測(cè)量、控制和協(xié)調(diào)，以及與調(diào)度通信等綜合性的自動(dòng)化系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)變電站綜合自動(dòng)化，可提高電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平，減少基建投資，并為推廣變電站無(wú)人值班提供了手段。計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，帶動(dòng)了變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步。近年來(lái)，隨著數(shù)字化電氣量測(cè)系統(tǒng)(如光電式互感器或電子式互感器)、智能電氣設(shè)備以及相關(guān)通信技術(shù)的發(fā)展，變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)正朝著數(shù)字化方向邁進(jìn)。

一、變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的主要功能

變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的基本功能體現(xiàn)在下述6個(gè)子系統(tǒng)的功能中：

1監(jiān)控子系統(tǒng);

2繼電保護(hù)子系統(tǒng);

3電壓、無(wú)功綜合控制子系統(tǒng);

4電力系統(tǒng)的低頻減負(fù)荷控制子系統(tǒng);

5備用電源自投控制子系統(tǒng);

6通信子系統(tǒng)。

這部分內(nèi)容比較豐富，且有許多文獻(xiàn)對(duì)之進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，因此本文不再詳述。

二、傳統(tǒng)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前國(guó)內(nèi)外變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，從設(shè)計(jì)思想分類(lèi)有以下三種[1]：

(1)集中式

采用不同檔次的計(jì)算機(jī)，擴(kuò)展其外圍接口電路，集中采集變電站的模擬量、開(kāi)關(guān)量和數(shù)字量等信息，集中進(jìn)行處理運(yùn)算，分別完成微機(jī)監(jiān)控、微機(jī)保護(hù)和一些自動(dòng)控制等功能。其特點(diǎn)是：對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求較高，可擴(kuò)性、可維護(hù)性差，適用于中、小型變電站。

(2)分布式

按變電站被監(jiān)控對(duì)象或系統(tǒng)功能劃分，多個(gè)CPU并行工作，各CPU之間采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)或串行方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。分布式系統(tǒng)擴(kuò)展和維護(hù)方便，局部故障不影響其他模塊正常運(yùn)行。該模式在安裝上可以集中組屏或分屏組屏。

(3)分散分布式

間隔層中各數(shù)據(jù)采集、控制單元(I/O單元)和保護(hù)單元就地分散安裝在開(kāi)關(guān)柜上或其他設(shè)備附近，各個(gè)單元之間相互獨(dú)立，僅通過(guò)通信網(wǎng)互聯(lián)，并同變電站級(jí)測(cè)控主單元通信。能在間隔層完成的功能不依賴(lài)于通信網(wǎng)，如保護(hù)功能。通信網(wǎng)通常是光纖或雙絞線，最大限度地壓縮了二次設(shè)備和二次電纜，節(jié)省了工程建設(shè)投資。安裝既可以分散安裝于各間隔，也可以在控制室中集中組屏或分層組屏，還可以一部分在控制室中，另一部分分散在開(kāi)關(guān)柜上。

2.存在的問(wèn)題

變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)取得了良好的應(yīng)用效果參1，但也有不足之處，主要體現(xiàn)在：1一次和二次之間的信息交互還是延續(xù)傳統(tǒng)的電纜接線模式，成本高，施工、維護(hù)不便;2二次的數(shù)據(jù)采集部分大量重復(fù)，浪費(fèi)資源;3信息標(biāo)準(zhǔn)化不夠，信息共享度低，多套系統(tǒng)并存，設(shè)備之間、設(shè)備與系統(tǒng)之間互聯(lián)互通困難，形成信息孤島，信息難以被綜合應(yīng)用;4發(fā)生事故時(shí)，會(huì)出現(xiàn)大量的事件告警信息，缺乏有效的過(guò)濾機(jī)制，干擾值班運(yùn)行人員對(duì)故障的正確判斷。

三、數(shù)字化變電站

數(shù)字化變電站是變電站自動(dòng)化發(fā)展的下一個(gè)階段，《國(guó)家電網(wǎng)公司“十一五”科技發(fā)展規(guī)劃》已明確提出在“十一五”期間要研究數(shù)字化變電站并建設(shè)示范站參2，且目前已有數(shù)字化變電站建成并投入運(yùn)行，如福州會(huì)展變110千伏數(shù)字化變電站。

1.數(shù)字化變電站的概念

數(shù)字化變電站指信息采集、傳輸、處理、輸出過(guò)程完全數(shù)字化的變電站，基本特征為設(shè)備智能化、通信網(wǎng)絡(luò)化、運(yùn)行管理自動(dòng)化等。

數(shù)字化變電站有以下主要特點(diǎn)：

(1)一次設(shè)備智能化

采用數(shù)字輸出的電子式互感器、智能開(kāi)關(guān)(或配智能終端的傳統(tǒng)開(kāi)關(guān))等智能一次設(shè)備。一次設(shè)備和二次設(shè)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。

(2)二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化

二次設(shè)備間用通信網(wǎng)絡(luò)交換模擬量、開(kāi)關(guān)量和控制命令等信息，取消控制電纜。

(3)運(yùn)行管理系統(tǒng)自動(dòng)化

應(yīng)包括自動(dòng)故障分析系統(tǒng)、設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和程序化控制系統(tǒng)等自動(dòng)化系統(tǒng)，提升自動(dòng)化水平，減少運(yùn)行維護(hù)的難度和工作量。

2.數(shù)字化變電站的主要技術(shù)特征

(1)數(shù)據(jù)采集數(shù)字化

數(shù)字化變電站的主要標(biāo)志是采用數(shù)字化電氣量測(cè)系統(tǒng)(如光電式互感器或電子式互感器)采集電流、電壓等電氣量參3，實(shí)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(dòng)態(tài)測(cè)量范圍并提高了測(cè)量精度，從而為實(shí)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(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

(2)系統(tǒng)分層分布化

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了從集中式向分布式的轉(zhuǎn)變，第二代分層分布式變電站自動(dòng)化系統(tǒng)大多采用成熟的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和開(kāi)放式互連規(guī)約，能夠更完整地記錄設(shè)備信息并顯著地提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在物理上可分為兩類(lèi)，即智能化的一次設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備;在邏輯結(jié)構(gòu)上根據(jù)IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)定義，可分為“過(guò)程層”、“間隔層”、“站控層”三個(gè)層次。各層次內(nèi)部及層次之間采用高速網(wǎng)絡(luò)通信。

(3)信息交互網(wǎng)絡(luò)化與信息應(yīng)用集成化

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(hào)。站內(nèi)設(shè)備之間通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，二次設(shè)備不出現(xiàn)功能重復(fù)的I/O接口，常規(guī)的功能裝置變成了邏輯的功能模塊，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及資源共享。目前國(guó)際上已確定IEC61850為變電站自動(dòng)化通信標(biāo)準(zhǔn)。

此外，數(shù)字化變電站對(duì)原來(lái)分散的二次系統(tǒng)裝置進(jìn)行了信息集成及功能優(yōu)化處理，因此可以有效地避免常規(guī)變電站的監(jiān)視、控制、保護(hù)、故障錄波、量測(cè)與計(jì)量等裝置存在的硬件配置重復(fù)、信息不共享及投資成本大等問(wèn)題的發(fā)生。

(4)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(jī)、電力電子技術(shù)和新型傳感器建立起來(lái)的，斷路器系統(tǒng)的智能性由微機(jī)控制的二次系統(tǒng)、IED和相應(yīng)的智能軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，保護(hù)和控制命令可以通過(guò)光纖網(wǎng)絡(luò)到達(dá)非常規(guī)變電站的二次回路系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)與斷路器操作機(jī)構(gòu)的數(shù)字化接口。

(5)設(shè)備檢修狀態(tài)化

在數(shù)字化變電站中，可以有效地獲取電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)以及各種IED裝置的故障和動(dòng)作信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)操作及信號(hào)回路狀態(tài)的有效監(jiān)視參4。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(méi)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。

(6)LPCT的測(cè)量原理和檢驗(yàn)儀的外型

如前所述，LPCT實(shí)際上是一種具有低功率輸出特性的電磁式電流互感器，在IEC標(biāo)準(zhǔn)中，它被列為電子式電流互感器的一種實(shí)現(xiàn)形式，代表著電磁式電流互感器的一個(gè)發(fā)展方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。由于LPCT的輸出一般是直接提供給電子電路，所以二次負(fù)載比較小;其鐵心一般采用微晶合金等高導(dǎo)磁性材料，在較小的鐵心截面(鐵心尺寸)下，就能夠滿足測(cè)量準(zhǔn)確度的要求。

電子式電流互感器校驗(yàn)儀的測(cè)試外型如圖1所示。電流傳感頭由LPCT構(gòu)成，高準(zhǔn)確度電流互感器為0.1級(jí)，其二次輸出信號(hào)作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與電子式電流互感器輸出信號(hào)進(jìn)行對(duì)比。

圖1：為ES-45電子式電流互感器校驗(yàn)系統(tǒng)圖

(7)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊化和建模標(biāo)準(zhǔn)化

數(shù)字化電氣量測(cè)系統(tǒng)具有體積小、重量輕等特點(diǎn)，可以將其集成在智能開(kāi)關(guān)設(shè)備系統(tǒng)中，按變電站機(jī)電一體化設(shè)計(jì)理念進(jìn)行功能優(yōu)化組合和設(shè)備布置。在高壓和超高壓變電站中，保護(hù)裝置、測(cè)控裝置、故障錄波及其他自動(dòng)裝置的I/O單元作為一次智能設(shè)備的一部分，實(shí)現(xiàn)了IED的近過(guò)程化(process- close)設(shè)計(jì);在中低壓變電站可將保護(hù)及監(jiān)控裝置小型化、緊湊化并完整地安裝在開(kāi)關(guān)柜上。

IEC 61850確立了電力系統(tǒng)的建模標(biāo)準(zhǔn)，為變電站自動(dòng)化系統(tǒng)定義了統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的信息模型和信息交換模型，其意義主要體現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備的互操作性、實(shí)現(xiàn)變電站的信息共享和簡(jiǎn)化系統(tǒng)的維護(hù)、配置和工程實(shí)施等方面。

3. IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)

IEC 61850是國(guó)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(tǒng)》系列標(biāo)準(zhǔn)，是基于網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)的變電站自動(dòng)化系統(tǒng)唯一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)參5，也將成為電力系統(tǒng)從調(diào)度中心到變電站、變電站內(nèi)、配電自動(dòng)化無(wú)縫連接的通信標(biāo)準(zhǔn)，還可望成為通用網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)的工業(yè)控制通信標(biāo)準(zhǔn)。

與傳統(tǒng)的通信協(xié)議體系相比，在技術(shù)上IEC 61850有如下突出特點(diǎn)：1使用面向?qū)ο蠼＜夹g(shù);2使用分布、分層體系;3使用抽象通信服務(wù)接口(ACSI)、特殊通信服務(wù)映射SCSM技術(shù);4使用 MMS(Manufacture Message Specification)技術(shù);5具有互操作性;6具有面向未來(lái)的、開(kāi)放的體系結(jié)構(gòu)。

四、結(jié)論

變電站自動(dòng)化系統(tǒng)在我國(guó)的應(yīng)用已經(jīng)取得了非常顯著的效果，對(duì)提高電網(wǎng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平起到了重要的作用。目前隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化變電站正在興起。與傳統(tǒng)變電站相比，數(shù)字化變電站具有以下優(yōu)勢(shì)：減少二次接線，提升測(cè)量精度，提高信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?，避免電纜帶來(lái)的電磁兼容、傳輸過(guò)電壓和兩點(diǎn)接地等問(wèn)題，解決設(shè)備間的互操作問(wèn)題，變電站的各種功能可共享統(tǒng)一的信息平臺(tái)，避免設(shè)備重復(fù)，自動(dòng)化運(yùn)行和管理水平進(jìn)一步提高。數(shù)字化變電站是變電站自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

【1】賴(lài)振文 《低壓電器》2009年 第19期《AT89C51單片機(jī)在單雙電橋檢定裝置中的應(yīng)用》P28頁(yè)

【2】賴(lài)振學(xué)《工業(yè)計(jì)量》 2010年第3期〈〈新型絕緣電阻測(cè)試儀的開(kāi)發(fā)〉〉。 P32頁(yè)

【3】章開(kāi)煊 《電氣制造》 2010年第5期〈〈新型光電互感器電路的設(shè)計(jì)〉〉。 P74頁(yè)

【4】郭惠光 《電工文摘》 2010年第3期〈〈光電互感器校驗(yàn)的探討〉〉。 P58頁(yè)

【5】張忠德 《上海電器技術(shù)》 2010、 2〈〈基于DSP的電能校驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)〉〉P36頁(yè)