變電站綜合自動化的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

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)，對電網(wǎng)的安全和經(jīng)濟運行起著舉足輕重的作用。為了提高變電站安全穩(wěn)定運行水平，降低運行維護成本，提高經(jīng)濟效益，向用戶提供高質(zhì)量電能服務(wù)，變電站綜合自動化技術(shù)開始興起并得到廣泛應(yīng)用。

變電站綜合自動化是將變電站的二次設(shè)備(包括控制、信號、測量、保護、自動裝置及遠(yuǎn)動裝置等)應(yīng)用計算機技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)，經(jīng)過功能組合和優(yōu)化設(shè)計，對變電站實施自動監(jiān)視、測量、控制和協(xié)調(diào)，以及與調(diào)度通信等綜合性的自動化系統(tǒng)。實現(xiàn)變電站綜合自動化，可提高電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟運行水平，減少基建投資，并為推廣變電站無人值班提供了手段。計算機技術(shù)、信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，帶動了變電站綜合自動化技術(shù)的進(jìn)步。近年來，隨著數(shù)字化電氣量測系統(tǒng)(如光電式互感器或電子式互感器)、智能電氣設(shè)備以及相關(guān)通信技術(shù)的發(fā)展，變電站綜合自動化系統(tǒng)正朝著數(shù)字化方向邁進(jìn)。

一、變電站綜合自動化系統(tǒng)的主要功能

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

1監(jiān)控子系統(tǒng);

2繼電保護子系統(tǒng);

3電壓、無功綜合控制子系統(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)對之進(jìn)行了詳細(xì)說明，因此本文不再詳述。

二、傳統(tǒng)變電站自動化系統(tǒng)

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前國內(nèi)外變電站綜合自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，從設(shè)計思想分類有以下三種[1]：

(1)集中式

采用不同檔次的計算機，擴展其外圍接口電路，集中采集變電站的模擬量、開關(guān)量和數(shù)字量等信息，集中進(jìn)行處理運算，分別完成微機監(jiān)控、微機保護和一些自動控制等功能。其特點是：對計算機性能要求較高，可擴性、可維護性差，適用于中、小型變電站。

(2)分布式

按變電站被監(jiān)控對象或系統(tǒng)功能劃分，多個CPU并行工作，各CPU之間采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)或串行方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。分布式系統(tǒng)擴展和維護方便，局部故障不影響其他模塊正常運行。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)和保護單元就地分散安裝在開關(guān)柜上或其他設(shè)備附近，各個單元之間相互獨立，僅通過通信網(wǎng)互聯(lián)，并同變電站級測控主單元通信。能在間隔層完成的功能不依賴于通信網(wǎng)，如保護功能。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，另一部分分散在開關(guān)柜上。

2.存在的問題

變電站綜合自動化系統(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、維護不便;2二次的數(shù)據(jù)采集部分大量重復(fù)，浪費資源;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，會出現(xiàn)大量的事件告警信息，缺乏有效的過濾機制，干擾值班運行人員對故障的正確判斷。

三、數(shù)字化變電站

數(shù)字化變電站是變電站自動化發(fā)展的下一個階段，《國家電網(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行，如福州會展變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、運行管理自動化等。

數(shù)字化變電站有以下主要特點：

(1)一次設(shè)備智能化

采用數(shù)字輸出的電子式互感器、智能開關(guān)(或配智能終端的傳統(tǒng)開關(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、開關(guān)量和控制命令等信息，取消控制電纜。

(3)運行管理系統(tǒng)自動化

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

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(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

(2)系統(tǒng)分層分布化

變電站自動化系統(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化系統(tǒng)大多采用成熟的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和開放式互連規(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)字化變電站自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)在物理上可分為兩類，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“過程層”、“間隔層”、“站控層”三個層次。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。站內(nèi)設(shè)備之間通過高速網(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，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)及資源共享。目前國際上已確定IEC61850為變電站自動化通信標(biāo)準(zhǔn)。

此外，數(shù)字化變電站對原來分散的二次系統(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、故障錄波、量測與計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、電力電子技術(shù)和新型傳感器建立起來的，斷路器系統(tǒng)的智能性由微機控制的二次系統(tǒng)、IED和相應(yīng)的智能軟件來實現(xiàn)，保護和控制命令可以通過光纖網(wǎng)絡(luò)到達(dá)非常規(guī)變電站的二次回路系統(tǒng)，從而實現(xiàn)與斷路器操作機構(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的測量原理和檢驗儀的外型

如前所述，LPCT實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現(xiàn)形式，代表著電磁式電流互感器的一個發(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，就能夠滿足測量準(zhǔn)確度的要求。

電子式電流互感器校驗儀的測試外型如圖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，其二次輸出信號作為標(biāo)準(zhǔn)信號與電子式電流互感器輸出信號進(jìn)行對比。

圖1：為ES-45電子式電流互感器校驗系統(tǒng)圖

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

數(shù)字化電氣量測系統(tǒng)具有體積小、重量輕等特點，可以將其集成在智能開關(guān)設(shè)備系統(tǒng)中，按變電站機電一體化設(shè)計理念進(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，保護裝置、測控裝置、故障錄波及其他自動裝置的I/O單元作為一次智能設(shè)備的一部分，實現(xiàn)了IED的近過程化(process- close)設(shè)計;在中低壓變電站可將保護及監(jiān)控裝置小型化、緊湊化并完整地安裝在開關(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)在實現(xiàn)智能設(shè)備的互操作性、實現(xiàn)變電站的信息共享和簡化系統(tǒng)的維護、配置和工程實施等方面。

3. IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)

IEC 61850是國際電工委員會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)通信平臺的變電站自動化系統(tǒng)唯一的國際標(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)、配電自動化無縫連接的通信標(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：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具有面向未來的、開放的體系結(jié)構(gòu)。

四、結(jié)論

變電站自動化系統(tǒng)在我國的應(yīng)用已經(jīng)取得了非常顯著的效果，對提高電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運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：減少二次接線，提升測量精度，提高信號傳輸?shù)目煽啃裕苊怆娎|帶來的電磁兼容、傳輸過電壓和兩點接地等問題，解決設(shè)備間的互操作問題，變電站的各種功能可共享統(tǒng)一的信息平臺，避免設(shè)備重復(fù)，自動化運行和管理水平進(jìn)一步提高。數(shù)字化變電站是變電站自動化技術(shù)的發(fā)展方向。

參考文獻(xiàn)

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