智能電網(wǎng)之數(shù)字化變電站技術

隨著智能化電氣設備的發(fā)展，特別是智能化開關、光電式互感器等機電一體化設備的出現(xiàn)，數(shù)字化變電站從理論變?yōu)楝F(xiàn)實，一個數(shù)字化變電站時代即將來臨。該文主要從數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的技術特征、系統(tǒng)組成、網(wǎng)絡結(jié)構及應用中存在的問題等幾個方面進行論述。

變電站自動化技術的發(fā)展直接表現(xiàn)為變電站自動化系統(tǒng)結(jié)構的變遷，從集中式到分層分布式。廠站自動化技術在結(jié)構上增強了變電站自動化系統(tǒng)功能的同時，提高了系統(tǒng)的實時性、可靠性、可擴展性和靈活性，基本達到了節(jié)省投資、簡化維護等目的。數(shù)字化變電站的系統(tǒng)結(jié)構繼承并發(fā)展了分層分布式變電站結(jié)構的特點，同時隨著電子式互感器、智能開關技術的應用，使得數(shù)字化變電站的系統(tǒng)結(jié)構又有了不同于常規(guī)變電站的革命性變化，也呈現(xiàn)了與常規(guī)變電站迥異的鮮明的技術特征。

1 數(shù)字化變電站的技術特征

各類數(shù)據(jù)從源頭實現(xiàn)數(shù)字化，真正實現(xiàn)信息集成、網(wǎng)絡通信、數(shù)據(jù)共享。在電流、電壓的采集環(huán)節(jié)采用數(shù)字化電氣測量系統(tǒng)，如光電/電子式互感器，實現(xiàn)了電氣量數(shù)據(jù)采集的數(shù)字化應用，并為實現(xiàn)常規(guī)變電站裝置冗余向信息冗余的轉(zhuǎn)變，為實現(xiàn)信息集成化應用提供了基礎。打破常規(guī)變電站的監(jiān)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(shù)字化變電站使得原來分散的二次系統(tǒng)裝置，具備了進行信息集成和功能合理優(yōu)化、整合的基礎。

系統(tǒng)結(jié)構更加緊湊，數(shù)字化電氣量監(jiān)測系統(tǒng)具有體積小、重量輕等特點，可以有效地集成在智能開關設備系統(tǒng)中，按變電站機電一體化設計理念進行功能優(yōu)化組合和設備布置。

系統(tǒng)建模實現(xiàn)標準化，IEC 61850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)一的、標準的信息模型和信息交換模型，實現(xiàn)智能設備的互操作，實現(xiàn)變電站信息共享。對一、二次設備進行統(tǒng)一建模，資源采用全局統(tǒng)一命名規(guī)則，變電站內(nèi)及變電站與控制中心之間實現(xiàn)了無縫通信，從而簡化系統(tǒng)維護、配置和工程實施。

設備實現(xiàn)廣泛在線監(jiān)測，使得設備狀態(tài)檢修更加科學可行。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)、各種智能電子裝置IED(Intelligent ElectronicDevice)的故障和動作信息及信號回路狀態(tài)。數(shù)字化變電站中將幾乎不再存在未被監(jiān)視的功能單元，在設備狀態(tài)特征量的采集上沒有盲區(qū)。設備檢修策略可以從常規(guī)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(tǒng)的可用性。

2 數(shù)字化變電站的系統(tǒng)組成

數(shù)字化變電站是智能化的一次設備、網(wǎng)絡化的二次設備在IEC62850通信協(xié)議技術上分層構建的，能夠?qū)崿F(xiàn)智能設備間信息共享和互操作。下面分別對三個組成部分進行介紹。

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備，適應電子系統(tǒng)數(shù)字化、智能化和網(wǎng)絡化的需要，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、動態(tài)范圍大等特點。

智能化斷路器由微機、電力電子組成執(zhí)行單元，代替常規(guī)機械結(jié)構的輔助開關和輔助繼電器，實現(xiàn)按電壓波形控制跳、合閘角度，精確控制跳、合閘時間，減少暫態(tài)過電壓幅值。檢測電網(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)節(jié)操動機構以及滅弧室狀態(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。在輕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性能上的最佳開斷效果。斷路器設備的信息由設備內(nèi)微機直接處理，并獨立執(zhí)行當?shù)毓δ?，而不依賴于變電站級的控制系統(tǒng)。

2.2 變電站內(nèi)的二次設備

變電站內(nèi)的二次設備，如繼電保護裝置、測量控制裝置、防誤閉鎖裝置、遠動裝置、故障錄波裝置及正在發(fā)展中的在線狀態(tài)監(jiān)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(xiàn)常規(guī)功能裝置重復的I/O現(xiàn)場接口，它們之間的連接全部采用高速的網(wǎng)絡通信，并且通過網(wǎng)絡真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、資源共享。

2.3 IEC 61850

IEC 61850是國際電工委員會TC57工作組制定的《變電站通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)》系列標準，它是基于網(wǎng)絡通信平臺的變電站自動化系統(tǒng)唯一的國際標準，它不僅規(guī)范保護測控裝置的模型和通信接口，而且還定義了數(shù)字式TA、TV、智能式開關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、過程層。在變電站層和間隔層之間的網(wǎng)絡采用抽象通信服務接口映射到制造報文規(guī)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)。在間隔層和過程層之間的網(wǎng)絡采用單點向多點的單向傳輸以太網(wǎng)。變電站內(nèi)的智能電子設備(IED，測控單元和繼電保護)均采用統(tǒng)一的協(xié)議,通過網(wǎng)絡進行信息交換。

該標準通過對變電站自動化系統(tǒng)中的對象統(tǒng)一建模，采用面向?qū)ο蠹夹g和獨立于網(wǎng)絡結(jié)構的抽象通信服務接口，增強了設備之間的互操作性，可以在不同廠家的設備之間實現(xiàn)無縫連接。它解決了變電站自動化系統(tǒng)產(chǎn)品的互操作性和協(xié)議轉(zhuǎn)換問題。采用該標準還可使變電站自動化設備具有自描述、自診斷和即插即用的功能，極大的方便了系統(tǒng)的集成，降低了變電站自動化系統(tǒng)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化系統(tǒng)的技術水平，提高變電站自動化系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行水平，節(jié)約檢修維護的人力物力、實現(xiàn)完全的互操作性。

3 數(shù)字化變電站的網(wǎng)絡結(jié)構

根據(jù)IEC61850通信協(xié)議定義，數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)分為三層網(wǎng)絡結(jié)構。這三個層次分別稱為“過程層”、“間隔層”、“站控層”。各層次內(nèi)部及層次之間采用高速網(wǎng)絡通信，通信媒介為網(wǎng)絡線或光纖，見圖1。

3.1 過程層

過程層是一次設備與二次設備的結(jié)合面，或者說過程層是指智能化電氣設備的智能化部分。過程層的主要功能分三類：電力運行實時的電氣量檢測;運行設備的狀態(tài)參數(shù)檢測;操作控制執(zhí)行與驅(qū)動。電力運行的實時電氣量檢測，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(guī)方式相比所不同的是傳統(tǒng)的電磁式互感器被光電/電子式互感器取代，傳統(tǒng)模擬量被直接采集數(shù)字量所取代。 運行設備的狀態(tài)參數(shù)在線監(jiān)測與統(tǒng)計，變電站需要進行狀態(tài)參數(shù)檢測的設備主要有變壓器、斷路器、隔離開關、母線、電容器、電抗器以及直流電源系統(tǒng)。在線檢測的內(nèi)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(shù)據(jù)。操作控制的執(zhí)行與驅(qū)動包括變壓器分接頭調(diào)節(jié)控制，電容、電抗器投切控制，斷路器、隔離開關合分控制，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：匯總本間隔過程層實時數(shù)據(jù)信息，實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(shù)據(jù)采集、統(tǒng)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，即同時高速完成與過程層及站控層的網(wǎng)絡通信功能。必要時，上下網(wǎng)絡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)絡通信的可靠性。

3.3 站控層

站控層設備的主要功能是：通過兩級高速網(wǎng)絡匯總?cè)镜膶崟r數(shù)據(jù)信息，不斷刷新實時數(shù)據(jù)庫，按時登錄歷史數(shù)據(jù)庫;按既定規(guī)約將有關數(shù)據(jù)信息送向調(diào)度或控制中心;接收調(diào)度或控制中心有關控制命令并轉(zhuǎn)間隔層、過程層執(zhí)行;具有在線可編程的全站操作閉鎖控制功能;具有站內(nèi)當?shù)乇O(jiān)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、過程層諸設備的在線維護、在線組態(tài)、在線修改參數(shù)的功能。

4 數(shù)字化變電站應用中存在的問題

目前光電/電子式互感器的生產(chǎn)廠家數(shù)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，不能滿足現(xiàn)場運行需要。如內(nèi)蒙古220 kV杜爾伯特數(shù)字化變電站，線路電流互感器變比為1200/5，為滿足現(xiàn)場實際需要，只能在合并器(作用是將各電流互感器傳回的電流數(shù)據(jù)和由電壓互感器傳來的電壓數(shù)據(jù)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的輸出精度可能無法滿足要求，給變電站的計量、保護都帶來一定的負面影響。

由于光電/電子式互感器本身的結(jié)構特點和工作方式，導致互感器的角差、比差現(xiàn)場試驗難以進行，甚至極性試驗也無法開展，只能等到設備投運帶電后，才能檢驗接線的準確性。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(guī)設備有很大的區(qū)別，這都需要設備廠家和運行主管單位專門制定。

數(shù)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(guī)繼電保護校驗裝置無法提供數(shù)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)過合并器才能進入保護裝置，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需要