王改云 蘇 磊

摘 要:數(shù)字化變電站是未來(lái)變電站發(fā)展的方向。首先介紹了數(shù)字化變電站的關(guān)鍵技術(shù),然后基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)一個(gè)完整的35 kV的數(shù)字變電站模型,提出過(guò)程總線和變電站總線結(jié)合的組網(wǎng)方式,采用光纖冗余環(huán)網(wǎng)構(gòu)建了數(shù)字化變電站的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。提出數(shù)字化變電站過(guò)程層關(guān)鍵設(shè)備的配置原則和選擇方案。根據(jù)國(guó)內(nèi)外高壓電氣設(shè)備和二次設(shè)備(IED)的發(fā)展情況和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),提出當(dāng)前建設(shè)基于IEC61850的數(shù)字化變電站的過(guò)渡方案。

關(guān)鍵詞:數(shù)字化變電站;組網(wǎng);電氣設(shè)備;光纖冗余環(huán)網(wǎng)

中圖分類(lèi)號(hào):TM76,TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2009)21-189-04

Discussion on 35 kV Digitized Substation

WANG Gaiyun,SU Lei

(Computer and Control College,Guilin University of Electronic Technology,Guilin,541004,China)

Abstract:The digital substation is the future direction of the development of substation.Key technology of the digitized substation is introduced,a complete figure of 35 kV digitized substation based on IEC 61850 is designed,a combinatorial networking mode constructed by process bus and substation bus.Fiber-optic ring network is adopted to build digital substation communication network.According to the development and operational experience of domestic and foreign high-voltage electrical equipment and the second device (IED),the transition plan of constructing digital substation based on IEC 61850 is proposed.

Keywords:digitized substation;networking;electrical equipment;fiber-optic ring network

目前,變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)得到廣泛的應(yīng)用,但是,目前的變電站綜合自動(dòng)化技術(shù)的運(yùn)用還存在一些技術(shù)上的局限性,另外,隨著電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜,電壓等級(jí)越來(lái)越高,對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行管理也提出了更高的要求。隨著數(shù)字式互感器技術(shù)和智能一次電氣設(shè)備技術(shù)的日臻成熟并開(kāi)始實(shí)用化,以及計(jì)算機(jī)高速網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)中的開(kāi)發(fā)應(yīng)用,數(shù)字化變電站技術(shù)開(kāi)始在我國(guó)逐步得到應(yīng)用。數(shù)字化變電技術(shù)代表著變電站自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展方向[1]。IEC61850標(biāo)準(zhǔn)為數(shù)字化變電站技術(shù)奠定了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)字化一次設(shè)備以及數(shù)字化通信技術(shù)的發(fā)展及實(shí)用化,也使得按IEC61850建設(shè)數(shù)字化變電站成為可能。

1 數(shù)字化變電站的關(guān)鍵技術(shù)

就目前技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀而言,數(shù)字化變電站是建立于IEC61850通信規(guī)范基礎(chǔ)上,由電子式互感器(ECT,EVT)、智能化開(kāi)關(guān)等智能化一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備按變電站層、間隔層、過(guò)程層分層構(gòu)建而成,能夠?qū)崿F(xiàn)變電站內(nèi)智能電氣設(shè)備間信息共享和互操作的現(xiàn)代化變電站[2]。它的關(guān)鍵技術(shù)主要包括以下幾個(gè)方面。

1.1 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)[3]

就概念而言,IEC61850標(biāo)準(zhǔn)主要圍繞以下四個(gè)方面展開(kāi):

(1) 功能建模。從變電站自動(dòng)化通信系統(tǒng)的通信性能(PICOM)要求出發(fā),定義了變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的功能模型(Part5)。

(2) 數(shù)據(jù)建模。采用面向?qū)ο蟮姆椒?定義了基于客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)模(Part7-3/4)。

(3) 通信協(xié)議。定義了數(shù)據(jù)訪問(wèn)機(jī)制(通信服務(wù))和向通信協(xié)議棧的映射,如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MMS(IEC61850-8-1),在間隔層和過(guò)程層之間的網(wǎng)絡(luò)映射成串行單向多點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸網(wǎng)絡(luò)(IEC61850-9-1)或映射成基于IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程總線(IEC61850-9-2)(Part 7-2,Part8/9)。

(4) 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)工程和一致性測(cè)試。定義了基于XML(Extensible Make up Language)的結(jié)構(gòu)化語(yǔ)言(Part 6),描述變電站和自動(dòng)化系統(tǒng)的拓?fù)湟约癐ED結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。為了驗(yàn)證互操性,Part 10描述了IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)一致性測(cè)試。

1.2 電子式互感器[4]

電子式互感器分為兩大類(lèi):有源電子式互感器和無(wú)源電子式互感器。有源電子式互感器利用Rogowski空芯線圈或低功率鐵芯線圈感應(yīng)被測(cè)電流,利用電容(電阻、電感)分壓器感應(yīng)被測(cè)電壓。遠(yuǎn)端模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后經(jīng)通信光纖傳送。無(wú)源電子式互感器利用Faraday磁光效應(yīng)感應(yīng)被測(cè)電流信號(hào),利用Pockels電光效應(yīng)感應(yīng)被測(cè)電壓信號(hào),通過(guò)光纖傳輸傳感信號(hào)。

1.3 智能化一次設(shè)備

根據(jù)IEC 62063:1999的定義,智能開(kāi)關(guān)設(shè)備是指具有較高性能的開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備,配有電子設(shè)備、傳感器和執(zhí)行器,不僅具有開(kāi)關(guān)設(shè)備的基本功能,還具有附加功能,尤其在監(jiān)測(cè)和診斷方面。

1.4 網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備

將IEC 61850應(yīng)用于變電站內(nèi)的通信,以充分利用網(wǎng)絡(luò)通信的最新技術(shù),實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備的信息共享、互操作和功能的靈活配置。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

按照數(shù)字化變電站的要求和各層所需要達(dá)到的功能,針對(duì)一個(gè)典型接線的35 kV變電站,建立數(shù)字化變電站模型,并給出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及配置方案。設(shè)計(jì)方案應(yīng)具有先進(jìn)性,同時(shí)作為一種實(shí)際應(yīng)用,還應(yīng)充分考慮目前國(guó)內(nèi)外高壓電氣設(shè)備和二次設(shè)備(IED)的發(fā)展情況和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

設(shè)計(jì)過(guò)程分以下幾個(gè)步驟實(shí)現(xiàn):

(1) 建立35 kV變電站模型,給出電氣主接線和IED配置。

(2) 分析數(shù)字化變電站的分層網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn),建立全數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

(3) 針對(duì)已建立全數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò),選擇數(shù)字化變電站高壓電氣設(shè)備和二次設(shè)備。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

3.1 變電站主接線[5]及IED配置

以下設(shè)計(jì)中按照常規(guī)的35 kV變電站考慮:配備有載調(diào)壓變壓器2臺(tái);35 kV單母線分段,兩路進(jìn)線一主一備;#1進(jìn)線所帶35 kV直配變一臺(tái),作為所用備用電源;10 kV單母線分段,每段母線各六路出線;集中無(wú)功補(bǔ)償分兩臺(tái),分別接于10 kVⅠ,Ⅱ母線。電氣接線如圖1所示。

本方案中,35 kV 變電站采用保護(hù)及測(cè)控一體化設(shè)計(jì),#1,#2主變壓器各配置一臺(tái)主變差動(dòng)保護(hù)測(cè)控裝置,提供雙斜率雙拐點(diǎn)差動(dòng)制動(dòng)特性的比率式電流差動(dòng)保護(hù)和差流速斷保護(hù)功能。此外,這兩臺(tái)保護(hù)還可為變壓器高、低壓側(cè)提供過(guò)流后備保護(hù)功能。測(cè)控方面的功能包括差動(dòng)和制動(dòng)電流、二次和五次諧波、電流等測(cè)量值,以及事件及故障錄波、數(shù)據(jù)記錄等功能。35 kV #1,#2進(jìn)線、母聯(lián)配置一臺(tái)線路保護(hù)裝置,主要提供完整的過(guò)流,速斷和線路差動(dòng)保護(hù)。兩臺(tái)主變保護(hù)各組一個(gè)屏,兩條進(jìn)線和母聯(lián)的保護(hù)組一個(gè)屏。

對(duì)于10 kV 饋線系統(tǒng)(含進(jìn)線、變壓器、電動(dòng)機(jī)、母聯(lián)等),有兩種配置方式,第一種是分散安裝模式,在每條 10 kV饋線上配置一臺(tái)綜合饋線保護(hù)裝置,提供過(guò)流和速斷保護(hù),其他保護(hù)功能包括電壓和頻率保護(hù)、斷路器失靈保護(hù)等。測(cè)控方面的功能包括重合閘、故障測(cè)距、斷路器操作次數(shù)及開(kāi)斷電流統(tǒng)計(jì)、同期檢測(cè)、事件及故障錄波、各種電量及需量的測(cè)量功能,10 kV饋線保護(hù)安裝在相應(yīng)的饋線開(kāi)關(guān)柜上。第二種方式是組屏方式安裝模式,在10 kV每段母線處各配置一臺(tái)多饋線保護(hù)裝置,一臺(tái)這樣的保護(hù)可同時(shí)為5條10 kV饋線提供監(jiān)控保護(hù)功能,并為母聯(lián)提供保護(hù),這里選用后一種安裝方式,多饋線保護(hù)通過(guò)組屏安裝在 35 kV主控室或10 kV 配電室,10 kV Ⅰ,Ⅱ兩段母線只需兩臺(tái)多饋線保護(hù)裝置即可為各饋線,變壓器及母聯(lián)提供保護(hù),這兩套保護(hù)各組一個(gè)屏[6]。

變電站層配置主備兩個(gè)遠(yuǎn)動(dòng)主機(jī)和主備兩個(gè)后臺(tái)監(jiān)控主機(jī)以及工程師站、人機(jī)工作站等設(shè)備,整個(gè)系統(tǒng)共組五個(gè)屏放在主控室。

為了使得變電站可以兼容部分不支持IEC61850的智能設(shè)備(如UPS、直流屏、消弧系統(tǒng),電度表等),所以方案中設(shè)置了單獨(dú)的IEC61850通信管理機(jī)、對(duì)時(shí)設(shè)備等輔助設(shè)備,其功能是將這些智能設(shè)備轉(zhuǎn)換成符合IEC61850規(guī)范,同時(shí)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一對(duì)時(shí)。

3.2 變電站網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)

3.2.1 過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)[7]

過(guò)程層上最大的數(shù)據(jù)流出現(xiàn)在電子式互感器和保護(hù)、測(cè)控之間的采樣值傳輸過(guò)程中,采樣值傳輸有很高的實(shí)時(shí)性要求。此外,保護(hù)、測(cè)控裝置之間的互鎖、保護(hù)和智能開(kāi)關(guān)之間的跳合閘命令也有很高的實(shí)時(shí)性和可靠性要求。因此,過(guò)程層通信的實(shí)時(shí)性和可靠性是最為關(guān)鍵的問(wèn)題。

過(guò)程層組網(wǎng)有四種方案,分別為面向間隔原則,面向位置原則,單一總線原則和面向功能原則。其中面向間隔組網(wǎng)方案結(jié)構(gòu)清晰,易于維護(hù),互操作性甚至互換性既可在IED層面獲得,也可在間隔層面獲得。在IEC61850實(shí)施初期,由于缺乏足夠的互操作性實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),該方案使間隔層的互操作性更容易得到保證,所以在本設(shè)計(jì)中采用此方案組網(wǎng),并采用100 MB光纖冗余的過(guò)程總線環(huán)網(wǎng)[8],保證采樣值報(bào)文和跳閘GOOSE報(bào)文傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、可靠性,具體構(gòu)建如下:

35 kV部分和10 kV部分各為一間隔進(jìn)行組網(wǎng),這兩部分的ECT/EVT從一次側(cè)采集到電流/電壓信號(hào)后,分別接入本間隔內(nèi)設(shè)置的合并單元中,合并單元采用IEC61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)對(duì)采樣值進(jìn)行處理,處理后的采樣信息經(jīng)過(guò)本間隔內(nèi)的一臺(tái)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)接入過(guò)程層環(huán)網(wǎng)中,這樣,采樣值信息就可以在過(guò)程層環(huán)網(wǎng)上被共享,傳至保護(hù)和測(cè)控設(shè)備里。智能開(kāi)關(guān)設(shè)備如同合并單元一樣,經(jīng)本間隔內(nèi)的一臺(tái)工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)接入過(guò)程層環(huán)網(wǎng)中,傳至保護(hù)和測(cè)控設(shè)備中,合并單元及智能開(kāi)關(guān)設(shè)備分別接入這兩臺(tái)交換機(jī)中,這樣的話,同一間隔內(nèi)的兩臺(tái)交換機(jī)可達(dá)到網(wǎng)絡(luò)冗余功能,如果有其中一臺(tái)交換機(jī)故障也不會(huì)影響過(guò)程層重要數(shù)據(jù)的傳輸安全。

3.2.2 變電站層網(wǎng)絡(luò)

變電站站級(jí)網(wǎng)絡(luò)主要處理間隔層之間IED的通信,同時(shí)要與后臺(tái)人機(jī)工作站、工程師站進(jìn)行信息交換,并通過(guò)遠(yuǎn)動(dòng)裝置與各級(jí)調(diào)度進(jìn)行雙向信息交換,變電站網(wǎng)絡(luò)也可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備直接接入電力數(shù)據(jù)網(wǎng)。

由于間隔層設(shè)備之間以及間隔層和變電站層之間需要共享電壓、電流值及狀態(tài)信號(hào),而且間隔層IED數(shù)量較多,數(shù)據(jù)傳輸量大,為避免出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)堵塞,保證通信可靠性,變電站層網(wǎng)絡(luò)采用1 000 MB雙光纖交換式以太環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu),來(lái)保證帶寬和可靠性。間隔層為支持IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字式智能電子設(shè)備保護(hù)、控制、測(cè)量,集中組屏安裝。分別有#1主變屏,#2主變屏,35 kV兩條進(jìn)線、母聯(lián)屏,兩面10 kV饋線保護(hù)屏,每一單元為一獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)單位,相互之間可以交換信息,基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與環(huán)網(wǎng)總線相連,與其他各單元、主站和調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行交換信息。后臺(tái)控制室通過(guò)變電站網(wǎng)絡(luò)向保護(hù)和測(cè)控裝置下達(dá)控制命令,GPS裝置也通過(guò)變電站網(wǎng)絡(luò)向全站統(tǒng)一授時(shí),另外,遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)也由變電站層網(wǎng)絡(luò)經(jīng)路由器與外部電力調(diào)度網(wǎng)絡(luò)相連。

根據(jù)以上對(duì)35 kV數(shù)字化變電站過(guò)程層和變電站層的組網(wǎng)分析,具體網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建如圖2所示。

4 電氣設(shè)備設(shè)備配置

4.1 電流/電壓互感器及合并單元

如前文所講,電子式電流/電壓互感器分為有源和無(wú)源兩種,由于有源互感器簡(jiǎn)單可靠,穩(wěn)定性較好,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)運(yùn)行的以有源互感器居多,光學(xué)互感器在超高壓系統(tǒng)中優(yōu)勢(shì)較大,但還處在不斷改進(jìn)過(guò)程中。因此在目前的技術(shù)條件下,35 kV變電站各電壓等級(jí)的互感器選用有源互感器。具體選擇配置方案如下:

在35 kV#1,#2進(jìn)線部分各選擇一對(duì)帶有一個(gè)保護(hù)級(jí)和一個(gè)測(cè)量級(jí)輸出的電子式電流互感器;在35 kVⅠ,Ⅱ段饋線部分各選擇一對(duì)帶有一個(gè)保護(hù)級(jí)和一個(gè)測(cè)量級(jí)輸出的電子式電流互感器;在35 kVⅠ,Ⅱ段母線處設(shè)置帶有一個(gè)保護(hù)級(jí)(測(cè)量)和一個(gè)用于零序電壓的電子式電壓互感器;35 kV母聯(lián)部分選擇一個(gè)帶有一個(gè)保護(hù)級(jí)和一個(gè)測(cè)量級(jí)輸出的電子式電流互感器。

在10 kVⅠ,Ⅱ段母線進(jìn)線部分各選擇有一個(gè)保護(hù)級(jí)和一個(gè)測(cè)量級(jí)的電子式電流互感器;在10 kV Ⅰ,Ⅱ段母線的每條饋線部分同樣選擇有一個(gè)保護(hù)級(jí)和一個(gè)測(cè)量級(jí)的電子式電流互感器;在10 kVⅠ,Ⅱ段母線部分各選擇一個(gè)有一個(gè)保護(hù)級(jí)(測(cè)量)和一個(gè)用于零序電壓的電子式電壓互感器;10 kV母聯(lián)部分選擇一個(gè)帶有一個(gè)保護(hù)級(jí)和一個(gè)測(cè)量級(jí)輸出的電子式電流互感器。

合并單元負(fù)責(zé)將有源互感器采集的35 kV和10 kV線路上電流,電壓信號(hào)經(jīng)IEC61850-9-2標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)光纖以太網(wǎng)傳輸至過(guò)程總線所需保護(hù),具體配置方案如下:

在35 kVⅠ,Ⅱ段母線處各設(shè)備一臺(tái)合并單元,采集35 kV#1,#2進(jìn)線和出線部分的三相線路保護(hù)和測(cè)量電流值,同時(shí)采集35 kVⅠ,Ⅱ段母線的單相線路電壓值和零序電壓值,其中35 kV Ⅱ段母線處的合并單元也負(fù)責(zé)采集35 kV母聯(lián)部分電流值。

在10 kVⅠ,Ⅱ段母線處各設(shè)備一臺(tái)合并單元,采集10 kVⅠ,Ⅱ段母線的進(jìn)線和10條饋線部分的三相線路保護(hù)和測(cè)量電流值,同時(shí)采集10 kVⅠ,Ⅱ段母線的單相線路電壓值和零序電壓值,其中10 kV Ⅱ段母線處的合并單元也負(fù)責(zé)采集10 kV母聯(lián)部分電流值。

4.2 智能斷路器[9]

在數(shù)字化變電站中,智能開(kāi)關(guān)設(shè)備的研究和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用相對(duì)滯后一步。因此在目前的技術(shù)條件下,可供選擇的智能開(kāi)關(guān)設(shè)備不是很多,目前主要的還是一些國(guó)外廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品,國(guó)內(nèi)的廠家也已經(jīng)在開(kāi)發(fā)適用于各種電壓等級(jí)的智能開(kāi)關(guān)設(shè)備,其中35 kV和10 kV的智能開(kāi)關(guān)柜已經(jīng)開(kāi)始試用。

本方案中,35 kV和10 kV智能開(kāi)關(guān)設(shè)備選用智能化的成套開(kāi)關(guān)柜,配備智能保護(hù)(控制)裝置,這種裝置應(yīng)具有自動(dòng)采集交流量和監(jiān)視斷路器狀態(tài)等功能,并以 IEC61850標(biāo)準(zhǔn)與站內(nèi)其他IED進(jìn)行通信。另一種方案是采用常規(guī)的開(kāi)關(guān)柜,再在開(kāi)關(guān)柜上加裝基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)、測(cè)控一體化裝置及智能操作箱來(lái)實(shí)現(xiàn)智能開(kāi)關(guān)柜的功能。

4.3 交換機(jī)

以太網(wǎng)交換機(jī)在過(guò)程層通信的主要網(wǎng)絡(luò)部件,由于過(guò)程層通信所處的惡劣電磁環(huán)境,以及采樣值和GOOSE信息對(duì)實(shí)時(shí)性的要求,方案中選擇工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)。

這種工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)應(yīng)滿足IEC61850-3中變電站環(huán)境對(duì)設(shè)備的要求,較普通交換機(jī)更加堅(jiān)固,可安裝在標(biāo)準(zhǔn)DIN導(dǎo)軌上,并有冗余電源供電,接插件采用牢固的DB-9結(jié)構(gòu)或者更加堅(jiān)固的具有IP67防護(hù)等級(jí)的M-12接口,用以滿足苛刻的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境,可以抵抗震動(dòng),腐蝕和電磁干擾,大大提高了設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)的可靠性。交換機(jī)采用雙全工交換模式,支持IEEE802.lq(虛擬局域網(wǎng))和IEEE802.lp(優(yōu)先級(jí)標(biāo)簽)[10]這兩個(gè)與網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)質(zhì)量密切相關(guān)的協(xié)議。其中,IEEE802.lq定義了基于端口的虛擬局域網(wǎng)(VLAN),IEEE802.lp定義了報(bào)文傳輸優(yōu)先級(jí),后者對(duì)于過(guò)程總線上采樣值報(bào)文和跳閘GOOSE報(bào)文的實(shí)時(shí)傳輸十分重要,因?yàn)楫?dāng)過(guò)程總線上數(shù)據(jù)通信負(fù)荷較大時(shí),通過(guò)給采樣值報(bào)文和跳閘GOOSE報(bào)文置上高優(yōu)先級(jí)標(biāo)簽,可以保證這兩類(lèi)報(bào)文會(huì)在交換機(jī)內(nèi)優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)出去。