文/湯乃傳 上海輸配電集團(tuán)上海繼電器有限公司 (200072)
智能變電站是堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和支撐,它處于整個智能電網(wǎng)的中心樞紐位置,對上接收著高壓電網(wǎng)的電源輸入和各種新能源的接入,對下要完成相連變電站和大用戶的電源分配,并同時具備接受上級調(diào)度中心的信息傳遞、自動控制、智能調(diào)節(jié)和再線分析功能。因此智能變電站必將是今后變電站的發(fā)展方向。
變電站的主要電氣設(shè)備由電力變壓器、高壓開關(guān)、電壓互感器、電流互感器、避雷器、母線、相關(guān)設(shè)備的保護(hù)裝置、自動裝置以及無功補(bǔ)償裝置等組成。電力變壓器、高壓開關(guān)、互感器等直接生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換電能的設(shè)備被稱為一次設(shè)備,而對一次設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測、測量、控制、繼電保護(hù)、調(diào)節(jié)的輔助設(shè)備稱為二次設(shè)備。
變電站綜合自動化核心就是利用自動化控制技術(shù)、信息處理和傳輸技術(shù),通過計(jì)算機(jī)軟硬件系統(tǒng)或自動裝置代替人工進(jìn)行各種變電站運(yùn)行操作,對變電站執(zhí)行自動監(jiān)視、測量、控制和協(xié)調(diào)的一種綜合性的自動化系統(tǒng)。變電站綜合自動化的范疇主要是二次設(shè)備,如控制、保護(hù)、測量、信號、自動裝置和遠(yuǎn)動裝置等。用計(jì)算機(jī)控制的二次設(shè)備代替和簡化了非計(jì)算機(jī)設(shè)備,數(shù)字化的處理和邏輯運(yùn)算代替了模擬運(yùn)算和繼電器邏輯。在架構(gòu)體系上增加了變電站主計(jì)算機(jī)和系統(tǒng)通信控制管理系統(tǒng),負(fù)責(zé)對整個系統(tǒng)的管理和控制,對斷路器的跳合閘操作,數(shù)據(jù)的采集、處理、記錄、統(tǒng)計(jì)等。
目前,全國有85%以上變電站采用變電站綜合自動化系統(tǒng)。雖然變電站綜合自動化系統(tǒng)在變電站的發(fā)展中起到十分積極作用,但是它還是存在不足,主要表現(xiàn)為:(1)信息難以共享;(2)設(shè)備之間不具備互操作性;(3)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性差;(4)系統(tǒng)可靠性受二次電纜影響。
隨著光電技術(shù)在傳感器應(yīng)用領(lǐng)域研究的突破,IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的頒布實(shí)施,以太網(wǎng)通信技術(shù)的應(yīng)用以及智能斷路器技術(shù)的發(fā)展,使變電站自動化技術(shù)又向著數(shù)字化技術(shù)延伸,使數(shù)字化技術(shù)在變電站工程化應(yīng)用中得到了進(jìn)一步拓展,綜合自動化系統(tǒng)的變電站邁向了數(shù)字化變電站。
數(shù)字化變電站的技術(shù)特征就是利用高速以太網(wǎng)構(gòu)成變電站數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)和新型智能設(shè)備,實(shí)現(xiàn)全站信息數(shù)字化。利用IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一信息建模,實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備的互操作性和全站信息共享。
數(shù)字化變電站其他優(yōu)點(diǎn)有:
(1) 數(shù)字化變電站的本質(zhì)特點(diǎn)在于就地數(shù)字化和光纜傳輸,光纜是一、二次設(shè)備間信息傳輸最為合適的載體,具有帶寬高、不受電磁干擾的顯著優(yōu)點(diǎn)。
(2) 在數(shù)字化變電站條件下,用光纜通信代替控制電纜硬連接,由于同一根光纖介質(zhì)可以傳輸?shù)男畔⒎N類不受限制,完全取決于報文的內(nèi)容,用一根光纖可以傳遞很多根電纜表達(dá)的信息。所以,可以將二次回路大為簡化。
(3) 通過光纖傳輸,使用通信校驗(yàn)和自檢技術(shù),可提高信號的可靠性。
(4) 電子式互感器杜絕了傳統(tǒng)互感器的TA斷線導(dǎo)致高壓危險、TA飽和影響差動飽和、CVT暫態(tài)過程影響距離保護(hù)、鐵磁諧振、絕緣油爆炸、SF6泄漏等問題;解決了傳統(tǒng)電流互感器當(dāng)電壓等級越高,短路電流越大時,必然將增大體積,使設(shè)備變得更加笨重,安裝運(yùn)輸不方便等問題。
智能變電站以數(shù)字化變電站作為技術(shù)基礎(chǔ),采用先進(jìn)、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設(shè)備,以全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求,自動完成信息采集、測量、控制、保護(hù)計(jì)量和監(jiān)測等基本功能,并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實(shí)時自動控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動等高級功能的變電站。
智能變電站是智能電網(wǎng)建設(shè)的重要節(jié)點(diǎn)之一,其主要作用就是為智能電網(wǎng)提供標(biāo)準(zhǔn)的、可靠的節(jié)點(diǎn)(包含一、二次設(shè)備和系統(tǒng))支撐。智能變電站作為智能電網(wǎng)的重要基礎(chǔ)和支撐,智能變電站設(shè)備具有信息數(shù)字化、功能集成化、結(jié)構(gòu)緊湊化、狀態(tài)可視化等主要技術(shù)特征,智能變電站系統(tǒng)應(yīng)建立站內(nèi)全景數(shù)據(jù)的統(tǒng)一信息平臺,供各子系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化存取訪問以及和智能電網(wǎng)調(diào)度等其他系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化交互。
智能變電站與常規(guī)變電站相比能夠完成范圍更寬、層次更深、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的信息采集和信息處理。變電站內(nèi)、站與調(diào)度、站與站之間,站與大用戶和分布式能源的互動能力更強(qiáng),信息的交換和融合更方便快捷,控制手段更靈活可靠。圖1所示為智能變電站示意。
圖1 智能變電站概念
由于智能變電站在整個智能電網(wǎng)中占有重要地位,因此智能電網(wǎng)對智能變電站的要求如下:
變電站應(yīng)用于智能電網(wǎng),可靠性無疑是最主要的要求,除了站內(nèi)設(shè)備及變電站本身可靠性外,智能變電站更應(yīng)該關(guān)注自身的自診斷和自治功能,做到設(shè)備故障提早預(yù)防、預(yù)警,并可以在故障發(fā)生時,自動將設(shè)備故障帶來的供電損失降低到最小程度。
變電站是電網(wǎng)基礎(chǔ)信息的主要提供者之一,變電站服務(wù)于智能電網(wǎng)的一個主要作用就是提高可靠、準(zhǔn)確、充分、實(shí)時、安全的信息,提供的信息應(yīng)不僅僅局限于傳統(tǒng)“四遙”的電氣量信息,還應(yīng)包括設(shè)備信息,如變壓器色譜分析結(jié)果、冷卻散熱系統(tǒng)情況等,斷路器的動作次數(shù)、傳動機(jī)構(gòu)儲能情況、開斷電流的情況等,環(huán)境信息,圖像信息等,最終達(dá)到信息描述數(shù)字化、信息采集集成化、信息傳輸網(wǎng)絡(luò)化、信息處理智能化、信息展現(xiàn)可視化和生產(chǎn)決策科學(xué)化的目的。在信息安全方面,遵循國家及國際標(biāo)準(zhǔn),以保證站內(nèi)與站外的通信安全及站內(nèi)信息存儲及信息訪問的安全,實(shí)現(xiàn)與上級調(diào)度中心通信的認(rèn)證及加密,實(shí)現(xiàn)站內(nèi)各系統(tǒng)之間的安全分區(qū)及安全隔離。
變電站自動化是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)自動化最直接的窗口,智能變電站應(yīng)最大可能地實(shí)現(xiàn)自動化功能為智能電網(wǎng)提供服務(wù)。實(shí)現(xiàn)根據(jù)工程配置文件生成系統(tǒng)工程數(shù)據(jù)、二次設(shè)備在線、自動校驗(yàn)、變電站狀態(tài)檢修、變電站系統(tǒng)和設(shè)備系統(tǒng)模型的自動重構(gòu)等功能,進(jìn)一步提高變電站自動化水平。
友好互動是智能電網(wǎng)的主要運(yùn)行特征,變電站服務(wù)于智能電網(wǎng)應(yīng)充分體現(xiàn)互動化要求。一方面,它擔(dān)負(fù)著各類電源與用戶的接入與退出,電網(wǎng)實(shí)時數(shù)據(jù)的采集和命令的執(zhí)行,變電站的繼電保護(hù)設(shè)備還擔(dān)負(fù)著電網(wǎng)“三道防線”中第一道防線的重任。另一方面,變電站統(tǒng)一信息平臺改變了以往變電站信息孤島系統(tǒng),改變了電力系統(tǒng)橫向系統(tǒng)多、縱向?qū)哟味嗟臉I(yè)務(wù)孤立格局,實(shí)現(xiàn)與控制中心之間、與相鄰變電站之間以及與用戶之間的雙向交互式的信息溝通,優(yōu)化了資源配置,大大提高真實(shí)性和有效性,減少重復(fù)浪費(fèi)現(xiàn)象,滿足對智能電網(wǎng)建設(shè)的需求。
一次設(shè)備(如變壓器、互感器、高壓開關(guān)等) 智能化、信息交互標(biāo)準(zhǔn)化、運(yùn)行控制智能化和功能應(yīng)用互動化,是智能變電站最主要的技術(shù)特征。
(1)一次設(shè)備智能化
目前真正意義上的智能化一次設(shè)備還沒有,工程上采用比較多地是數(shù)字輸出的電子式互感器(如圖2,圖3)、智能開關(guān)(如圖4)和一次設(shè)備+智能組件等智能一次設(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。
①電子式互感器
傳統(tǒng)電磁式互感器由于使用了鐵芯,不可避免地存在飽和及鐵磁諧振等問題,難以實(shí)現(xiàn)大范圍測量,同一互感器很難同時滿足測量和繼電保護(hù)的需要。電磁式電流互感器二次回路不能開路, 電壓互感器二次回路不能短路,否則將危及人身及設(shè)備安全。電磁式互感器由于絕緣降低,運(yùn)行中經(jīng)常發(fā)生爆炸現(xiàn)象,危及電力系統(tǒng)安全運(yùn)行。電磁式互感器鋼材、變壓器油、 SF6 氣體等消耗量較大,不符合節(jié)能、環(huán)保要求。
針對傳統(tǒng)電磁式互感器的缺陷,電子式互感器逐漸受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。電子式互感器分為有源與無源兩種,其中全光纖電流互感器為無源型,它基于磁光法拉第效應(yīng)原理,采用光纖作為傳感介質(zhì),不存在鐵磁共振和磁滯后飽和,同時具有頻帶寬、動態(tài)范圍大、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。電子式電流/電壓互感器(ECT/EVT)與保護(hù)設(shè)備的接口實(shí)現(xiàn)途徑,從系統(tǒng)可靠性和技術(shù)發(fā)展兩個方面考慮,一般采用數(shù)字化。即:對ECT/EVT所輸出的電流、電壓信號進(jìn)行就地數(shù)字化后,通過光纖、合并單元、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等傳輸至保護(hù)、測控設(shè)備。采樣值數(shù)字化傳輸是數(shù)字化變電站區(qū)別于當(dāng)前變電站自動化系統(tǒng)的重要技術(shù)特征之一。
圖2 電子式電流互感器
圖3 電子式電壓互感器
數(shù)字互感器的敏感元件和傳輸元件都是光纖,安裝維護(hù)相對于其他電子式互感器簡單。輸入輸出光路為統(tǒng)一路徑,提高了抗干擾能力,安全可靠性高。以電流互感器為例,純光纖式電流互感器主要由三相敏感環(huán)、電氣單元和連接光纜組成。采用獨(dú)特的閉環(huán)控制技術(shù),動態(tài)范圍大,精度高。
②智能開關(guān)
所謂智能開關(guān)是指斷路器操作所需的各種信息由裝在斷路器設(shè)備內(nèi)的智能控制裝置直接處理,使斷路器裝置能獨(dú)立地執(zhí)行其當(dāng)?shù)毓δ?,而不依賴于站控層的控制系統(tǒng)。
智能開關(guān)的發(fā)展趨勢是用微電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)和新型傳感器建立新的斷路器二次系統(tǒng),開發(fā)具有智能化操作功能的斷路器。其主要特點(diǎn)是由電力電子技術(shù)、智能控制裝置組成執(zhí)行單元,代替常規(guī)機(jī)械結(jié)構(gòu)的輔助開關(guān)和輔助繼電器。
智能斷路器與常規(guī)斷路器的區(qū)別在于斷路器的跳閘方式發(fā)生了根本變化。從以往電纜傳輸跳合閘電流操作方式變?yōu)橥ㄓ崍笪牟僮鞣绞?,在技術(shù)和觀念上的變化都是巨大的。鑒于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的快速報文傳遞跳合閘命令的可靠性、實(shí)時性需要時間來驗(yàn)證,斷路器跳、合閘回路在變電站的二次系統(tǒng)內(nèi)是非常重要的,所以智能斷路器在研發(fā)和使用中都應(yīng)給予高度重視。
圖4 智能開關(guān)
(2)信息交互標(biāo)準(zhǔn)化
東營地區(qū)的非物質(zhì)文化自古存在于廣大民眾的現(xiàn)實(shí)生活中,同時也隨社會生活的進(jìn)程而演進(jìn)發(fā)展,并且黃河口地區(qū)獨(dú)特的自然地理環(huán)境對民間文化的形成有著至關(guān)重要的影響。對“鹽垛斗虎”的起源及歷史,筆者走訪了東營市東營區(qū)龍居文化站,通過跟當(dāng)事人的細(xì)致訪談,梳理出其大致詳盡的歷史脈絡(luò)。
智能變電站從過程層到控制中心均采用統(tǒng)一的IEC 61850規(guī)約進(jìn)行信息交互,即變電站內(nèi)采用IEC 61850規(guī)約,智能變電站到調(diào)度中心將采用IEC 61850代替104或DNP3.0規(guī)約。因此智能變電站的信息交換及管理將遵循IEC 61850的要求,變電站內(nèi)各種設(shè)備的信息建模應(yīng)在IEC 61850框架下統(tǒng)一進(jìn)行,以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)方式實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)、外的信息交互和信息共享,最終實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)與信息的無縫交換。
(3)運(yùn)行控制智能化
智能變電站應(yīng)具備程序化操作功能,同時還可接收和執(zhí)行監(jiān)控中心、調(diào)度中心的操作指令,自動完成相關(guān)運(yùn)行方式變化要求的設(shè)備操作。在變電站層和遠(yuǎn)端均可實(shí)現(xiàn)可視化的閉環(huán)控制,滿足無人值班及區(qū)域監(jiān)控中心站管理模式的要求。
(4)功能應(yīng)用互動化
與調(diào)度系統(tǒng)互動,智能設(shè)備將其自診斷結(jié)果報送到調(diào)度系統(tǒng),使其成為調(diào)度決策和制定設(shè)備事故預(yù)案的基礎(chǔ)信息之一。與設(shè)備運(yùn)行管理系統(tǒng)互動,包括智能組件自主從設(shè)備運(yùn)行管理系統(tǒng)獲取宿主設(shè)備其他狀態(tài)信息以及將自診斷結(jié)果報送到設(shè)備運(yùn)行管理系統(tǒng)兩個方面。
智能變電站的結(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)上可分為三個層次即過程層、間隔層和站控層。各層次內(nèi)部及層次之間采用高速網(wǎng)絡(luò)通信。智能變電站體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。
(1)過程層
①電力運(yùn)行的實(shí)時電氣量檢測
與傳統(tǒng)的功能一樣,主要是電流、電壓、相位以及諧波分量的檢測 。其他電氣量如有功、無功、電能量可通過間隔層的設(shè)備運(yùn)算得出。與常規(guī)方式相比所不同的是傳統(tǒng)的電磁式電流互感器、電壓互感器被光電電流互感器、光電電壓互感器取代;采集傳統(tǒng)模擬量被直接采集數(shù)字量所取代,這樣做的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾性能強(qiáng),絕緣和抗飽和特性好,開關(guān)裝置實(shí)現(xiàn)了小型化、緊湊化。
②運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)在線檢測
變電站需要進(jìn)行狀態(tài)參數(shù)檢測的設(shè)備主要有變壓器、斷路器、刀閘、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(jī)械特性以及工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)。
③操作控制執(zhí)行與驅(qū)動
圖5 智能變電站體系結(jié)構(gòu)
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、刀閘合分控制,直流電源充放電控制。過程層的控制執(zhí)行與驅(qū)動大部分是被動的。即按上層控制指令而動作,比如接到間隔層保護(hù)裝置的跳閘指令、電壓無功控制的投切命令、對斷路器的遙控開合命令等。在執(zhí)行控制命令時具有智能性,能判別命令的真?zhèn)渭捌浜侠硇?,還能對即將進(jìn)行的動作精度進(jìn)行控制,能使斷路器定相合閘,選相分閘,在選定的相角下實(shí)現(xiàn)斷路器的關(guān)合和開斷。要求操作時間限制在規(guī)定的參數(shù)內(nèi),如對真空開關(guān)的同步操作要求能做到開關(guān)觸頭在零電壓時關(guān)合,在零電流時分?jǐn)嗟取?/p>
(2)間隔層
間隔層設(shè)備一般指繼電保護(hù)裝置、系統(tǒng)測控裝置、監(jiān)測功能組的主智能電子裝置(Intelligent Electronic Device,IED)等二次設(shè)備,實(shí)現(xiàn)使用一個間隔的數(shù)據(jù)并且作用于該間隔一次設(shè)備的功能,即與各種遠(yuǎn)方輸入/輸出、傳感器和控制器通信。間隔層的主要功能是:(a)匯總本間隔過程層實(shí)時數(shù)據(jù)信息;(b) 實(shí)施對一次設(shè)備保護(hù)控制功能;(c)實(shí)施本間隔操作閉鎖功能;(d)實(shí)施操作同期及其他控制功能;(e)對數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)運(yùn)算及控制命令的發(fā)出具有優(yōu)先級別的控制;(f)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(luò)通信功能。必要時,上下網(wǎng)絡(luò)接口具備雙口全雙工方式,以提高信息通道的冗余度,保證網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。
(3) 站控層
站控層包括自動化站級監(jiān)視控制系統(tǒng)、站域控制、通信系統(tǒng)、對時系統(tǒng)等,實(shí)現(xiàn)面向全站設(shè)備的監(jiān)視、控制、報警及信息交互功能,完成數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制、操作閉鎖以及同步相量采集、電能量采集、保護(hù)信息管理等相關(guān)功能。
站控層功能高度集成,可在一臺計(jì)算機(jī)或嵌入式裝置實(shí)現(xiàn),也可分布在多臺計(jì)算機(jī)或嵌入式裝置中實(shí)現(xiàn)。
站控層主要功能是:(a)通過兩級高速網(wǎng)絡(luò)匯總?cè)镜膶?shí)時數(shù)據(jù)信息,不斷刷新實(shí)時數(shù)據(jù)庫,按時登錄歷史數(shù)據(jù)庫;(b)按既定規(guī)約將有關(guān)數(shù)據(jù)信息送向調(diào)度或控制中心;(c)接收調(diào)度或控制中心有關(guān)控制命令并轉(zhuǎn)間隔層、過程層執(zhí)行;(d)具有在線可編程的全站操作閉鎖控制功能;(e)具有(或備有)站內(nèi)當(dāng)?shù)乇O(jiān)控,人機(jī)聯(lián)系功能,如顯示、操作、打印、報警,甚至圖像、聲音等多媒體功能;(f)具有對間隔層、過程層諸設(shè)備的在線維護(hù)、在線組態(tài),在線修改參數(shù)的功能;(g)具有(或備有)變電站故障自動分析和操作培訓(xùn)功能。
為推進(jìn)國內(nèi)智能變電站的研究與建設(shè),國家電網(wǎng)公司首批安排7個智能變電站試點(diǎn)工程,電壓等級上涵蓋了110 kV、220 kV、500 kV及750 kV變電站;建設(shè)方式上既有新建站,也有需進(jìn)行技術(shù)改造的老站。如上海首座智能變電站——110 kV蒙自變電站于2009年年底正式投運(yùn),標(biāo)志著上海建成首座智能變電站服務(wù)世博會、上海電網(wǎng)7項(xiàng)世博電力核心工程的基建任務(wù)圓滿完成。蒙自變電站是世博浦西園區(qū)電力能源的“心臟”。蒙自地下變電站與國家電網(wǎng)公司企業(yè)館一體化建設(shè),全站采用可靠、低碳、環(huán)保的智能設(shè)備,并實(shí)現(xiàn)全部國產(chǎn)化,采用的通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和新型自動控制系統(tǒng),達(dá)到全站信息數(shù)字化、通信平臺網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化、功能應(yīng)用互動化的要求。作為首座集成環(huán)保節(jié)能技術(shù)的智能變電站,該站國產(chǎn)化的主變壓器具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和低損耗、低噪聲、絕緣性能好、無毒、不燃、不爆等特點(diǎn)。同時,主變壓器余熱利用和冰蓄冷技術(shù)運(yùn)用,有效降低了二氧化碳排放和功率損耗。該站首次采用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)、吸附式余熱回收系統(tǒng)和冰蓄冷系統(tǒng)作為變電站空調(diào)聯(lián)動系統(tǒng),可節(jié)能30% ~50% 。
智能變電站建設(shè)應(yīng)遵循以下原則:注重智能變電站與智能電網(wǎng)功能需求結(jié)合,與標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)成果結(jié)合,與全壽命周期管理理念和方法應(yīng)用結(jié)合;注重總結(jié)應(yīng)用已有數(shù)字化變電站、無人值班變電站行之有效設(shè)計(jì)和建設(shè)成果;積極優(yōu)化和創(chuàng)新,積極應(yīng)用新技術(shù)、新設(shè)備、新材料,形成技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、創(chuàng)新優(yōu)化、成果自主、經(jīng)濟(jì)適用的智能變電站建設(shè)方案。