吳國強

（湖州電力局,浙江湖州 313000）

淺談數(shù)字化變電站的應用＊

吳國強

（湖州電力局,浙江湖州 313000）

隨著自動化的發(fā)展,IEC61850規(guī)約的制定與智能化電氣設備的出現(xiàn),特別是智能化開關(guān)、光電式互感器等機電一體化設備推進了自動化發(fā)展.變電站自動化技術(shù)將進入數(shù)字化階段,電網(wǎng)將成為智能化電網(wǎng).本文簡單論述數(shù)字化變電站的一些特征、結(jié)構(gòu)及功能劃分.

變電站;數(shù)字化;智能化;自動化

變電站自動化技術(shù)經(jīng)過十多年的發(fā)展已經(jīng)達到了一定的水平,在城鄉(xiāng)電網(wǎng)改造與建設中不僅使中低壓變電站采用了自動化技術(shù),實現(xiàn)無人值班,而且在220kV及以上的超高壓變電站建設中也大量采用自動化新技術(shù),從而大大提高了電網(wǎng)建設的現(xiàn)代化水平,增強了輸配電和電網(wǎng)調(diào)度的可能性,也大大提高了設備可靠性與效率.然而,技術(shù)的發(fā)展是沒有止境的,自動化從開始的四遙（遙測、遙控、遙信、遙脈）到IEC61850智能化開關(guān)、光電式電流電壓互感器、一次運行設備在線狀態(tài)檢測、變電站運行操作培訓仿真等技術(shù)日趨成熟,以及計算機高速網(wǎng)絡在實時系統(tǒng)中的開發(fā)應用,勢必對已有的變電站自動化技術(shù)產(chǎn)生深刻的影響,全數(shù)字化的變電站自動化系統(tǒng)已得到應用.

1 數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的特點

1.1 智能化的一次設備

一次設備被檢測的信號回路和被控制的操作驅(qū)動回路采用微處理器和光電技術(shù)設計,簡化了常規(guī)機電式繼電器及控制回路的結(jié)構(gòu),光纖傳輸?shù)木W(wǎng)絡取代了傳統(tǒng)的導線連接,電腦監(jiān)測代替了大量光字牌和告警系統(tǒng).換言之,變電站二次回路中常規(guī)的繼電器及其邏輯回路被可編程序代替,常規(guī)的強電模擬信號和控制電纜被光電數(shù)字和光纖代替.

1.2 網(wǎng)絡化的二次設備

變電站內(nèi)常規(guī)的二次設備,如繼電保護裝置、防誤閉鎖裝置、測量控制裝置、遠動裝置、故障錄波裝置、電壓無功控制、同期操作裝置以及正在發(fā)展中的在線狀態(tài)檢測裝置等全部基于標準化、模塊化的微處理機設計制造,設備之間的連接全部采用高速的網(wǎng)絡通信,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,通過網(wǎng)絡真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、資源共享,常規(guī)的功能裝置在這里變成了邏輯的功能模塊.

2 數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

在變電站自動化領(lǐng)域中,智能化電氣的發(fā)展,特別是智能開關(guān)、光電式互感器機電一體化設備的出現(xiàn),變電站自動化技術(shù)進入了數(shù)字化的新階段.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,如A/D變換、光隔離器件、控制操作回路等將割列出來作為智能化一次設備的一部分.反言之,智能化一次設備的數(shù)字化傳感器、數(shù)字化控制回路代替了常規(guī)繼電保護裝置、測控等裝置的I/O部分;在中低壓變電站則將保護、監(jiān)控裝置小型化、緊湊化,完整地安裝在開關(guān)柜上,實現(xiàn)了變電站機電一體化設計.

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,即智能化的一次設備和網(wǎng)絡化的二次設備.在邏輯結(jié)構(gòu)上可分為三個層次,根據(jù)IEC61850通信協(xié)議草案定義,這三個層次分別稱為“過程層”、“間隔層”、“站控層”.如圖1、圖2所示.

2.1 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：①電力運行實時的電氣量檢測;②運行設備的狀態(tài)參數(shù)檢測;③操作控制執(zhí)行與驅(qū)動.

電力運行的實時電氣量檢測.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備運算得出.與常規(guī)方式相比,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)點是抗干擾性能強,絕緣和抗飽和特性好.

運行設備的狀態(tài)參數(shù)在線檢測與統(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、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、機械特性以及工作狀態(tài)等一些數(shù)據(jù).

操作控制的執(zhí)行與驅(qū)動.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?還能對即將進行的動作精度進行控制,能使斷路器定相合閘,選相分閘,在選定的相角下實現(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).

2.2 間隔層

間隔層設備的主要功能是：①匯總本間隔過程層實時數(shù)據(jù)信息;②實施對一次設備保護控制功能;③實施本間隔操作閉鎖功能;④實施操作同期及其他控制功能;⑤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;⑥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方式,以提高信息通道的冗余度,保證網(wǎng)絡通信的可靠性.

2.3 站控層

站控層的主要任務是：①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;②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;③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;④具有在線可編程的全站操作閉鎖控制功能;⑤具有或備有站內(nèi)當?shù)乇O(jiān)控和人機聯(lián)系功能,如顯示、操作、打印、報警,甚至是圖像、聲音等多媒體功能;⑥具有對間隔層、過程層諸設備的在線維護、在線組態(tài)和在線修改參數(shù)的功能;⑦具有或備有變電站故障自動分析和操作培訓功能.

3 數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)中的網(wǎng)絡選型

網(wǎng)絡系統(tǒng)是數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的命脈,它的可靠性與信息傳輸?shù)目焖傩詻Q定了系統(tǒng)的可用性.常規(guī)變電站自動化系統(tǒng)中單套保護裝置的信息采集與保護算法的運行一般是在同一個CPU控制下進行的,使得同步采樣、A/D轉(zhuǎn)換和運算、輸出控制命令整個流程快速、簡捷.而全數(shù)字化系統(tǒng)中信息的采樣、保護算法與控制命令的形成是由網(wǎng)絡上多個CPU協(xié)同完成的,如何控制好采樣的同步和保護命令的快速輸出是一個復雜的問題,其最基本的條件是網(wǎng)絡的適應性,關(guān)鍵技術(shù)是網(wǎng)絡通信速度的提高和合適的通信協(xié)議的制定.

如果采用通常的現(xiàn)場總線技術(shù)可能不能勝任數(shù)字化變電站自動化的技術(shù)要求.目前以太網(wǎng)異軍突起,已經(jīng)進入工業(yè)自動化過程控制領(lǐng)域,固化OSI七層協(xié)議,速率達到100MHz的嵌入式以太網(wǎng)控制與接口芯片已大量出現(xiàn),數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的兩級網(wǎng)絡全部采用100MHz以太網(wǎng)技術(shù)是可行的.

4 數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)發(fā)展中的問題

在三個層次中,數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的研究正在自下而上逐步發(fā)展.目前研究的主要內(nèi)容集中在過程層方面,諸如智能化開關(guān)設備、光電互感器、狀態(tài)檢測等技術(shù)與設備的研究開發(fā).國內(nèi)、省內(nèi)已有許多設備投運.湖州電力局潯北變將在明年投產(chǎn),但為了系統(tǒng)安全可靠地運行還需要處理好以下幾方面問題：①專業(yè)協(xié)作需要加強,比如智能化電器的應用至少存在機、電、光三個專業(yè)協(xié)同攻關(guān),需要加強一次設備可靠性;②材料器件方面的缺陷及改進,使提供的數(shù)字量二次電流、電壓不失真;③使故障電流、電壓實現(xiàn)完全同步或基本同步;④站內(nèi)各設備之間雖然遵循IEC61850,但各設備之間以及網(wǎng)絡還有很多沖突需要解決;⑤試驗設備、測試方法、檢驗標準,特別是EMC（電磁干擾與兼容）控制與試驗還是一個薄弱環(huán)節(jié).

數(shù)字化變電站自動化是一個系統(tǒng)工程,要實現(xiàn)全部數(shù)字化變電站自動化的功能,還有一些技術(shù)問題需要攻關(guān),但數(shù)字化變電站將是變電站今后發(fā)展的主流,是國家提出智能電網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ).隨著科學技術(shù)的發(fā)展,今后變電站二、三次系統(tǒng)會更加集中化、規(guī)?；托畔⒒?一個變電站或局部電網(wǎng)被幾臺電腦監(jiān)測和控制將會成為可能.

TM734

A

1009-1734（2010）S0-0124-03

2010-05-10

吳國強,工程師,從事數(shù)字化研究.