王向東

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 數(shù)字化變電站及IEC61850標(biāo)準(zhǔn)

自國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)TC57工作組制定《變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)》IEC61850標(biāo)準(zhǔn)以來(lái)[1],數(shù)字化變電站及IEC61850標(biāo)準(zhǔn)已成為我國(guó)電力部門、相關(guān)科研院所及企業(yè)的研究熱點(diǎn)重點(diǎn)之一[2],自2005年開始國(guó)內(nèi)已有不少改建和新建的數(shù)字化變電站陸續(xù)投入運(yùn)行。

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)第1版于2003年發(fā)布,2010年發(fā)布修訂后的第2版。該標(biāo)準(zhǔn)是變電站自動(dòng)化系統(tǒng)唯一的基于網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn),我國(guó)已等同轉(zhuǎn)化為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)不僅局限于單純的通信協(xié)議規(guī)約,而是一個(gè)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn),能夠?qū)崿F(xiàn)各智能化電子設(shè)備之間的無(wú)縫互訪通信和互操作性,實(shí)現(xiàn)同一世界,同一技術(shù),同一標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)。

2 數(shù)字化變電站的構(gòu)成

基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建的數(shù)字化變電站在物理結(jié)構(gòu)上具有智能化的一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備及全站統(tǒng)一的數(shù)據(jù)建模及數(shù)據(jù)通信平臺(tái),能夠?qū)崿F(xiàn)智能電子設(shè)備IED (Intelligent Electronic Device)信息的共享互訪和互操作。在邏輯結(jié)構(gòu)上分層分布式控制,分為過(guò)程層、間隔層和站控層3個(gè)層次,各層次內(nèi)部和層次之間采用高速網(wǎng)絡(luò)通信[3]。圖1為基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化變電站系統(tǒng)拓?fù)鋱D。

圖1 基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化變電站系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2.1 智能化的一次設(shè)備

智能化的一次設(shè)備以電子式互感器(ECT、EVT)及智能斷路器為代表。

電子式互感器包括電子式電流互感器(ECT)和電子式電壓互感器(EVT),是連接信號(hào)傳輸系統(tǒng)和二次轉(zhuǎn)換器的一個(gè)或多個(gè)電流或電壓傳感器所組成的裝置,將被測(cè)量按比例傳送給測(cè)量?jī)x器、儀表、保護(hù)和控制裝置。裝置輸出的各種電氣參數(shù)可以是模擬量或數(shù)字量。對(duì)于模擬量輸出的互感器,二次轉(zhuǎn)換器直接供給二次設(shè)備,對(duì)于數(shù)字量輸出的互感器,可用1個(gè)合并單元完成,將各種電氣參數(shù)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸出。

智能斷路器是在常規(guī)斷路器本體的基礎(chǔ)上配備智能控制單元,智能控制單元由數(shù)據(jù)采集、智能識(shí)別和調(diào)節(jié)控制裝置3個(gè)功能模塊構(gòu)成,斷路器二次系統(tǒng)由微電子技術(shù)和光電傳感器建立。斷路器能獨(dú)立地執(zhí)行當(dāng)?shù)毓δ?數(shù)據(jù)采集模塊獨(dú)立采集斷路器運(yùn)行數(shù)據(jù)并傳送到智能識(shí)別和調(diào)節(jié)控制裝置模塊,操作由智能控制單元直接處理完成而不依賴于變電站調(diào)度的控制。 智能斷路器的信號(hào)回路和被控制的操作驅(qū)動(dòng)回路都采用微處理器和光電技術(shù)設(shè)計(jì),信號(hào)和控制回路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。數(shù)字公共信號(hào)網(wǎng)絡(luò)取代導(dǎo)線連接,常規(guī)的強(qiáng)電模擬信號(hào)和控制電纜被光電數(shù)字信號(hào)和光纖代替[4]。智能斷路器具有數(shù)字化接口。

采用電子式互感器實(shí)現(xiàn)了交流采樣值的數(shù)字化傳輸[5],采用智能斷路器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了變電站操作命令的數(shù)字化傳輸。

2.2 網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備

變電站中常規(guī)的二次設(shè)備包括繼電保護(hù)裝置、測(cè)量控制裝置、防誤閉鎖裝置、故障錄波裝置、電壓無(wú)功控制、同期操作裝置、遠(yuǎn)動(dòng)裝置以及在線狀態(tài)檢測(cè)裝置等全部基于標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的微處理器設(shè)計(jì)制造,均具有數(shù)字化接口,二次設(shè)備之間的通信采用公共信號(hào)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)、資源的共享,使常規(guī)的功能裝置變成邏輯功能模塊。

2.3 統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)對(duì)變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中的對(duì)象統(tǒng)一建模,定義了標(biāo)準(zhǔn)的通信模型和通信接口交換模型,采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)和獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的抽象通信服務(wù)接口及設(shè)備自我描述規(guī)范,使設(shè)備之間具備互操作性實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接。在變電站一、二次設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化通信,形成了變電站設(shè)備功能和信息共享的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)。

2.4 數(shù)字化變電站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)字化變電站在邏輯結(jié)構(gòu)上分層分布式控制,分為過(guò)程層、間隔層和站控層3個(gè)層次。

過(guò)程層設(shè)備包括斷路器智能操作箱(含智能傳感器和執(zhí)行器)、合并單元(含遠(yuǎn)方I/O)及智能斷路器及電子式互感器等一次設(shè)備,完成電氣量(開關(guān)量和模擬量)的采集以及控制命令的發(fā)送,進(jìn)行電氣量采集檢測(cè)、運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)在線采集檢測(cè)與統(tǒng)計(jì)、操作控制命令的執(zhí)行等任務(wù)。

間隔層設(shè)備有測(cè)保裝置、計(jì)量裝置、錄波裝置、歸約轉(zhuǎn)換裝置及其他智能電子設(shè)備IED,主要功能包括收集本間隔過(guò)程層的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息,實(shí)施對(duì)一次設(shè)備保護(hù)測(cè)量控制功能,實(shí)施本間隔操作閉鎖功能,實(shí)施操作同期及其他控制功能。

站控層設(shè)備主要包括變電站監(jiān)控系統(tǒng)、防誤閉鎖系統(tǒng)、保護(hù)信息管理系統(tǒng)、通訊監(jiān)控系統(tǒng)、電量遠(yuǎn)傳系統(tǒng)、安防監(jiān)視系統(tǒng)、遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)及火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng),其功能為收集變電站過(guò)程層、間隔層公共信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息,同時(shí)不斷刷新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)并登錄歷史數(shù)據(jù)庫(kù),將數(shù)據(jù)信息傳送到調(diào)度控制中心,接收調(diào)度或控制中心控制命令并傳送到間隔層、過(guò)程層執(zhí)行。

2.5 數(shù)字化變電站的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及通信

數(shù)字化變電站3個(gè)層次過(guò)程層、間隔層和站控層之間分別設(shè)有站控層網(wǎng)絡(luò)和間隔層網(wǎng)絡(luò),有9種邏輯接口。站控層網(wǎng)絡(luò)連接站控層設(shè)備和間隔層IED,采用客戶/服務(wù)器模式通信模式,抽象通信服務(wù)接口映射到制造報(bào)文規(guī)范MMS(Manufacturing Message Specification)和ISO/IEC 8802.3文件傳輸。間隔層網(wǎng)絡(luò)連接間隔層設(shè)備和過(guò)程層智能操作箱及合并單元設(shè)備,采用發(fā)布者/訂閱者模式通信模式,串行單點(diǎn)向多點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)面向通用對(duì)象變電站事件GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event)報(bào)文傳輸[6],傳輸測(cè)保裝置所需的采樣值(SV報(bào)文)和跳閘、合閘、閉鎖等開關(guān)量(GOOSE報(bào)文)。使用SNTP點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或廣播對(duì)時(shí)方式。

IEC61850采用100M光纖交換工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù),可采用單網(wǎng)、環(huán)網(wǎng)冗余及星型網(wǎng)及基于IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的過(guò)程總線等多種形式。站控層網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置要充分考慮網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量，合理進(jìn)行網(wǎng)段分配。

3 數(shù)字化變電站的主要技術(shù)

數(shù)字化變電站的標(biāo)準(zhǔn)是IEC61850,具有智能化的一次設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備,因此數(shù)字化變電站的主要技術(shù)是IEC61850標(biāo)準(zhǔn)及電子式互感器 (ECT、EVT)、光電互感器和智能斷路器等一、二次設(shè)備。電子式互感器有鐵心線圈或空心線圈的有源電子式互感器和光效應(yīng)的無(wú)源電子式互感器2類,基于技術(shù)和成本問(wèn)題,目前主要使用的是有源電子式互感器。隨著技術(shù)的攻關(guān)及成本的降低,無(wú)源電子互感器將會(huì)逐步商業(yè)化。

國(guó)內(nèi)在智能斷路器的研發(fā)方面落后于國(guó)外,國(guó)內(nèi)對(duì)于110 kV及以上的高電壓等級(jí)的智能斷路器研發(fā)目前也取得很大的成果。GIS設(shè)備由于集成度高,智能化技術(shù)相對(duì)比較成熟,國(guó)內(nèi)已經(jīng)開發(fā)出針對(duì)GIS設(shè)備的智能化控制設(shè)備可供選擇[7]。35 kV及10 kV的智能開關(guān)柜也逐步試用。對(duì)于35 kV及以下電壓等級(jí)的斷路器可采用成套智能開關(guān)設(shè)備,也可采用過(guò)渡方案,即常規(guī)開關(guān)柜加裝IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)、測(cè)控一體化裝置和智能操作箱，以實(shí)現(xiàn)智能開關(guān)柜的功能。

4 數(shù)字化變電站的優(yōu)點(diǎn)

IEC61850標(biāo)準(zhǔn)是變電站自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn),該標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用使變電站自動(dòng)化具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和平臺(tái),避免設(shè)備的重復(fù)使用；

(2)統(tǒng)一的通信協(xié)議,避免規(guī)約轉(zhuǎn)換,使智能設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互操作,提高系統(tǒng)性能,降低系統(tǒng)調(diào)試和維護(hù)難度；

(3)采用光纜替代電纜[8],數(shù)字信號(hào)避免了電磁干擾,提高測(cè)量精度,保證變電站運(yùn)行可靠,同時(shí)減少系統(tǒng)二次電纜工程,縮短二次設(shè)計(jì)調(diào)試周期,避免了電纜防火等問(wèn)題；

(4)光電互感器精度高,光電隔離[9],避免了電流互感器二次開路和電壓互感器二次短路,提高變電站運(yùn)行安全性；

(5)信息傳輸通道的自檢實(shí)行狀態(tài)檢修,運(yùn)行管理自動(dòng)化提高了變電站運(yùn)行的可靠性。

5 鐵路電力供電系統(tǒng)數(shù)字化變電站設(shè)計(jì)方案

鐵路電力供電系統(tǒng)一般采用10 kV或35 kV電壓等級(jí),采用微機(jī)監(jiān)控綜合自動(dòng)化系統(tǒng),分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)只有站控層和間隔層,具備遙測(cè)、遙信、遙調(diào)、遙控、遙視遠(yuǎn)動(dòng)功能。一次設(shè)備采用傳統(tǒng)互感器及斷路器,通過(guò)二次電纜回路與保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)信息互通。

按照IEC61850標(biāo)準(zhǔn)變電站三層兩網(wǎng)的模式,分別進(jìn)行過(guò)程層、間隔層及站控層設(shè)備進(jìn)行配置分析。

過(guò)程層設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)配置：主要考慮互感器、合并器的配置及斷路器的選擇。對(duì)于新建變電站采用模擬量輸出的電子式互感器并配置合并單元,信息進(jìn)行數(shù)字化處理后通過(guò)過(guò)程接口與間隔層設(shè)備互通。斷路器采用智能斷路器(含智能操作箱),就地安裝于開關(guān)柜內(nèi)。改建變電站考慮成本問(wèn)題,采用模擬量輸出的常規(guī)互感器并配置合并單元,信息進(jìn)行數(shù)字化處理后通過(guò)過(guò)程接口與間隔層設(shè)備互通。斷路器采用常規(guī)斷路器并配置智能操作箱模式,就地安裝于開關(guān)柜內(nèi)。

間隔層設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)配置：間隔層設(shè)備有測(cè)保裝置、計(jì)量裝置、錄波裝置、歸約轉(zhuǎn)換裝置及其他智能電子設(shè)備IED,鐵路綜合自動(dòng)化變電站已具備站控層與間隔層設(shè)備間及其內(nèi)部的數(shù)字化功能,通信協(xié)議需要執(zhí)行IEC61850標(biāo)準(zhǔn),采用100 M以太網(wǎng)的星型雙口雙網(wǎng)結(jié)構(gòu)或雙環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)傳輸測(cè)保裝置所需的采樣值(SV報(bào)文)和跳閘、合閘、閉鎖等開關(guān)量(GOOSE報(bào)文)。

站控層設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)配置：站控層設(shè)備根據(jù)需要配置變電站監(jiān)控系統(tǒng)、防誤閉鎖系統(tǒng)、保護(hù)信息管理系統(tǒng)、通訊監(jiān)控系統(tǒng)、電量遠(yuǎn)傳系統(tǒng)、安防監(jiān)視系統(tǒng)、遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)及火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)等。采用100 M以太網(wǎng)的雙星型結(jié)構(gòu),制造報(bào)文規(guī)范MMS文件傳輸。對(duì)于交、直流屏等部分不支持IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備,設(shè)置IEC61850通信管理機(jī)。使用SNTP點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或廣播對(duì)時(shí)方式。

設(shè)備布置：保護(hù)及測(cè)控裝置等IED設(shè)備可分散于高壓開關(guān)柜內(nèi),也可集中于控制室內(nèi)組屏。

6 存在問(wèn)題

(1)網(wǎng)絡(luò)依賴性強(qiáng),站內(nèi)通信設(shè)備抗干擾性對(duì)設(shè)備運(yùn)行影響增大。

(2)中低壓智能化一次設(shè)備的技術(shù)、國(guó)產(chǎn)化質(zhì)量及商業(yè)化步驟有待完善解決、加速和提高。

(3)適合中國(guó)國(guó)情的35 kV及以下電壓等級(jí)的IED要滿足數(shù)字化變電站所要求的網(wǎng)絡(luò)接口能力[10]。

7 結(jié)語(yǔ)

數(shù)字化變電站的建設(shè)已經(jīng)從實(shí)驗(yàn)室研究階段進(jìn)入實(shí)際工程應(yīng)用階段,提高了電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性和自動(dòng)化水平。對(duì)于符合IEC61850標(biāo)準(zhǔn)要求的智能設(shè)備其配套標(biāo)準(zhǔn)的完善及驗(yàn)證機(jī)制也需要不斷完善,鐵路電力供電系統(tǒng)數(shù)字化任重道遠(yuǎn),在不久的將來(lái)數(shù)字化變電站自動(dòng)化系統(tǒng)一定會(huì)蓬勃發(fā)展。

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