高飛 劉波 孫健 苗俊玲 史艷強
【摘要】目前電網(wǎng)正向智能電網(wǎng)階段發(fā)展,技術(shù)要求越來越高,要求實現(xiàn)更高水平的自動化、信息化和互動化。傳統(tǒng)變電站已經(jīng)不能滿足電網(wǎng)發(fā)展的需要,唯有通過現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段,即數(shù)字化技術(shù)的充分應(yīng)用才能滿足上述需求。
【關(guān)鍵詞】數(shù)字化變電站應(yīng)用研究
中圖分類號: TM411+.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:
數(shù)字化變電站目前通常的定義是:變電站內(nèi)一次電氣設(shè)備和二次電子設(shè)備均實現(xiàn)數(shù)字化通信,并具有全站統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型和通信平臺,在此平臺基礎(chǔ)上實現(xiàn)智能裝置間的互操作性。它的特點主要是:一次設(shè)備數(shù)字化,二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化,數(shù)據(jù)平臺標(biāo)準(zhǔn)化。一次設(shè)備數(shù)字化主要體現(xiàn)為帶數(shù)字輸出的電子互感器和智能開關(guān);二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化體現(xiàn)在二次設(shè)備對上和對下通信均通過網(wǎng)絡(luò);數(shù)據(jù)平臺標(biāo)準(zhǔn)化體現(xiàn)為 IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)。
一、數(shù)字化變電站自動化系統(tǒng)的特點
1、智能化的一次設(shè)備
一次設(shè)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(shè)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(luò)取代了傳統(tǒng)的導(dǎo)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。
2、網(wǎng)絡(luò)化的二次設(shè)備
變電站內(nèi)常規(guī)的二次設(shè)備,如繼電保護裝置、防誤閉鎖裝置、測量控制裝置、遠(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的微處理機設(shè)計制造,設(shè)備之間的連接全部采用高速的網(wǎng)絡(luò)通信,二次設(shè)備不再出現(xiàn)常規(guī)功能裝置重復(fù)的I/O現(xiàn)場接口,通過網(wǎng)絡(luò)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。
3、運行管理系統(tǒng)自動化
現(xiàn)在我國變電站已基本普及綜自系統(tǒng),監(jiān)控、保護、自動安全裝置等二次設(shè)備基本采用數(shù)字技術(shù),在此基礎(chǔ)上采用自動故障分析、設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測和程序化控制等系統(tǒng),進一步提高站內(nèi)設(shè)備的互操作性、信號的光纖傳輸、網(wǎng)絡(luò)通信平臺的信息共享等方面的自動化管理水平。減少運行維護的難度和工作量。
二、數(shù)字化變電站功能設(shè)計與技術(shù)實現(xiàn)
1、網(wǎng)絡(luò)基本功能結(jié)構(gòu)
IEC61850 標(biāo)準(zhǔn)將變電站自動化系統(tǒng)劃分為站控層、間隔層和過程層三層,三層之間通過網(wǎng)絡(luò)連接,規(guī)定網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)采用以太網(wǎng)通信,但對于其具體組網(wǎng)方案并無規(guī)定。為了提高網(wǎng)絡(luò)可靠性和便于運行維護,本項目從功能上將數(shù)字化變電站的網(wǎng)絡(luò)分為以下三個部分并分別獨立組網(wǎng):
(1)站控層網(wǎng)絡(luò),間隔層設(shè)備和站控層設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)內(nèi)容是測控裝置之間的聯(lián)閉鎖信息和間隔層設(shè)備和站控層設(shè)備之間的通信數(shù)據(jù),通信協(xié)議采用GOOSE 和 MMS。
(2)過程層 GOOSE 網(wǎng)絡(luò)(簡稱 GOOSE 網(wǎng)絡(luò)),智能控制單元與間隔層設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)內(nèi)容是智能控制單元與間隔層設(shè)備之間以及間隔層設(shè)備之間的開入開出狀態(tài)信號,通信協(xié)議采用 GOOSE。
2、電子互感器技術(shù)
電子互感器的結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)電磁互感器不同,電磁互感器輸出為連續(xù)的模擬信號,不存在延時問題,而電子互感器由于中間存在數(shù)字處理環(huán)節(jié),因此存在采樣延時這一固有特性。由于采樣延時的存在,會使電流數(shù)據(jù)的采樣時間不準(zhǔn)確,需要通過時間補償?shù)姆椒▉硐娮踊ジ衅鞯牟蓸友訒r以計算出實際輸電線路上的電流發(fā)生時刻。
電子互感器的本體感應(yīng)線圈輸出為模擬小電壓信號,通過與互感器本體安裝在一起的采集器轉(zhuǎn)換為光纖數(shù)字信號傳送給合并單元,合并本間隔內(nèi)三相電流電壓數(shù)據(jù)進行同步和合并,再通過光纖通信將采樣數(shù)據(jù)發(fā)送給間隔層的保護測控設(shè)備。因此電子互感器的采樣延時來自于采集器、通信傳輸和合并單元三個環(huán)節(jié),采樣延時的補償需要將這三部分的延時全部消除。
固定延時補償方法:
圖1 電子互感器采樣延時固定補償方法
(1)在安裝電子互感器側(cè)的線路光纖縱差保護裝置里設(shè)置延時補償定值,該側(cè)保護裝置減去延時補償定值可以計算出實際輸電線路上的電流發(fā)生時刻。
(2)檢測兩側(cè)線路光纖縱差保護的電流相量(電流互感器以輸入端子指向母線為正);
(3)在安裝電子互感器側(cè)的線路光纖縱差保護裝置讀取保護裝置面板上兩側(cè)電流的角度差,根據(jù)該角度差計算出延時補償定值,計算公式如下:
△t=(180-△angle)/360*20
式中△angle 為兩側(cè)電流角度差(°),△t 為延時補償定值(ms)。
(4)將該延時補償定值輸入到安裝電子互感器側(cè)的線路光纖縱差保護裝置里。
3、智能控制柜技術(shù)
由于智能開關(guān)產(chǎn)品不成熟,因此本項目采用傳統(tǒng)開關(guān)加就地智能控制單元的方式來實現(xiàn)傳統(tǒng)開關(guān)的智能化和數(shù)字化(圖 2),智能控制單元安裝在就地的智能控制柜內(nèi)。
圖 2 智能控制柜示意圖
智能控制單元主要完成開關(guān)、刀閘的直流狀態(tài)信號就地采集轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,并接收間隔層保護/控制設(shè)備的數(shù)字信號命令并轉(zhuǎn)換為繼電器硬接點信號輸出。
智能控制單元具有 80 路開出接點,供保護和監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)動信號和事件記錄,滿足相應(yīng)控制間隔的一次設(shè)備的分合閘控制要求;具有 80 路開入接點,可以采集對應(yīng)間隔的所有開關(guān)量信息。
智能控制單元具有手跳和手合輸入回路,具有氣(液)壓閉鎖輸入回路,跳、合閘的壓力閉鎖接點可投退,合閘位置繼電器不保持?jǐn)嗦菲鞣捞芈贰?/p>
智能控制單元跳合閘分別具有監(jiān)視回路,能設(shè)置所測量間隔的檢修狀態(tài),檢修狀態(tài)下可設(shè)置所有自動化信息不上送,能設(shè)置所測量間隔的遠(yuǎn)方/就地狀態(tài),就地狀態(tài)下不接收遙控指令,但不影響保護跳閘。
220kV 智能控制單元具有二組三相跳閘(Q、R 端)、兩組分相跳閘及一組分相合閘回路,跳、合閘具有自保持回路。110kV 、35kV 智能控制單元具有一組三相跳閘及一組三相合閘回路。
4、網(wǎng)絡(luò)化二次設(shè)備技術(shù)
變電站防誤技術(shù)采用基于規(guī)則組態(tài)的二元三層體系的數(shù)字化變電站分布式防誤技術(shù),二元是指采用電氣信息和 GOOSE 信息兩種,三層是指站控層、間隔層和過程層三層。采用電氣信息和 GOOSE 信息,利用分布于各間隔的防誤規(guī)則,在站控層、間隔層和過程層實現(xiàn)三層獨立的整站防誤技術(shù)。
第一層是站控層防誤,由后臺監(jiān)控實現(xiàn)。系統(tǒng)不配置電腦鑰匙,后臺防誤功能具備五防主機的操作功能,根據(jù)操作票進行模擬操作預(yù)演和防誤判別,并記錄操作過程,在系統(tǒng)從模擬操作轉(zhuǎn)為實際操作時,監(jiān)控主機嚴(yán)格按照模擬操作的過程進行操作和防誤判別,實現(xiàn)站控防誤。
三、智能變電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與管理
1、變電站網(wǎng)絡(luò)設(shè)計
變電站控制系統(tǒng)采用數(shù)字化以后,節(jié)約了大量的電纜,同時也大大增加網(wǎng)絡(luò)
通訊量,設(shè)計了圖3的通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),以滿足變電站控制系統(tǒng)對實時性、可靠性、安全性的要求。
圖 3 通信網(wǎng)絡(luò)方案
圖3反映了一個間隔內(nèi)的通信網(wǎng)絡(luò)方案。站控層設(shè)備和間隔層的保護、測控等裝置之間通過 100M 以太網(wǎng)交換機連接構(gòu)成站總線(站控層以太網(wǎng)),通過雙網(wǎng)冗余配置保證系統(tǒng)及信息的可靠性。
位于過程層的電子互感器通過合并單元與保護、測控裝置連接,合并單元與保護、測控裝置之間采用點對點的 100M 以太網(wǎng)通訊,保證采樣值的實時傳送。對于配置有差動保護的間隔,配備前置處理單元接收不同間隔合并單元的高速采樣數(shù)據(jù),完成同步功能,再與差動保護連接,實現(xiàn)差動保護功能。ICU 通過冗余雙網(wǎng)與保護/測控裝置相連。
2、網(wǎng)絡(luò)管理
本站采用的交換機全部是管理型交換機,能夠?qū)崿F(xiàn)對站內(nèi)所有的交換機的實時監(jiān)視。站控層網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)視可以直接通過站控層網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn),過程層網(wǎng)絡(luò)通過一個交換機管理網(wǎng)關(guān)將過程層網(wǎng)絡(luò)的信息“路由”到站控層網(wǎng)絡(luò),如圖 4 所示:
站控層網(wǎng)絡(luò)交換機和過程層網(wǎng)絡(luò)交換機的配置通過專用的工具實現(xiàn)。過程層和站控層的交換機的監(jiān)視通過后臺軟件實現(xiàn),并且可以通過遠(yuǎn)動機轉(zhuǎn)發(fā)到調(diào)度。
結(jié)束語
數(shù)字化變電站的建成投產(chǎn)為電網(wǎng)數(shù)字化建設(shè)奠定了基礎(chǔ),在變電站發(fā)展歷程史上具有劃時代的意義,是一次變電技術(shù)的革命。在電網(wǎng)實施數(shù)字化變電站,考慮分階段實施的方案,先運用已經(jīng)成熟并具備實用化條件的技術(shù),同時積極研究相應(yīng)的前沿技術(shù),以此推動電網(wǎng)數(shù)字化變電站技術(shù)的發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
[1] 劉軍生. 變電站自動化系統(tǒng)的新發(fā)展[J]. 今日科苑. 2009(20)
[2] 劉明,徐志,曹文斌. 變電站的數(shù)字化趨勢及其特點[J]. 冶金動力. 2008(01)
[3] 許林生. 淺談數(shù)字化變電站自動化技術(shù)[J]. 廣東科技. 2008(03)