王東明

(東莞電力設(shè)計(jì)院,廣東 東莞 523000)

數(shù)字化技術(shù)在變電站工程中的應(yīng)用

王東明

(東莞電力設(shè)計(jì)院,廣東 東莞 523000)

自從提出了智能化電網(wǎng)的概念,電網(wǎng)的發(fā)展便衍生出了新的指導(dǎo)思想和發(fā)展方向,作為智能化電網(wǎng)的重要組成元素,數(shù)字化變電站正經(jīng)歷著革新.數(shù)字化技術(shù)作為當(dāng)今變電站工程的核心內(nèi)容,正在電力系統(tǒng)完善和優(yōu)化的舞臺(tái)上并發(fā)揮著重要的作用,將帶來(lái)變電站工業(yè)的自動(dòng)化、快捷化及穩(wěn)定化.

數(shù)字化技術(shù);變電站;自動(dòng)化

作為電力系統(tǒng)中肩負(fù)變電重要使命的變電站,是其他一切電力活動(dòng)的中轉(zhuǎn)站,具有異常重要的地位.隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升,電力工程也取得了很大進(jìn)展,電力系統(tǒng)輸電能力也得到了相應(yīng)的提升,電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分布和結(jié)構(gòu)越發(fā)復(fù)雜,傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)特別是傳統(tǒng)變電站早已不能承受日益增長(zhǎng)的用電需求.隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,以網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、微電子技術(shù)為主體的數(shù)字化技術(shù)在變電站工程中得到了廣泛的應(yīng)用并取得了明顯的進(jìn)步.

1 數(shù)字化技術(shù)用于變電站工程的整體方案

為了實(shí)行智能化,可以增設(shè)智能終端.將傳統(tǒng)電磁式互感器替換為電子式互感器;基于數(shù)字化平臺(tái)開(kāi)發(fā)新型的電能計(jì)量裝置和測(cè)控保護(hù)裝置;采用數(shù)字化輸入手段替代傳統(tǒng)的模擬量輸入手段進(jìn)行相應(yīng)裝置的數(shù)據(jù)采集;將傳統(tǒng)的102、103變電站標(biāo)準(zhǔn)更新為國(guó)際變電站標(biāo)準(zhǔn)IEC 61850;建立總體自動(dòng)化后臺(tái);選擇新型數(shù)字化裝置.

數(shù)字化變電站工程建設(shè)基本原則:(1)穩(wěn)妥積極的原則,在保證電網(wǎng)安全性的基礎(chǔ)之上,盡可能選擇成熟穩(wěn)定的數(shù)字化變電站新設(shè)備和新技術(shù),同時(shí)也可以嘗試選擇部分安全可控的新型實(shí)驗(yàn)性設(shè)備和技術(shù),如此也能對(duì)以后數(shù)字化變電站的發(fā)展進(jìn)行嘗試性的探索.(2)數(shù)字化變電站建設(shè)工程的基本目標(biāo)是為了提高變電站的整體自動(dòng)化程度,同時(shí)充分發(fā)揮數(shù)字化變電站的技術(shù)優(yōu)勢(shì),從而降低變電站的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本.(3)數(shù)字化變電站技術(shù)必將成為未來(lái)變電站工程建設(shè)發(fā)展的主要趨勢(shì),并能有效發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化的重要目標(biāo).數(shù)字化在變電站工程的應(yīng)用應(yīng)當(dāng)對(duì)建設(shè)和維護(hù)成本進(jìn)行評(píng)估,盡量選擇高性價(jià)比的具體數(shù)字化實(shí)施方案.(4)數(shù)字化變電站的設(shè)計(jì)和建設(shè)應(yīng)當(dāng)選擇安全、輕量、環(huán)保、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、少維護(hù)、智能化的數(shù)字化變電站一次設(shè)備和二次設(shè)備,并科學(xué)合理的安置相應(yīng)設(shè)備,能夠最大程度的減少使用空間.

2 過(guò)程層組網(wǎng)模式及選擇

數(shù)字化變電站實(shí)現(xiàn)總線的方式,按階段可具體分為以下三個(gè)階段:第一階段為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接模式;第二階段為過(guò)程層總線模式;第三階段為過(guò)程層總線和站控層總線的合并模式.

(1)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接模式.數(shù)字化變電站實(shí)現(xiàn)總線的第一個(gè)階段便是采取點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接模式連接斷路器、傳感器以及保護(hù)設(shè)備之間的交互信息.利用過(guò)程總線來(lái)控制斷路器設(shè)備和隔離開(kāi)關(guān),并直接通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接保護(hù)設(shè)備進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)的發(fā)送,監(jiān)測(cè)和控制均采用過(guò)程總線實(shí)現(xiàn).過(guò)程層總線和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接均需要采用高網(wǎng)速的以太網(wǎng),要求遵循各自不同的通信協(xié)議.

(2)過(guò)程層總線方式.第二個(gè)階段將合并數(shù)據(jù)測(cè)量通信系統(tǒng)和控制通信系統(tǒng),這兩者的合并將有效降低間隔接線的復(fù)雜程度,過(guò)程層總線模式能夠傳遞數(shù)字化電氣測(cè)量系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)值,因此具有更快的通信速度.

(3)站控層總線和過(guò)程層總線合并的方式.第三階段主要合并站控層總線和過(guò)程層總線,也可以將GOOSE網(wǎng)絡(luò)包括進(jìn)來(lái).該模式的顯著優(yōu)勢(shì)在于網(wǎng)絡(luò)分布和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,單一的通信接口就可以實(shí)現(xiàn)各間隔層設(shè)備的有效連接,能夠有效減少設(shè)備成本以及變電站的建設(shè)成本.

3 電子式互感器及其分類

眾所周知,傳統(tǒng)的電磁式互感器本身包含諸如絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜等諸多缺陷,很難滿足當(dāng)今高負(fù)載的電力系統(tǒng)基本需求,因此開(kāi)發(fā)和應(yīng)用新式電子互感器是大勢(shì)所趨.電子互感器從最初的電磁式電子互感器發(fā)展為羅氏線圈電子互感器,再演變?yōu)楝F(xiàn)如今普遍使用的純光型電子互感器經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的過(guò)程.

現(xiàn)在市面上包含的電子式電流互感器按原理可以分為兩大類,即線圈電子式電流互感器和純光電子式電流互感器.其中,純光電子式電流互感器又可以按照制作材料細(xì)分為光纖型和光學(xué)玻璃型;電子式電流互感器按照是否需要電源向高壓側(cè)供電細(xì)分為無(wú)源式和有源式.

以現(xiàn)有的電力系統(tǒng)技術(shù)水平,電壓互感器還不能做成電子式,所以,電壓互感器采用常規(guī)互感器,通過(guò)二次電纜直接接入裝置實(shí)現(xiàn)采樣,不配置合并單元.電壓切換和電壓并列方式與常規(guī)變電站方式相同.

4 室外光纜連接方案

普遍使用的室外光纜連接方案主要包括以下兩類.(1)參考點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的間隔模式,相互間隔的每條光纜都由36芯或24芯組成,借由端子箱內(nèi)熔接盒內(nèi)匯聚而成,最后各自獨(dú)立接入控制室.(2)采用光纖將室外分段、電壓線路以及主變高壓側(cè)間隔的光纜組合為兩根96芯光纜接入控制室,主變本體端子箱因?yàn)榫嚯x控制室較近,可以單獨(dú)分出一條光纜接入控制室.

5 工程主要方案實(shí)施

5.1 設(shè)備布置

數(shù)字化變電站系統(tǒng)按邏輯功能劃分為過(guò)程層、間隔層、站控層設(shè)備.各邏輯功能由相關(guān)物理設(shè)備實(shí)現(xiàn),單一物理設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)邏輯功能.

(1)站控層由自動(dòng)化站級(jí)監(jiān)視控制系統(tǒng)、 站域控制、 通信系統(tǒng)、對(duì)時(shí)系統(tǒng)等組成,實(shí)現(xiàn)面向全站設(shè)備的監(jiān)視、控制、告警及信息交互功能,完成數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視控制(SCADA)、操作閉鎖以及同步相量采集、電能量采集、 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、運(yùn)行管理等相關(guān)功能.站控層按一體化電網(wǎng)運(yùn)行智能系統(tǒng)要求建設(shè)一體化業(yè)務(wù)平臺(tái),提供站內(nèi)運(yùn)行的人機(jī)交互界面,實(shí)現(xiàn)對(duì)間隔層、過(guò)程層設(shè)備的監(jiān)控和管理等功能,形成全站監(jiān)控和運(yùn)維管理中心.①站控層采用一體化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).通過(guò)對(duì)站控層各功能主機(jī)進(jìn)行優(yōu)化整合,綜合實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)動(dòng)、電能量、PMU、保護(hù)及故障錄波信息、在線監(jiān)測(cè)、AVC、輔助服務(wù)等功能.②站控層選用智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)且雙機(jī)配置.通過(guò)智能遠(yuǎn)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)廠站端統(tǒng)一數(shù)據(jù)出口,滿足各級(jí)調(diào)度端主站接入及運(yùn)行、維護(hù)通信需求,實(shí)現(xiàn)變電站SCADA、綜合駕駛艙等功能.③站控層支持變電站數(shù)據(jù)的統(tǒng)一建模及源端維護(hù).全站智能電子設(shè)備應(yīng)按DL/T 860(IEC 61850)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一建模,統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型圖形描述和傳輸規(guī)約,實(shí)現(xiàn)各專業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一描述格式、統(tǒng)一傳輸、統(tǒng)一配置和管理.④站控層配置二次智能運(yùn)維子站系統(tǒng).二次智能運(yùn)維子站系統(tǒng)應(yīng)完成變電站二次系統(tǒng)信息的全面采集、分析和應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)站內(nèi)二次設(shè)備的狀態(tài)評(píng)估、態(tài)勢(shì)感知、狀態(tài)檢修,提升變電站的智能運(yùn)維管理水平.

(2)間隔層由繼電保護(hù)裝置、 系統(tǒng)測(cè)控裝置、監(jiān)測(cè)功能組主 IED、計(jì)量、智能錄波器、相量測(cè)量裝置等組成,實(shí)現(xiàn)面向間隔的測(cè)量、控制、保護(hù)、計(jì)量、監(jiān)測(cè)等功能.

間隔層在滿足二次設(shè)備可靠性的前提下,實(shí)現(xiàn)站內(nèi)間隔層的跨專業(yè)功能集成與跨間隔設(shè)備集成,實(shí)現(xiàn)設(shè)備的功能、配置、接口等統(tǒng)一.①35kV及以下電壓等級(jí)宜采用保護(hù)、測(cè)控、計(jì)量多合一裝置,110kV及以上電壓等級(jí)可采用多功能測(cè)控裝置,提高裝置集成化水平,減少設(shè)備配置數(shù)量.②結(jié)合技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及實(shí)際需求配置站域保護(hù)控制裝置,站域保護(hù)控制裝置應(yīng)根據(jù)工程需求配置具體的站域保護(hù)控制功能并綜合多間隔數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯判斷,提高全站后備保護(hù)的運(yùn)行可靠性與速動(dòng)性,實(shí)現(xiàn)間隔保護(hù)裝置和站域控制保護(hù)裝置間的雙套冗余配置.

(3)過(guò)程層由變壓器、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、電流/電壓互感器等一次設(shè)備及其所屬的智能組件以及獨(dú)立的智能電子裝置等組成,支持或?qū)崿F(xiàn)電測(cè)量信息和設(shè)備狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)采集和傳送,接受并執(zhí)行各種操作和控制指令.過(guò)程層以一次設(shè)備智能化和采樣數(shù)字化為建設(shè)目標(biāo),實(shí)現(xiàn)站內(nèi)一次設(shè)備測(cè)量、控制及監(jiān)測(cè)等信息的數(shù)字化采集與網(wǎng)絡(luò)化傳輸.① 采用智能化一次設(shè)備,實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)信息網(wǎng)絡(luò)化輸入輸出與一二次設(shè)備融合.②配置變壓器油中溶解氣體在線監(jiān)測(cè)、GIS局放帶電檢測(cè)、避雷器泄漏電流帶電檢測(cè)以及開(kāi)關(guān)柜局放帶電檢測(cè)等在線監(jiān)測(cè)應(yīng)用,提高一次設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)水平.③結(jié)合技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及實(shí)際需求配置變電站智能化作業(yè)調(diào)控中心、云計(jì)算大數(shù)據(jù)分析平臺(tái),實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)、狀態(tài)檢修及智能巡檢.過(guò)程層設(shè)備通過(guò)過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)與間隔層設(shè)備通信,間隔層設(shè)備通過(guò)站控層網(wǎng)絡(luò)與站控層通信.數(shù)字化變電站通信網(wǎng)絡(luò)采用工作可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維護(hù)的架構(gòu),滿足實(shí)時(shí)性和可靠性要求.

5.2 網(wǎng)絡(luò)布置

主要由過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)、變電站層網(wǎng)絡(luò)及GOOSE網(wǎng)絡(luò)三部分構(gòu)成.過(guò)程層網(wǎng)絡(luò):該網(wǎng)絡(luò)屬于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的光纖以太網(wǎng),其主要功能是監(jiān)測(cè)并保護(hù)裝置與光CT/PT合并器之間的通信過(guò)程,其中CT合并器一般按間隔布置.變電站層網(wǎng)絡(luò):該網(wǎng)絡(luò)的主要功能是監(jiān)測(cè)并保護(hù)裝置與后臺(tái)系統(tǒng)之間的通信過(guò)程,采取星型方式連接并依據(jù)以太網(wǎng)進(jìn)行組網(wǎng),為了避免以太網(wǎng)繁雜的技術(shù)要求,常采用IEC61850-8進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信.GOOSE網(wǎng)絡(luò):該網(wǎng)絡(luò)主要功能是采用GOOSE報(bào)文執(zhí)行測(cè)控、控制輸出、開(kāi)關(guān)量輸入及保護(hù)各裝置間聯(lián)閉鎖信息的任務(wù).

6 數(shù)字化用于變電站工程的主要特點(diǎn)

(1)全數(shù)字化技術(shù),GOOSE網(wǎng)的應(yīng)用,提高綜合自動(dòng)化水平.選擇IEC 61850通信標(biāo)準(zhǔn)與電子式互感器兩種強(qiáng)大的數(shù)字化技術(shù),使GOOSE通信功能廣泛用于各間隔層,從而使數(shù)據(jù)傳送的效率得到了明顯提升;同時(shí),GOOSE網(wǎng)絡(luò)通信先進(jìn)的優(yōu)先級(jí)控制技術(shù)支持?jǐn)?shù)據(jù)信息按照優(yōu)先級(jí)設(shè)置要求順利進(jìn)入相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)隊(duì)列中,避免直接進(jìn)入緩沖區(qū),結(jié)合具有優(yōu)先級(jí)控制功能的以太網(wǎng)交換機(jī),使數(shù)據(jù)信息第一時(shí)間到達(dá)目標(biāo)位置,較大程度提高了數(shù)據(jù)信息的傳遞速率,從本質(zhì)上提高了變電站監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控性能.

(2)減少站內(nèi)二次設(shè)備數(shù)量,實(shí)現(xiàn)保護(hù)監(jiān)控等自動(dòng)化裝置一體化.數(shù)字化變電站將傳統(tǒng)變電站的多功能裝置升級(jí)為數(shù)字化系統(tǒng)相應(yīng)的功能模塊,隨著各功能模塊可靠性和處理能力的增強(qiáng),能夠極大的減少裝置數(shù)量并簡(jiǎn)化數(shù)字化系統(tǒng),最終達(dá)成監(jiān)控、保護(hù)、故障錄波等自動(dòng)化裝置一體化的基本目標(biāo).

(3)二次設(shè)備布置分散就地化,改變傳統(tǒng)的大控制室設(shè)計(jì).隨著科技的進(jìn)步,各種通信設(shè)備和電力設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造水平明顯得到了巨大提升,在設(shè)備運(yùn)行可靠、維護(hù)方便的前提下,二次設(shè)備可就地布置,就地安裝的二次設(shè)備采用直接光纜或電纜采樣、跳閘的方式.在這種情況下,現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人管理,只需要通過(guò)一臺(tái)控制顯示終端便可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控,達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的.能夠極大的減少變電站電纜和光纜的數(shù)量,有助于快速建成變電站的主體結(jié)構(gòu)并使得相應(yīng)的設(shè)備調(diào)試過(guò)程簡(jiǎn)單易行.

(4)分布智能技術(shù)保證高速網(wǎng)路處理能力與系統(tǒng)安全性.緊湊型間隔層控制設(shè)備和分散式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在很大程度上降低了接線的復(fù)雜性;結(jié)合分散式開(kāi)關(guān)聯(lián)閉鎖功能和GOOSE網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)能夠使數(shù)據(jù)輸入和輸出速度得到提升,減少了系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間,使其安全性大大提高.

7 數(shù)字化變電站相對(duì)于常規(guī)變電站的優(yōu)勢(shì)

第一,從根本上降低了變電站事故的發(fā)生幾率.第二,有效增強(qiáng)了信號(hào)傳輸?shù)目煽啃?第三,節(jié)約了投資和成本.第四,進(jìn)一步提升了管理水平和自動(dòng)化水平.

8 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展,智能化設(shè)備將逐漸滲透到人們的日常生活中,這必將帶來(lái)變電站工程新一輪數(shù)字化革命.同時(shí),伴隨著日益增長(zhǎng)的用電需求,電力系統(tǒng)正承受著日益增長(zhǎng)的用電需求和輸電配電要求,這就要求積極發(fā)展更加先進(jìn)的數(shù)字化變電站技術(shù)以應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)提出的挑戰(zhàn).

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