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(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院,廣西 南寧 530004)

1 引言

隨著世界范圍內(nèi)對能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)的一致訴求，以及清潔可再生能源技術(shù)、分布式發(fā)電技術(shù)、測量傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、自動控制技術(shù)的發(fā)展，智能電網(wǎng)已經(jīng)成為未來電網(wǎng)的發(fā)展新趨勢。采用智能電網(wǎng)可以接入大型的風(fēng)力發(fā)電站和光伏發(fā)電站等新能源發(fā)電，提升電網(wǎng)對清潔可再生能源的接納能力，實現(xiàn)對新能源的開發(fā)和利用，從而達(dá)到節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的目的。

智能變電站的概念是伴隨著智能電網(wǎng)而提出的，是智能電網(wǎng)中的關(guān)鍵節(jié)點，支撐著智能電網(wǎng)的正常運行，對整個電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行具有十分重要的作用。智能變電站是指由環(huán)保、可靠、低能耗的智能化設(shè)備組成,以高速的以太網(wǎng)絡(luò)為信息傳輸平臺，自動完成信號采集、保護(hù)動作、實時監(jiān)控等功能的變電站隨著高速以太網(wǎng)交換技術(shù)的發(fā)展、IEC61850通訊標(biāo)準(zhǔn)的實施、電子式互感器技術(shù)及智能斷路器的實用化使智能變電站逐漸形成一次設(shè)備智能化，二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化的架構(gòu)體系。

智能變電站保護(hù)系統(tǒng)中，光纖連接代替了傳統(tǒng)變電站一次設(shè)備與二次設(shè)備的電纜連接，互感器的輸出也由模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號。改變了常規(guī)變電站自動化系統(tǒng)中信息難以共享、設(shè)備間不具備互操作性、系統(tǒng)可展性差等不足之處。但隨著信息網(wǎng)絡(luò)化傳輸，實現(xiàn)變電站的高度信息共享，其可靠性直接決定了智能變電站的可用性。

框圖法、故障樹法、馬爾可夫鏈蒙特卡羅方法等為繼電保護(hù)系統(tǒng)的經(jīng)典可靠性評估方法[1-3]。文獻(xiàn)[4]在馬爾可夫狀態(tài)空間與動態(tài)故障樹相結(jié)合的基礎(chǔ)上，提出了智能變電站保護(hù)系統(tǒng)的動態(tài)可靠性模型，采用基于動態(tài)故障樹結(jié)構(gòu)函數(shù)的蒙特卡羅仿真方法，對保護(hù)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行定量評估；文獻(xiàn)[5-7]采用GO法對智能變電站系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行評估與分析；文獻(xiàn)[8]建立了裝置的失效率模型，采用狀態(tài)空間解析法求解可靠度，并進(jìn)行靈敏度分析。

可靠性框圖法是一種最基本的系統(tǒng)可靠性分析方法。本文根據(jù)智能變電站的特點，提出不同的保護(hù)系統(tǒng)方案，采用可靠性框圖法分析過程總線采用不同方案的保護(hù)系統(tǒng)的可靠性，并在此基礎(chǔ)上，提出不同的控制方案，探討110kV智能變電站控制系統(tǒng)的可靠性。

2 智能變電站

2.1 智能變電站保護(hù)系統(tǒng)配置

IEC61850系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范了電力系統(tǒng)內(nèi)各裝置之間的通信規(guī)約，是電力系統(tǒng)自動化網(wǎng)絡(luò)通信平臺的唯一國際標(biāo)準(zhǔn)。智能變電站的保護(hù)系統(tǒng)采用“三層兩網(wǎng)”式結(jié)構(gòu)，“三層”為站控層、間隔層、過程層，“兩網(wǎng)”為站控層網(wǎng)絡(luò)和過程層網(wǎng)絡(luò)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能變電站保護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

站控層通過網(wǎng)絡(luò)匯集全站實時信息和數(shù)據(jù)，將有關(guān)信息送往控制中心，并接收控制中心的命令送至間隔層和過程層執(zhí)行；間隔層主要對一次設(shè)備進(jìn)行保護(hù)和控制，完成對過程層實時數(shù)據(jù)、信息的匯集和站控層網(wǎng)絡(luò)之間的通信；過程層主要監(jiān)測、傳輸一次設(shè)備的實時狀態(tài)并執(zhí)行對一次設(shè)備的控制命令。過程層和間隔層間的通信網(wǎng)絡(luò)就是過程層網(wǎng)絡(luò)，又叫作過程總線。站控層和間隔層間的通信網(wǎng)絡(luò)就是站控層網(wǎng)絡(luò)，又叫作站控總線。

2.2 過程總線

基于IEC61580標(biāo)準(zhǔn)的智能變電站保護(hù)控制體系構(gòu)筑在網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)上,信息網(wǎng)絡(luò)化傳輸可以實現(xiàn)高度信息共享。站控總線和過程層總線組成兩個相互獨立的通信子網(wǎng)，其優(yōu)點是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)清楚，信息通信主要在各自網(wǎng)絡(luò)中完成，網(wǎng)絡(luò)交換機的處理負(fù)載不大；并且任意一個網(wǎng)絡(luò)通信故障不會造成另一個網(wǎng)絡(luò)的通信故障，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性高。

過程總線可以采用兩種通信方案：一種是采用網(wǎng)絡(luò)通信的傳輸方式，即智能電子設(shè)備需要經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)交換機實現(xiàn)信息間的相互傳遞；另一種是過程總線采用點對點直采直控，即過程層的合并單元、智能終端通過光纖與間隔層的保護(hù)控制等裝置直接相連，合并單元直接發(fā)送SV報文到保護(hù)裝置，智能終端與保護(hù)裝置之間的GOOSE報文直接傳輸。兩種傳輸方式模型分別如圖2和圖3所示。

圖2 組網(wǎng)方式傳輸模型

圖3 點對點方式傳輸模型

3 智能變電站線路保護(hù)系統(tǒng)可靠性

110kV電壓等級的線路保護(hù)系統(tǒng)的過程層配置單獨的合并單元和智能終端裝置，每回線路配置單套完整的主、后備保護(hù)功能的線路保護(hù)裝置。

圖4 110kV智能變電站保護(hù)系統(tǒng)

110kV智能變電站線路保護(hù)系統(tǒng)如上圖4所示，其中圖4(a)為過程總線采用點對點直采直控的系統(tǒng)，圖4(b)為采用單一網(wǎng)絡(luò)交換機的系統(tǒng)。

從圖4中可以看出，110kV智能變電站保護(hù)系統(tǒng)過程總線采用直采直控和單一網(wǎng)絡(luò)交換機方案的可靠性框圖分別如圖5(a)和圖5(b)所示，其中MU、PR、IT、SW、EM分別表示合并單元、保護(hù)裝置、智能終端、網(wǎng)絡(luò)交換機、光纖鏈路(設(shè)光纖鏈路可靠性為1)。

圖5 保護(hù)系統(tǒng)可靠性框圖

其中，110kV智能變電站保護(hù)系統(tǒng)中的各元件可靠性參數(shù)如表1所示，其中HIM表示站控系統(tǒng)。

表1 元件可靠性參數(shù)

如圖4中所示系統(tǒng)，根據(jù)圖6中的可靠性框圖，采用可靠性框圖法，可得出圖5(a)過程總線采用點對點直采直控的保護(hù)系統(tǒng)可靠性為：

Ra=99.98%

圖5(b)中過程總線采用單一網(wǎng)絡(luò)交換機的保護(hù)系統(tǒng)的可靠性為：

Ra=99.96%

由此可見，若過程總線采用網(wǎng)絡(luò)交換機不僅會降低系統(tǒng)的可靠度，且加大了變電站的投資。當(dāng)信號重復(fù)率較低時，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較差，不宜推廣應(yīng)用。

4 智能變電站線路控制系統(tǒng)可靠性

根據(jù)對上述智能變電站保護(hù)系統(tǒng)可靠性的分析，過程總線采用點對點直采直控方式，即采樣值(SV)和通用面向?qū)ο笞冸娬臼录?GOOSE)都通過光纖直接點對點傳送，電子式電流電壓互感器將數(shù)字信號傳送給合并單元，由合并單元進(jìn)行采樣，并通過SV報文傳送給保護(hù)裝置，經(jīng)線保護(hù)裝置的保護(hù)邏輯判斷后，經(jīng)光纖通過GOOSE報文與智能終端互相傳遞信息。110kV智能變電站站保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)控制系統(tǒng)的兩個方案如圖6所示。

圖6 110kV智能變電站控制系統(tǒng)

在圖7的兩個方案中，方案一的站控總線直接與保護(hù)裝置相連；方案二在方案一的基礎(chǔ)上，再從站控總線直接引出一根光纖與智能終端相連。根據(jù)圖6(a)和圖6(b)兩個方案，兩個方案的可靠性框圖分別如圖7(a)和圖7(b)所示。

圖7 控制系統(tǒng)可靠性框圖

如圖6中所示控制系統(tǒng)，由圖7中的可靠性框圖

可以得出，圖7(a)站控總線直接與保護(hù)裝置相連的方案一的系統(tǒng)可靠性為：

R1=99.96%

圖7(b)中站控總線直接引出一根光纖與智能終端相連的方案二的系統(tǒng)可靠性為：

R1=99.97%

由此可見，智能變電站控制系統(tǒng)采用方案二可以在只增加一根光纖的基礎(chǔ)上，可以提高控制系統(tǒng)可靠性，應(yīng)推廣應(yīng)用。

5 結(jié)語

本文分別分析了過程總線采用直采直控方案和單一網(wǎng)絡(luò)交換機方案的保護(hù)系統(tǒng)的可靠性，通過可靠性計算發(fā)現(xiàn)，采用網(wǎng)絡(luò)交換機不僅會降低系統(tǒng)的可靠度，且加大了變電站的投資，因此，當(dāng)信號重復(fù)率較低時，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較差，不宜推廣應(yīng)用。

提出站控總線直接與保護(hù)裝置相連和從站控總線直接引出一根光纖與智能終端相連的兩種不同的控制方案，分別對這兩種方案進(jìn)行可靠性計算，發(fā)現(xiàn)從站控總線直接引出一根光纖與智能終端相連的方案的可靠性要高于站控總線直接與保護(hù)裝置相連方案的可靠性，且只增加了一個光纖，應(yīng)推廣應(yīng)用。

[1] 張沛超,高翔.全數(shù)字化保護(hù)系統(tǒng)可靠性及元件重要度[J].中國電機工程學(xué)報,2008,28(1):77-82.

[2] 熊小萍,譚建成,林湘寧.基于動態(tài)故障樹的變電站通信系統(tǒng)可靠性分析[J].中國電機工程學(xué)報,2012,32(34):135-141.

[3] 石文輝,別朝紅,王錫凡.大型電力系統(tǒng)可靠性評估中的馬爾可夫鏈蒙特卡洛方法[J].中國電機工程學(xué)報,2008,28(4):9-14.

[4] 戴志輝,王增平,焦彥軍.基于動態(tài)故障樹與蒙特卡羅仿真的保護(hù)系統(tǒng)動態(tài)可靠性評估[J].中國電機工程學(xué)報,2011,31(19):105-113.

[5] 王超,高鵬,徐政,等.GO法在繼電保護(hù)可靠性評估中的初步應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動化,2007,31(24):52-56,85.

[6] 梅念,陳東,馬為民,等.基于擴(kuò)展GO法的HVDC保護(hù)系統(tǒng)可靠性評估[J].電網(wǎng)技術(shù),2013,37(4):1069-1073.

[7] 徐志超,李曉明,楊玲君,等.數(shù)字化變電站系統(tǒng)可靠性評估與分析[J].電力系統(tǒng)自動化,2012,36(5):67-71.

[8] 王鋼,丁茂生,李曉華,等.數(shù)字繼電保護(hù)裝置可靠性研究[J].中國電機工程學(xué)報,2004,24(7):47-52.

[9] 張靜偉,任震,黃雯瑩.直流系統(tǒng)可靠性故障樹評估模型及應(yīng)用[J].電力自動化設(shè)備,2005,25(6):62-65.

[10] 黃新波.智能變電站原理與應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社,2012.

[11] 王金武.可靠性工程基礎(chǔ)[M].北京:科學(xué)出版社,2013.