朱俊杰,蔡穎聰,邵劍峰,陳鐵敏
(1.國網(wǎng)上海電力公司檢修公司,上海 200235;2.上海電力高壓實(shí)業(yè)有限公司,上海 200442)
研究與探索
上海智能變電站的思考
朱俊杰1,蔡穎聰1,邵劍峰2,陳鐵敏1
(1.國網(wǎng)上海電力公司檢修公司,上海 200235;2.上海電力高壓實(shí)業(yè)有限公司,上海 200442)
對(duì)比了智能變電站和傳統(tǒng)綜合自動(dòng)化變電站的結(jié)構(gòu),分析了智能變電站給電網(wǎng)帶來的變革,闡述了運(yùn)行人員和繼電保護(hù)檢修維護(hù)人員在智能變電站這個(gè)全新模式下的工作要點(diǎn)及與以往工作的不同之處。
智能變電站;傳統(tǒng)綜合自動(dòng)化變電站;繼電保護(hù)
隨著電力智能化技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展,國內(nèi)的電網(wǎng)設(shè)備也隨之不斷發(fā)展和更新,從最原始的RTU遠(yuǎn)動(dòng)模式,過渡到分層分布面向間隔的綜合自動(dòng)化變電站(以下簡(jiǎn)稱綜自變電站),再到如今新興的智能變電站。上海電網(wǎng)目前已投運(yùn)了智能變電站。面對(duì)這樣一個(gè)全新的變電站模式,運(yùn)維人員、繼電保護(hù)檢修調(diào)試人員,都面臨了全新的挑戰(zhàn)。
智能變電站采用先進(jìn)、可靠、集成、低碳、環(huán)保的智能設(shè)備,以全站信息數(shù)字化、通信平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)化、信息共享標(biāo)準(zhǔn)化為基本要求,自動(dòng)完成信息采集、測(cè)量、控制、保護(hù)、計(jì)量和監(jiān)測(cè)等基本功能,并可根據(jù)需要支持電網(wǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)控制、智能調(diào)節(jié)、在線分析決策、協(xié)同互動(dòng)等高級(jí)功能的變電站[1]。
IEC 61850規(guī)約作為一個(gè)越來越廣泛應(yīng)用的通信標(biāo)準(zhǔn),解決了變電站內(nèi)各IED設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)通信問題,實(shí)現(xiàn)了變電站內(nèi)信息共享和互操作性,簡(jiǎn)化了變電站集成和工程實(shí)施等問題,不同廠家設(shè)備可實(shí)現(xiàn)無縫連接,實(shí)現(xiàn)即插即用的終極目標(biāo)。
智能變電站的實(shí)現(xiàn)模式,大致有如下幾種總體方案:
(1)僅采用IEC 61850規(guī)約的過渡型變電站;
(2)采用IEC 61850規(guī)約與數(shù)字化CT/PT的實(shí)用型變電站;
(3)采用IEC 61850規(guī)約、數(shù)字化CT/PT、智能一次設(shè)備的完全型變電站。
1.1 傳統(tǒng)綜自變電站的結(jié)構(gòu)
傳統(tǒng)的綜自變電站,主要構(gòu)架可概括為兩層化的結(jié)構(gòu),也就是間隔層和站控層,見圖1[2]。
傳統(tǒng)的綜自變電站的最大特點(diǎn)就是,設(shè)備之間以直觀的物理連接進(jìn)行交互,以一個(gè)一個(gè)的回路間隔為單元,一次設(shè)備使用的是傳統(tǒng)斷路器、隔離開關(guān)、電壓互感器和電流互感器,通過二次電纜硬接線與保護(hù)和操作箱相連接。
綜自變電站具有直觀可視化、可觸及的特點(diǎn),作為成熟運(yùn)行多年的結(jié)構(gòu),已經(jīng)深入到運(yùn)行和檢修維護(hù)人員的心中。當(dāng)然其缺點(diǎn)也顯而易見,多而繁雜的二次交直流電纜的存在,設(shè)備與設(shè)備之間大多是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的硬連接,幾乎沒有互操作性。而且當(dāng)電流回路或者電壓回路發(fā)生故障時(shí),可能引發(fā)比較大的危害,危及設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的安全。
圖1 傳統(tǒng)綜自變電站的兩層化結(jié)構(gòu)[2]
1.2 智能變電站的結(jié)構(gòu)
相對(duì)傳統(tǒng)綜自變電站,智能變電站采用的是三層兩網(wǎng)的結(jié)構(gòu):過程層、間隔層、站控層三層;過程層網(wǎng)絡(luò)和站控層網(wǎng)絡(luò)[2],見圖2。
通過智能一次設(shè)備,光電流互感器、電子式電壓互感器,以及智能終端和合并單元的使用,將原來的模擬量轉(zhuǎn)變成數(shù)字量,通過更為可靠的光纖傳輸,解決了以往因?yàn)殡娎|接線故障而可能引發(fā)的對(duì)設(shè)備的危害,提高了設(shè)備運(yùn)行安全性。通過過程層GOOSE和SV網(wǎng)將遙信、遙測(cè)、遙控信息在保護(hù)和一次設(shè)備之間進(jìn)行傳遞。通過站控層MMS網(wǎng)絡(luò),來實(shí)現(xiàn)運(yùn)維人員對(duì)于站內(nèi)各個(gè)設(shè)備之間的信息交互。
圖2 智能變電站三層結(jié)構(gòu)
1.3 智能變電站相對(duì)綜自變電站帶來的改變
智能變電站和傳統(tǒng)綜自變電站的結(jié)構(gòu)區(qū)別如表1所示。智能變電站將傳統(tǒng)綜自變電站的電纜物理接線升級(jí)成了光纖和網(wǎng)絡(luò)化接線,其傳遞的不再是模擬量而是帶有時(shí)標(biāo)的數(shù)字量;而且相對(duì)于傳統(tǒng)綜自變電站中為大家所熟知的硬壓板都已經(jīng)被自動(dòng)化后臺(tái)上的軟壓板所替代,保留了檢修壓板作為硬壓板,僅為設(shè)備檢修維護(hù)、故障隔離時(shí)所使用。
表1 智能變電站和傳統(tǒng)綜自變電站的結(jié)構(gòu)區(qū)別
隨著智能變電站的深入應(yīng)用,對(duì)于繼電保護(hù)人員而言也帶來了一個(gè)非常大的變化,以往直觀的模擬量、點(diǎn)電位判斷方式,將被報(bào)文分析所替代。
智能變電站帶來的變化主要有如下幾點(diǎn)[3]。
(1)智能終端就地化,減少二次電纜使用量,取而代之為光纜;
(2)壓板模式發(fā)生了變化,保護(hù)裝置出口采用軟壓板方式進(jìn)行投退,檢修壓板作用發(fā)生重大變化;
(3)程序化操作成為了可能:IEC 61850 的應(yīng)用使保護(hù)等二次設(shè)備具備遠(yuǎn)方操作的技術(shù)條件;
(4)二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化,安全措施發(fā)生較大變化。自動(dòng)化、保護(hù)、通信等專業(yè)逐漸向大二次系統(tǒng)專業(yè)融合,運(yùn)行的操作流程、檢修維護(hù)規(guī)范發(fā)生改變;
(5)調(diào)試方法發(fā)生根本性的轉(zhuǎn)變:不僅僅局限于以往的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試,而是提前介入集成測(cè)試,在整齊、標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試環(huán)境中,完成對(duì)智能化設(shè)備的調(diào)試?,F(xiàn)場(chǎng)只需進(jìn)行相應(yīng)的整組試驗(yàn)就能完成整站的調(diào)試。
2.1 對(duì)于運(yùn)行人員日常操作和巡視的思考
智能變電站的投運(yùn),徹底改變了運(yùn)行人員日常的操作和巡視習(xí)慣。取代而之的是更為人性化的顯示,更為友好的人機(jī)見面,更簡(jiǎn)潔的操作界面以及更為堅(jiān)強(qiáng)的電網(wǎng)設(shè)備。
(1)日常操作。智能變電站帶來最顯著的變化就是:以往二次保護(hù)裝置屏前數(shù)量眾多、標(biāo)色鮮明的硬壓板極大程度的減少,取代而之的是對(duì)自動(dòng)化后臺(tái)界面上的虛擬軟壓板的投退。相對(duì)于以往直觀的硬壓板,軟壓板種類繁多。在日常操作中,哪些壓板需要投退,哪些壓板不該操作,對(duì)于運(yùn)行人員來說是需要仔細(xì)分辨清楚的。
當(dāng)然,相對(duì)于以往那些硬壓板的逐一投退,在后臺(tái)上投退軟壓板,顯著降低了運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度,但是對(duì)于操作時(shí)的仔細(xì)和嚴(yán)謹(jǐn)程度,要求更高了。
為數(shù)不多的硬壓板主要有:保護(hù)屏上的檢修壓板,以及智能終端上的出口硬壓板。檢修壓板的重要性相對(duì)于以往變電站中檢修壓板的作用,已經(jīng)完全不同。
傳統(tǒng)變電站保護(hù)中的檢修壓板在最后操作,作用是用于屏蔽裝置的故障、動(dòng)作信息,不上傳給站控層[4],從而減少設(shè)備檢修校驗(yàn)時(shí),校驗(yàn)引發(fā)的動(dòng)作告警等信號(hào)對(duì)正常監(jiān)盤的影響;而現(xiàn)在的檢修壓板一旦投入,則相關(guān)的GOOSE和SV報(bào)文中相關(guān)檢修壓板的標(biāo)志位會(huì)發(fā)生變化,這些變化將會(huì)直接影響相關(guān)接口IED設(shè)備的動(dòng)作行為。因此,在設(shè)備運(yùn)行的情況下,在日常的運(yùn)行、檢修中,運(yùn)行人員嚴(yán)格執(zhí)行對(duì)檢修壓板的投退,嚴(yán)禁擅自操作檢修壓板[5]。
設(shè)備的虛擬化、數(shù)字化在降低工作量的同時(shí),也帶來了一定的不安全因素。為了防止誤投入或者退出一些重要的軟壓板,自動(dòng)化后臺(tái)中是否需要考慮設(shè)置一些防范措施來更好地保證操作的可靠性,也是需要進(jìn)一步考慮的。
(2)日常監(jiān)盤和巡視。智能變電站增加了合并單元和智能終端。這些設(shè)備裝設(shè)在就地,因此一般工作工況會(huì)相對(duì)惡劣。但是它們作為過程層中最前沿交互斷路器、隔離開關(guān),以及電壓、電流互感器信息的設(shè)備,其運(yùn)行的正常與否,意義重大。因此在日常的巡視過程中,對(duì)于它們要重點(diǎn)關(guān)注。
智能變電站的網(wǎng)絡(luò)化特點(diǎn),也使得設(shè)備間隔的單元化概念被模糊化了,公共設(shè)備的概念有所擴(kuò)大,不同間隔的設(shè)備之間,有可能會(huì)共享一些數(shù)據(jù)信息,比如母線電壓等,而這些設(shè)備如果發(fā)生故障,將會(huì)影響到一連串設(shè)備的正常運(yùn)行。因此,對(duì)于設(shè)備的巡視要求也更高了。
此外,由于智能變電站內(nèi)部傳輸數(shù)字量的特點(diǎn),對(duì)時(shí)的可靠性要求大幅度提升,數(shù)字信息需要打上時(shí)標(biāo)才能有其特定的意義,特別是對(duì)于差動(dòng)保護(hù)而言,不同時(shí)刻的電流參與運(yùn)算會(huì)導(dǎo)致差動(dòng)量出現(xiàn)不平衡,所有只有同一時(shí)刻的電流和電壓的數(shù)字量才能組合起來,才能正確代表這一時(shí)刻電網(wǎng)潮流的實(shí)際運(yùn)行情況。因此,日常巡視中對(duì)于對(duì)時(shí)系統(tǒng)的檢查也至關(guān)重要。
2.2 對(duì)于檢修人員日常校驗(yàn)以及改擴(kuò)建工程中的思考
智能變電站對(duì)于繼保人員而言,帶來的變化是翻天覆地的。原先直觀的二次電纜變成了一根根光纖,原來遇到問題一般采取的萬用表點(diǎn)電位分析法,在智能變電站中將無從下手。在智能變電站的環(huán)境下,繼保人員需通過對(duì)報(bào)文的解析分析,來判斷相關(guān)保護(hù)的動(dòng)作情況,以及一些問題的癥結(jié)所在。這對(duì)于繼保人員而言,還需要對(duì)IEC 61850規(guī)約有所了解,對(duì)報(bào)文解析也需要一定程度上的掌握。
(1)日常校驗(yàn)安全措施。智能變電站設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化特點(diǎn),使得二次設(shè)備之間共享信息量大幅度提高。信息交互便捷性,對(duì)于檢修時(shí)做好安全隔離帶來一定的限制和難度。設(shè)備與設(shè)備之間的聯(lián)系越發(fā)緊密,當(dāng)一條線路二次設(shè)備進(jìn)行檢修時(shí),如何做好足夠的安全措施,確保其能夠比較徹底地與運(yùn)行設(shè)備隔離開,從而保障對(duì)檢修設(shè)備的操作不會(huì)影響到運(yùn)行設(shè)備。這是繼保人員面臨的一個(gè)問題。
智能變電站保護(hù)設(shè)備的特點(diǎn)是接線數(shù)字化、虛擬化。壓板基本以軟壓板為主,很少有硬壓板。其帶來的問題就是沒有明顯、直觀的斷開點(diǎn),而且不能簡(jiǎn)單的通過拔出光纖來作為隔離手段。
此時(shí)檢修壓板的功能為智能變電站檢修設(shè)備和運(yùn)行設(shè)備之間隔離,起到了一個(gè)非常重要的作用。檢修壓板投入后,GOOSE報(bào)文的test位會(huì)置1,只有接收裝置自身的檢修壓板也投上之后,才會(huì)對(duì)這一幀報(bào)文進(jìn)行處理,否則不進(jìn)入邏輯運(yùn)算。即接收?qǐng)?bào)文的test位和自身的檢修壓板的狀態(tài)相匹配時(shí),報(bào)文會(huì)被處理,否則不處理[3-6]。而對(duì)應(yīng)合并單元的SV報(bào)文,則是test位為TRUE或者FALSE,為TRUE時(shí),接收裝置自身的檢修壓板投入,那么該SV報(bào)文數(shù)據(jù)被接收進(jìn)入邏輯運(yùn)算。否則只顯示數(shù)據(jù)而不參與計(jì)算。這與GOOSE報(bào)文的test位判決相類似??偨Y(jié)而言,就是必須接收?qǐng)?bào)文和裝置自身的檢修狀態(tài)一致,則接收?qǐng)?bào)文并進(jìn)行邏輯運(yùn)算,否則不會(huì)進(jìn)行運(yùn)作。
充分利用檢修壓板以及報(bào)文的test位的一一對(duì)應(yīng)的特性,就可以較好地將運(yùn)行設(shè)備的正常報(bào)文數(shù)據(jù),與檢修設(shè)備之間發(fā)送的測(cè)試報(bào)文區(qū)別開,運(yùn)行狀態(tài)設(shè)備不會(huì)接受檢修狀態(tài)設(shè)備的報(bào)文,不會(huì)誤動(dòng)作。
但是,對(duì)于像母差保護(hù)這樣的公共設(shè)備卻有所不同。由于檢修壓板的特殊功能,其投入必須兩者匹配,如果發(fā)生不匹配,則報(bào)文就無法正常起作用。母差保護(hù)上接有多個(gè)回路,如果單獨(dú)校驗(yàn)?zāi)覆畋Wo(hù),將母差保護(hù)自身的檢修壓板打上,那么其發(fā)出的報(bào)文的test位會(huì)置1,則不會(huì)影響線路保護(hù)的運(yùn)行,不會(huì)誤跳閘。但是,如果反過來一條線路檢修,那么就只能打上與該線路相關(guān)的部分的檢修壓板,且母差內(nèi)接受此線路的SV軟壓板退出,GOOSE跳閘出口壓板退出,從而將這條線路脫離出運(yùn)行的母差保護(hù)。否則由于線路為檢修狀態(tài),母差中該回路并未退出,采樣數(shù)據(jù)不參與運(yùn)算將導(dǎo)致母差裝置被閉鎖。所以在檢修單條線路時(shí),應(yīng)做好相應(yīng)的安全措施和設(shè)置后,必要時(shí)可以在確定的情況下通過拔除光纖將檢修設(shè)備與運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行物理隔離。
此外,智能變電站相比傳統(tǒng)回路間隔多出了智能終端和合并單元,而且合并單元之間可能還有級(jí)聯(lián)關(guān)系,此時(shí)就要充分考慮級(jí)聯(lián)設(shè)備之間如果一個(gè)設(shè)備置檢修之后,對(duì)其他設(shè)備之間的影響。因此,智能變電站回路的安全措施相對(duì)于傳統(tǒng)回路而言,涉及面廣,而且要進(jìn)行多方面仔細(xì)考量。
(2)光纖設(shè)備可靠性。按照國網(wǎng)要求,為了確保采樣及跳合閘的正確性,保護(hù)及測(cè)控采取直采直跳組網(wǎng)模式。 即合并單元采樣后,SV報(bào)文直接上傳給保護(hù)及測(cè)控裝置,保護(hù)裝置及測(cè)控裝置跳、合閘直接下傳給智能終端,中途數(shù)據(jù)不經(jīng)過交換機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)。因此過程層網(wǎng)絡(luò)中SV不再單獨(dú)組網(wǎng),只包括GOOSE A 網(wǎng)、GOOSE B 網(wǎng)。由于光纖對(duì)電磁輻射具有天然的免疫,它成為了過程層網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)氖走x介質(zhì)[6-7]。而這直采直跳對(duì)于光纖的可靠性要求尤為重要,如果光纖發(fā)生問題,或者通信板卡發(fā)生故障,勢(shì)必會(huì)影響相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行,嚴(yán)重時(shí)可能造成拒動(dòng)。在日常檢修維護(hù)過程中,對(duì)于光纖設(shè)備功率、衰耗的監(jiān)測(cè),成為一個(gè)比較重要的內(nèi)容。
(3)改擴(kuò)建工程中的變化和需要注意的問題。智能變電站的調(diào)試階段,由于不僅僅局限于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試,而是在集成測(cè)試階段就開始介入,在整齊、標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試環(huán)境中,完成對(duì)智能化設(shè)備的調(diào)試。此時(shí)就需要在前期做好充分的準(zhǔn)備,在廠家的測(cè)試環(huán)境中,盡可能模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的運(yùn)行情況將設(shè)備組裝好,做好各種測(cè)試,來驗(yàn)證各種設(shè)備邏輯動(dòng)作的正確性。現(xiàn)場(chǎng)只需進(jìn)行相應(yīng)的整組試驗(yàn)就能完成整站的調(diào)試。
以往常規(guī)變電站是土建之后才開始介入調(diào)試,調(diào)試的主要部分都是在現(xiàn)場(chǎng)完成。智能變電站大部分調(diào)試工作都是在廠家就完成了,現(xiàn)場(chǎng)主要是進(jìn)行整組試驗(yàn)。因此,智能變電站前期投入的精力遠(yuǎn)比常規(guī)變電站改擴(kuò)建時(shí)投入的要多。
智能變電站有一個(gè)全站唯一的SCD文件,其是通過將變電站內(nèi)二次設(shè)備廠家提供的ICD文件導(dǎo)入配置為工具,再進(jìn)行配置形成的。其包含了變電站一次系統(tǒng)配置、二次系統(tǒng)配置,以及一二次關(guān)聯(lián)信息,還有通信網(wǎng)絡(luò)和參數(shù)配置,并提供給自動(dòng)化后臺(tái)的遠(yuǎn)動(dòng)作為依據(jù)。
SCD文件作為全站配置的唯一核心文件,需要對(duì)其版本做嚴(yán)格的管理。在后期改擴(kuò)建時(shí),必須在原有運(yùn)行SCD的基礎(chǔ)上進(jìn)行增加,但絕對(duì)不能對(duì)原有SCD進(jìn)行任何的改動(dòng)。任何一次SCD的改變,必須在配置工具中進(jìn)行相應(yīng)的記錄,并通過比對(duì)軟件確定修改部分,無添加或減少。這一點(diǎn)直接關(guān)系到是否會(huì)影響現(xiàn)有的運(yùn)行設(shè)備,是改擴(kuò)建過程中特別需要密切注意的。
目前上海已投運(yùn)了一座220 kV電壓等級(jí)的智能變電站,不過還在起步階段,對(duì)于該變電站的日常維護(hù)的流程和相關(guān)的安全措施也處在不斷的完善過程中?,F(xiàn)階段該變電站正在實(shí)施擴(kuò)建工作,如何保證新擴(kuò)建設(shè)備和原來的運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行銜接的過程中不會(huì)影響原來運(yùn)行設(shè)備的安全運(yùn)行,這是重中之重。
據(jù)了解,今后新投運(yùn)的變電站220 kV及以上電壓等級(jí)的變電站設(shè)計(jì)可能都將使用智能變電站的模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。這樣對(duì)于運(yùn)行和繼保維護(hù)人員來說勢(shì)必要更新自身的專業(yè)知識(shí),充實(shí)自身。
智能變電站應(yīng)用的不斷推廣也為電網(wǎng)設(shè)備帶來一個(gè)全新的階段,有了智能變電站,通過設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交互,實(shí)現(xiàn)交流設(shè)備的程序化操作將成為可能,這樣能真正實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)設(shè)備的自我管理。隨著二次設(shè)備的智能化、數(shù)字化的推進(jìn),二次設(shè)備自身狀態(tài)的自檢測(cè)也更加易于實(shí)現(xiàn)。這樣將進(jìn)一步推進(jìn)狀態(tài)檢修的進(jìn)程,能夠更好地降低檢修維護(hù)人員的工作量,提高供電設(shè)備的可靠性。
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(本文編輯:楊林青)
Thougths on Intelligent Substations in Shanghai
ZHU Jun-jie1, CAI Ying-cong1, SHAO Jian-feng2, CHEN Tie-min1
(1. Inspection & Maintenance Company, SMEPC, Shanghai 200063, China;2. Shanghai High Voltage Industrial Power Co., Ltd., Shanghai 200442, China)
This paper compares the differences in the structure between the comprehensive automation substation and the intelligent substation, and analyzes the changes of power grid brought by intelligent substations. Furthermore, it expounds the major tasks and different work of operation personnel and the relay protection maintenance staff working in this new mode of intelligent substations.
intelligent substation; comprehensive automation substation; relay protection
10.11973/dlyny201701010
朱俊杰(1984-),男,工程師,從事繼電保護(hù)、生產(chǎn)調(diào)度工作。
TM76;TM63
A
2095-1256(2017)01-0039-05
2016-11-15