徐思佳

摘? 要：本文根據(jù)基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化變電站的研究和運用成果，對江西某發(fā)電廠2×1000MW新建工程建設(shè)實用性數(shù)字化升壓站進(jìn)行論證和分析。結(jié)果表明：采用光纜取代電纜，數(shù)字量代替了模擬量的數(shù)字化升壓站，這將簡化各種設(shè)備和外部通信的結(jié)構(gòu)，并解決目前無法解決的不可靠的電纜自檢問題，并能依托更好的信息化和自動化實現(xiàn)進(jìn)一步的用人減少和效率的提高。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化? 升壓站? 電廠? IEC61850標(biāo)準(zhǔn)

中圖分類號：TM621? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）12（b）-0020-06

Abstract： Based on the research and application results of digital substation based on IEC61850 standard， this paper demonstrates and analyzes the practical digital booster station for the 2×1000MW newly built project of power plant in Jiangxi province. The results showed that the optical cable and digital quantity were used in the scheme instead of cable and analog quantity， which would simplify all kinds of devices， solve the unreliable problem such as cable connection can't self-check at present， And can rely on better information and automation to further reduce the number of people and improve efficiency.

Key Words： Digitization; Booster station; Power plant; IEC61850 standard

經(jīng)過十多年的發(fā)展，中國的升壓站自動化系統(tǒng)已達(dá)到一定水平，并在確保發(fā)電廠安全，經(jīng)濟運行中都起到了重要的作用。但是，仍然存在許多問題，例如：二次接線比較復(fù)雜，獨立和堆砌的功能以及缺乏數(shù)據(jù)等等。

為實現(xiàn)升壓站在電廠中有更好的應(yīng)用，有必要設(shè)計更加智能和高效的升壓站，而數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于升壓站有望實現(xiàn)這一目標(biāo)。

進(jìn)行數(shù)字化變電站的試點研究是從使用IEC 61850通信協(xié)議開始的，目前國內(nèi)有幾十個變電站使用了IEC 61850的通信規(guī)約。對數(shù)字化變電站進(jìn)一步的試點研究是IEC 61850的GOOSE應(yīng)用，使用GOOSE服務(wù)實現(xiàn)測控裝置的聯(lián)閉鎖功能，其中典型的應(yīng)用項目是桂林500kV的數(shù)字化變電站。國外對數(shù)字化變電站的研究也在深入中，其中針對IEC 61850第一版中不完善的部分，IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)委員會也在積極制定第二版的IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，使得IEC 61850更加適合我們的數(shù)字化變電站的發(fā)展需求。其中ABB、西門子、GE等國外相關(guān)企業(yè)同時也是IEC 61850的制定者，他們也都提供了自己的IEC 61850相關(guān)產(chǎn)品，電子式互感器產(chǎn)品，提供了全套的數(shù)字化變電站的解決方案，并進(jìn)行了相關(guān)的試點。本文根據(jù)基于IEC61850標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化變電站的研究和運用成果，對江西某發(fā)電廠2×1000MW新建工程建設(shè)實用性數(shù)字化升壓站進(jìn)行論證和分析。

1? 數(shù)字化升壓站基本形態(tài)

按照IEC61850的定義數(shù)字化升壓站自動化系統(tǒng)可以分為三個層次同時信息鏈接，如圖1所示。數(shù)字站控制層由系統(tǒng)主機、工作站等相關(guān)的設(shè)備組成，創(chuàng)建一個全站檢查站和控制中心，并且可以連接到調(diào)度中心，DCS通信等。220kV電站的站控層采用IEC61850通信標(biāo)準(zhǔn)，其模型規(guī)格描述能力得到了極大的改進(jìn)，設(shè)備的性能得到了極大的提高。

如圖1所示，間隔層里主要有中保護裝置等設(shè)備，過程層則主要有電子互感器等設(shè)備，主要是用來對數(shù)字通信與間隔層或處理過程之間的數(shù)字通信進(jìn)行相關(guān)的監(jiān)測的工具，過程層主要有電子互感器等相關(guān)的設(shè)備[1]。

這種模式的保護以及測控設(shè)備都以IEC61850為通信標(biāo)準(zhǔn)，另外，對于MMS通信以及過程層GOOSE通信也支持。由于安全性和可靠性，在過程層中，需要建立獨立的光纖以太網(wǎng)光纖系統(tǒng)。在以太網(wǎng)通信站的控制中心，升壓站線路和變壓器保護以及高壓廠用電綜合保護測控裝置直接連接到以太網(wǎng)端口上的電源監(jiān)控系統(tǒng)，通信協(xié)議主要是MMS。而低壓廠用電保護測控裝置保留其原來的RS-485等傳統(tǒng)串口通信方式，這些裝置通過串口連接至通信管理機。

在過程層，間隔層設(shè)備的大多數(shù)中間鏈接操作已被GOOSE高速通信設(shè)備取代，從而簡化了二次電系統(tǒng)設(shè)計。

2? 500kV升壓站數(shù)字化實施方案

2.1 總體方案

升壓站規(guī)模及主接線：該電二種將兩500kV線路連接至撫州變電站。在項目的第一階段，將2×1000MW機組連接到發(fā)電機變壓器單元，并連接到廠的500kV配電裝置。500kV輸電設(shè)備采用半斷線方案。起備變直接連接到500kV總線。（1）整個站是根據(jù)IEC 61850的通信協(xié)議，使用千兆位連接，間隔層至過程層數(shù)據(jù)采樣用標(biāo)準(zhǔn)IEC60044-8方式傳輸;信息交換和傳輸基于網(wǎng)絡(luò)模式，各種網(wǎng)絡(luò)和光纖作為通信點的標(biāo)準(zhǔn)IEC61850。（2）Goose網(wǎng)絡(luò)由保護和控制工具以及過程控制設(shè)備和智能控制設(shè)備組成。（3）500kV互感器使用帶有互感器配上合并單元，將傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器的模擬信號輸出轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，將其發(fā)送到每個保護測控裝置。（4）500kV系統(tǒng)保護、主變保護雙重化配置，500kV系統(tǒng)及主變測控獨立設(shè)置，站內(nèi)設(shè)置保護故障信息子站1臺，以上設(shè)備均集中組屏布置在二次設(shè)備室內(nèi)。（5）數(shù)據(jù)保護分站與網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控集成在一起，并且數(shù)據(jù)保護故障服務(wù)支持IEC 61850通信協(xié)議。

2.2 二次設(shè)備配置方案

2.2.1 合并器、智能終端配置方案及安裝位置

圖2顯示了500kV每串合并器、智能終端配置方案。每個電路的每臺斷路器均配備2條智能終端，以及一個中央開關(guān)和邊開關(guān)的CT用合并單元：每組（三相CT級別）均配備2個合并單元（雙重配置），并且該合并單元可以收集PT的信號。雙重化配置1面合并單元和智能終端放在智能就地柜中，智能終端含有操作回路，取消掉傳統(tǒng)操作箱。

每個主變的CT中性點都配備2個合并單元，每個主變都配備2個智能終端。在本體智能就地柜當(dāng)中雙重化配置一面合并單元，并且主變本體信號已連接到設(shè)備，并且跳閘使用Goose網(wǎng)絡(luò)。

2.2.2 間隔層設(shè)備配置

（1）保護設(shè)備配置。

根據(jù)智能變電站繼電保護技術(shù)規(guī)范，Q/GDW 441—2010要求保護裝置必須符合數(shù)字開關(guān)的要求，通訊接口必須使用IEC61850協(xié)議，交流采樣必須采用數(shù)字值，并且應(yīng)支持SV網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換格式。

①線路保護。

線路間隔MU、智能終端均按雙重化配置，具體的配置方式如下：

（a）按照斷路器配置的電流MU采用點對點方式接入各自對應(yīng)的保護裝置。

（b）設(shè)定的出線電壓對應(yīng)于MU的兩個雙線電壓MU，并且線電壓MU分別連接到線路保護設(shè)備上。

（c）點對點指示保護線和接頭的傳輸值，每條保護線必須能夠連接到同一電壓保護線MU 時間，即受影響的至少三個MU中的MU。

（d）智能終端的雙重配置對應(yīng)于兩個跳閘線圈，并具有分相跳閘功能;輸出命令行連接到相應(yīng)的閉合線圈。

（e）在線路間隔期間，線路保護設(shè)備和智能終端之間的點對點方法。分別接至兩個斷路器的智能終端[2]。

（f）線路保護啟動斷路器故障，并使用GOOSE 網(wǎng)絡(luò)傳輸方法再次進(jìn)行重合閘。合并單元提供給測控，錄波器和其他設(shè)備的樣本數(shù)據(jù)采用網(wǎng)絡(luò)傳輸方法。

②斷路器保護

斷路器保護按斷路器雙重化配置。具體的配置方式如下：

（a）當(dāng)配線不起作用或配線重疊時，仍然需要將線束連接至EVT線上的MU和中間配線從EVT側(cè)保護MU;

（b）邊斷路器保護，考慮同步功能檢查要求，將MU電壓連接到相應(yīng)的間隔電壓MU上，連接母線電壓，不考慮斷路器同步[2];

（c）斷路器保護裝置與合并單元之間采用點對點采樣值傳輸方式;

（d）斷路器保護與斷路器智能端子之間采用點對點直接跳閘方式;

（e）斷路器故障通過斷路器最近的智能端子處的GOOSE網(wǎng)絡(luò)以及母線保護（電路部分故障）和斷路器進(jìn)行傳輸。

③短引線保護。

短路保護必須同時連接側(cè)面電流斷路器電流和中間斷路器電流，并且開關(guān)應(yīng)切換到斷路器附近的無保護裝置。

④主變保護。

每臺主變配置2 套含有完整主、后備保護功能的變壓器電量保護裝置。

非電量保護就地布置主要運用的是電纜跳閘的方式，通常情況下，信息主要是對故障錄波進(jìn)行記錄。

（a）點對點方式將斷路器配置電流MU與保護裝置相連;

（b）接線的三分之二側(cè)的電傳感器與雙電壓轉(zhuǎn)換器MU是相對應(yīng)的，同時，主變電壓MU電壓需要和保護裝置相連接;

（c）在主變流器保護裝置和主變智能終端之間采用點對點直接跳閘;

（d）用GOOSE網(wǎng)絡(luò)傳輸方式對于斷路器失靈啟動進(jìn)行指令。

⑤母線保護。

每臺母線都配備兩組母線保護裝置。

母線保護接受直接采樣和直接跳閘。分布式母線保護主要是在元件連接數(shù)量非常多的情況。分布式線路保護由主機和幾個單元組成。主單元識別安全保護功能，子單元執(zhí)行采樣和跳閘功能。邊斷斷路器無法通過GOOSE網(wǎng)絡(luò)通信，以在總線上執(zhí)行其他故障功能。

⑥發(fā)電機組保護。

介于發(fā)電廠機組保護需接入的設(shè)備有：機組同期、勵磁系統(tǒng)、熱工保護等，本工程發(fā)電機組保護不考慮納入數(shù)字化升壓站內(nèi)。該保護的出口仍然采用硬接線方式接入相關(guān)裝置的硬接線通道。

（2） 測控裝置配置。

500kV間配備了一個測控制裝置，每間隔都配備了一套，它具有與常規(guī)綜合操作站相同的功能;測控制裝置安裝在相應(yīng)的測控柜中。

每個電壓等級級別都有一個母線測控設(shè)備，以實現(xiàn)母線電壓測量和TV刀閘開關(guān)功能的遠(yuǎn)程控制。全站邊界線線和控制柜（包括3個設(shè)備）。

全站設(shè)1臺公用測控柜（含2臺裝置），測量380V電壓、電流，公共設(shè)備（直流、UPS、GPS、故障錄波等）開關(guān)量信號及通信設(shè)備信號。

（3） 故障錄波器。

故障錄波器必須具有一組采樣數(shù)據(jù)網(wǎng)接口，從連接器中獲取數(shù)值樣本以記錄交流電量，建議使用GOOSE網(wǎng)絡(luò)接口在Goose網(wǎng)絡(luò)上獲取數(shù)字開關(guān)信號以進(jìn)行開關(guān)量錄波。

目前國內(nèi)大部分錄波廠家設(shè)備支持?jǐn)?shù)字化的交流采樣信號錄波，需配置數(shù)據(jù)集中器，將各間隔采樣數(shù)據(jù)匯集，通過一根光纜送給錄波裝置。目前投運的數(shù)字化變電站，錄波裝置均采用這種接線方式。

對于開關(guān)量錄波，目前還采用常規(guī)電纜接線方式，增加大量電纜，與數(shù)字化變電站的思路相違背。推薦采用網(wǎng)絡(luò)方式記錄開關(guān)量信息方式。

（4） 保護故障信息子站。

建議保護故障信息子站不單獨的組網(wǎng)，主要是因為保護裝置接受IEC61850協(xié)議進(jìn)而使設(shè)備之間能夠?qū)崿F(xiàn)通信的流通，并對相關(guān)信息進(jìn)行共享，對信息管理功能有更全面的了解。

故障錄波器宜單獨組網(wǎng)，直接保護故障信息子站。

2.2.3 防誤操作閉鎖

通過邏輯閉鎖軟件的運用，完成對于整個站的防誤閉鎖性能，另外，閉鎖回路需要與受控設(shè)備的操作回路相連[3]。

生成監(jiān)控系統(tǒng)防誤操作如下：間隔測控裝置用于識別間隔內(nèi)的防錯鎖;通過橫向通訊間隔測量和控制設(shè)備（使用Goose）實現(xiàn)故障之間的防錯鎖定。它獨立于站控制層工具運行。站控制主機具有內(nèi)置的閉鎖邏輯，以完成對錯誤預(yù)防規(guī)則的檢驗確認(rèn)。

2.2.4 時鐘同步方案

整個站都接受相同的時鐘源，并且將兩個GPS時鐘設(shè)置為彼此的備用時鐘，并且所有設(shè)備（保護、測控等）都接收B代碼同步對時。

合并器需要做到同步調(diào)節(jié)，另外，如果外部同步調(diào)節(jié)時鐘出現(xiàn)問題需要做到保持同步與電流樣品的值。

3? 傳統(tǒng)NCS控制方案與數(shù)字化方案的技術(shù)比較

3.1 傳統(tǒng)NCS控制方案概述

500kV網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)分為兩層，主要是站控層，另外還有間隔層。站控層設(shè)備負(fù)責(zé)監(jiān)控整個系統(tǒng)[4]。該設(shè)備安排在1，2號控制室和網(wǎng)絡(luò)機房中。它具有雙重冗余配置工作中心，五防培訓(xùn)工作站等，間隔層設(shè)備主要設(shè)計用于測量和控制單元以及網(wǎng)絡(luò)接口，適合于網(wǎng)絡(luò)繼電器室內(nèi)運作。500kV系統(tǒng)保護單獨組網(wǎng)，并有繼電保護工程師站設(shè)置。

操作人員對500kV斷路器以及隔離開關(guān)等進(jìn)行操作和管控。工程師站對于500kV NCS系統(tǒng)進(jìn)行編程。在間隔層當(dāng)中，每一個斷路器配置一個控制測量單元，這個單元主要是對當(dāng)前電壓樣本和交流樣本的采集等進(jìn)行控制[5]。間隔層的控制和測量部分可以監(jiān)視斷路器，并在中間層進(jìn)行獨立的間隔層監(jiān)視，并且中間層的任何故障都不會影響間隔層的性能。通過冗余通信光纜在間隔層和中央層之間進(jìn)行信息交換。站控制層實現(xiàn)與DCS單元和SIS級別管理系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信[6]。

對500kV線路母線側(cè)斷路器應(yīng)能進(jìn)行同步檢定，實現(xiàn)“捕捉”同步合閘（與發(fā)電機-變壓器進(jìn)線相連的中間斷路器和母線斷路器的操作由電廠自動準(zhǔn)同期裝置完成）。

為了確?？刂撇僮鞯陌踩院涂煽啃?，整個系統(tǒng)必須具有安全的保護，至少它必須能夠完成跳合閘閉鎖，使“五防”閉鎖功能得到實現(xiàn)。

該系統(tǒng)的所有電流和電壓信號均為模擬的量，而警報信號為開關(guān)量。通過信號和通信系統(tǒng)的控制回路都連接到電纜。有用于500kV NCS的遠(yuǎn)程控制通信服務(wù)，可以發(fā)送遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)并向狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)管理發(fā)送命令[7]。

3.2 數(shù)字化升壓站基本特征

數(shù)字升壓站是指用于采集信息，數(shù)據(jù)收集，傳輸，處理和輸出的全數(shù)字升壓站，它有著以下幾方面特點。

（1）設(shè)備智能化。

將數(shù)智能開關(guān)（或標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)）用于一次設(shè)備。一次和二次設(shè)備使用光纖傳輸嵌入式信息以交換信息，控制指令等。

（2）二次設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化。

通信網(wǎng)絡(luò)運用于二次設(shè)備之間進(jìn)行關(guān)閉控制電纜等相關(guān)信息的交換。

（3）統(tǒng)一的信息模型和通信協(xié)議。

所有信息使用的標(biāo)準(zhǔn)都是統(tǒng)一的，信息得到共享。

（4）運行管理自動化。

結(jié)合監(jiān)控，錯誤預(yù)防和在線監(jiān)控等功能，并添加高級應(yīng)用功能（例如自動故障分析系統(tǒng)等）以提高自動化水平并減輕工作量以及維護的難度。

3.3 優(yōu)越性比較

數(shù)字化升壓站特點如下：

（1）各種功能可能共享一個統(tǒng)一的信息平臺，以防止設(shè)備重復(fù)并減少投資。

所有數(shù)字化升壓站信息都包含集成信息模型，并根據(jù)統(tǒng)一通信標(biāo)準(zhǔn)連接到升壓站通信網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)控，VQC等系統(tǒng)一般在接收電流管道和狀態(tài)信息等指令的時候使用的是同一通信網(wǎng)絡(luò)，節(jié)約了不必要的投資，降低了相應(yīng)的成本費用。

傳統(tǒng)的升壓站使用不同的通信標(biāo)準(zhǔn)和信息模型來完成不同的任務(wù)，二次設(shè)備用于在一次設(shè)備和主要設(shè)備之間傳輸模擬信號和液位信號，不同的功能需要數(shù)據(jù)，傳輸和性能系統(tǒng)，增加了升壓站的成本。

（2）通信網(wǎng)絡(luò)取代復(fù)雜的控制電纜，簡化接線并節(jié)省投資。

計算機通信技術(shù)的運用實現(xiàn)了信息能夠在多個通道之間的傳輸，同時，使用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，通信線路的數(shù)量幾乎等于設(shè)備的數(shù)量。因此，將數(shù)字升壓站的二次接線簡單化[8]。

（3）提高信號傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

使計算機通信技術(shù)對于數(shù)字化升壓站的信號的傳輸進(jìn)行了解，使信號具有可靠性，它能夠減少信號傳輸?shù)腻e誤情況的發(fā)生，同時也能夠在錯誤出現(xiàn)時及時做出警報，另外，還能夠使信號干擾問題得以解決。

（4）避免電纜帶來的電磁兼容、傳輸過電壓和兩點接地等問題。

數(shù)字化升壓站一二次設(shè)備間采用絕緣的光纖進(jìn)行連接，徹底避免傳輸路徑在穿越強電環(huán)境下帶來的電磁干擾和傳輸過電壓對二次設(shè)備的影響。同時，也有效避免了傳統(tǒng)變電站兩點接地造成的繼電保護誤動作的情況發(fā)生。

（5）解決設(shè)備間的互操作問題。

用于數(shù)據(jù)支持和通信標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化升壓站的所有智能通信系統(tǒng)均符合IEC 61850標(biāo)準(zhǔn)，并且可以實現(xiàn)統(tǒng)一通信。IEC 61850的數(shù)據(jù)使用自我解釋的機制，不同的設(shè)備會由于設(shè)備的差異而顯示其數(shù)據(jù)。

在通信和通信模型中不使用傳統(tǒng)設(shè)備的二次設(shè)備。為了了解不同公司產(chǎn)品之間的通信情況，必須建立大量的規(guī)約轉(zhuǎn)換器，這增加了過程的復(fù)雜性以及設(shè)計，故障排除和維護的復(fù)雜性，從而降低了通信系統(tǒng)的可靠性。

（6）精簡設(shè)備配置、優(yōu)化場地布置。

傳統(tǒng)升壓站場地和控制室大量的控制電纜，無論對于設(shè)計、施工還是運行維護來講都存在很大的工作量。數(shù)字化站中大部分控制電纜被少量光纖、和通信電纜所代替。

光纜的應(yīng)用可以實現(xiàn)緊湊場地布置、縮小電纜溝體積、減少占地面積，減少二次接線，從而節(jié)省建設(shè)投資。

（7）設(shè)計、施工工作量減少。

對于設(shè)計環(huán)節(jié)，在傳統(tǒng)模式下，由于大量控制電纜的存在，使得變電站二次施工圖變得異常繁瑣，稍有不慎便會造成接線錯誤。需要對運用哪種方法對于設(shè)計過程進(jìn)行提速，同時節(jié)省時間等相應(yīng)的問題進(jìn)行思量。

數(shù)字化變電站的出現(xiàn)最大限度的減少了控制電纜，有機會讓二次設(shè)計人員從大量的接線端子排圖的設(shè)計中解決出來，把更主要的精力放在接線原理、系統(tǒng)集成及高級應(yīng)用上，有助于推動“精細(xì)化設(shè)計”的進(jìn)一步開展。

對于施工環(huán)節(jié)，由于大量控制電纜的減少，二次設(shè)備間采用少量的光纜及通信電纜進(jìn)行連接，可大大減輕施工人員現(xiàn)場接線、電纜敷設(shè)的工作量，進(jìn)而縮短施工周期。

4? 結(jié)語

采用光纜取代電纜，數(shù)字量代替了模擬量的數(shù)字化升壓站，這將簡化各種設(shè)備和外部通信的結(jié)構(gòu)，并解決目前無法解決的不可靠的電纜自檢問題，并能依托更好的信息化和自動化實現(xiàn)進(jìn)一步的用人減少和效率的提高，預(yù)計將在電力系統(tǒng)引發(fā)又一次類似于微機保護替代傳統(tǒng)保護的技術(shù)變革。

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